背景

能源危機(jī)使鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在過(guò)去幾年得到了更加廣泛的使用，但也出現(xiàn)了一些危險(xiǎn)事故造成設(shè)施和環(huán)境的損壞，經(jīng)濟(jì)損失、甚至人員傷亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)即使儲(chǔ)能系統(tǒng)已符合電池系統(tǒng)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如UL 9540和UL 9540A，但還是發(fā)生了熱失控以及火災(zāi)。因此，從以往的案例中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，分析風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)策，將有利于儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。

以上事故發(fā)生的原因可以總結(jié)為以下兩個(gè)：

【資料圖】

1)內(nèi)部電芯失效，引發(fā)電池與模組的熱失控，最后引起整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的著火或爆炸

電芯熱失控引發(fā)的故障呈現(xiàn)的現(xiàn)象基本上是先起火再爆炸：如，2019年發(fā)生在美國(guó)亞利桑那州的McMicken電站和2021年中國(guó)北京豐臺(tái)電站事故均是在起火后發(fā)生爆炸;這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是單個(gè)電芯失效，引發(fā)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量(放熱反應(yīng))，溫度持續(xù)上升，且傳播到附近的電池和模組，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。電芯的失效模式一般由過(guò)充或控制系統(tǒng)故障、熱暴露、外部短路和內(nèi)部短路(可由各種情況引起，如壓痕或凹痕、材料雜質(zhì)、外部物體滲透等)引起。

電芯熱失控之后會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w。可以看到前三起案例發(fā)生爆炸的原因都是可燃?xì)怏w不能及時(shí)排出而引發(fā)的。此時(shí)電池與模組，集裝箱的通風(fēng)系統(tǒng)則顯得格外重要。一般電池是通過(guò)排氣閥排出氣體，排氣閥的壓力調(diào)節(jié)可以減少可燃?xì)怏w的堆積。模組階段一般會(huì)使用外部風(fēng)扇或外殼自身散熱設(shè)計(jì)來(lái)避免可燃?xì)怏w聚集。最后在集裝箱層面，也需要有通風(fēng)設(shè)施及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)疏散可燃?xì)怏w。

2)外部輔助系統(tǒng)故障引發(fā)的儲(chǔ)能系統(tǒng)故障

由輔助系統(tǒng)故障而引發(fā)的整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)故障一般發(fā)生在電池系統(tǒng)的外部，可能會(huì)發(fā)生外部元器件的燃燒或冒煙，當(dāng)系統(tǒng)及時(shí)監(jiān)測(cè)與響應(yīng)后，不會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)的電芯產(chǎn)生失效或熱失控的影響。在2021年Vistra Moss Landing 1期和2022年的2期事故中，由于當(dāng)時(shí)在調(diào)試階段，故障監(jiān)控和電氣故障安全裝置被關(guān)閉，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，才產(chǎn)生了冒煙與火災(zāi)。這種火焰燃燒通常從電池系統(tǒng)外部開(kāi)始，最后才會(huì)蔓延到電芯內(nèi)部，所以不會(huì)發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)與可燃?xì)怏w聚集的情況，通常不會(huì)發(fā)生爆炸。且如果此時(shí)噴淋系統(tǒng)能及時(shí)開(kāi)啟，也不會(huì)造成大面積的設(shè)施損壞。

而2021年在澳大利亞吉朗發(fā)生的“Victorian電站”火災(zāi)是由于冷卻劑泄漏引起的電池短路，造成起火。此時(shí)電池系統(tǒng)的物理隔離也是值得我們注意的地方。外部設(shè)施最好與電池系統(tǒng)保持一定的獨(dú)立空間，避免相互干擾。電池系統(tǒng)最好自身也保持一定的絕緣功能，避免外部短路。

應(yīng)對(duì)方案

從以上分析可知，發(fā)生儲(chǔ)能系統(tǒng)事故的原因?yàn)殡娦镜臒崾Э丶拜o助系統(tǒng)的故障，如果不能防止故障發(fā)生，那么減少阻斷故障發(fā)生后的進(jìn)一步惡化，則也能減少損失。這些措施可以從以下幾個(gè)方面的考慮：

1、阻斷電芯熱失控后的熱蔓延

? 在電芯之間增加隔絕屏障，在電芯之間增加隔絕屏障阻斷電芯熱失控后的蔓延，隔絕屏障可以安裝在電芯與電芯之間，模組之間，機(jī)架之間，這在NFPA 855(固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn))的附錄部分也有提到相應(yīng)要求。隔絕屏障的具體措施包括電芯之間插入冷水板，氣凝膠等。

