長沙市消防救援支隊 向 峰

1 引言

在“雙碳”背景下，風(fēng)能、太陽能等可再生能源逐漸成為電力系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的重要能源。工程建設(shè)過程中，消防安全一直非常重要，如果儲能電站行業(yè)尚未建立統(tǒng)一的安全標(biāo)準(zhǔn)、安全措施也不夠健全可靠，會導(dǎo)致不良后果。所以，相關(guān)部門必須密切關(guān)注消防安全，制定更加嚴(yán)格的規(guī)章制度，推行全面安全管理，確保儲能電力行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。因此，只有通過采取切實有效的安全措施，儲能電功率行業(yè)才能實現(xiàn)長遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

2 項目案例

2021年5月，L 地區(qū)電力有限公司承建的200kV分布式儲能電站正式投入運用，占地約2000m2，該儲能電站額定功率為200kW，儲存電量700kWh，電力類型采用的是LFP（磷酸鐵鋰，簡稱鋰電池）作為儲能材料，運行年限可達(dá)25年，日發(fā)電量可達(dá)640kWh，是目前我國較大規(guī)模的電化學(xué)儲能電力系統(tǒng)項目。該儲能電站共建有二十多個電池儲能預(yù)制艙[1]，1棟配電控制樓如圖1所示。其中，配電控制樓的占地面積約480m2，高21.5m，建筑物為丙類建筑一級耐火等級，而電池儲能預(yù)制艙則分布于配電控制樓的周圍，同時每2座電池儲能預(yù)制艙之間設(shè)置有間隔距離為3m 的防火分區(qū)。當(dāng)前，該儲能電站內(nèi)部的消防滅火設(shè)施配置包括：22座電池艙內(nèi)的七氟丙烷滅火裝置以及干粉滅火器，站外配置有配滅火砂箱。

圖1 儲能電站架構(gòu)

3 消防滅火設(shè)施設(shè)計

針對LFP 鋰電池、儲能預(yù)制艙一級配電控制樓進(jìn)行分析后，必須遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范，以確保安全性和滅火介質(zhì)的合理選擇。為此，在該儲能電站的電池艙內(nèi)部應(yīng)設(shè)立適當(dāng)?shù)臏缁鹣到y(tǒng)，并在室內(nèi)外設(shè)置冷卻水系統(tǒng)滿足需求，同時還需要配置適量滅火器具，采用5G 智慧消防技術(shù)，從而能夠全方位地做好消防安全防護(hù)工作。

3.1 電池預(yù)制艙滅火系統(tǒng)

由于LFP 鋰電池溫度過高時的風(fēng)險較高，因此應(yīng)當(dāng)結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)的實際情況，設(shè)定各類建筑的火災(zāi)危險等級，并以此為依據(jù)選擇消防噴水滅火系統(tǒng)的出水強(qiáng)度[2]。

一是該儲能電站設(shè)計的細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，主要是以每一座儲能電池艙作為一個防護(hù)區(qū)，實現(xiàn)分區(qū)控制，共計設(shè)有20個防護(hù)區(qū)及1個水泵，儲能電站和預(yù)制艙火災(zāi)的滅火措施主要包括細(xì)水霧。細(xì)水霧是一種針對電池預(yù)制艙火災(zāi)的有效方法，能夠通過表面冷卻、阻止輻射、隔離熱量和濕潤等方式進(jìn)行滅火。此外，細(xì)水霧噴灑還會伴隨乳化作用，在實際的滅火過程中，可以產(chǎn)生多種化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)一步加強(qiáng)滅火效果。通過采用這種先進(jìn)的滅火技術(shù)，可以快速、高效地控制并撲滅火災(zāi)，確保儲能電站和預(yù)制艙的安全。該系統(tǒng)原理是依據(jù)1個水霧噴頭保護(hù)1塊電池模塊，所以需要在20個儲能預(yù)制艙內(nèi)均安裝水霧噴頭，共計200個噴頭。

