锂电池储能电站火灾抑制与安全防护分析.pdf

1152024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview0 引言电化学储能是新时期电力储能的关键技术，锂电池储能在电化学储能中占据重要地位。储能电站是储存锂电池资源的重要场所，但由于锂离子电池需要密集排布，储能过程会引起火灾、爆炸风险，造成不可预估的财产损失。因此，需要加强锂电池储能电站的火灾抑制管理，建立更加完善的安全防护机制，改善锂电池储能电站运行环境，确保储能电站安全运行。1 锂电池储能电站火灾原理及特点锂电池的主要结构包括正负极材料、电池外壳、电解液、隔膜、集流体，电池正极材料多为含锂化合物，如磷酸铁锂、三元锂。锂电池储能电站中，锂电池属于能量储存体，其火灾特性和普通火灾存在差异，火灾风险的本质是电池处于热失控状态，内部因电化学反应而产生热能、可燃气体。1.1 火灾原理锂电池处于热失控状态后，电池内会在持续放热后导致电池温度上升，温度达到 80 120时，电池负极表层的电解质界面膜会在高温条件下分解，导致电池负极失去保护层，温度持续升高收缩、融化隔膜，正负极出现短路现象，电池持续发热，内部电化学反应剧烈，同时产生大量热能、可燃气体1。温度达到 660后，电池内的铝箔熔化，可燃气体喷出，电池释放烟雾，遇氧气时出现燃烧、爆炸情况，继而引起火灾。1.2 火灾特点锂电池燃烧过程中，其内部的铝箔、SEI 膜、电解液、正负极材料会迅速分解，同时释放热量、有毒有害气体。因此，锂电池储能站的火灾风险具有以下特点。（1）燃烧快速，火灾蔓延速度快。SEI 膜分解后会产生氧气，且锂元素与和水反应后会产生 Li2O、H2，引起剧烈燃烧。（2）火苗容易复燃，灭火难度大。普通火灾在用灭火剂、灭火装置隔断氧气、破坏燃烧链后会逐渐熄灭，但锂电池发生火灾时，电池会处于阴燃状态，容易在明火熄灭后复燃。（3）毒性强，危害性大。锂电池燃烧会释放有毒有害气体和大量热能，气体中的五氟化磷会刺激人的眼睛、皮肤，处于潮湿环境时还会水解为有毒烟雾，带有毒性和腐蚀性，损伤人体健康。（4）火灾发生机理复杂，属于多类火灾，具体包含 A 类（固体）、B 类（液体）、C 类（气体）、D 类（金属）、E 类（带电）等火灾类型。2 锂电池储能电站火灾抑制现状火灾抑制是控制、防控锂电池储能电站火灾风险的主要手段，但当前锂电池储能电站火灾抑制时仍存在较多问题。2.1 消防标准不合理锂电池储能电站建设时，往往会以电化学储能电站设计规范 GB510482014（以下简称规范）为基础，但锂电池火灾较为复杂，火灾抑制难度大，规范中的电化学储能电站消防建设以常规工业建筑为参考，虽然对锂电池火灾进行了危险性分类，但忽视了锂电池作为能量载体时，可燃特性、热失控状态导致的连锁反应。2.2 消防设计不完善锂电池火灾机理复杂，且存在复燃风险，单一的消防系统无法满足锂电池火灾抑制的要求。当前运行的锂电池储能电站中，一些电站消防系统设计不完善，缺少消防给水系统、烟感和温感报警系统、七氟丙烷气体自动灭火系统。消防通风系统设计时，没有根据锂电池火灾时可燃气体的最低爆炸极限进行设计。2.3 消防观念落后锂电池火灾非常特殊，电池热失控时的危险性较强，容易造成人员伤亡。但很多锂电池储能电站对抑制火灾的宣传不到位，导致储能电站内部人员对锂电池火灾的认知不到位，抑制火灾时的隔离、防护、防爆观念不科学，不收稿日期：2023-06-05作者简介：丁伟（1988），男，安徽安庆人，工程师，研究方向：新能源车辆及储能电站安全监测防护、物联网信息。锂电池储能电站火灾抑制与安全防护分析丁伟（安徽中科中涣智能装备股份有限公司，安徽合肥 230088）摘要：为满足社会能源需求，锂电池储能电站的数量不断增加，但在该类电站投运过程中产生诸多安全风险，严重影响了储能电站的健康运行。基于此，结合锂电池储能电站的火灾特点，分析当前锂电池储能电站火灾抑制的现状，提出具体的安全防护措施，以协助锂电池储能电站建立“消防一体化”的火灾抑制体系，保障储能电站运行安全。关键词：锂电池；储能电站；火灾；安全防护中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1671-2064(2024)02-0115-031162024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview利于保障人员安全2。3 锂电池储能电站安全防护风险分析锂电池储能电站安全防护风险包括火灾、中毒、爆炸、触电等，其中火灾为储能电站安全防护面临的主要风险。3.1 火灾风险在所有电池储能电站中，锂电池火灾风险非常突出。锂电池过充过放、短路、挤压是引起火灾风险的主要原因，这些问题会直接激发电池的放热反应，造成电池热失控后引起火灾，这类风险具有起火速度快、毒性强、灭火困难等特点。