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电化学储能电站火灾的防与控

作者:许佳佳 王青松 来源:劳动保护杂志 发布时间:2021-12-02 浏览:

中国储能网讯:电化学储能产业具有广阔前景,但在热失控时,可能引发火灾甚至爆炸,并产生有毒气体,造成经济损失和人员伤亡。本文介绍了电化学储能电站火灾事故的特点及危害,并提出防控手段。

近年来,化石能源的日益枯竭和其所带来的温室效应,使得人们逐渐摒弃传统能源。越来越多的新能源,例如太阳能、氢能、风能等,开始接入电力系统。其中,锂离子电池由于其具有循环寿命长、工作电压高、能量密度高、自放电小等优点,成为电化学储能的主力。根据《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》(发改能源规〔2021〕1051号),到2025年,新型储能装机规模将达3000万千瓦以上,因此,电化学储能产业前景广阔。

然而,锂离子电池在过热、过充放电和短路等滥用情况下,会发生热失控。热失控时,电池内部发生剧烈的放热反应,产生大量的热量和有毒可燃气体,并有可能引发火灾甚至爆炸。同时,有毒气体也会对人们的生命安全造成威胁,进而造成大量的经济损失和人员伤亡。因此,为了防止电化学储能电站火灾事故的发生,需要有效的防控手段。

1、电化学储能电站火灾特点及危害

电池升温快 温度高

电池在滥用条件下,电池温度逐渐升高,电池内部材料,如正负极材料、电解液相继发生反应。这些放热反应产生的热量在电池内部慢慢积聚,使得电池温度进一步升高,同时也促进了后续放热反应的发生。

当电池温度达到热失控临界温度时,电池发生热失控,在短时间内产生大量的热量,电池温度骤升。从图1可以看出, 电池表面温度在热失控时迅速从130℃上升至522℃。由于放热反应发生在电池内部,因此电池内部温度更高,可以达到800~900℃,甚至1000℃。

图1 三元锂离子电池热失控过程中温度、电压变化

伴随猛烈射流火 燃烧剧烈

储能电站常用的电池类型主要为方形硬壳电池,此类电池往往配置有安全阀,来避免因压力过大发生爆炸。随着电池温度的升高,电池内部产生一些可燃气体。随着可燃气体的不断积聚,电池内部压力逐渐增加,当电池内部压力达到电池安全阀破裂阈值时,电池安全阀破裂,大量的可燃气体和电池内部材料被喷射出。

当电池发生热失控时,在电池极高温度的作用下,可燃气体和可燃物质如电解液等被引燃,从安全阀处喷射出猛烈的射流火,火焰高度最高可以达到1米。

热失控易传播

在储能电站中,电池紧密排列在一起形成模组。当模组中的一节电池发生热失控时,紧密排列使得热量可以迅速传递到相邻电池,使相邻电池异常升温。此外,猛烈的射流火由于盖板的阻挡,对相邻电池的热辐射增加,相邻电池的温度进一步升高,直至发生热失控,最终,电池在模组中发生热失控传播。

气体具有爆炸性

电池热失控时,大量的气体从安全阀喷射出,气体主要为H2、CO、CO2、CH4、C2H4和电解液因高温汽化产生的气体。其中一部分可燃气体会在燃烧中消耗,还有部分未燃烧的会积聚在模组内部,随着模组中热失控传播的不断扩展,模组中可燃气体越来越多,造成模组压力增加,最终可能会因压力过大发生物理爆炸。

此外,可燃气体的浓度逐渐增加,当达到混合可燃气体的爆炸极限,即超过爆炸下限6.1%时,热失控电池的高温作为点燃源,当遇到足够的氧气时,可燃气体会发生化学爆炸,最大爆炸压力可以达到0.76MPa,巨大的爆炸压力可以对电池簇、集装箱造成严重的破坏,进而带来经济损失,甚至人员伤亡。例如在北京丰台“4·16”储能电站火灾事故中,由于储能电站发生了爆炸,导致2名消防人员死亡。

气体具有毒性

电池热失控产生的一些气体除了具有可燃性之外,还具有危害很高的毒性,如 CO、HF(氟化氢)等。不同体系的电池在热失控时产生的气体成分及占比如图2所示。

图2 不同材料体系电池热失控产气占比(mol%)

可以看出,CO和CO2占比很大。在热失控时,CO浓度最高可以达到250ppm以上,已经可以对人体产生严重的中毒危害。

HF是一种刺激性有毒气体,具有腐蚀性,在50ppm浓度下活动数分钟便有致死的风险。而一节容量为20Ah的100%SOC磷酸铁锂电池热失控时,HF最高浓度约为145ppm,远远高于所规定的HF安全浓度。而储能电站一个集装箱中,有成百上千节电池,热失控时将会使得这些有毒有害气体的浓度急剧增加,大大增加了人员操作和救援的危险性。

2、电化学储能电站火灾防控手段

针对电化学储能电站火灾的特点,可以从以下几个方面进行有效防控。

优化电化学储能电站设计

由于电化学储能电站不同于传统电站,因此,在规划设计阶段,应综合考虑电站的选址、站区规划和布置、储能系统、电气、采暖通风与空气调节、消防等方面。如储能电站的选址不应选择位于城市中心或人员密集区域,甚至地下建筑内,防止储能电站发生事故时给人员和建筑造成巨大的破坏。

