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电化学储能电站消防研究新进展

2022-11-2 10:02| 发布者: fancp| 查看: 94| 评论: 0|来自: 靠山屯闲话

摘要: 2022年10月26日,由中国消防协会指导,慧聪消防网、慧聪应急产业网主办的CFIC2022中国消防安全产业大会暨第十五届消防行业品牌盛会在广州隆重举办!应急管理部天津消防研究所第四研究室副主任卓萍带来主题演讲《双碳 ...

2022年10月26日,由中国消防协会指导,慧聪消防网、慧聪应急产业网主办的CFIC2022中国消防安全产业大会暨第十五届消防行业品牌盛会广州隆重举办!应急管理部天津消防研究所第四研究室副主任卓萍带来主题演讲《双碳背景下电化学储能带来的新挑战》

讲1

以下为演讲实录:

  今天我带来的题目是《双碳背景下电化学储能带来的挑战》,我的汇报主要分为以下四个部分:

一、研究背景

讲2

  现在“双碳”目标的实现,导致现在是能源革命的大时代,我相信大家也深刻体会到了这一点,电力系统要构建以新能源为主题的新型电力系统。我们也可以看到,现在风力发电、光伏发电、储能电站、新能源汽车以及氢能都在大踏步地向前迈进。同时,我们也可以看到,在这样一个新能源高速发展的过程当中,各种各样的火灾都不停地涌现在我们的面前。这几天风力发电火灾也是高发的态势,昨天我看到新闻,美国的风力发电已经引起了野火,我们所很早就开始了风力发电的研究,也制定了一些规范。但由于现在的风力发电越来越大,它也往海上等一些地方发展,而且它也越来越高,一旦主机厂发生火灾,人员逃生是很成问题的,每一场风力发电的火灾,它的损失也是很大的。

  这也是一周之内发生的光伏火灾,也是发生在美国,下面是一个制药厂,这个制药厂近期新引进了设备,损失达到了几百万美元。前几天在海南发生的储能电站的火灾,这个柜子就是650多万的损失。

  新能源汽车,根据应急管理部一季度的数据,每天7起新能源汽车的火灾规模。新能源汽车火灾扑救,大量的用水,扑救的时间长,我们的应急处置也是非常困难的。

具体实例

  氢能一旦发生火灾,灾难性还是比较严重的。

  今天的主题是储能,储能是刚才所说的新能源的中间的一个环节,是非常重要的一个环节,因为我们风电、光伏是带有波动性的,必须有了储能才能让它平滑的运行。我们所2018、2019年就开始专注于储能火灾的研究,这几年发生最典型的案例是2019年美国亚利桑那州做的火灾,在这样的火灾里,受伤了4名消防员,受伤是在消防扑救过程中,也就是他打开舱门的一瞬间气体燃爆导致4名消防员的受伤。

  这是同样发生在亚利桑那州储能系统的火灾。我们可以看到,时至今日,仍然没有找到现场消防设施的办法,以及灭火的办法。在这场火灾里,持续用了12天,用自动喷水降温,控制火势的发展,周边很大一片区域,相当于是隔离的状态。

  在美国,2021年,也就是去年NFPA秋季刊专门有一期报道,报道的主题:对于储能电站,究竟多少保护才够?美国IFC、IBC的规范,已经对储能有了初步的规定,实际上这些规定还远远不够。包括我们知道的NFPA855 2022年版已经出版了,包括95404,这样的测试方法在不断地更新。目前,从全球范围来看,并没有很好的控制办法和措施。

  韩国是现在发生储能系统火灾最严重的国家之一,我们也知道,在过去,由于32场储能电站火灾的事故,导致它一度停止了储能电站继续发展。到2022年10月15日,他们现在有一个锂电池备电的数据中心发生了火灾,导致一个很惨烈的事故,因为网络通讯一度终止。我们认为锂电储能的安全还是应该摆在非常重要的位置上。

  去年“4.16”火灾,我相信现场都已经很清楚了。我们现场调研的时候,现场密密麻麻布满了电池货架,这里面只有几个灭火器,其他的消防设施是没有的,这个场所还有爆炸的风险。