3.2 爆炸风险爆炸风险包括储能电站内变电设备、电池本体的爆炸。比如，在锂电池热失控后，电池会产生大量烷烃类可燃气体。若电池处于室内，可燃气体的浓度会持续增加，遇明火就会发生爆炸。另外，储能电站的变电设备在锂电池热反应后会因电力短路、电弧升温发生燃烧和爆炸的风险。3.3 中毒风险中毒风险是指锂电池燃烧后会产生有毒气体。锂电池产生的气体中不仅包含氢气、甲烷等可燃气体，还包含氯化氢、氟化氢等有毒气体。这些有毒气体会刺激人的眼睛和呼吸道，诱发呼吸道炎症、溃疡，导致接触人员中毒3。3.4 触电风险锂电池储能电站长期处于带电状态，安全防护、隔离不到位都会引发触电风险。比如，接触锂电池储能设备时，一些元件会带电，若检修、运维人员没有穿戴防护用具，就会在接触元件后发生触电事故。3.5 灼烫风险锂电池热失控后会释放大量的热能，这些热能会灼伤人体，导致灼烫事故。一些带有腐蚀性的电池电解液、电极材料会在高温条件下使设备腐蚀，引起泄漏事故，使电站运维人员面临灼烫风险。4 锂电池储能电站火灾安全防护措施4.1 建立防消一体化安全防护系统为有效抑制锂电池储能电站火灾风险，还应建立“消防结合，防消一体”的安全防护系统。利用信息化手段，辅助锂电池储能电站安全风险的监测和监控。基于锂电池储能电站火灾风险，建立防消一体化系统，该系统由火灾探测、风险防控、灭火管理、消防监控等系统组成。其中火灾探测子系统可与火灾防控子系统联合应用，灵活探测锂电池火灾，判断火灾机理，启动灭火系统，抑制火灾事故的发生，具体框架设计如图 1 所示。火灾探测模块结合锂电池火灾特点，安装防爆型感温、感烟探测器，以及可燃气体、有毒气体探测器，分别设置在电池预制舱、储能电站内部，可在线监控储能电站内外部的烟气、温度、可燃气体，加强安全防护。火灾风险防控模块则具有火灾报警、可燃气体报警、火灾控制、消防信息传输等功能，可实时采集锂电池储能舱内的火灾信息，融合多数据后制定火灾控制方案，启动灭火设备，同时上传储能电站内消防设备的运行状态。另外，锂电池储能电站防消一体化系统中，锂电池预制舱中需设置独立的探测、报警装置，快速识别电池预制舱内的火灾风险，发出报警信息，将火灾风险损失控制在最小范围内4。4.2 实施锂电池综合防控模式锂电池储能电站安全防护过程中，为预防锂电池火灾，还应实施综合性防控模式，建立“源头+预警+火灾抑制”为一体的防控技术体系。（1）总结分析火灾构成要素，如氧化剂、燃料、火源等，结合锂电池火灾、其他安全风险，分析火灾要素，例如锂电池电极材料易分解、电解液易燃烧等。针对具体的要素探究风险源控制方法，针对性地研发高熔点、难以燃烧的锂电池材料，提升电池本体的安全防护能力。（2）建立联合防消一体化系统，加强锂电池储能电站安全预警。采集锂电池火灾、安全事故发生时的各项数据，如锂电池火灾时的烟气浓度、电池表面温度、设备电压、电流等数据。利用大数据技术、BIM 技术，建立可视化模型，呈现电池火灾关联特征量。通过数据分析预警安全风险，早发现、早处理锂电池火灾，快速抑制火灾，避免安全事故的扩大。（3）火灾抑制。锂电池火灾的扑灭难度较大，且存在复燃风险，在火灾抑制时应选择适合锂电池火灾的灭火剂。七氟丙烷在锂电池火灾风险产生后可有效抑制单体电池、电池簇的火灾，但对于锂电池预制舱内的火灾事故，还应通过大量的消防用水抑制火灾5。因此，还应加大对不同容量锂电池火灾灭火剂及其边界条件的研究，加大火灾风险抑制力度，维护锂电池储能电站的安全。4.3 建立分层联动应急机制分层联动应急机制是以控制锂电池储能电站安全事故损失为目标，建立可多主体联合进行安全防护的应急体图1 某锂电池储能电站防消一体化系统框架图1172024年1月下 第02期 总第422期油气、地矿、电力设备管理与技术China Science&Technology Overview系。结合锂电池火灾风险、其他安全事故的特点和危害性，对事故进行分级，制定多层次的应急预案。加强各方联动，共同为锂电池储能电站安全防护提供保障。另外，锂电池储能电站火灾安全防护时，还应建立“事前追踪、事中控制、事后追责”的应急管理制度，明确事故诱因，厘清安全风险责任，及时对相关主体进行追责。增强各方火灾安全防护的意识和责任，在分层联动应急机制运行中灵活运用锂电池储能电站安全技术标准，总结、利用先进经验，明确设备要求，优化消防配置，加强储能电站的运维检修，并结合锂电池储能运行特性、储能技术类别、业务场景制定安全技术方案6。4.4 完善锂电池安全管理系统锂电池火灾抑制的关键是识别火灾风险，快速鉴别锂电池热失控状态。因此，为保障锂电池储能电站安全防护效果，还应完善锂电池安全管理系统，并结合锂电池热失控的原因，制定对应的安全管理策略。在锂电池热失控前期，联动电池管理系统，快速隔离锂电池。