? 在電池系統(tǒng)中增加滅火裝置，當(dāng)單個(gè)電芯發(fā)生熱失控后可以迅速反應(yīng)啟動(dòng)滅火裝置。鋰離子火災(zāi)隱患背后的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了儲(chǔ)能系統(tǒng)滅火設(shè)計(jì)與常規(guī)消防方案不同，不僅要撲滅大火，還要降低電池的溫度。否則，電芯的放熱化學(xué)反應(yīng)將繼續(xù)發(fā)生，并引發(fā)重燃。

在選取滅火材料的時(shí)候也需格外注意。如將水直接噴灑在燃燒的電池外殼上可能會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w混合物。且如果電池外殼或機(jī)架為鋼材料，水并不能阻止熱失控。一些案例表明水或其他類(lèi)型的液體接觸到電池端子也可能加劇火勢(shì)。如2021年9月發(fā)生Vistra Moss Landing電站火災(zāi)事件，報(bào)告表明電站冷卻軟管和管道接頭出現(xiàn)故障，導(dǎo)致水噴灑在電池架上，最終造成電池短路與電弧。

2、可燃?xì)怏w及時(shí)排放

上述的所有案例報(bào)告都指出，聚集的可燃?xì)怏w是爆炸的主要原因。因此，場(chǎng)地設(shè)計(jì)與布局，氣體監(jiān)測(cè)和通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)于降低這種風(fēng)險(xiǎn)非常有效。NFPA 855標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)要求要有連續(xù)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的這一要求，當(dāng)檢測(cè)到一定水平的可燃?xì)怏w(即LFL的25%)時(shí)，該系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)排氣通風(fēng)。另外UL 9540A試驗(yàn)中也有收集排氣，檢測(cè)氣體LFL下限的要求。

除通風(fēng)外，還建議使用泄爆板。在NFPA 855中提到，儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝和維護(hù)要按照NFPA 68(爆燃通風(fēng)防爆標(biāo)準(zhǔn))和NFPA 69(防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行。但當(dāng)系統(tǒng)符合防火和爆炸測(cè)試(UL 9540A或同等標(biāo)準(zhǔn))時(shí)，則可以豁免此項(xiàng)要求。但測(cè)試的條件并不能完全代表真實(shí)情況，因此建議加強(qiáng)通風(fēng)和防爆。

3、輔助系統(tǒng)的故障預(yù)防

在Victorian電站和Vistra Moss Landing電站事故中，不完善的軟件/固件編程和調(diào)試/啟動(dòng)前程序也是引起火災(zāi)的原因之一。在Victorian電站火災(zāi)中，其中一個(gè)模組引發(fā)的熱失控沒(méi)有被識(shí)別或阻斷，熱失控之后的火災(zāi)也沒(méi)有被中斷。因?yàn)楫?dāng)時(shí)不需要調(diào)試，所以系統(tǒng)被手動(dòng)關(guān)閉，包括禁用遙測(cè)系統(tǒng)，故障監(jiān)控和電氣故障安全裝置;監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)也系統(tǒng)尚未運(yùn)行，因?yàn)樾枰?4小時(shí)才能建立設(shè)備連接。

因此，建議任何閑置的模組都應(yīng)有主動(dòng)遙測(cè)、故障監(jiān)控和電氣安全裝置，而不是通過(guò)鎖開(kāi)開(kāi)關(guān)手動(dòng)關(guān)閉。所有電氣安全保護(hù)裝置都應(yīng)保持在主動(dòng)模式。此外，還應(yīng)增加額外的警報(bào)系統(tǒng)來(lái)識(shí)別和響應(yīng)各種緊急事件。

在Vistra Moss Landing1期和2期電站中也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)軟件編程錯(cuò)誤。盡管沒(méi)有超過(guò)啟動(dòng)閾值，但電池的散熱系統(tǒng)被激活。同時(shí)水管接頭故障與電池單元上層泄露，進(jìn)水使電池模組短路。這兩個(gè)例子顯示了軟件/固件編程在啟動(dòng)程序之前的檢查和調(diào)試是多么重要。

總結(jié)

通過(guò)對(duì)幾起儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的分析，應(yīng)高度重視通風(fēng)和防爆控制，合適的安裝和調(diào)試程序，包括軟件編程檢查，這些都可以避免電池事故。此外，應(yīng)制定全面的應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃的，以應(yīng)對(duì)有毒氣體和物質(zhì)的產(chǎn)生。

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