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锂电池储能项目的安全消防设计与安全法规标准

来源:智见能源 | 作者:admin | 分类:分析 | 时间:2018-09-17 | 浏览:6213
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一、 一个工程案例

这是我们“智见”团队参与技术服务的工程案例。在上海某大厦地下车库布置储能系统规模为1MW/2.719MWh,以削峰填谷方式实现电价套利,同时考虑远期充电桩的接入。储能系统接入大厦原有400V低压配电系统母线。工程共分成两个储能子系统,储能子系统规模分别为500kW/1554kWh和500kW/1165kWh。电池采用磷酸铁锂电池,柜式安装在大厦地下一层,利用原有停车场新建储能室一间,并配套安装消防、暖通、照明系统。电气接线图如下:

01.jpg

二、  《电化学储能电站设计规范》与锂电池能否布置在地下车库的问题

GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》中对储能站址的选择,是基于新建选址、容量规模大的储能电站。对于城市负荷密度高,采用分布式储能、峰谷电价套利储能电站的选址没有适用性。对于目前储能的营利模式还比较单一情况下,在城市的核心区,只有采用分时电价管理的峰谷电价套利模式。城市寸土寸金,如果储能电站采用《规范》中选址要求显然是行不通的,比较现实的选址与布置方式就是采用现有建构筑物进行改造,或者采用集装箱布置在室外,离负荷较近的地方。

《电化学储能电站设计规范》中对建构筑物及设备的防火间距提出了要求,这个规定也不适用在既有建筑物中布置设备的情形。在“储能系统”中“布置”章节,对配电装置型式、通道间距及分区等提出了原则要求,对于锂电池如何选址与布置的指导性不强。

那么锂电池能否布置在城市的大型建筑物中,或者布置在地下车库?我们的理解应该是可以的,等同于我们将储能装置视为地下变电站、全户内变电站、户外变电站相同的逻辑。根据我们的储能电池及装置类型,其布置的建构物要满足相关的防火规范,例如锂离子电池火灾危险分类是戊级,其耐火等级是二级。

建筑物的消防安全是底线思维。布置在室内或地下室的储能装置,在通道,温度湿度,通风防尘,消防器材及监控保护也要满足规范的要求。


三、  工程建设程序的要求

(1)锂电池是否易爆品?有无爆炸的危险?

我们上海储能工程采用的是柜式的磷酸铁锂电池,电池的产品说明中只是指出了锂电池可能的危险源提示,比如在密闭的空间中,可能会出现气体爆炸的风险。检测报告及试验报告明确,在各种工况与环境下,例如过充、挤压、短路、加热、海水浸泡等情况下,电池都不会发生爆炸与起火的情况。我们根据厂家提供的报告及生活常识可以判断,锂电池不是易爆品,但它在一定的外部环境或工况条件下,可能会诱发爆炸与起火的风险,具有一定的危险概率。

美国的储能安全专家、储能系统技术委员会主席James Biggins是这样定义的:所以在过去的几年,我们针对锂离子电池,尤其是在电信行业和储能系统的大规模应用就做了很多关于有害物质和气体的研究,其中还有一个问题,现在虽然有法规,但是不同辖区的消防人员都尽量的是把锂离子电池里面的物质当成是有害的、可燃烧的液体,而且大家都知道,在电池组里面可能有好几个电池的叠加,他们就会认为这里面有可以燃烧的有害液体,所以需要做监管。


(2)消防部门的工作程序及意见

我们在上海的储能项目,在可行性研究评审时,请来了消防大队的消防专家。专家没有因为地下车库布置锂电池储能是新生事物而一票否决,提出了“对于本工程使用的磷酸铁锂电池的电解液成分尚不了解,储能电池厂家应该提供相关论述。”在电池厂家充分说明论证并提交消防大队说明情况,同时,消防专家也提出了对地下车库布置锂电池储能间是否需要参照引用汽车库、修车库、停车场的相关规范提出了自己的看法。

在完成上述技术与安全论证工作之后,根据《上海市办理建设工程消防验收、竣工验收消防备案申报手续》的规定,“依法不需要取得施工许可证或建筑面积小于300平方米的改建建设工程,不再办理”,本工程在建筑面积及投资额度都依法可免予办理。


(3)是否需要第三方安全评价?