部分厂家的电池安全管理方法是做好电池模块的温度采样，实时监测电池运行过程中的温度变化7。锂离子电池生产时，电池正极材料一般是通过表面包覆延迟、减少热失控造成的不良反应，可用 AlPO4（磷酸铝）、ZrO2（二氧化锆）、AlF3（氟化铝）包覆正极材料，改善锂电池的循环性、热稳定性。选用负极材料时，可将电池负极材料更改为 Li4Ti5O12（钛酸锂），以此确保锂电池本体的热稳定性。锂电池储能时的安全管理可集中在预制舱设计、消防设计、储能电站火灾抑制管理等方面。首先，锂电池预制舱可设计为非步入式，预制舱箱体周边开设入口，用于调试、运维预制舱，避免相关人员直接进入舱体作业。其次，结合锂电池火灾特点，综合考虑储能电站建设时的区域环境，以及消防用水、火灾隔离、事故应急条件，同时选用适合锂电池火灾的灭火剂。最后，加强消防验收、应急配置工作。建设锂电池储能电站时，建设单位还应结合区域内锂电池火灾的抑制、安全管理要求，检验储能电站消防设计方案，消防验收合格后方可投入使用。5 结语为满足锂电池储能电站安全抑制管理的根本要求，还应结合锂电池储能过程中的火灾风险，深入分析火灾诱因，制定安全防护措施。同时，基于“预防为主，防消结合”原则，从安全预警、火灾抑制、安全防护等角度出发，健全锂电池储能电站安全管理体系，有序处理锂电池储能电站安全问题，降低火灾等安全事故的发生概率，促进我国电池储能事业的健康发展。参考文献1 贾超,赵霞,张妍.锂电池储能电站火灾风险分析与对策探讨J.电力安全技术,2022,24(6):23-26.2 徐亮.锂电池储能电站防消一体化系统设计及控制策略J.太阳能学报,2022,43(5):478-483.3 蔡晶菁.锂离子电池储能电站火灾防控技术研究综述J.消防科学与技术,2022,41(4):472-477.4 蔡喜洋,乔都助,孙烈武,等.锂离子电池储能电站火灾事故处置研究J.化工安全与环境,2022,35(7):10-13,17.5 蔡兴初,朱一鸣,陈彬,等.锂电池储能电站消防灭火设施研究与设计J.给水排水,2021,57(6):110-115.6 徐国栋,王坚嵘,石一峰,等.电池储能电站安全问题分析与对策J.电力安全技术,2020,22(9):60-63.7 朱江,张宏亮.锂电池储能系统火灾危险性及防范措施J.武警学院学报,2018,34(12):43-45.Fire Suppression and Safety Protection Analysis of Lithium Battery Energy Storage Power StationDING Wei(Anhui CAS-Zhonghuan Intelligent Equipment Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230088)Abstract:In order to meet the demand of social energy,the number of lithium battery energy storage power stations has increased.However,there are many safety risks in the operation of such power stations,which seriously affect the healthy operation of energy storage power stations.Therefore,based on the fire characteristics of lithium battery energy storage power station,this paper analyzes the current situation of fire suppression of lithium battery energy storage power station,and puts forward specific safety protection measures.In this way,we can assist the lithium battery energy storage power station to establish a fire protection integration fire suppression system to ensure the safe operation of the energy storage power station.Key words:lithium battery;energy storage power station;fire;safety protection