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談談電化學儲能電站火災分析及處置措施研究

發(fā)布時間: 2024-09-09  點擊次數(shù): 102次

安科瑞 陳聰

摘要:針對電化學儲能電站發(fā)生火災后滅火救援時間長、難度大、易造成處置人員傷亡的問題,通過介紹電化學儲能電站基本常識和目前的安全狀況,分析電化學儲能電站火災特點和目前存在的突出問題,就如何加強電化學儲能電站火災處置能力,確保處置人員在處置過程中的安全提出意見和建議,為消防救援隊伍安全有效處置此類災害事故提供參考。

關鍵詞:消防;儲能電站;電化學;火災

0 引言

儲能電站主要分為兩大類:一類是抽水蓄能電站,一類是電化學儲能電站。主要用于城市電網(wǎng)填谷調(diào)頻、調(diào)峰、商業(yè)區(qū)輔助用電、電動車充電等。目前,我國除抽水蓄能電站外,大規(guī)模應用的主要為電化學儲能電站。過去,大多數(shù)人對儲能電站缺乏了解和認識,2021年4月16日,北京市豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬場某公司儲能電站火災事故,造成3人死亡(其中2人為消防員)、1人受傷,引發(fā)了社會廣泛關注,人們開始重新審視儲能電站的安全情況。經(jīng)過查閱相關資料,發(fā)現(xiàn)隨著儲能電站裝機規(guī)模不斷擴大,近年來國內(nèi)外電化學儲能電站發(fā)生了多起火災事故,且大多數(shù)為鋰離子電池火災,因此本文以鋰離子電池儲能電站為重點進行研究討論。

1 電化學儲能電站基本常識

據(jù)世界能源理事會(WEC)發(fā)布的《儲能監(jiān)測:2019發(fā)展趨勢》報告預測,到2030年全球儲能裝機總量將達到250GWh。

1.1主要部件

電化學儲能電站包括儲能單元、功率變換系統(tǒng)(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)等組成。

1.1.1儲能單元

由電池組、電池管理系統(tǒng)及與其相連的功率變換系統(tǒng)組成的*小儲能系統(tǒng)。

1.1.2功率變換系統(tǒng)(PCS)

與儲能電池組配套,連接于電池組與電網(wǎng)之間,把電網(wǎng)電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網(wǎng)的系統(tǒng),主要由變流器及其控制系統(tǒng)構成。

1.1.3電池管理系統(tǒng)(BMS)

監(jiān)測電池溫度、電壓、電流、荷電狀態(tài)等,為電池提供通信接口和保護的系統(tǒng)。

1.2電站分類

1.2.1按電化學儲能電池類型

按電化學儲能電池類型分為鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池、超級電容等方式。鋰離子電池占電化學儲能58%,占比*大,常見為以鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池。不同種類的電池安全風險排序為:鉛酸電池<磷酸鐵鋰材料電池<三元材料電池<鈉流電池。

1.2.2按規(guī)模

按規(guī)模分類分為小型、中型和大型。其中,容量為1MWh以下為小型電化學儲能電站;容量為1~30MWh的電站為中型電化學儲能電站;容量為30MWh以上為大型電化學儲能電站。

1.2.3按照電站用途

按照電站用途分為發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶側三種使用方式。其中,用戶側通常位于城市商業(yè)區(qū)、大型商場、大學城、電動車充電配套的發(fā)電、儲電、供電儲能電站。集發(fā)電、儲能、充電等業(yè)態(tài)于一體,人流、物流密集,發(fā)生事故易造成群死群傷,與發(fā)電側、電網(wǎng)側儲能相比,安全風險*大。