  2017年,我们中国很早就发生了储能系统的火灾,这是一年之内发生了两次,好像是三星提供的电池。集装箱,在夜晚很冷的时候发生了爆燃。

  近年,大家也都在关注储能系统的安全标准,我们所参与了几个,包括现在正在修订的电化学储能电站的设计表站,包括去年发布的北京电力储能系统建设运行规范,还包括中国电力协会的团标,这是我们所主要参与的。现在社会上还有一些像陕西总队的标准,还有山东的,现在在网上也很热。

  国家能源局高度关注储能的安全发展,去年我们参与了储能电站安全管理的编制工作,今年他们又专门修订了防止电力生产事故的25项重点要求,现在也是在征求意见。

讲3

  对我们来说,很重要的问题:

  储能系统火灾防控的关键是什么?

  储能系统安全的科学评测方法是什么?

  消防救援人员如何科学对这样的场景进行扑救?

  锂离子电池储能电站到底该怎么进行防火设计?

二、研究内容

  今天围绕着这个问题,也围绕我们所的主编标准《建筑设计防火规范》,跟大家来进行探讨。

  关于这个场景的定性,我们在研究这个场所的时候就在考虑,储能电站到底往哪里靠,我们知道它是一个生产的厂房,但是它又有一点仓库的性质。刚才我们也看到,像北京的储能电站,里面密密麻麻的布置的全都是电池的货架。现在有很多集装箱是平层布置的,有一点类似可燃材料的堆场。在研究初期,关于这个定性我们也考虑了很久,它不能完全用建筑设计防火规范的传统方法来考虑它的一系列的设计问题,当然它总体是一个厂房,但不能按照厂房的要求对它进行规定。

锂离子电池火灾危险性

  火灾危险性,可能大家都很关心锂离子电池火灾危险性到底是什么。首先,它的材料是很复杂的,包括了电解液、正极材料、负极材料、隔膜等等。

  电解液,这是我们在所里实测的电解液数据,闪点25℃,燃点35℃,属于甲类。但是我们又不能完全的按照电解液的性质来规定电池,因为它必然是一个组合部件。同时,它在热失控的时候会发生一系列的化学反应,会产生氢气、二氧化碳、氢氟酸等气体,这些气体的产出就会导致它发生燃爆。

  这是我们之前开展的锂电池的实验,我们针对60安时的磷酸铁锂电池进行了过充和加热,在过充的时候发现,大家说不会燃烧的,相对安全的磷酸铁锂电池会怎么样?它在我们的实验中也是发生了爆炸。首先安全阀会打开,打开之后,它会产生急剧的喷射,喷射到达一定临界点之后,很快燃烧和爆炸同时发生。相当于这样一个过程是在一秒以内发生的。那么加热的时候会怎么样呢?因为加热的时候,它的电量还是在原来的电量,所以它的能量会相对好一点。

讲4

  在我们之前做的一个典型实验里面,尽管我们加热到一个阶段,它没有发生爆炸,是发生了爆燃和喷射火的过程。

  我们完成了整个电池模组过充的实验,这个电池模组的过充有几种类型,包括硬壳和软壳。在多次实验的时候发现,如果我们一直过充,安全阀打开了,我们仍然不停止,持续的过充,我们看到这样一个过程,安全阀,我们首先听到泵打开了,打开之后要持续很长的时间,大概20分钟左右,它会产生烟气的急剧喷射,它会在集装箱里面形成很浓厚的烟气弥漫的现象,而这个烟气弥漫形成如图所示的白烟,舱顶的位置大量的是氢气的可燃气体。在一个极限的时间会形成很省时的爆燃,这样单模组的爆燃会让集装箱的门打开。如果在安全阀打开之后立刻停止过充,我们会发现后面的这些现象统统不会发生,不会出现到第二阶段的烟气急剧喷射和发生火灾,这个时候,我们可以在一定程度上阻止后面火灾的发生的。

  这是针对软包电池模组的过充,因为没有安全阀,所以会有膨胀变形的过程,在这个变形之后,烟气也是会急剧喷射,但它同时会漏液。刚才我也介绍了,我们漏的液就是一个甲类的液体,而且它会形成一定的流淌火,在爆燃之后会形成稳定的燃烧。这是对储能电池模组过充的现象。