同时还要设计好储能电站的防火间距。当储能电站发生火灾时,火焰不断扩大,甚至可能会蔓延至相邻预制舱或者其他建筑物。因此在加强预制舱材料耐火等级的同时,增加预制舱与预制舱或者其他建筑物的防火间距,尤其与预制舱舱门正对的防火间距,防止火焰从预制舱蹿出时对周边预制舱的危害。

此外,储能电站的消防设计应提供足够的消防水源,并预留出足够的消防车道,便于消防车辆的进出。

规范电化学储能电站安全标准

由于电化学储能技术处于快速发展阶段,国内相关的安全标准存在不足,且一些标准要求的指标相对宽松,因此,需要规范电化学储能电站的安全标准,根据储能行业的发展,制定安全要求更加严格、保护性更强的安全标准,同时完善健全相关的行业标准。

如在保证电池本体安全要求的情况下,增加系统与各组件之间的功能安全评估与风险分析要求,同时,针对开展关于安全标准的认证工作,对产品作出明确的强制规定,进而保证储能电站的安全。

完善电化学储能电站安全管理体系

根据电化学储能电站的特点,制定更加完善的电化学储能电站安全管理体系。加强储能电站电池、电池管理系统等相关产品或系统的质量管理,从本质上保证电站安全。

建立健全储能电站安全监测和监督管理体系,对系统及组件进行严格的管理,同时加强对电站操作人员安全意识的专业培训,完善相关安全规章制度,减少相关事故的发生。

提高电站消防应急管理水平,从电站消防的设计、建设、验收、维护等方面进行严格的管理,同时做好相关的消防培训,在对储能电站火灾进行灭火时,做好人员防护,防止电站爆炸造成巨大的人员伤亡和财产损失。

实现电化学储能电站火灾早期探测和预警

在电池火灾前期,进行有效准确地探测并预警,采取相应的消防手段,防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前,应做好电池故障诊断工作,及早进行预警。当电池安全阀打开时,会产生大量的气体和烟雾,如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

此外,释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物(VOC)等,在安全阀打开时都有明显的增加,因此,可以通过相关的气体传感器,再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等,根据电站电池的热失控特性,设定相应的预警阈值,将多种特征参数进行耦合,当不同传感器参数达到所设阈值时,发出警报,实现锂离子电池火灾早期探测和预警,并根据警报采取相应的控制措施,防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

此外,应根据量程和灵敏度,选取适当的传感器和探测器,同时设置冗余系统,保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

采用稳定可靠的灭火技术

锂离子电池火灾不同于其他典型火灾的特点,增加了其灭火的困难程度,因此,需要使用清洁高效的灭火剂和灭火策略相结合进行灭火,同时灭火后及时排气泄压,防止火灾事故的进一步扩大。

首先是清洁高效的灭火剂。目前,常用的灭火剂主要有二氧化碳、七氟丙烷、全氟己酮和细水雾等。二氧化碳和七氟丙烷的灭火和降温效果均较差,且电池火焰熄灭后易发生复燃。全氟己酮的灭火效果好,但是其降温效果不显著。而细水雾降温好,但是灭火效果不如全氟己酮,且对电池系统可造成二次伤害。因此,需要研究更加环保、对储能电站适应性好、兼具灭火和降温、抑制热失控气体爆炸、对电池损害小的清洁高效灭火剂。

然后是有效的灭火策略。由于目前的灭火剂都存在一定的缺陷和不足,因此需要使用有效的灭火策略,在保证自身优势的前提下,弥补短板。

第一种是将灭火效果较好的灭火剂与降温效果较好的灭火剂相结合。如使用全氟己酮和细水雾先后进行灭火,利用全氟己酮优良的灭火能力熄灭电池火焰,随后利用细水雾的降温能力,及时降低热失控电池温度和环境温度,防止电池发生复燃和发生热失控传播。通过两种灭火剂的协同作用,大大提高了灭火效率和降温效率,有效阻止火灾的进一步扩大。

第二种是通过间歇喷射灭火剂的方式对电池火灾进行高效灭火降温。以全氟己酮作为灭火剂,发生火灾时,首先喷射大量的全氟己酮进行灭火,降低模组中可燃气体的浓度。随后根据温度变化,多次少量的间歇喷射全氟己酮,进行有效降温和维持模组中全氟己酮的灭火浓度,防止电池发生复燃,同时进行有效的降温。

另有相关人员提出,将火灾抑制胶囊置于电池内部来抑制热失控,熄灭明火。抑制胶囊由全氟己酮、磷酸三甲酯和五氟丙烷组成。其中全氟己酮为灭火剂,磷酸三甲酯为阻燃剂,五氟丙烷为驱动剂。电池热失控时,胶囊受热破裂,驱动剂将抑制剂推向电池内部,在短时间内熄灭电池火,并抑制电池内部反应,进而抑制热失控的进一步扩展,防止发生热失控传播、火灾蔓延等事故。

最后是灭火后及时排气泄压。电池热失控时,产生大量的可燃易爆气体,当电池火焰被熄灭后,这些可燃易爆气体仍积聚在电池模组或者预制舱内,因此需要在电池灭火后及时将这些可燃易爆气体排出,降低模组或预制舱内的压力和浓度,防止爆炸的发生。

对于电池模组,通过设置泄压阀,当模组内部压力过大时,泄压阀开启,将气体释放到预制舱中,进而降低模组内部压力。对于预制舱,通过在预制舱设置排气扇,将可燃气体排出预制舱。此外,可以同步在模组或预制舱中释放惰性气体,降低可燃气体浓度,防止气体发生爆炸,抑制火灾事故的进一步扩大。

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