1.2.4按布局形式

按布局形式分為室外撬裝式、建筑封閉式(站房式)兩種。建筑封閉式電站通常為多模組、多樓層豎向疊加堆放,風險*大。

1.2.5按輸電來源

按輸電來源分為市電、光伏、風電、火電、核電等不同供電來源。用戶側電站通常為市電、光伏、儲能一體化設計。

1.3工藝流程

主要工藝流程為:鋰離子電池充電期間,系統(tǒng)將電能通過主變壓器、干式變壓器和儲能變流器將交流電轉化為直流電,通過儲能電池的充電過程,將電能儲存在電芯內(nèi)。放電期間,通過儲能電池的放電過程,將直流電經(jīng)過儲能變流器轉化為交流電,再經(jīng)過干式變壓器、主變壓器通過高壓配電裝置將電能輸送到電網(wǎng),或為商業(yè)直接供電。

1.4熱失控機理

熱失控就是指鋰離子電池內(nèi)部電流和溫度均升高,且互相促進的現(xiàn)象。鋰離子電池內(nèi)電解液和隔膜為可燃物,在不同荷電狀態(tài)下,正極材料和負極材料可分別成為氧化劑和還原劑,短路后易自發(fā)熱燃燒;電池還可因內(nèi)部或外部的熱源加熱,都可能觸發(fā)電池火災。

2 國內(nèi)外電化學儲能電站安全狀況

由于儲能電站安全問題的形成機理、邊界條件、控制要素尚未全部認識清楚,致使儲能安全防控手段、應對措施等尚不能完*適應儲能技術快速發(fā)展及應用需要。據(jù)不完*統(tǒng)計,2011年至今,美國、韓國、日本、中國等地先后發(fā)生多起儲能電站火災事故。

電化學儲能電站事故涉及多種儲能類型,其中以鋰離子電池為主。引發(fā)火災事故的起因有多種形式,而且涉及不同的方面,比如儲能容量和功率標定不準、系統(tǒng)配置和選型有問題、安裝調(diào)試過程不規(guī)范、運行檢修維護工作不到位等多方面問題。

3 電化學儲能電站火災特點

3.1火勢控制難,易于復燃

電化學儲能電站的電池單元性質活躍,在出現(xiàn)短路等故障后,內(nèi)部發(fā)生劇烈、復雜化學反應,引發(fā)溫度持續(xù)升高,出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象,進而發(fā)生燃燒或爆炸。一旦火災發(fā)生,即使表面明火被撲滅,電池內(nèi)部仍持續(xù)發(fā)生自反應,不斷產(chǎn)生熱量及可燃氣體,導致火勢發(fā)展蔓延迅速,同時反復出現(xiàn)復燃。

3.2結構布局不利于滅火救援

電化學儲能電站所用電池儲能系統(tǒng)平面布置緊湊,儲能系統(tǒng)的形式多樣且未采取隔熱措施,內(nèi)部存放的電池組數(shù)量較多、排列緊密并有構件遮擋。在救援過程中為防范爆炸危險,采取遠距離射水冷卻時,很難靶向作用到電池高溫區(qū)域,難以實施有效處置。

3.3中毒、爆炸及觸電風險高

各類電化學電池火災燃燒產(chǎn)物含有氫氣、甲烷、乙烯等易燃易爆氣體以及氟化物等有毒有害氣體。燃燒產(chǎn)生的熱量會影響毗鄰電池,產(chǎn)生連鎖反應,相繼引發(fā)爆燃或爆炸。例如在北京“4·16”火災處置過程中,先后發(fā)生4次以上不同規(guī)模的爆燃及1次劇烈爆炸。同時,事故現(xiàn)場大量成簇電池組底部系高壓包直流系統(tǒng),長期處于高壓帶電狀態(tài),滅火過程中觸電危險性*高。

3.4持續(xù)時間長,作戰(zhàn)消耗大

由于電化學儲能電池火災所具有的連鎖反應、持續(xù)放熱、復燃復爆特性,在明火撲滅后電池仍呈現(xiàn)無焰通紅高溫狀態(tài),需要持續(xù)冷卻降溫。北京“4·16”火災處置滅火冷卻時間長達53h,累計用水近2萬t,參戰(zhàn)力量多、人員輪換頻次高,對現(xiàn)場人員、器材裝備、滅火劑等保障要求*高。