  加热的时候我们也做了一些,跟刚才单体电池一样,加热的时候会相对稳定,不会出现爆炸的现象,但是它也会在爆燃之后形成一个喷射火。

  基于这样一些考虑,基于我们之前的研究,我们觉得锂离子电池的组成是非常复杂的,难以采用正规的要求,比如单纯的闪点、单纯的爆炸极限来对它进行界定。热失控后会产气、产热,出现燃爆。目前来讲,我们基本上把它规定到甲乙类,不能归结为丙类。虽然社会上的希望都是丙类,为了发展,让它更安全。目前来看还是有困难的。

  我们刚才做的很多实验是针对储能的,大多采用磷酸铁锂电池。我们也知道,现在在社会上的这样一些电池,包括消费类、动力类、储能类,如果是动力电池,现在还是以三元体系为主,今年可能稍微好一点,各占百分之五十,储能可能是磷酸铁锂多一些,消费类还有其他的组分。所以不同的锂电池,它的燃烧特性也各异。我们现在不能简单的对它进行靠规范或者怎样来进行规定。

储能电站耐火等级

  关于储能电站耐火等级怎么划分?我们如果设置成甲乙类,建筑的耐火等级一般要求不低于2级,现在市场上的储能电站也分了好几种,包括宁德、广州都有一些站防式的储能电站,还有很多类型是集装箱类的储能电站,对它耐火极限的要求,我觉得还是有一些不一样的,尤其是电池仓,应该是属于构筑物的类型。

储能电站层数、面积和平面布置

  大家很关心的层数和平面布置的问题,我们刚才说了仓房可能参照甲乙类,现在站防式的储能电站,最高允许建几层?每个房间的面积,到底按照厂房算,还是按照仓库算,还是简单地套一下。每个房间的储能电站,我到底给它多大的容量,是几个兆瓦时还是怎样,这都是我们要考虑的问题。现在的锂电池厂房、储能电站,因为不太知道他的火灾危险性到底怎么样,所以里面还有员工宿舍、办公室,都是混杂的。我们从规范的角度还是建议,因为是很危险的,有爆炸风险的,我们建议不得设置员工宿舍,也不得设置办公室、休息室。

  集装箱式储能电站,我们之前在规范的时候,跟中国电力企业联合会一块儿进行过讨论。基于开始的了解,我们建议以平层布置为主,我们发现有很多已经在两层布置或者三层布置了,一旦两层布置和三层布置,要考虑底层集装箱发生的爆炸,下面不稳定因素会不会带来次生的灾害。集装箱布置的时候要考虑,每一个集装箱和集装箱之间都按照规范的防火要求来进行布置,如果这样的话,占地面积很大,又不能考虑经济性。我们通常建议按照成组布置来设计,即使是成组布置,成组布置合理的方式在哪里,这又是我们大家正在解决的问题。

储能电站防火间距

  防火间距,我昨天还看了一个相关的储能电站,包括锂电池厂房,就设置在居民生活区域里面。现在很重要的一个问题是,我们至少要建议现在的站防式储能电站集中布置区,它与重要的公共建筑明火或者散发火花的地点要保持足够的防火间距。

储能电站防爆

  我们也知道北京市的储能电站火灾是因为地沟导致可燃气体蔓延到另外一个房间,我们现在还是要建议它的防爆,有一个基本的要求。我们对站防式的防爆和对储能集装箱防爆要求还是不一样的。

储能电站防安全疏散

  现在储能电站安全疏散的问题,大家考虑的很少,包括我们的调研,尤其是在电网侧,他们推广的都是无人值班的储能电站,那无人值班的储能电站,现场是不再有人员的,电网,在消防救援的时候,电网的人来了,把高电压的东西断掉我们消防才能救援,这是有很长的时间的。针对站防式的储能电站,我们要考虑安全疏散的基本要求,无人值班的储能电站,我们要考虑检修人员的疏散,要有基本的考虑。现在很多集装箱都不再设置原来的安全通道了,就是人员可进入,步入式的了,他也有他专门的考虑。

