预制舱式磷酸铁锂电池储能电站防火设计
预制舱式磷酸铁锂电池储能电站在我国应用比较广泛，其消防安全问题是国内外关注的焦点问题。本文通过开展磷酸铁锂储能电池模块在过充条件下的燃烧特性试验，分析总结了预制舱式磷酸铁锂电池储能电站火灾发生发展的特点，并以此为依据，从火灾危险性、防火间距、火灾预警策略、灭火系统模块设计、消防给水及消防车道等方面提出储能电站防火设计的基本原则。
储能技术在能源互联网中具有举足轻重的地位，已大范围的应用于可再次生产的能源、智能电网、分布式能源、离网微电网、工业节能、应急电源、家庭储能、轨道交通等领域。近年来，以锂离子电池作代表的电化学储能因其储能密度和功率密度高、效率高、技术进步快、发展的潜在能力大等优势发展十分迅速。国内外建立了多个锂离子电池储能电站，如河南电网100 MW/100 MWh 电池储能电站、江苏电网101 MW/202 MWh 电池储能电站、德国Relzow 100MW/200 MWh 锂电池储能电站、南澳100 MW/129MWh 储能电站等。预制舱式储能系统一般会用集装箱作为外围护结构，将储能电池、支架、空调进气通风等辅助设置在工厂中预制成一体，具有便于安装、占地面积小、移动灵活、建设周期短等优点，在国内外应用十分广泛，江苏电网预制舱式磷酸铁锂储能电站如图1 和图2 所示。在电池预制舱内，储能电池模块密集堆砌，多采用全淹没柜式七氟丙烷气体灭火系统。近年来，储能电站火灾频发，尤其是韩国，自2017年8 月至2019 年5 月累计发生了23 起储能电站火灾事故，引起社会广泛关注。随着储能行业的发展，如何从防火设计角度保障储能电站的消防安全是一项亟待解决的重要课题。
1 磷酸铁锂储能电池模块燃烧特性预制舱式储能电站多处于无人值守状态，舱内储能电池模块最可能的致灾原因是过充。本研究以磷酸铁锂储能电池模块作为研究对象，重点考察其在电池管理系统（BMS）故障条件下发生过充而引发火灾的燃烧特性。试验采用的储能电池模块试样如图3 所示，该模块由32 块单体电池四并八串组成，模块标称电压25.6 V，额定容量2 752 Ah，额定电量8.8 kWh。试验时将单个储能电池模块试样放置于12 m 长、2.4 m 宽、2.6 m 高的电池预制舱中部，采用0.5 C 倍率、172 A 对模块进行恒流过充，试验现象如图4 所示，表1 给出了具体试验情况说明。
根据相关试验现象分析可知，从储能电池模块开始充电到整个模块发生燃烧，过程大概能分为以下三个阶段：第一阶段为初期热失控阶段，试验开始至第一个储能电池安全阀打开，如图4（a）所示。安全阀打开瞬间释放出极少量烟气，可通过特定气体探测装置实现预制舱内早期火灾探测预警。第二阶段为部分储能电池发生剧烈热失控阶段，大量可燃气体、电解液和固体残渣的混合物从多个单体电池的安全阀急剧喷出，预制舱内被白色浓稠烟气混合物笼罩，如图4（b）、（c）所示。此时舱内感烟探测器报警，但烟气温度较低，感温探测器不会报警。第三阶段为储能电池模块燃烧阶段，燃烧初期瞬时火焰形态为爆燃，如图4（d）所示。反复多次爆燃后形成稳定燃烧，整个燃烧阶段持续30 min 以上。此时舱内感温探测器报警。针对同样的储能电池模块试样采用相同过充倍率过充，当第一个安全阀打开，特征气体探测器（H2、CO 等特征气体）报警后立马停止过充，试验表明后续仅发生4 个电池安全阀打开现象，未出现电池剧烈热失控急剧喷射可燃物质的情况，未发生火灾。2 储能电站防火设计重点问题研究2.1 磷酸铁锂储能电池火灾危险性火灾危险性分类是储能电站防火设计的基础。GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》中将锂离子电池的火灾危险性分类为戊类，而根据GB 50016-2014《建筑规划设计防火规范》，戊类指的是“常温下使用或加工不燃烧物质的生产”。而锂离子电池作为能量载体，大量研究表明，其在过充、受热、外部火源等作用下均有几率发生热失控从而引发燃烧或爆炸。电池预制舱中，储能电池模块作为基本单元，其过充试验也表明，BMS 故障时可能因为过充而发生爆燃。尽管关于锂离子电池的火灾危险性分类仍需要展开系统的研究，然而作者觉得可以初步判定磷酸铁锂的火灾危险性大于常规丙类“可燃固体”的火灾危险性。2.2 电池预制舱防火间距美国储能柜、储能电池预制舱的应用比较广泛，NFPA 在2016 年发布的《锂离子储能系统危险评估》中，结合针对特斯拉100 kW 的商用储能系统开展的外部引燃和内部引燃试验，提出了储能柜之间保持6 英尺（1.83 m）的防火间距，同时储能柜上方保持5 英尺（1.52 m）的净空。有必要注意一下的是，相对于电池预制舱，特斯拉的商用储能系统规模较小，且电池系统也非磷酸铁锂电池。FM 在2017 年颁布了财产防损数据表5-33《电化学储能系统》，要求储能系统安装在建筑物中时，建筑物的墙体、楼板等需要满足1 h 能抗住火焰的极限，储能建（构）筑物之间防火间距不小于6 m，当小于6 m 时，可采用能抗住火焰的极限至少为1 h 的防火隔离带进行分隔。