锂电池,布置在地下车库的锂电储能电站,是否有较大的安全风险?根据《安全生产法》第二十五条:矿山建设项目和用于生产、储存危险物品的建设项目,应当分别按照国家有关规定进行安全条件论证和安全评价。

剩下的问题就是锂电池储能间是否属于储存危险物品的界定。《安全生产法》第七章《附则》第九十六条,“危险物品,是指易燃易爆物品、危险化学品、放射性物品等能够危及人身安全和财产安全的物品。”通过以上的脉络梳理,我们可以得出:锂电气不是危险物品,不需要进行安全评价。


四、储能工程设计方案

在项目的实施阶段,我们对本工程的布置、消防及通风做了如下设计方案:

储能系统放置于地下停车场地下一层,邻近变电所的400伏配电装置,利用原有的停车位新建储能电站站房,建筑面积为102.14 m2,储能房里放置有电池柜、630kVA隔离变压器、500kW PCS柜、汇流柜、控制柜等电气设备。

储能室内设置精密空调,并设置风管向电池柜内送空调冷风,最大设计送风量为11200m3/h,以保持电池柜柜内温度恒定在25℃左右。

根据《建筑灭火器配置设计规范》GB50140关于小型灭火器的配置要求,在储能室设置一定数量的手提式干粉灭火器,以保证补救初期火灾和零星火灾。

根据《气体灭火系统设计规范》 GB50370的要求,考虑到储能室室内体积小、高度低,室内燃烧物少,且多为电气设备的特点,选择采用柜式七氟丙烷灭火系统,本装置以七氟丙烷(HFC-227ea)作为灭火剂。七氟丙烷以化学灭火为主,兼有物理灭火作用,无色、无味、清洁、不导电、不污染被保护对象,不会对财物和精密设施造成损坏,对大气臭氧层无破坏作用(ODP值为零),符合环保要求,在大部分保护区域,灭火浓度均低于人体的无毒性反应浓度(NOAEL浓度),对人体是安全的,是一种优秀的洁净气体灭火剂。

同时,在储能工程的建设中,消防安全也是重中之重,是储能系统安全运行的保障。因此,本工程最终设计方案确定后,将咨询消防部门专家的意见。

储能电站的布置图如下:

02.jpg

五、储能电站火灾的安全警示

我们常见锂电池的电动自行车因充电问题引发的火灾见诸报端。这种类型的火灾原因应该是多方面的原因,锂电池的发展并没有因噎废食,但这类安全事故也让我们焦虑锂电在大规模运用上是否安全,是否是颗定时炸弹?当然,储能电站的着火与多种因素有关的,与电池及相关的电气产品质量、系统集成商的施工水平及后期的运营管理都有关系,我们也不能因为一次事故而全盘否定储能电站的发展前景。同时,发生的事故应该给予我们在储能项目建设中足够的警醒。


六、  储能发展需要实用的规范与建设标准

James Biggins这样说:

“不同场景的应用需要不同的法律法规,有适用于建筑的,适用于大的储能系统和大的发电厂,希望在不同的应用场景都有相应的标准和法规,比如说大规模应用的工业场景和居民应用的场景下。”“下来是审批环节,审批储能系统所使用的设备和组件,美国每个州都有相应的审批流程。”

GB 51048-2014《电化学储能设计规范》是针对大型储能电站编写的规范,与分布式能源的发展思路并不吻合。未来,可以预见的是储能会有长足发展,运用的场景与主题应该是分散式,分步式,中小容量,贴近负荷中心,与家庭、办公楼宇、工厂等负荷中心紧密相关的场景。如果没有规范可循,也没有相应的安全制度与监管,当大家不知道该如何做,这样做是否合法合规的疑问不断充斥我们思考的时候,显然对储能的生态系统是不利的。

安全的使用好储能,是这个产业发展的前提;合理合规的建设流程、审核程序与验收标准是产业发展的保障。


七、  美国储能安全专家给我们的思考

2018年5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开,美国储能系统技术委员会主席、TÜV南德意志集团全球风险顾问公司常务顾问James Biggins在国际储能专场,以“美国储能市场—安全法规和标准”为题,发表了精彩演讲,现附上演讲的内容如下:

James Biggins:非常荣幸今天早上能做第一位讲者。我今天主要是和大家讲在美国储能市场的安全监管以及标准。

首先讲一个大概的全局观,2017年,我们的整个市场的装机容量超过了100MW,我们预计在未来每年翻一番,最终达到200MW,2018年预计1000MWH,不光是商业,也包括一定的住宅使用。截止到2017年4月份,现在美国在意的储能装置项目是有不同的电池类型,从铅酸到锂到镍到钠和液流电池,整个占额定功率的651MW,我们要注意到现在整个市场更多的偏向于锂电池,截止到2017年的第四季度,整个市场里面有超过98%都是锂电池。为什么会这样?因为锂电池的技术已经相对比较成熟,它已经得到了市场的验证,而且它的能量密度是比较高的,尤其是我们做大规模应用的时候,是非常看重高能量密度的。当然,锂电池也有一些缺陷和弊端,最明显的是对于火灾的担忧。已经有很多关于锂电池起火的事件发生了。另外在美国市场还涉及到对于电路设计安全的要求,一旦这个电池装好,它老化带来的隐患,同时对于电池的运输在美国是有相当严格的限制。包括电池在使用寿命要结束的时候怎么进行处理。