二是試驗結(jié)果表明，當(dāng)水霧系統(tǒng)的噴嘴壓力為6MPa 時，罩面兩側(cè)的罩紋呈圓弧形，同時，水霧的噴射速度不斷增大，從而增大了水霧的射程。因此，該系統(tǒng)降低了水霧噴嘴的壓力。調(diào)整為6MPa，根據(jù)磷酸鐵鋰電池暴露于火焰時的測試結(jié)果確定噴霧強(qiáng)度。設(shè)計噴嘴用水量約為2.8L/min，最終該水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計的用水量約560L/min。相較于傳統(tǒng)的水霧噴頭結(jié)構(gòu)，LFP 鋰電池儲能預(yù)制艙的水霧系統(tǒng)噴頭結(jié)構(gòu)更加扁平化[3]，并且在表面還設(shè)置相應(yīng)的噴嘴噴頭，確保噴出的水霧能夠呈現(xiàn)水平垂直狀態(tài)準(zhǔn)確攝入到電池模塊內(nèi)以達(dá)到滅火的目的。儲能電站水霧滅火系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 儲能電站水霧滅火系統(tǒng)

三是當(dāng)水霧系統(tǒng)正式啟動到預(yù)制艙內(nèi)電池組模塊火勢基本被撲滅，整個時長約為28s，不過在水霧系統(tǒng)停止噴射后約8min 后，該預(yù)先準(zhǔn)備好艙內(nèi)的電池組模塊就再一次產(chǎn)生了復(fù)燃現(xiàn)象，而此時的水霧系統(tǒng)及時探測并開啟了噴射設(shè)備，并在6s 時間內(nèi)將火勢全部熄滅，此后水霧系統(tǒng)又繼續(xù)噴射約10min，電池組模塊就再無復(fù)燃現(xiàn)象。這項試驗結(jié)果表明，盡管電池的起火被熄滅，但是因為電池里面仍然存在著化學(xué)物質(zhì)，所以必須繼續(xù)冷卻整個滅火流程，以確保對火勢的完全控制。儲能電站中的電池艙以及電池模塊中的空間位置有限，因此火災(zāi)風(fēng)險系數(shù)更高，所以水霧系統(tǒng)的持續(xù)噴霧時間需要盡可能地延長，再考慮到LFP 鋰電池發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致二次復(fù)燃現(xiàn)象，所以整個水霧系統(tǒng)持續(xù)噴霧的時間可設(shè)置為100min 以上，具體精準(zhǔn)的時間需要視現(xiàn)場實際情況而定。

四是當(dāng)該儲能電站的電池預(yù)制艙內(nèi)電池模塊發(fā)生火災(zāi)后，該水霧滅火系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度傳感器、煙霧傳感器等，第一時間啟動系統(tǒng)裝置，向存在著火區(qū)域的電池模塊組噴射水霧以進(jìn)行撲救。該系統(tǒng)除可以對著火的電池模組進(jìn)行大火熄滅以外，還能夠?qū)κＳ嗷痣姵啬K組件進(jìn)行冷卻保溫，為避免由于環(huán)境溫度過高所引起的因內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈而導(dǎo)致起火，該系統(tǒng)可以對未著火的電池模塊組件噴灑水霧后，不干擾其正常應(yīng)用。

五是本系統(tǒng)將配置4種不同的開關(guān)控制方式，即自動控制、手動控制、遠(yuǎn)程控制以及緊急制動。由于考慮到LFP 鋰電池本身會受到溫度過高導(dǎo)致出現(xiàn)大量白煙，同時還伴隨著大量CO、CH4等易燃?xì)怏w產(chǎn)生[4]。因此，在系統(tǒng)裝置設(shè)計過程中除了配置有傳統(tǒng)的溫度傳感器、煙霧報警器外，還需要在預(yù)制艙內(nèi)部增設(shè)易燃?xì)怏w報警器，用于感應(yīng)預(yù)制艙內(nèi)電池模塊出現(xiàn)熱失控時所產(chǎn)生的易燃?xì)怏w的濃度。

六是針對電池預(yù)制艙的消防排水系統(tǒng)而言，首先需要保證艙內(nèi)的各組電池模塊的每一塊電池側(cè)面都留有適當(dāng)?shù)目p隙，確保能夠?qū)⒒馂?zāi)時所產(chǎn)生的煙霧氣體及時排出，同時也能夠有助于水霧的及時排出，其次還需要確保整個電池預(yù)制艙的底部位置設(shè)有相應(yīng)的地漏，保障地漏的間隔為1.5m，總通流量控制在10L/s 左右。

3.2 冷卻水系統(tǒng)

