預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站防火設計
預制艙式儲能系統通常采用集裝箱作為外圍護結構，將儲能電池、支架、空調通風等輔助設置在工廠中預制成一體，具有便于安裝、占地面積小、移動靈活、建設周期短等優點，在國內外應用十分廣泛，江蘇電網預制艙式磷酸鐵鋰儲能電站如圖1和圖2所示。
在電池預制艙內，儲能電池模塊密集堆砌，多采用全淹沒柜式七氟丙烷氣體滅火系統。近年來，儲能電站火災頻發，尤其是韓國，自2017年8月至2019年5月累計發生了23起儲能電站火災事故，引起社會廣泛關注。隨著儲能行業的發展，如何從防火設計角度保障儲能電站的消防安全是一項亟待解決的重要課題。
1、磷酸鐵鋰儲能電池模塊燃燒特性
預制艙式儲能電站多處于無人值守狀態，艙內儲能電池模塊最可能的致災原因是過充。本研究以磷酸鐵鋰儲能電池模塊作為研究對象，重點考察其在電池管理系統（BMS）故障條件下發生過充而引發火災的燃燒特性。試驗采用的儲能電池模塊試樣如圖3所示，該模塊由32塊單體電池四并八串組成，模塊額定電壓25.6V，額定容量2752Ah，額定電量8.8kWh。試驗時將單個儲能電池模塊試樣放置于12m長、2.4m寬、2.6m高的電池預制艙中部，采用0.5C倍率、172A對模塊進行恒流過充，試驗現象如圖4所示，表1給出了具體試驗情況說明。
根據相關試驗現象分析可知，從儲能電池模塊開始充電到整個模塊發生燃燒，過程大致可以分為以下三個階段：
第一階段為初期熱失控階段，試驗開始至第一個儲能電池安全閥打開，如圖4（a）所示。安全閥打開瞬間釋放出極少量煙氣，可通過特定氣體探測裝置實現預制艙內早期火災探測預警。
第二階段為部分儲能電池發生劇烈熱失控階段，大量可燃氣體、電解液和固體殘渣的混合物從多個單體電池的安全閥急劇噴出，預制艙內被白色濃稠煙氣混合物籠罩，如圖4（b）、（c）所示。此時艙內感煙探測器報警，但煙氣溫度較低，感溫探測器不會報警。
第三階段為儲能電池模塊燃燒階段，燃燒初期瞬時火焰形態為爆燃，如圖4（d）所示。反復多次爆燃后形成穩定燃燒，整個燃燒階段持續30min以上。此時艙內感溫探測器報警。
針對同樣的儲能電池模塊試樣采用相同過充倍率過充，當第一個安全閥打開，特征氣體探測器（H2、CO等特征氣體）報警后立即停止過充，試驗表明后續僅發生4個電池安全閥打開現象，未出現電池劇烈熱失控急劇噴射可燃物質的情況，未發生火災。
2、儲能電站防火設計重點問題研究
2.1磷酸鐵鋰儲能電池火災危險性
火災危險性分類是儲能電站防火設計的基礎。GB51048-2014《電化學儲能電站設計規范》中將鋰離子電池的火災危險性分類為戊類，而根據GB50016-2014《建筑設計防火規范》，戊類指的是“常溫下使用或加工不燃燒物質的生產”。
電池預制艙中，儲能電池模塊作為基本單元，其過充試驗也表明，BMS故障時可能因為過充而發生爆燃。盡管關于鋰離子電池的火災危險性分類仍需要展開系統的研究，然而筆者認為可以初步判定磷酸鐵鋰的火災危險性大于常規丙類“可燃固體”的火災危險性。
2.2電池預制艙防火間距
美國儲能柜、儲能電池預制艙的應用較為廣泛，NFPA在2016年發布的《鋰離子儲能系統危險評估》中，結合針對特斯拉100kW的商用儲能系統開展的外部引燃和內部引燃試驗，提出了儲能柜之間保持6英尺（1.83m）的防火間距，同時儲能柜上方保持5英尺（1.52m）的凈空。值得注意的是，相對于電池預制艙，特斯拉的商用儲能系統規模較小，且電池系統也非磷酸鐵鋰電池。FM在2017年頒布了財產防損數據表5-33《電化學儲能系統》，要求儲能系統安裝在建筑物中時，建筑物的墻體、樓板等需要滿足1h耐火極限，儲能建（構）筑物之間防火間距不小于6m，當小于6m時，可采用耐火極限至少為1h的防火隔離帶進行分隔。
結合儲能電站內不同電力設備的布置情況，防火間距的設計需要從三個層級考慮：
一是儲能電站與站外其他建筑之間的防火間距；
二是儲能電站內預制艙集中布置區域與站內其他建筑物、電力設備之間的防火間距；
三是電池預制艙集中布置區域內艙體之間的防火間距。當前我國電池預制艙外圍護結構多為6m或12m集裝箱殼體，作為電力設備未對設備殼體的耐火極限提出要求。為避免其傳播火焰，一般要求采用不燃材料制造，且鋪地材料、保溫材料等均需選用不燃材料。
結合前期儲能電池模塊燃燒特性試驗結果及相關火災案例分析，儲能電池模塊燃燒后，由于受到艙體保護，火焰僅在爆燃瞬間可能從位于艙體短邊端的門洞口躥出艙外形成火災蔓延，一般情況下多在艙體內部燃燒，而預制艙長邊之間多以熱輻射為主。