在美国的安全性方面,主要是有七大点,大多数的标准和监管条例都是根据了这7个方面来制定的,首先是选址,要把储能系统放在哪里,尤其是大规模的项目。有的时候是放在城市,有时候小规模的储能系统在居民区里。所以选址方面是有标准的,同时系统的出入口也是有相关的标准和条例。如果是在居民区,储能系统的选址不能放在家里的时候阻碍在家里住的人发生意外逃不出去,所以选址和人的出入也是有关。也要和周围环境进行一定单独隔离,不要因为储能系统发生火灾而影响到周遭的环境。另外一个大的方面是通风,我们知道电池系统的通风非常关键,因为要保持它良好的工作周遭温度。一旦发生火灾,电池会释放出相当大的有毒气体,所以需要有一定的通风系统保证,无论是正常情况下还是大型火灾情况下,都能尽快排出这些气体。有时候发生大的火灾,由于有毒气体排放不出去,消防队员也不能很快的扑灭火灾。

这套储能系统和其他系统怎么实现交互?包括沟通、衡量指标等等。在这里监管设了一些最低的交互要求,这也是根据产品的规格以及根据测试的结果制定出来的。我们最重要关注的领域是关于火灾,包括火灾的探测、火灾的扑灭、火灾的间隔以及怎么样去除何在产生的烟雾、气体。这也就提高了刚才说的与其他地方保持一定的间隔。在这方面,其实有很多的工作需要做,也有一些体系可以借用,比如FM200,FM200是关于气体控制的系统,能够帮助你控制气体的泄露和通风。因为整套技术并没有得到大规模的推广,所以它没有经过大规模项目的验证,一旦发生热逃离的情况下会发生什么不是特别清楚。现在也有对它的使用。上面的防火间隔,有很多使用液体和水来做间隔,因为它的安装成本比较低,现在并没有说特别丰富的实践数据来支撑,到底需要多少的水量来实现真正有效的防火间隔,现在美国在做这方面的测试,希望明年有更多、更实际、更丰富的行业里面的证据。另一方面的隐忧来自于液体,在美国的情况是你需要有一个容器来装从电池储能系统里面泄露出来的液体。我个人觉得要全部装住是很难的,但是你又使用到用水做防火隔离,液体泄露方面也有很大的隐忧。标识方面,在美国的安全文化里面,一贯很强调安全相关的标识,能够让人们知道哪里有安全隐患,发生情况以后要做什么,所以我们一直强调标识方面标准的制定。

接下来是审批环节,审批储能系统所使用的设备和组件,美国每个州都有相应的审批流程。美国的安全性文化一直都是由不同的州和不同的州相应的机构进行管理和审批的标准。所以,你如果要拿出一些全部适用的条例是不太容易的,非常取决于这个项目所处的州、所处的城市,比如说大设备的退役,这方面会有很多安全性的问题。你需要为整个生命周期来制定相应的标准。在2015年以前,美国锂电池方面的安全法规并没有很好的处理有害气体和有害的物质,尤其是在锂电池这方面。所以在过去的几年,我们针对锂离子电池,尤其是在电信行业和储能系统的大规模应用就做了很多关于有害物质和气体的研究,其中还有一个问题,现在虽然有法规,但是不同辖区的消防人员都尽量的是把锂离子电池里面的物质当成是有害的、可燃烧的液体,而且大家都知道,在电池组里面可能有好几个电池的叠加,他们就会认为这里面有可以燃烧的有害液体,所以需要做监管。我们要更快的跟大众普及这方面的知识。

例子,我们曾经经历过风电场和大型的储能装置的火灾,在左边,大家都知道这是一个夏威夷的风电场,在2012年的时候,这已经是这个风电场第三次着火了。这个风电场最大的问题是在产生火灾的时候烟很大,而且烟很快弥漫到整个风电场,烟很大,没有办法进行疏散,整个风电场损失惨重。他们现在希望改变目前的安全法规。右边是在一年前发生的火灾,是在比利时和阿姆斯特丹这个地方,这是一个发电厂,发电厂里面有好几种不同的储能系统,他们还做过一些检测。主要是检测哪些储能系统和发电厂更加适用,火灾起源的信息还没有完全披露,我想主要的原因是在当时是做试点,而不是正式的运行。而那时候在具体运行过程中好几个系统中出现不兼容的情况。

锂离子电池方面人们做的法律法规规避这些可能存在的危险,有些是针对应用做的法律法规。不同场景的应用需要不同的法律法规,有适用于建筑的,适用于大的储能系统和大的发电厂,希望在不同的应用场景都有相应的标准和法规,比如说大规模应用的工业场景和居民应用的场景下。NFPA,美国的消防协会,他们主要是来出具在美国普通的放火标准,在美国还有FM global也提出其他防火的安全,FM global也做了关于火检的检测,未来他们更快就储能系统出具相应的标准和法规,而且会具体指引消防人员在发生火灾的时候到底怎么做的指南。