储能电站消防车道

  消防车道的问题,现在很多储能电站没太考虑消防车道。美国的火灾,他在中间的部位着火,红色区域是消防车可以通行的区域,那他着火的部位,现目前采取的措施都是用水来降温,我们消防员怎样对他进行扑救呢?也是存在一定困难的。我们一般还是建议周边保持一定的操作区域,能让我们消防员尽早地开展救援。

储能电站消防设施设置

  消防设施的设置,我们指导规范8.1.1,消防给水和消防设施的设置应根据建筑的用途及其重要性、储能电站火灾危险性、火灾特性和环境条件等因素综合确定。储能电站的火灾特性,肯定会发生燃烧,会发生爆炸的。储能电站的火灾类型很不一样,包括了几种类型:很难扑救的固体深位火灾、气体火灾、液体火灾、电气火灾类型,他们每一个都不一样。在火灾预防的时候,我们之前的实验,在电池安全阀打开的时候,如果我们停止过充,是可以防止火灾发生的。2019年做实验的时候,针对60安时的电池,当时觉得那个电池就已经够大了。现在我们看到市场上单体电池的容量,在储能电站里面主流是280安时,一旦一颗电芯发生燃爆,它的威力就比原来大很多,产生的连锁事故也会大很多。

  我们也很关注储能电站的排烟防爆问题,烟气急剧喷射的时候,可燃物是会在有限的空间内聚集的。所以,这个储能电站的排烟防爆就显得至关重要。

  关于室外消火栓和消防控制室,现在很多储能电站说我建在戈壁、沙滩、沙漠,现在没办法建消火栓。那没办法建消火栓,是不是意味着你这个地方一旦储能电站着火,消防不要动作了,就跟这次海南一样,让它自由燃烧呢?我觉得设防的底线,作为建设单位,一定要考虑清楚,我到底以什么作为底线,如果我就认为可以燃烧,那可以,你的室外消防栓可以不建,不然还是要在一定程度上防好、控好。

  消防控制室,现在很多储能电站自己设计就完了,包括在城市里很多小型的储能电站,它的所有消防监控系统都在集装箱里面,集装箱里面一旦发生火灾,根本就看不到,火灾初期的时候,没有任何人能够知道。这次也写到北京地标了,少量分散布置的储能集装箱,应该把相关的信号接入到他所服务建筑的消防控制室里面,火灾发生初期,有少量烟气的时候,才会有人知道这个地方发生火灾了,进行及早的扑救。否则你现在只能等到火灾发生到比较大规模的时候,我们才能知道这个事。

  关于消防设计的问题,包括室内外消火栓的设计流量,很多的标准都写,我就参照以前消防给水和消火栓的系统就完了。我们都知道,现在50974里面根本没有对锂离子电池的场所,或者是储能场所有基本的要求。我们建议按照这样一种特殊的区域和特殊的场所进行专门的规定,这样才是合适的,才是科学的。

  关于自动灭火系统,刚才介绍了我们有很多的规范对它进行规定,尤其是消防设施的通用规范都发布了,我们就应该按照这样的规范来,但是这样的规范并没有对锂电池储能电站的消防设施进行明确的规定。

  比如我们之前开展的大量实验,针对七氟丙烷、全氟己酮、热气溶胶、水系灭火剂,都对集装箱里的单个电池模组开展过这样的一些实验。在我们过充模组的火灾场景下,现在七氟丙烷、全氟己酮、热气溶胶、水系灭火剂都是会发生复燃的。初期火可能很快就灭掉了,我把它降到氧浓度一样,但是7分钟以后都重新复燃了。这也是很多火灾,为什么说锂电池火灾难灭,就是基于这个原因。很多人说我满足现有的规范是不是就可以了?我觉得现在还是可以得到一个初步结论。如果我们按照这个规范来做我的消防灭火系统,对储能电站的火灾应该是很难扑救的,都会存在复燃和爆炸的风险。实际上我们现在也很清楚,对于锂电池的火灾,很重要的就是两点:我们还是要控制火灾,还有一个是降温,降温是这个环节里非常重要的环节,你一定要把锂电池的温度降到它可以持续发生后续反应的温度以下,才能保证这个火灾不再复燃。美国他们也做了很多研究,很多锂电池厂房灭完之后,一周以后仍然会发生复燃,是很危险的事情。