因此，建議適當加大預制艙短邊端的防火間距。隨著儲能電站規模的不斷擴大，當預制艙數量較多時，為節約土地資源，提高儲能電站的經濟性，需要進一步研究考慮預制艙的成組布置問題。由于電池預制艙屬于帶電設備，火災發生后儲能電池在艙內燃燒，現階段消防救援采取的策略為儲能電站斷電后，在著火預制艙外部持續遠距離噴水降溫，因而在成組布置時一方面應盡可能避免預制艙之間的火災蔓延，另一方面需保留足夠的消防救援空間。
2.3火災探測報警系統設計
結合試驗結果可知，電池預制艙火災防控的關鍵在于早期預警，一旦在少數電池安全閥打開、特征氣體探測器報警時立即聯動斷電，可有效避免火災發生。
由此，建議磷酸鐵鋰電池預制艙火災探測報警聯動實行分級機制：第一級策略為火災預警，即通過特征氣體如H2、CO探測報警，在第一時間感知儲能電池模塊發生少量電池安全閥打開時，采取立即斷電的方式阻止電池內部進一步發生反應，可以有效避免火災的形成；第二級策略在感煙火災探測器探測到艙內儲能電池發生急劇熱失控、噴射大量可燃煙氣時，需聯動關閉空調，啟動排煙風機，避免艙體內可燃氣體濃度過高形成超壓；第三級策略為火災報警，當感溫、感煙等火災探測器探知艙內發生火災時，應立即聯動斷電，確認斷電后聯動啟動艙內固定滅火系統進行滅火。
2.4艙內滅火系統設計
預制艙內儲能電池模塊的布置方式和燃燒特性表明其火災類型為固體深位火災、氣體火災、液體火災和電氣火災，較為復雜的火災類型使得如何在預制艙中選用合適的滅火方式成為難題。
當前國內外均圍繞這一問題開展大量研究，但究竟延續采用氣體滅火系統還是可以選用水滅火系統尚存在爭議，同時如何有效避免初期火災撲滅后儲能電池自身持續反應引發的復燃是研究的熱點。
根據調研，早期電池預制艙內多采用全淹沒柜式七氟丙烷滅火裝置，然而國內電池預制艙火災案例表明，柜式七氟丙烷滅火裝置可以撲滅艙內初期火災，但無法抑制復燃。
2019年NFPA發布《鋰離子儲能系統自動噴水保護》指南，針對三元鋰離子電池儲能柜和磷酸鐵鋰電池儲能柜開展了自動噴水滅火試驗。結果表明，對于并排布置的儲能柜，自動噴水滅火系統僅能起到延緩火焰蔓延的效果，但無法完全撲滅火災，尤其是對三元鋰離子電池儲能柜，持續噴水未能有效阻止儲能柜全面燃燒,如圖5所示。
儲能電站固定滅火系統的啟動必須遵循“先斷電、后滅火”的原則。當前我國針對電池預制艙內固定滅火系統的設計路線，一方面正在開展模塊級別細水霧滅火系統的研發，通過細水霧的窒息、持續冷卻和隔絕熱輻射的多重作用，有效撲滅初期火災并防止發生復燃；另一條路線是研發多級噴射的氣體滅火系統，如多次能形成艙內全淹沒的七氟丙烷滅火系統以及冷卻效果更好的全氟己酮滅火系統。由于當前針對電池預制艙內固定滅火系統的研究尚處于初期階段，建議先開展儲能電池模塊、儲能電池簇的實體滅火試驗進行驗證，在確保滅火且不發生復燃的情況下，可在預制艙內設置與試驗參數一致的滅火系統，同時應保證該固定滅火系統在實際工程應用中的可靠性。
2.5消防水源及消防車道
由于GB51048-2014《電化學儲能電站設計規范》中未對鋰離子電池儲能電站的消防用水提出明確要求，我國早期建設的預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站周邊存在無給水管網或消防水源的情況。結合儲能電站火災案例及消防救援實際情況，建議儲能電站周圍設置室外消防給水系統。消防用水宜由市政給水管網供給，也可采用消防水池或天然水源供給，相關要求應符合GB50974-2014《消防給水及消火栓系統技術規范》。同時，儲能電站內宜設置環形消防車道，消防車道的相關要求應符合GB50016-2014《建筑設計防火規范》。
3展望
當前，儲能電站的安全問題受到社會廣泛關注，GB51048-2014《電化學儲能電站設計規范》已于2020年啟動整體修編工作，T/CEC373-2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規范》已經發布，更多電力行業、消防行業的科研院所和相關企業積極投入到儲能電站消防安全的研究當中。伴隨著更多新產品、新技術的問世，以及儲能電站運行維護、消防安全管理的進一步提升，儲能電站必將朝著更加安全的方向健康發展。
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