4 當前電化學儲能電站存在的突出問題

目前,我國儲能電站的設計主要依據(jù)GB51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》。該標準于2015年8月1日實施,編制時我國電力儲能技術正處于發(fā)展初期,儲能技術尚處于試驗驗證階段,應用場景較為簡單。而目前我國電力儲能的規(guī)模、應用場景都發(fā)生了顯著變化,安全風險顯著提升,消防安全問題亟待解決。

4.1消防安全定位偏低

從電化學儲能電站火災實例看,一旦發(fā)生火災,燃燒強度大,火焰呈噴射狀,并伴有爆炸、高溫、濃煙等現(xiàn)象,處置異常艱難,但依據(jù)GB51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》,除鈉硫電池外,鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池的電池室、屋外電池設備、配電裝置等的火災危險性均為戊類,造成防火措施標準偏低,對不同裝機容量的電化學儲能電站與周邊建筑的防火間距、防火分隔設施、消防設施的具體要求過于籠統(tǒng),無法有效針對性控制、撲滅火災及減少火災危害。

4.2火災探測預警機制不合理

各類電化學電池失效早期已存在多種異常信號,如異常電壓、異常電流、異常溫度等,如果能夠在早期檢測預警到問題,就能夠有效將問題解決在成災之前。但現(xiàn)行標準GB51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》11.4.1條規(guī)定“主控通信室、配電裝置室、繼電器室、電池室、PCS室、電纜夾層及電纜豎井應設置火災自動報警系統(tǒng)。”,且規(guī)定設置的火災探測器類型為感煙或吸入式感煙探測器。目前,市場主流鋰離子儲能電站也均如此設計,此設計要求無法對鋰離子電池早期問題進行有效檢測。

4.3防排煙設施設計滯后

電化學儲能電站電池熱失控易產(chǎn)生大量有毒、易燃煙氣,在密閉環(huán)境中,如遇電火花,具有發(fā)生爆炸的風險。防排煙設施可有效疏導煙氣流動,避免熱量積蓄、降低可燃氣體燃燒爆炸臨界濃度,是安全防護的重要基礎設施。但現(xiàn)有電化學儲能電站大多沒有防排煙設計,有的也僅采用常規(guī)建筑防排煙設計,無針對電化學儲能電池熱失控特征煙氣進行特殊設計,未考慮防爆性能化設計,造成電化學儲能系統(tǒng)出現(xiàn)火災事故時無法及時排解煙氣,不利于現(xiàn)場滅火。

4.4自動滅火設施設置針對性不強

電化學儲能電池由于起火燃燒原因復雜,且電池種類繁多,對于電化學儲能電池的火災不能以單一火災類型來對待。而目前儲能電站自動滅火設置沒有明確的強制標準,僅由各地建設企業(yè)自行參照普通電子設備場所的設計要求設置,滅火措施,防控技術措施無法有效抑制電池燃燒,部分企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng),而水噴淋極有可能引發(fā)帶電體及其線路短路誘發(fā)次生災害或擴大電氣事故,在撲救電化學儲能電池火災中,無法發(fā)揮冷卻、窒息作用。

5 加強電化學儲能電站火災處置能力的建議

5.1完善設計標準,提升消防安全水平

相關部門要推動科研機構、企業(yè)加強電化學儲能電站相關產(chǎn)品和應用場景消防安全性能研究,推進儲能安全技術創(chuàng)新,改善電化學儲能電站行業(yè)工藝過程、機械設備、裝置等環(huán)節(jié)的消防安全條件,完善站區(qū)平面布置、防火分隔、消防設施等提升消防安全條件的設計規(guī)范。同時要制定完善儲能產(chǎn)品性能、安全性等檢測認證標準,提升行業(yè)消防安全水平,從源頭上降低消防安全風險。

