【储能消防】浸没式储能系统与消防方案设计分析

一、浸没式储能系统的崛起与挑战

浸没式储能系统作为一种新兴的储能技术，近年来发展迅速。随着储能行业对安全性的要求越来越高，浸没式储能系统因其独特的优势受到了广泛关注。

目前，储能系统的火灾风险成为行业关注的焦点。美国一储能电站失火，六天不灭，再次引发了人们对储能安全问题的担忧。储能系统的 “心脏” 是电池组，尤其是锂离子电池因其高能量密度和长寿命而备受青睐。但电池在异常条件下可能发生 “热失控”，一旦开始升温，抑制其进程犹如与时间赛跑。而且，电池组往往由数千个甚至数万个单体电池串联或并联而成，一旦一个电池发生热失控，热量和气体产物可能迅速蔓延至邻近电池，引发连锁反应。

浸没式储能系统将储能电池直接浸没在冷却液中，电芯与冷却液直接接触，完全与氧气隔离，实现对电池直接、快速、充分冷却降温，确保电池在最佳温度范围内运行，能有效延长电池的使用寿命，整体提升储能电站的安全性能。全球首个浸没式液冷储能电站投运标志着浸没式液冷这一前沿技术在新型储能工程领域的成功应用。

然而，浸没式储能系统也面临着一些挑战。一方面，业主和投资人考虑更多的是成本问题。目前，储能的温控技术包括风冷、冷板式液冷、浸没式液冷等几种，从温控效果角度讲，三者递增；从成本角度讲，三者也呈递增的趋势，浸没式成本目前最高。另一方面，系统集成商则主要考虑其技术是否成熟、是否已经在业内大量应用、会不会给系统带来风险等。

浸没式储能系统在发展过程中既有机遇也有挑战，对消防方案的需求也更加迫切。为了确保浸没式储能系统的安全运行，需要不断研发和完善消防方案，以应对可能出现的火灾风险。

二、消防方案设计的关键要素

（一）储能电池的安全优化

储能电池的安全性是浸没式储能系统消防方案设计的基础。在材料方面，磷酸铁锂材料因其安全性高、寿命长等特点，成为储能电池的热门选择。与其他材料相比，磷酸铁锂电池在热失控时的反应相对温和，不易发生剧烈燃烧或爆炸。例如，有研究表明，在相同的实验条件下，三元电池内部温度约 200℃时，正极材料会分解并释放氧气，在高温下电解液迅速燃烧，燃烧更剧烈；而磷酸铁锂电池内部温度一般在 500℃才可能出现分解现象。

在工艺方面，叠片工艺可以提高电池的能量密度和安全性。叠片工艺使得电池内部的极片更加平整，减少了因极片褶皱而导致的局部过热风险。同时，叠片工艺还可以提高电池的一致性，降低电池组内部的温差，从而减少热失控的风险。

在结构方面，可以采用自隔离防火设计等技术来提升电池的安全性。这种设计可以在电池发生热失控时，将热量和气体产物限制在一定范围内，防止其蔓延至邻近电池。

（二）消防介质的革新

不同的消防介质具有不同的特点，在选择消防介质时需要综合考虑安全性、有效性和成本等因素。

全氟已酮作为一种新型的消防介质，逐渐获得了行业的认可。全氟已酮具有快速灭火、无残留、环境兼容性好、电气绝缘性优异等特点。在储能系统中，全氟已酮能在几秒内迅速降低火场温度，中断燃烧链式反应，有效控制火势。灭火后几乎无残留物，避免对电池组及周围电子设备造成二次损害。同时，全氟已酮环保无毒，符合严格的环保要求，适用于密闭或人员密集场所。其优异的电气绝缘性能，适合用于电气火灾的扑救，保障储能系统电气安全。

水降温效果好，但也存在电气故障风险。水在产生蒸汽后能带走大量的热量，非常有效。然而，水可能会造成电池短路，引发新的安全问题。在使用水作为消防介质时，需要谨慎考虑其适用场景和风险。

（三）PACK 级消防细化

PACK 级消防在浸没式储能系统中具有重要意义。通过下沉报警和灭火单元，可以有效抑制火灾级别上升和蔓延。

PACK 级消防方案关键在于配备外置式探测器及灭火装置，可对每个电池包进行复合探测（烟、温、CO、VOC 等），进而实现对电池包早期热失控感知、智能判觉及提前抑制。以全氟己酮灭火装置为例，其在 PACK 级消防中展现出独特优势。采用模块化、集成化设计，可灵活安装于每个 PACK 单元附近，实现精准定位、快速响应。结合高灵敏度的温感、烟感探测器及智能控制系统，能在火灾初期即刻触发报警，并自动释放全氟己酮灭火剂，实现火灾的早期干预和有效控制。