  这是我们近年来开展的新型灭火系统的研究,我们现在正在研究液氮灭火系统,因为它有很好的降温效果,我们想把液氮灭火系统引入到储能电站的灭火当中。近期我们也开展了大量实验,通过这个大量实验,我们得到一个初步结论:如果用液氮灭火,在早期扑救的话,只会影响到触发的几颗电芯,不会导致未触发电芯的热失控。

  我们认为在自动灭火系统方面储能电站涉及到的几个问题:

  现在的灭火系统缺乏统一的评价依据,我们看到市场上有很多的实验报告,有的针对单电芯,我很少看到正儿八经成规模的储能系统的灭火实验。我觉得这个灭火系统统一的评价标准是非常关键的事情,我怎么保证我是能灭火,且保证24小时不复燃呢,这是很重要的。

  现在大家做的五花八门,这些灭火系统和部件,我们之前都是有各种标准要求对它进行规定的。现在这样一些灭火系统已经用了,你是否满足之前灭火系统及部件可靠性的相关技术要求。

  缺乏针对性的设计依据,针对电池集装箱的设计,针对站防式建筑的设计,针对电池房间的设计,以及刚才锂电池室外的其他区域,设计参数应该都是不同的。现在的设计依据,照搬国外、拍脑袋想,这是不科学的,应该大家统一的开展研究,得到一个相应的结论。

  火灾报警系统,也是很重要的一点。首先要装可燃气体探测报警装置,北京的那个火灾,为什么在扑救的过程当中会发生伤亡事件?因为那个房间里面没有装可燃气体报警,那里面的浓度已经达到爆炸浓度,没人知道。所以这是很重要的事情。

  刚才我说了消防控制室的事情,还有系统形式的选择和系统要求,刚才丁主任也讲了很多。还有联动设计,因为现在很多消防产品企业都说我有预警系统,我有大数据的提前感知系统,我的预警系统,我的大数据的提前感知的系统怎样与我的消防系统产生联动呢?这个已经超出了我们过去对消防的认识和理解了,那你的这个设计也应该重新去设计和考虑。火灾探测器的选择,以及在这种场景下系统设备的特殊要求。

  早期的时候安全阀打开,有一些像氢气、一氧化碳的特征气体,这时候最重要的措施是我能够早期预警,我首先进行断电的工作,如果我停止了充放电,实际上后续的很多火灾是不会发生。如果烟气急剧喷发,这时候我们的烟气就会报警,这时候我们采取的策略应该是什么呢?首先把这个电断掉,然后快速地排烟,来防止可燃气体聚集,发生爆炸的事故。如果烟气和温度同时报警,意味着火灾已经发生了,我们首先把电断掉,然后启动灭火系统。同时,我们欢迎各类的新型灭火系统来工作。

  空调和防爆系统、电池集装箱的事故排烟设计等等。消防电源,现在的储能电站里面很多都是一级供电,但是一级供电做得并不好,还有一个是电气线路的工作。现在的电气线路,实际上它接的时候还是存在一些问题的,还有一些其他的消防设计,我就不讲了。

三、研究展望

  对于未来,有这么几个方面:储能系统的本质安全,未来需要研究的是火灾报警与联动技术,还有新型的灭火技术,应急处置、消防救援装备、消防安全管理、消防标准化等等。

  除了锂离子电池,未来还有钠离子电池、超级电容、液流电池、压缩空气储能系统、飞轮储能系统等等,每一种储能都是一种应用示范阶段,可能都有自己的火灾风险,我们觉得应该针对它的火灾风险进行专门的研究。

四、单位概况

  这是我们所的一些情况,我们所也有检测中心、消防中心等机构。

  我们所的二基地在这个月也要投入运营了,在新修订的版本里我们也要开展这10个领域的研究工作。现在我们完全打破了过去对各个科室的划分,现在形成了8个研究室,我所在的第四研究室从事的是新能源、石油化工等研究工作。

  最后我想说,发展要安全,先进火灾防控技术、创新应急处置装备、完善标准规范体系。


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