5.2加強調(diào)研熟悉,完善滅火救援預案

從國內(nèi)外儲能電站火災情況看,對其發(fā)生火災的燃燒機理、內(nèi)部布局和危險性不掌握,是導致火災撲救時間長和人員傷亡的主要原因。因此,消防救援隊伍要組織力量對轄區(qū)儲能電站進行摸底排查,開展實地熟悉調(diào)研,了解行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢、電站分布和安全風險。熟悉掌握每個儲能電站的具體位置、儲能類型、電池類型、容量規(guī)模、火災危險性、固定滅火設施、事故處置對策等基本情況,收集電站的平面圖、裝機圖、流程圖、線路圖、控制圖等基礎資料,建立資料檔案庫,逐一制定滅火救援預案,真正摸清底數(shù),做到心中有數(shù)。

5.3強化力量調(diào)度,確保協(xié)同高效處置

各地消防救援隊伍在接到電化學儲能電站發(fā)生火災的報警后,應優(yōu)先調(diào)派大功率大流量水罐和泡沫消防車、高倍數(shù)泡沫消防車、搶險救援消防車、大跨距舉高噴射消防車、供氣消防車、干粉消防車、遠程供水系統(tǒng)等車輛,以及遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高倍泡沫發(fā)生器、熱成像儀、消防機器人、無人機、漏電探測儀、測溫儀、可燃氣體檢測儀、有毒氣體檢測儀、電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、備用氣瓶等器材和個人防護裝備。同時,要調(diào)集電力、應急、公安、醫(yī)療、環(huán)保、供水等聯(lián)動力量以及相關專家到場輔助處置。確保能夠*一時間了解掌握儲能電站情況,*一時間有效處置。

5.4依據(jù)現(xiàn)場規(guī)模,保持安全處置距離

消防救援力量到達后,應特別注意要從上風或側上風方向接近現(xiàn)場,并在事故區(qū)域的上風向或側上風向劃定安全集結區(qū)。按照單個獨立設置的撬裝式儲能電站不少于200m,2個以上撬裝式儲能電站不少于500m,站房集中式單層布置的儲能電站不少于500m,站房集中式立體布置(2層以上)的儲能電站不少于1000m的要求保持安全距離。參戰(zhàn)人員和車輛在安全集結區(qū)集結待命,不得貿(mào)然進入事故現(xiàn)場。在處置過程中要避開爆炸泄壓的門、窗、孔洞和泄爆口,確保參戰(zhàn)人員的安全。

5.5掌握現(xiàn)場情況,及時組織災情研判

到場的消防救援隊伍指揮員應及時組織對現(xiàn)場情況進行研判,核實確認事故現(xiàn)場是否已處于輸入、輸出斷電狀態(tài),核實事故電池堆(站)電池電化學體系類型,單個電芯、電池模塊(簇)容量和形狀,以及數(shù)量、電流、電壓、溫度、裝機容量等,預判*大爆炸破壞力波及范圍和有毒有害氣體擴散范圍,為人員疏散、警戒管控、車輛集結、處置區(qū)與工作區(qū)劃分等提供依據(jù)。消防救援力量應根據(jù)現(xiàn)場研判評估意見,確定處置措施和處置時機。在情況不明的情況下,消防救援力量堅決不靠近、不處置,不貿(mào)然進入。

