锂电池化学储能电站消防安全浅析.pdf
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1、广 东 化 工 2023 年 第 16 期 58 第 50 卷 总第 498 期 锂电池化学储能电站消防安全浅析锂电池化学储能电站消防安全浅析 朱秀锦1,王秀利2*,陈卓新2(1绍兴滨海新区消防救援大队,浙江 绍兴 312000;2卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司 技术中心,浙江 绍兴 312000)摘 要锂离子电池存在发生热失控、燃爆事故的隐患,是储能应用中需要重点关注的问题。本文介绍了锂离子电池储能系统现有技术的相关标准现状、储能系统组成、热失控行为及热失控火灾特点;分析了锂离子电池消防安全所使用的灭火剂类型及其发展,着重介绍了适合锂电池储能系统的灭火技术。结合物联网技术、智慧云平台,提出
2、了早期干预,采用多级立体灭火技术方案。随着消防事业的发展,相信在将来会有更优的消防灭火技术应用在化学储能行业,为新能源的规模应用提供安全保障,为可再生能源发展保驾护航。关键词锂离子电池;储能电站;消防安全;灭火剂;多级灭火 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)16-0058-04 Fire Safety Analysis of the Lithium Battery Chemical Energy Storage Power Station Zhu Xiujin1,Wang Xiuli2*,Chen Zhuoxin2(1.Shaoxing Binhai New
3、District Fire and Rescue Brigade,Shaoxing 312000;2.Technical Center Wolong Electric Group Zhejiang Dengta Power Source Co.,Ltd.,Shaoxing 312000,China)Abstract:Lithium-ion batteries have the potential danger of thermal runaway and explosion accidents,which are a key issue in energy storage applicatio
4、ns.This paper introduces the current status of relevant standards of lithium-ion battery energy storage system technology,the energy storage system composition,the thermal runaway behavior,and the thermal runaway fire characteristics.And analyzes the lithium-ion batteries used in fire safety fire ex
5、tinguishing agent type and its development,introduces the fire extinguishing technique suitable for lithium battery energy storage system.Combined with Internet of Things technology,wisdom,and cloud platform,puts forward the early intervention,using multi-level three-dimensional fire extinguishing t
6、echnology solutions.With the development of the fire fighting industry,it is believed that there will be better fire fighting technology applied in the chemical energy storage industry in the future,providing security guarantee for the large-scale application of the new energy and escorting the deve
7、lopment of the renewable energy.Keywords:lithium ion battery;energy storage power station;fire safety;fire extinguishing agent;multi-stage fire suppression “碳中和,碳达峰”主基调,新能源技术大力发展,风能、光伏、氢能等广泛应用,蓄能的锂电技术得到长足发展,促使锂离子电池应用得到全面突破。电化学储能是“双碳”能源改革中重要的一环,同时储能电站事故也是消防救援队伍面临的一类新挑战。随着电化学电池的大规模应用,我国的电池安全事故也不断出现。投资
8、建设的狂热在某种程度上掩盖了对安全的忧虑,安全性是储能电池技术评价的第一要素,经济效益要排在第二位。电池组就像汽油箱一样,是一种含高能物质的部件,没有绝对安全的电池。电池本质上是具有危险性的,发生事故危险性增大虽然是一个概率的问题,但是危险性是无法完全消除的,只能采取措施来降低电池发生事故的概率。因此,要将使用电池作为使用易燃易爆物品一样对待。国际上对锂离子储能系统从各个层级均进行了规划,并制定了相应的要求。储能系统的安全关键在于电化学储能电池高度密集和易燃易爆,其中,电池的电压、电容量、电极材料等多种因素都潜藏着火灾和爆炸的风险。传统消防技术对蓄电池火灾一筹莫展。已经反复发生火灾的储能系统基
