A.1.2 储能系统实体火灾模拟试验模型应保证火灾模型与实际工程应用的相似性,并应根据下列因素确定: 1 储能系统引燃方式和预燃时间应能代表实际储能电站火灾的典型场景; 2 试验空间应与实际防护区的空间几何特征相似; 3 试验空间的通风等环境条件应与实际工程的应用条件相似; 4 灭火系统的模拟试验应用方式应与系统设计应用方式相同。
A.2 试验环境
A.2.1 试验应在相对湿度≤90%、温度为5℃~35℃、大气压力为86kPa~106kPa的环境中进行。
A.2.2 试验场地宜满足以下功能要求: 1 具有通风排烟功能,可对试验过程中排放的有毒有害气体进行有效处理,避免对周边 环境和人员产生影响; 2 具有废液收集处理设施,当采用水系等灭火剂时,可收集废液并经处理满足要求后排 放; 3 配备消火栓、消防水枪等灭火设备,辅助试验过程中的消防灭火。
A.3 试验平台
A.3.1 试验平台应能代表储能系统火灾模型与实际工程应用的相似性。 1 应根据储能电站所采用的预制舱类型,选择与之结构、尺寸、材质完全一致的预制舱作为模拟试 验舱。模拟试验舱的门窗洞口及排烟口尺寸应与实际应用完全一致。舱顶采用防爆灯具照明。 2 模拟试验舱靠近观察室(观察区)一侧中部位置设置观察窗。窗口尺寸宜长度不小于0.8m,宽度 不小于0.6m。窗口玻璃宜采用耐温不小于800℃的耐热玻璃。 3 模拟试验舱内观察窗对面放置至少一组电池架,电池架结构、尺寸、材质均与实际应用一致。
4 观察室(观察区)
应与模拟试验舱分开布置,通过墙体、窗户(防爆玻璃)进行密闭隔离,防火 距离应不小于20m。
A.4 试样
A.4.1 储能电池模块试样应与储能电站实际应用相同。
A.4.2 储能电池模块试样,应通过国家认证认可的电力储能电池检验机构依据GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》出具的检验报告,其安全性不应低于GB/T36276-2018 的相关要求。
A.4.3 储能电池模块试样在试验前,应根据GB/T36276-2018《电力储能用锂离子电池》附录A.1.3完 成储能电池模块的试验准备。
A.4.4 灭火系统试样应与储能电站实际应用灭火系统的主要技术参数相同。
A.5 引燃方式 引燃方式宜采用过充方式,也可采用加热方式。
A.5.1 过充 过充采用的充放电装置应根据储能模块参数满足输出电压和输出电流的最低要求。电压、电流、 功率的准确度0.1%FS。试验时,选取电池模块的充电倍率为0.5C或1C(不高于电池实际设计参数)。 过充设备采用电池模块充放电柜,输出电压最低为模块额定电压的1.67倍。充放电柜放置于试 验舱体外部, 距离试验舱外壁距离不小于2m。充放电柜的控制端通过网线连接到监控系统电脑终端, 实现人机分离,可进行远程启停、设置充电工步和显示保存实时电压、电流、温度等数据。
A.5.2 加热 使用平面状或棒式加热装置,其表面应覆盖陶瓷、金属或绝缘层,加热面应不低于电池模块底 面积,加热装置最大功率应大于2000W。试验时,以加热装置的最大功率进行加热。
A.6 试验过程与试验结果判断
A.6.1 试验按照下列步骤进行: 1 对试样电池模块进行充电,达到100%; 2 通过过充或加热方式引燃,起火后预燃3min; 3 启动灭火系统; 4 记录扑灭明火时间、流量、压力、浓度等相关数据; 5 停止灭火系统,记录相关数据; 6 静置12h,观察是否发生复燃。 注意:试验过程中应时刻注意安全,电池热失控后,散发的无色和白色气体的主要成分是H2、CO、CH4 和电解液蒸汽等有毒可燃气体;在引燃的瞬间危险性最大,一般会发生爆燃,甚至可能发生爆炸。试验人 员中应提前做好安全防护措施和应急措施。
A.6.2 储能电池系统实体火灾模拟试验,判断灭火系统针对电池模块起火是否有效,应符合以下要求: 1 明火扑灭时间不大于10min; 2 停止灭火系统后,静置12h内无复燃。
预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范编制说明
1 编制背景