5.6遵循處置原則,確?,F(xiàn)場人員安全

消防救援隊伍在處置過程中要堅持“安全防御、控制燃燒”的原則。經(jīng)評估具備處置條件的,充分利用遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高噴消防車臂架水炮等遠距離控制火勢、冷卻降溫。對其他未著火的建筑或區(qū)域設置水幕分隔保護。陣地部署完畢后,人員要及時撤離至安全區(qū)域;不具備處置條件的,要利用消防機器人稀釋、水幕分隔的方式,*一時間疏散人員,阻截輻射熱,保護周邊建筑和重點目標。嚴禁將水直接射向未著火的儲能電池模塊(簇),避免處置不當造成儲能電池模塊(簇)短路;對設置在露天區(qū)域的撬裝式儲能電站火災,應在撬裝4個角的鋼柱45°角方向,距離50m處設置移動水炮對兩側箱體以及頂部進行冷卻,人員撤離至安全區(qū)域。明火撲滅后,應對電池堆(站)間內(nèi)的電池模塊(簇)、組合電池、單個電芯進行持續(xù)冷卻至正常環(huán)境溫度。

6 安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

6.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng),可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理,支持多種控制策略選擇,包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理,還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互,既能接受上級調(diào)度指令,又可以滿足遠程監(jiān)控與運維,確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。

6.2應用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

6.3系統(tǒng)結構

6.4系統(tǒng)功能

6.4.1實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管,包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷,同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

6.4.2優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預測,并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài),實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度,以降低尖峰或者高峰時刻的用電量,降低企業(yè)綜合用電成本。

6.4.3收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù),同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

6.4.4能源分析

通過分析光伏、風電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率,用于評估設備性能與狀態(tài)。

6.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

7 硬件及其配套產(chǎn)品

序號

設備

型號

圖片

說明

1

能量管理系統(tǒng)

Acrel-2000MG

內(nèi)部設備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,由通信管理機、工業(yè)平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。

數(shù)據(jù)采集、上傳及轉發(fā)至服務器及協(xié)同控制裝置

策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等

2

顯示器

25.1英寸液晶顯示器

系統(tǒng)軟件顯示載體

3

UPS電源

UPS2000-A-2-KTTS

為監(jiān)控主機提供后備電源

4

打印機

HP108AA4

用以打印操作記錄,參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復限,系統(tǒng)事故,設備故障,保護運行等記錄,以召喚打印為主要方式

5

音箱

R19U

播放報警事件信息

6

工業(yè)網(wǎng)絡交換機

D-LINKDES-1016A16

提供 16 口百兆工業(yè)網(wǎng)絡交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題

7

GPS時鐘

ATS1200GB

利用 gps 同步衛(wèi)星信號,接收 1pps 和串口時間信息,將本地的時鐘和 gps 衛(wèi)星上面的時間進行同步

8

交流計量電表

AMC96L-E4/KC

電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復費率電能計量、

四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU 協(xié)議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關的"遜信“和“遙控”的功能

9

直流計量電表

PZ96L-DE

可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能??蓭?RS485 通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉換、開關量輸入/輸出等功能

10

電能質量監(jiān)測

APView500

實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量,記錄各類電能質量事件,定位擾動源。

11

防孤島裝置

AM5SE-IS

防孤島保護裝置,當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接

12

箱變測控裝置

AM6-PWC

置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護,測控,通訊一體化裝置,具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置

13

通信管理機

ANet-2E851

能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)果集匯總:

提供規(guī)約轉換、透明轉發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉發(fā),可多鏈路上送平臺據(jù):

14

串口服務器

Aport

功能:轉換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù),反饋到能量管理系統(tǒng)中。

1)空調(diào)的開關,調(diào)溫,及完*斷電(二次開關實現(xiàn))

2)上傳配電柜各個空開信號

3)上傳 UPS 內(nèi)部電量信息等

4)接入電表、BSMU 等設備

15

遙信模塊

ARTU-K16

1)反饋各個設備狀態(tài),將相關數(shù)據(jù)到串口服務器:

讀消防 VO信號,并轉發(fā)給到上層(關機、事件上報等)

2)采集水浸傳感器信息,并轉發(fā)3)給到上層(水浸信號事件上報)

4)讀取門禁程傳感器信息,并轉發(fā)

參考文獻:

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[9]安科瑞光儲充微電網(wǎng)系統(tǒng)解決方案.2024年04版

 

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