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储能消防：储能电站电池系统火灾特点及消防系统设计！
储能是建设未来可再生能源高占比能源系统、推动能源绿色转型发展的重要装备基础和关键支撑技术，其具有的双向功率特性和灵活调节能力可以有效解决大规模可再生能源并网对系统带来的诸多问题，能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，未来将在电力系统中得到广泛应用。
然而目前电池型储能因其本身结构特性，其在使用过程中仍存在较大安全风险，这在一定程度上限制了储能在电力系统中的应用与发展。因此，明确电池型储能电站火灾特点并根据特点完善相应的消防设计具有较强的实际意义。
锂电池特点
与其他类电池相比，锂电池具有相对较高转换效率以及较长可使用的寿命。得益于技术的快速发展以及成本的下降，目前锂电池新增应用规模远高于其他种类的电池。但是锂电池技术的安全问题仍未很好解决，不当地使用会造成电池热失控。锂离子电池热失控后，电解液导电率升高，内阻减小，发生剧烈的电化学反应，分解出的可燃气体如 CO、CH4 等，进一步与空气混合形成爆炸性混合气体，遇锂电池喷射出的高温颗粒，在局部空间会发生爆燃，导致起火初期经常伴有爆炸声响，最终造成火灾甚至爆炸。如下图所示：
锂电池现阶段受到关注较多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池。与磷酸铁锂电池相比，三元锂电池热失控温度较低，发生火灾时电池内部化学反应更为剧烈，反应过程中会产生氧分子，进而加剧易燃气体的燃烧，甚至可能在极短时间内产生爆燃。韩国多采用三元锂电池系统，而国内的锂电池储能电站基本均为磷酸铁锂电池。
电池系统火灾特点
储能电站电池系统的火灾特点如下。
燃烧速度快、温度高，扑灭后复燃性高。电池内部存在大量易燃高能量密度物质，内部一旦出现热失控，易引起连锁反应最终引发火灾爆炸。以锂电池为例，发生火灾后电池的燃烧速度及温度高于一般电气设备，最高温度甚至能够超过 1000 ℃。扑灭明火后由于电池内部化学反应可能未被终止，出现复燃现象的几率较高。
电池燃烧过程中伴随大量气体产生，一方面逸出气体成分复杂，根据美国消防协会(NFPA)发布的试验结果表明，在火灾初期电池将释放包括 H2、CO、CH4、苯等在内的大量气体。其中部分气体如 H2、CH4 将加速火灾发展，而 CO、苯等有毒气体将威胁救援人员人身安全。另外以上气体的逸出速度极快，如果无法得到有效释放将引起电池包爆炸。
火灾被扑灭过程中，即使切断外界电源，由于电池内部能量的存在，部分电池端将仍存在电压，对扑救人员人身安全造成威胁。
消防系统设计方案
储能电站电池系统火灾过程可划分为 3 个阶段，分别为预警阶段、遏制阶段以及灭火阶段。消防系统方案设计应更根据 3 个阶段各自的特点制定具体措施。预警阶段应充分利用监控装置信息提供可靠的事故预警。遏制阶段则是通过预设的多级防护措施在电池系统发生热失控等初期问题后，尽量将事故控制在小范围内。而灭火阶段则需要依靠提前制定的最为有效的灭火手段降低事故危害及损失。
(1)安全预警
对电池箱内电解液泄露、热失控数据进行全天候、连续性检测，形成电池系统工作状况的完整监控，为事故预警提供详细数据，做到问题早发现，并有效防止事故误报与漏报的发生。目前市场上针对储能消防预警系统的传感器，除了对常规的烟雾、一氧化碳、温度、火焰监测外，还可对电池系统热失控早期预警特殊类气体如氢气、苯类气体进行探测，后台分析程序则一方面根据传感器实时探测结果，判断当前是否有热失控发生的可能;另一方面，则通过对比电池防爆阀打开前后一氧化碳、氢气等气体浓度的变化情况，判断已发生热失控电池的状态，为储能电站人员下一步决策行动提供依据，降低对储能电站内人员人身安全的威胁。
(2)多级防护
储能电站内的消防系统可采用多级防护设计形式，分别对电池单元体、电池柜体、储能集装箱防护和外部消防防护设置 4 级消防防护。对电池单元体，利用巡检装置对每个电池单元体当前状态进行检测，一旦发生过充或温度过高可能，防护系统能及时将信息上报至运维人员，判断是否需采取应急措施防止情况恶化。对电池柜整体，可将预警系统接入电池管理系统后台，采用联动式策略，一旦发生火灾及时切断电池柜内外电源联系，并利用柜内灭火装置阻止火灾发展。储能集装箱防护则在电池单元体、电池柜体内部火灾未得到有效控制，火情在集装箱内部进一步扩大时，及时关闭空调、排风等系统，启动集装箱内预先装设的气体灭火装置，阻止火灾进一步蔓延。外部消防防护则在火灾蔓延趋势已形成并存在继续扩大的情况下，以大量雨淋式水消防来控制火情，为下一步消防救援争取时间。
(3)火灾扑灭
我国尚未形成针对扑灭电池类火灾的灭火剂的有效性试验标准及方法。目前使用较多的灭火剂包括干粉灭火剂、凝胶灭火剂、惰性气体灭火剂(如二氧化碳)等。很多国家机构对不同类型灭火剂在电池类火灾中发挥作用进行了试验研究，各类灭火剂灭火特性差别较大。
电池系统一旦出现明火后，宜针对火灾发展的各个阶段采取不同的扑灭措施。火灾初始阶段一般是整个电池火灾过程中火焰温度最高的阶段，利用自动灭火装置喷放气体灭火剂(如七氟丙烷、全氟己酮)降低锂电池的火焰强度，将有效控制火灾范围并减小火灾损失。此过程需注意适当打开泄压口，防止由于气体大量产生造成环境压强过大而引起危险。电池起火采用水淹没的方式可以有效冷却电池并中和热威胁，因此，在火灾发生中后期利用大量水或水基型灭火剂进行灭火降温是较为有效的措施，如果现场条件允许，也可采用水浸没方式来控制电池火灾。
当前中国可再生能源正处于快速大规模发展时期。而在可再生能源发展中，储能占据极其重要的地位。但是目前储能的安全问题尚未得到妥善解决，本文着重探讨了储能电站电池系统火灾特点以及相应的消防设计要点，为储能电站未来的建设与安全运行提供一定的参考意见。