这个PPT有改变,之前的PPT完全集中于美国市场,在美国大家都知道UL,美国比较通行做法律法规的,世界其他地方也有不同的机构,像ULC。在美国就是UL1948、1948A,这几个都是相应的为锂离子电池产品还有电池系统来做相应的法律法规,还有UL9540、UL9540A。接下来给大家看一下ICC,主要是在美国国际安全委员会,主要是为应用场景做法律法规,尤其是建筑安全和环境安全方面的法律法规。主要针对的也是在城市、农村,当我们在建筑立面安装储能设备的时候要遵循ICC的标准,他们做大量的工作来解决关于能源储备和这方面的系统问题。2015年以前,主要标准和规则是针对传统电池和电池的安装,所有的法律法规在过去的这些年进步和更新的非常慢,他们主要针对传统电池,在2015年之后,尤其大家都知道,夏威夷一个岛巨大的火灾之后做了一些法律法规的更新,因为他们看到2015年之后的市场,能源储备和储能系统的发展非常快,大家看到2018年就对于ESS系统出具了全新的安全章程。这是第十二章,针对能源储能系统,这里针对太阳能光伏发电,还有禁止的燃料电池和其他的电池能源系统。

这个表上可以具体看到第12章涵盖的安全法规的领域,包括ESS,还有最低门槛准入,比如他们会告诉你,在每个单一的区域里面你最大可以安装多大功率的电池组和储能系统。我还会简单的一个个讲,但是时间来不及了。禁止的燃料电池里面,他们希望更好的告诉大家,比如说在15KWH到50KWH,或者不同的KWH的时候,我们是不是能够足够的产生烟,而且房间里的防火设备或者消防设备能扑灭这样的储能系统产生的烟雾。另外关于刚刚讲的50KWH,比如我们去一个比较大的领域里面或者大的应用空间,它里面有电池组,比如它里面叠加250KWH,这样我们就一定要在不同的电池组之间有些间隔,以保证他们的散热。在具体的电网运作的时候是比较难的,像MW或者GW这样的大项目,你很难做这样的间隔性安置。另外在居民的住宅里面还要给他们提供许多我之前讲过的通风,尤其针对居民楼里较小储能系统的通风和隔离。

NFPA是美国的消防协会,他们推出了很多在锂离子电池和储能系统方面的安全法规,他们还出台了关于火灾的消防标准,IFC的标准跟他们非常相似。2015年之前都做了比较小的更新,2018年之后,2017年是增加了一章,2018年是全新的更新,给我们提供了关于储能设备的安全方面的要求。而且IFC的标准在酶基本都是遵循的,适用范围非常广。NFPA855是针对标准储能系统安装方面的法律法规的要求,他们专门做了一个文件,把所有其他的法律法规机构的文件都具体罗列出来,比如在不同的适用领域,开发商、建筑商和储能系统到底应该怎么样来更好的满足美国现在当局对于锂离子电池和储能系统的要求。针对NFPA855是比较全面的,而且是比较能够适用于大型电网并网的要求。当然了,对于其他相对专业的应用可能就没有那么具体的规章规定,现在在美国也希望整个对能源储能系统做一些安全和法规上的界定。

总结,锂离子电池和储能系统方面的安全法规是持续更新的过程,所以一般3-5年,美国的当局就会进行一次更新,因为他们会从过去3-5年的事故中学习,并且更新他们的法律法规规定。在美国,有ICC、IFC、NFPA,所有这些机构都是参与到美国的安全法规方面的建设,但是适用之前都是要受到检测。所以现在NFPA通过第一次修订,现在有10个星期的待定期,这10个星期里面,大家如果读他们最新出台的法律法规,我们可以提出异议,然后在10个月暂休期之后就会适用。另外,我们能够不同的机构提供的法律法规安全的指南是非常不同的。防火和用户安全,尤其是防火检测,在美国参与的机构非常多,我们也希望找到最好的方式来扑火、灭火,我想最大的应用场景是保险商或者第三方,比如我们可以帮大家做整体的防火安全的分析,帮你们项目看整体的安装和运营是否符合法律法规的要求。

整个储能系统的发展是动态的,而且涉及到非常关键的安全因素,在最近我们看到ESS,储能系统在过去这几年出现了比较快的发展,而且预计在未来几年还会有快速的发展,今天都是解决我们已知的问题,但是通过不同的检测,通过不同的分析以及关于危害减缓指南方面的工作,可以做更好的提前预知安全隐患,另外法律法规是持续进行更新的。我们希望利益相关方都进行合作,我们大家的合作是解决在整个储能系统方面的安全隐患最关键的一环。

谢谢大家!

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