根据不同类型的储能 PACK（如锂离子电池、钠硫电池等），提供定制化的消防策略，确保灭火效果的同时，兼顾经济性和实用性。例如，在某大型太阳能光伏电站储能项目中，采用了全氟己酮灭火装置作为 PACK 级消防解决方案，成功预防了数起潜在的电池热失控事件，确保了电站的持续安全运营。

三、全浸没储能装置的消防创新

（一）温控介质流动与多级消防

全浸没储能装置通过溢流的方式实现温控介质流动，为储能装置提供了高效的散热途径。具体而言，装置内设有相互独立的溢流通道和浸没通道。顶部功能仓内的顶部进液管向浸没通道注入温控介质，浸没通道底部与储液箱之间的第一连接管以及其上的第一控制阀，共同控制着温控介质的流动。同时，溢流通道与储液箱之间的第二连接管，也在温控介质的流动中发挥着重要作用。

在多级消防方面，全浸没储能装置有着独特的方法。当触发条件出现时，装置会根据不同情况执行一级消防、二级消防和三级消防。以三级消防运行工况为例，首先断开储能组件的充放电电路，关闭回液控制阀，打开第一控制阀和顶部进液阀。这样一来，注入浸没通道的温控介质就会通过储液箱反流至溢流通道。同时，使第一进液管注入储能模组的温控介质通过溢流的方式进入溢流通道，使溢流通道及储能仓内注满温控介质。在此过程中，还会控制与安全箱连接的安全排气阀打开，降低储能仓内的气体压力、气体浓度并防止明火产生。最后，打开设置在顶部功能仓内的释放器，使消防介质充满顶部功能仓。

（二）传感器与安全措施

在全浸没储能装置中，传感器起着至关重要的作用。安全箱内、溢流通道内和 / 或储能仓顶部设有用于检测气体压力、气体浓度和火源的传感器。这些传感器能够实时监测装置内的状态，一旦发现异常情况，便会及时发出警报，为消防措施的启动提供依据。

安全排气阀是装置的重要安全措施之一。当装置内的气体压力或浓度达到一定程度时，安全排气阀会自动打开，将气体排出厢体外，降低储能仓内的气体压力和浓度，防止潜在的危险发生。

防爆阀也是不可或缺的安全装置。当气压达到设定第二气压阈值时，防爆阀会被动打开，进一步保障装置的安全。此外，顶部功能仓内设有用于释放消防介质的释放器，如气溶胶释放器，能够在紧急情况下迅速释放消防介质，控制火势。

综上所述，全浸没储能装置通过温控介质流动和多级消防方法，以及传感器和安全措施的协同作用，为浸没式储能系统的消防安全提供了有力保障。

四、储能系统的消防控制方法

（一）电池组监控与预警

在浸没式储能系统中，对电池组的监控与预警至关重要。根据电池组的工作温度和升温速率，可以有效地控制冷却单元的工作状态，从而实现对火灾的及时预警。

当电池组的工作温度处于第一温度范围内，即大于或等于 50℃且小于或等于 60℃时，控制冷却单元全功率工作。这样可以迅速降低电池组的温度，防止温度进一步升高。当电池组的工作温度处于第二温度范围内，即大于 60℃且小于或等于 90℃时，不仅控制冷却单元全功率工作，还切断目标储电模块与外界的电连接。这一措施可以避免电池组在高温下继续充电或放电，降低火灾发生的风险。

此外，当电池组的升温速率处于第一预设升温速率范围内，即大于或等于 10℃/min 时，同样控制冷却单元全功率工作且切断目标储电模块与外界的电连接。通过实时监测电池组的升温速率，可以更早地发现潜在的热失控风险，及时采取措施进行干预。

例如，在实际应用中，某储能系统通过对电池组的温度和升温速率进行实时监控，成功地在电池组温度升高到危险值之前启动了冷却单元，并切断了与外界的电连接，避免了一场可能发生的火灾事故。