9、本应用传统灭火技术,由于消防领域对电池火灾特性不甚了解,错误的消防设计与老旧的灭火技术造成的储能火灾频发使消防保护设备形同虚设。近年来,国内外发生多起储能电站火灾爆燃安全事故,2017 年 3月 7 日,山西某火力发电厂储能站的储能系统辅助机组 AGC调频项目发生火灾,共烧毁电池储能单元一个、储能锂电池包416 个、电池管理系统包 26 个及相关设施若干,致使储能项目停运 30 天。2018 年 7 月 2 日,韩国灵岩风电场储能站 4 MW/12 MWh 锂离子电池储能电站起火爆炸,708 m2建筑、3500多个电池及配套设施均被烧毁,据初步推算这次事故造成经济损失达到 46 亿韩元。202
10、1 年 4 月份在北京丰台储能电站发生事故,在消防处置过程中,其他区域又爆炸,造成消防员牺牲、受伤,电站员工失联。锂离子电池存在发生热失控、燃爆事故的隐患,是储能应用中需要重点关注的问题。储能安全近年来成为关注的重点。图图 1 山西某储能站爆炸现场山西某储能站爆炸现场 Fig.1 The site of an explosion at an energy storage station in Shanxi Province 图图 2 韩国灵岩石风电场储能站燃烧现场韩国灵岩石风电场储能站燃烧现场 Fig.2 Burning site of the energy storage station i
11、n Yeongrock Wind Farm,South Korea 收稿日期 2023-05-26 作者简介 朱秀锦(1986-),男,浙江杭州人,初级专业技术职务,学士,主要研究方向为电化学储能领域消防安全。*为通讯作者。2023 年 第 16 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 498 期 59 1 储能系统组成及热失控特点储能系统组成及热失控特点 化学储能系统主要由电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能变流器(PCS)、热管理系统等以及其他电气设备构成。系统由单体电芯到电池模组 PACK,再到电池簇最后组装成储能系统。电池组是储能系统最主要的构成部分,负责能量存
12、储;电池管理系统主要负责电池的监测、评估、保护以及均衡等;能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等;借助储能变流器,调控储能电池的充电过程和放电过程,通过控制策略使储能电池组进行充电或放电运行,实现电能交、直流的转换。图图 3 储能系统组成储能系统组成 Fig.3 The energy storage system composition 图图 4 集装箱储能系统俯视图集装箱储能系统俯视图 Fig.4 Top view of the container energy storage system 锂离子电池发生热失控,各种事故调查显示,可能的起火原因包括:电池管理系统(BMS)接触器(S
13、witchgear)损坏,导致电流器件控制失效后直接起火进而引起电池起火;外部短路,包括电缆线局部接触电阻过高导致的母排脱离误操作等;电池自身起火,包括内部短路(制造瑕疵),充放管理(外部控制)等;通过对锂离子电池火灾机理进行了大量分析研究4-5发现“热失控”是导致锂离子电池安全隐患的根本原因。采用外部加热的方式触发电芯热失控表现为三个阶段。第一阶段,电芯持续加热;温度可到 150;此时,如果 BMS 正常,可触发温度告警并保护;BMS 会通知消防系统,但是仅温度单一条件,不会触发灭火系统;如果电芯是内部短路,则即使 BMS 保护,也不能阻止事故发生;如果 BMS 异常,则保护失效;第二阶段,
14、电芯开阀;此时,由于内部气压过高,导致电芯开阀,释放可燃气体,此时,有机会导致起火;灭火系统会探测到烟雾,但是未必能探测到温度,如果 BMS 正常,并报知温度信息,则灭火系统启动;反之,则不会启动;第三阶段,电芯热失控;此时,如果阶段二电芯开阀后,电芯温度仍持续快速攀升,则电芯进入热失控状态,释放更多的热量,有机会触发热失控蔓延;同阶段二,如果出现明火,则灭火系统会启动;但是,此时的风险是灭火速度与热失控蔓延的速度;为降低事故危险等级和经济损失,必须对储能电站火灾预警、抑制、扑救的时机和措施提出较高的要求。电池火灾不单单是电化学能的释放,同时还有强烈的化学能释放。磷酸铁锂电池热失控会产生可燃及
15、有毒气体。热失控产生的气体包括二氧化碳、一氧化碳、氢气、乙烯、甲烷、乙烷和丙烯等常见的气体同时兼顾次生气体H2。气体具有很强的可燃性及爆炸性。图图 5 锂电池热失控的温度表征锂电池热失控的温度表征 Fig.5 Temperature characterization of the thermal runaway of lithium battery 因此,热失控有如下火灾特点:(1)时间短(3 秒钟内温度能超过 300);(2)连续性(某一电芯故障迅速扩展为整个电池箱火灾,并可能蔓延整个储能集装箱);(3)化学反应的过程中,释放大量的氧气、一氧化碳、氢气等可燃气体;(4)超强的复燃能力;(5)
16、强力的可燃气体爆燃火。复杂的火灾特点,使得传统消防灭火技术无法应对此类新型火灾。广 东 化 工 2023 年 第 16 期 60 第 50 卷 总第 498 期 2 标准规范及研究标准规范及研究 目前,各个国家已发布了一系列关于储能电池系统现有技术的相关标准,从标准规范和研究报告方面对储能电站安全方面进行了研究。国际电工组织(IEC)、美国保险商实验室(UL)、DNV-GL 船级社都发布了相应的标准。我国也于 2014 年成立了全国电力储能标准委员会(SAC TC 550)并颁布了 电力储能用锂离子电池(GB/T 36276-2018)、电化学储能系统接入电网技术规定(GB/T 36547-2
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