电化学储能电站是实现电网“源网荷储”协调发展、集成互补中的重要一环,是提升电网运行 稳定性的保证。目前,电化学储能电站电池组火灾荷载多、燃烧剧烈,其防火和灭火技术存在问题 如下:一是现有电化学储能电站的防火设计标准偏低,标准规定的灭火措施缺乏有效性证明,无法 做到火灾风险有效管控、火灾事故及时处理。如现有标准规范中提出的干粉灭火器、黄沙对扑灭电 池火无效。二是国内外对储能电站大型电池组灭火尚无明确有效的灭火技术。主流灭火系统如七氟 丙烷等气体灭火系统只能灭初期明火,对电池复燃无能为力。三是市场上现有电池灭火技术多为电 动汽车设计,难以适用于大型储能系统。 随着电网侧电化学储能电站的规模化应用,储能电池质量、数量、容量以及能量密度的增加大 大提高了事故发生的可能性和危险程度,尤其在大规模储能应用场合,电池火灾可能带来不可估量 的经济损失和社会影响,因此,进一步明确电化学储能电站的消防设计、建设和运行要求,着实必 要。 本标准是依据中国电力企业联合会《关于印发2019年第二批中国电力企业联合会标准制订计划 的通知》(中电联标准〔2019〕222号)要求,由国网江苏省电力有限公司牵头组织编写。2019年, 国网江苏省电力有限公司会同郑州大学、中国科技大学、东南大学、国家消防技术中心和南消、中天、宁德、比亚迪、高特等设备厂家,研究了单体电池、模块电池的燃烧特性,进行了系列预警和 灭火试验,提出了《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术措施》,突出了防火和灭火措施的有 效性和经济性,并应用于江苏第二批电化学储能电站建设。
2 编制主要原则
从火灾危险性、安全性、消防设施建造的必要性和经济性来看,规定本标准适用于户外无人值 班的容量10MW∙h及以上的预制舱式磷酸铁锂电池储能电站。 本标准主要根据以下原则编制: a) 遵守现行国家消防法规和有关标准、规定; b) 遵循合规性、适用性、经济性原则; c) 在大量试验和试运行的基础上编写。
3 与其他标准文件的关系
本标准与相关技术领域的国家现行法律、法规和政策保持一致。 本标准不涉及专利、软件著作权等知识产权使用问题。
4 主要工作过程
2019年7月,成立编写组,编制大纲,并组织了大纲审查会。 2019年10月,完成标准大纲编写,组织召开大纲研讨会进行了大纲评审。 2019年12月,完成标准初稿编写。 2020年1-3月,完成标准征求意见稿编写,并在电力系统内广泛征求意见。 XXXX年X月,修改形成标准送审稿。
XXXX年X月,本标准经过XXXXXX审查,提出了审查意见。经修改,形成报批稿。
5 标准结构和内容
本标准主题章分为7章,由一般规定、电池预制舱防火设计、储能电站防火设计、消防设施、 灭火救援与其他、施工验收和系统的运行及维护组成。第4章为一般规定,第5章提出电池预制舱的 防火设计要求,具体提出了磷酸铁锂储能电池和电池管理系统的安全规范要求;第6章提出了储能 电站的防火设计要求,明确了站址选择、平面布置及防火间距的要求;第7章规范消防设施的功能 要求,明确了消防水、火灾自动报警和灭火设施及其联动控制要求;第8章规范灭火救援工作要求; 第9章规范了系统施工安装的有关要求;第10章提出了系统的运行及维护要求。
6 条文说明
3.2 “电化学储能电站”已在GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》定义,已在GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》和GB 36276-2018《电力储能用锂离子电池》中定义此处 不提。
4.1.2 本条结合《消防给水及消火栓系统技术规范》GB 50974和储能电站火灾特点及灭火特征 共同确定。由于20尺和40尺的预制舱功率不同,按预制舱个数确定同一时间火灾次数不妥,建议结 合储能电站情况,与本规范第1章范围对应,综合考虑系统容量来确定同一时间发生火灾的起数。 目前昆山储能电站系统容量:110.88MW/193.6MW∙h;江北储能电站系统容量:110.88MW/193.6MW∙h; 江北梯次电站系统容量:5MW/30MW∙h(磷酸铁锂电池),15MW/45MW∙h(铅酸电池)。
4.1.3 措辞与范围一致,在编制说明中列举2条相关标准 5.1.1 电池安全性是防火的本质安全。本标准仅对磷酸铁锂电池储能系统进行了规定。磷酸铁 锂电池电解液主要成分为碳酸乙烯酯(C3H4O3)、碳酸丙烯酯(C4H6O3)、碳酸二乙酯(C5H10O3)、 碳酸二甲酯(C3H6O3)、碳酸甲乙酯(C4H8O3)、六氟磷酸锂(LiPF6)、五氟化磷(PF5)、氢氟酸(HF) 等。除六氟磷酸锂(LiPF6)、氢氟酸(HF)外,皆为丙类可燃液体。六氟磷酸锂为白色结晶或粉 末,易溶于水,也溶于低浓度甲醇、乙醇、丙酮、碳酸酯类等有机溶剂,暴露空气中或加热时六氟 磷酸锂在空气中由于水蒸气的作用而迅速分解,放出PF5而产生白色烟雾;易燃,遇明火、高热能 够燃烧,受高热分解放出有毒气体。六氟磷酸锂火灾危险性属于甲类易燃易爆固体粉末,从理论上 讲,含有六氟磷酸锂的电解液应属于甲或乙类易燃液体。但是,从国内外对三元锂电池和磷酸铁锂 电池的燃烧特性来看,同时都含有六氟磷酸锂的三元锂电池热失控迅速,燃烧剧烈;而磷酸铁锂电 池热失控时很难燃烧。