结合储能电站内不同电力设备的布置情况，防火间距的设计需要从三个层级考虑：一是储能电站与站外其他建筑之间的防火间距；二是储能电站内预制舱集中布置区域与站内其他建筑物、电力设备之间的防火间距；三是电池预制舱集中布置区域内舱体之间的防火间距。当前我国电池预制舱外围护结构多为6 m 或12 m 集装箱壳体，作为电力设备未对设备壳体的耐火极限提出要求。为避免其传播火焰，一般要求采用不燃材料制造，且铺地材料、保温材料等均需选用不燃材料。结合前期储能电池模块燃烧特性试验结果及相关火灾案例分析，储能电池模块燃烧后，由于受到舱体保护，火焰仅在爆燃瞬间可能从位于舱体短边端的门洞口蹿出舱外形成火灾蔓延，正常的情况下多在舱体内部燃烧，而预制舱长边之间多以热辐射为主。因此，建议适当加大预制舱短边端的防火间距。随着储能电站规模的逐步扩大，当预制舱数量较多时，为节约土地资源，提高储能电站的经济性，要进一步研究考虑预制舱的成组布置问题。由于电池预制舱属于带电设备，火灾发生后储能电池在舱内燃烧，现阶段消防救援采取的策略为储能电站断电后，在着火预制舱外部持续远距离喷水降温，因而在成组布置时一方面应尽可能避免预制舱之间的火灾蔓延，另一方面需保留足够的消防救援空间。2.3 火灾探测报警系统模块设计结合试验结果可知，电池预制舱火灾防控的重点是早期预警，一旦在少数电池安全阀打开、特征气体探测器报警时立即联动断电，可有很大成效避免火灾发生。由此，建议磷酸铁锂电池预制舱火灾探测报警联动实行分级机制：第一级策略为火灾预警，即通过特征气体如H2、CO 探测报警，在第一时间感知储能电池模块发生少量电池安全阀打开时，采取立即断电的方式阻止电池里面进一步发生反应，可以有很大成效避免火灾的形成；第二级策略在感烟火灾探测器探测到舱内储能电池发生急剧热失控、喷射大量可燃烟气时，需联动关闭空调，启动排烟风机，避免舱体内可燃气体浓度过高形成超压；第三级策略为火灾报警，当感温、感烟等火灾探测器探知舱内发生火灾时，应立即联动断电，确认断电后联动启动舱内固定灭火系统来进行灭火。2.4 舱内灭火系统模块设计预制舱内储能电池模块的布置方式和燃烧特性表明其火灾类型为固体深位火灾、气体火灾、液体火灾和电气火灾，较为复杂的火灾类型使得如何在预制舱中选用合适的灭火方式成为难题。当前国内外均围绕这一问题开展大量研究，但究竟延续采用气体灭火系统还是能选用水灭火系统尚存在争议，同时如何有很大成效避免初期火灾扑灭后储能电池自身持续反应引发的复燃是研究的热点。根据调研，早期电池预制舱内多采用全淹没柜式七氟丙烷灭火装置，然而国内电池预制舱火灾案例表明，柜式七氟丙烷灭火装置能扑灭舱内初期火灾，但无法抑制复燃。2019 年NFPA 发布《锂离子储能系统自动喷水保护》指南，针对三元锂离子电池储能柜和磷酸铁锂电池储能柜开展了自动喷水灭火试验。根据结果得出，对于并排布置的储能柜，自动喷水灭火系统仅能起到延缓火焰蔓延的效果，但无法完全扑灭火灾，尤其是对三元锂离子电池储能柜，持续喷水未能有效阻止储能柜全面燃烧,如图5 所示。
储能电站固定灭火系统的启动一定要遵循“先断电、后灭火”的原则。当前我国针对电池预制舱内固定灭火系统的设计路线，一方面正在开展模块级别细水雾灭火系统的研发，通过细水雾的窒息、持续冷却和隔绝热辐射的多重作用，有效扑灭初期火灾并防止发生复燃；另一条路线是研发多级喷射的气体灭火系统，如多次能形成舱内全淹没的七氟丙烷灭火系统和冷却效果更好的全氟己酮灭火系统。由于当前针对电池预制舱内固定灭火系统的研究尚处于初期阶段，建议先开展储能电池模块、储能电池簇的实体灭火试验做验证，在确保灭火且不发生复燃的情况下，可在预制舱内设置与试验参数一致的灭火系统，同时应保证该固定灭火系统在实际工程应用中的可靠性。2.5 消防水源及消防车道由于GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》中未对锂离子电池储能电站的消防用水提出明确要求，我国早期建设的预制舱式磷酸铁锂电池储能电站周边存在无给水管网或消防水源的情况。结合储能电站火灾案例及消防救援真实的情况，建议储能电站周围设置室外消防给水系统。消防用水宜由市政给水管网供给，也可采用消防水池或天然水源供给，有关要求应符合GB 50974-2014《消防给水及消火栓系统技术规范》。同时，储能电站内宜设置环形消防车道，消防车道的有关要求应符合GB 50016-2014《建筑规划设计防火规范》。3 展望当前，储能电站的安全问题受到社会广泛关注，GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》已于2020 年启动整体修编工作，T/CEC 373-2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》已经发布，更多电力行业、消防行业的科研院所和相关企业积极投入到储能电站消防安全的研究当中。伴随着更多新产品、新技术的问世，以及储能电站运行维护、消防安全管理的逐步提升，储能电站必将朝着更安全的方向健康发展。（附件：T/CEC 373-2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》，文末领取）