由于LFP 鋰電池在發(fā)生火災(zāi)時的溫度較高，而在熱失控時的溫度較低，進(jìn)一步增加了火災(zāi)的嚴(yán)重性和擴(kuò)散風(fēng)險。因此，在使用細(xì)水霧系統(tǒng)進(jìn)行電池艙滅火時，需要通過對艙體外部進(jìn)行溫度冷卻來應(yīng)對火勢。同時，在控制已著火的電池艙火勢時，必須降低附近電池艙的溫度，以防止火勢進(jìn)一步蔓延。電池艙發(fā)生火災(zāi)屬于固體及電解液火災(zāi)，因此，可以設(shè)置相應(yīng)的冷卻水系統(tǒng)，假設(shè)火災(zāi)發(fā)生的時間為5h，為了保證電池艙的安全運行，可以考慮在內(nèi)部配置專門的冷卻水系統(tǒng)。同時，需要在電池艙外面設(shè)置室外消防栓，以便使用消防水槍對電池艙進(jìn)行移動式冷卻操作。依據(jù)消防用水相關(guān)條例規(guī)定，其用水量見表1。

表1 電池艙冷卻系統(tǒng)用水量

4 儲能電站消防保障措施

4.1 建筑耐火級別

為了杜絕火災(zāi)和防止火勢擴(kuò)大，廠房都有特定的防火分區(qū)，并嚴(yán)格規(guī)定了面積、材質(zhì)等。針對高層分租式廠房而言，每個防火分區(qū)的最大允許建筑面積為3000m2，防火等級為一級。通過明確廠房防火分區(qū)以及合理規(guī)劃建筑耐火級別和建筑面積，能夠科學(xué)防范火災(zāi)，有效地將火勢控制在一定范圍內(nèi)，減少火災(zāi)的損失。

4.2 滅火器材配置

一是個人防護(hù)裝備配置。鑒于電化學(xué)儲能電站的火災(zāi)風(fēng)險特征，必須認(rèn)真考慮保障電站內(nèi)外所需個人防護(hù)裝備的安全性，包括防火、防電擊以及有毒氣體的防護(hù)，并確保供應(yīng)充足的數(shù)量。

二是滅火器具配置。根據(jù)《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的電力設(shè)備防護(hù)要求，儲能電池預(yù)制艙和配電控制樓應(yīng)當(dāng)全面配置干粉型滅火器。

三是輔助器材配置。在儲能電站的內(nèi)外部配置中，需要使用各種輔助器材確保安全。這些輔助器材包括電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、漏電監(jiān)測儀、溫度探測儀以及有毒氣體探測儀等專業(yè)設(shè)備。設(shè)備的主要作用是在滅火之前對現(xiàn)場有毒氣體、溫度以及漏電等情況進(jìn)行檢測。這些設(shè)備的應(yīng)用能夠提高儲能電站的安全性，保護(hù)人員和設(shè)備免受潛在風(fēng)險的威脅。

4.3 5G 智慧消防技術(shù)

信息化技術(shù)在電化學(xué)儲能電站的消防建設(shè)過程中能夠有效地提升滅火效率，保障生命及財產(chǎn)安全。將先進(jìn)的信息化技術(shù)應(yīng)用到儲能消防安全建設(shè)與管理中，能夠充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢與價值。當(dāng)前5G 智慧消防技術(shù)推動著新能源儲能產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，使消防技術(shù)從扁平化轉(zhuǎn)變成為立體化。通過對電站各個區(qū)域內(nèi)所安裝的監(jiān)控視頻進(jìn)行智能化分析，并且能夠在原有的智能報警系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加可視化監(jiān)測，進(jìn)而能夠有效實現(xiàn)現(xiàn)場火勢情況動態(tài)感知、智能化研判以及精準(zhǔn)布點防控，從而進(jìn)一步保證電站電力設(shè)施設(shè)備以及人員的安全。

5 結(jié)語

隨著儲能技術(shù)發(fā)展及生產(chǎn)應(yīng)用，新能源發(fā)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)中的電化學(xué)儲能對于其承載力的提升同樣也發(fā)揮著重要的作用。因此，對電化學(xué)儲能消防提出加強(qiáng)消防自動滅火建設(shè)、消防安全設(shè)施設(shè)備優(yōu)化以及構(gòu)建信息化消防水源等消防安全防范措施，能夠在一定程度上降低電站儲能火災(zāi)發(fā)生概率，有效提升電站儲能消防安全性能。