课题组对单体、模块级磷酸铁锂电池进行了燃烧特性试验,试验中,电池模块热失控后马上停 止充电(第一个安全阀打开后停止充电),电池内部反应仍在持续进行,释放热量小于散发热量, 模块在4小时内未发生燃烧现象,外壳温度从105℃逐步下降到50℃。这表明,发生热失控第一时间 内切断充电电源,磷酸铁锂电池模块一般在4小时未发生燃烧,这可以给故障处理以足够时间。GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》11.1.3明确锂离子电池室火灾危险性为戊级。从磷酸铁锂 电池燃烧特性上来看,其发展过程的危险性与油浸式电力变压器相近。 GB/T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》对电池安全性提出了具体要求。例如,GB/T 36276 规定了单体电池安全性能包括以下方面:
过充电:将电池单体充电至电压达到充电终止电压的1.5倍或时间达到1h,不应起火、爆炸。
过放电:将电池单体放电至时间达到90min或电压达到0V,不应起火、爆炸。
短路:按照GB/T 36276-2018中A.2.14的短路试验步骤,将电池单体正、负极经外部短路10min, 不应起火、爆炸。
挤压:将电池单体挤压至电压达到0V或变形量达到30%或挤压力达到(13±0.78)kN,不应起 火、爆炸。
跌落:将电池单体的正极或负极端子朝下从1.5m高度处自由跌落到水泥地面上1次,不应起火、 爆炸。
低气压:将电池单体在低气压环境中静置6h,不应起火、爆炸、漏液。
加热:将电池单体以5℃/min的速率由环境温度升至(130±2)℃并保持30min,不应起火、爆炸。
热失控:触发电池单体达到热失控条件,不应起火、爆炸。
因此,本标准要求磷酸铁锂电池单体、模块、簇,其安全性能应符合现行国家标准《电力储能 用锂离子电池》GB/T 36276的相关规定,并应提供检测报告。
5.1.3 为尽量减少可燃物,要求单体电池的壳体采用阻燃材料,阻燃等级不低于V-0。V-0级标 准,在UL94标准中最高等级标准,即:对样品进行两次10秒的燃烧测试后,火焰在30秒内熄灭;不 能有燃烧物掉下。 铝制或钢制硬壳电池上部有泄压阀,其发生热失控的时间较长。软体电池上没有泄压阀,热失 控时体积膨胀较大,产生的可燃气体可能在瞬间释放,来不及稀释,会影响灭火效果,或高浓度可 燃气体造成爆炸等次生影响。因此,本标准规定,宜采用硬壳电池,如采用软体磷酸铁锂储能电池, 设备厂家宜将软体电池密封在硬壳模块内。
5.1.4 1)考虑需要对电池的不一致性进行进一步研究,提出不一致性定量衡量参数要求。
3)GB 3805-83《安全电压》规定我国安全电压额定值的等级为42V、36V、24V、12V和6V。电 池模块电压越高,往往意味着电池单体串联的数量越多,重量和体积也越大,影响运维安全和效率, 因此限定电池模块的标称电压不宜超过42V。容量型电池模块不宜超过15kWh,其目的是避免电池模 块成组太大造成能量集聚太多,如果发生热失控可能造成预制舱爆炸。
4)GB 50148-2014《电化学储能电站设计规范》5.2.4条规定,电池组应尽量减少并联。条文 解释为:电池并联存在由于并联支路间性能(电压、内阻、能量等)的差异导致环流的存在,影响 系统的安全、可靠运行,所以设计时尽量避免电池的并联,采用合适的PCS拓扑,控制电池并联的 个数,一般不大于2。比亚迪公司提出了先串后并的要求。
5)根据镇江用户储能电站和许继电池簇极性接反引发的火灾事故,提出电池模块正负极具备 结构性防反接功能,防止电池模块成簇接线时出现人为短路。
5.1.6 塑料材料的燃烧性能尽可能参照GB 8624。电器设备外壳及附件满足GB/T 5169.16,垂 直燃烧性能V-0级,和之前规定不冲突。此处未提及防爆功能,主要考虑防爆性能通过GB/T 36276 《电力储能用锂离子电池》测试,同时塑料壳体的泄爆能力优于金属壳体。
5.2.1 当前,各厂家提供的电池管理系统(BMS)不一致,原多为电动汽车配套使用,技术良 莠不齐,现有储能电站BMS标准GB/T 34131-2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》 仅规定了电池管理基本功能要求。因此,为了实现对电池的有效保护,本标准提出了补充要求。
5.2.2 电池管理系统应能够接收到气体监测系统、火灾报警系统的信号,作出相关联动控制指 令。BMS接受可燃气体探测器信号或火灾报警信号,并能联动停止电池模块运行状态,实现故障隔 离。BMS接受到可燃气体探测器第一阈值信号后,联动启动风机,关闭空调和预制舱外警示灯(暂定),并上送至监控系统。
5.3.1 根据国外标准规范,墙体耐火极限不低于2h。预制舱自身作为设备处理,可不要求耐火 极限,要求采用不燃材料制造,若采用保温材料,则燃烧性能应达到A级。