（二）环境参数与灭火控制

在浸没式储能系统中，依据独立密封空间的气压、浓度等环境参数，可以准确地控制灭火单元和报警器的工作状态，确保在火灾发生时能够及时有效地进行灭火和报警。

环境参数包括独立密封空间的气压、CO 浓度、烟雾溶度和电解液气化物浓度中的至少一种。当确定独立密封空间的气压大于或等于防爆气压，或者确定独立密封空间的 CO 浓度处于第一预设 CO 浓度范围内（大于 150ppm 且小于或等于 190ppm），或者确定独立密封空间的烟雾溶度大于烟雾报警浓度，或者确定独立密封空间的电解液气化物浓度处于第一预设电解液气化物浓度范围内（大于 150ppm 且小于 200ppm）时，控制报警器发出声光报警且控制灭火单元进行气体灭火。

当确定独立密封空间的 CO 浓度上升速率处于第一预设 CO 速率范围内（大于 8ppm/s），或者确定独立密封空间的 CO 浓度处于第二预设 CO 浓度范围内（大于 190ppm），或者确定电池组的工作温度处于第三温度范围内（大于 90℃），或者确定独立密封空间的电解液气化物浓度处于第二预设电解液气化物浓度范围内（大于或等于 200ppm）时，控制灭火单元进行气体灭火且控制目标储电模块的平衡阀开启。

例如，在某大型储能项目中，通过对独立密封空间的环境参数进行实时监测，当检测到 CO 浓度超过预设值时，系统迅速启动了灭火单元和报警器，成功地控制了火势，避免了火灾的进一步扩大。

五、浸没式储能电池热管理系统及消防方法

（一）热管理系统的构成与优势

浸没式储能电池热管理系统主要由电池柜、浸没式循环系统和电池管理系统构成。

电池柜：电池柜包括至少一个电池箱，电池箱内容置多个浸没在冷却液中的电芯。这种设计使得电芯与冷却液直接接触，能够实现对电池直接、快速、充分冷却降温，确保电池在最佳温度范围内运行，有效延长电池的使用寿命，整体提升储能电站的安全性能。

浸没式循环系统：包括连接在电池箱的冷却液入口处的电磁阀、设有回液管路、供液管路、泵和罐的冷却液管路。其中，供液管路与各电磁阀相连，电池箱的各冷却液出口与回液管路相连。电池管理系统通过控制相应电磁阀以控制向相应电池箱内泵入冷却液，同时通过泵以控制泵入相应电池箱内的冷却液的量。此外，冷却液管路中还设有用于与冷却液进行换热的外部换热设备，能够有效调节冷却液的温度，保证冷却效果。为了监控浸没式循环系统的运行状态，供液管路上设有供液压力传感器，和 / 或回液管路上设有回液压力传感器。同时，为了防止电芯热失控时产生的污染物回灌进正常状态的电池箱内，电池箱的冷却液出口与回液管路之间连接有单向阀。

电池管理系统：用于判定电芯是否发生不可逆的热失控现象，当某个电芯发生不可逆的热失控现象时，控制浸没式循环系统向该电芯所在的电池箱内间歇性地泵入冷却液，其中，每两次泵入冷却液之间的时间间隔内，保证发生热失控现象的电芯上方始终被冷却液所覆盖。此外，电池管理系统还用于实时监测电芯的表面温度并计算得到电芯的表面温度随时间的变化率、根据实时监测电芯的表面温度、电芯的表面温度随时间的变化率以及报警信号判定电池箱工作状态，并根据电芯判定情况发出告警信息。

该热管理系统具有以下优势：能够克服现有储能电池消防系统中存在的灭火成本高、响应及时性差、可靠性不高和结构复杂的问题和缺陷。与传统的气体灭火系统和细水雾灭火系统相比，浸没式热管理系统直接将电芯浸没在冷却液中，灭火效能更高，且具备降温效果，不易复燃。同时，该系统不需要额外添加消防管路和储液箱，结构更加简单，占地更小，可靠性更高。

（二）消防控制方法

当某个电芯发生不可逆的热失控现象时，向该电芯所在的电池箱内间歇性地泵入冷却液。其中，每两次泵入冷却液之间的时间间隔内，保证发生热失控现象的电芯上方始终被冷却液所覆盖。

电芯发生不可逆的热失控现象的判定条件为：电池柜烟雾报警或可燃气体报警，电芯的表面温度大于 60℃，并且电芯表面的温度随时间的变化率大于 1℃/s。

当某个电芯发生不可逆的热失控现象时，定位发生热失控现象的电芯的位置，确定该电芯所在的电池箱，停止向其他电池箱泵入冷却液。

通过泵向该电芯所在的电池箱内间歇性地泵入冷却液，每两次泵入冷却液之间的时间间隔由公式 (1) 得到，其中，为泵的额定流量，l 为电芯上方空间长度，w 为电芯上方空间宽度，h 为电芯上方空间高度，c 为安全系数，取 1.1～1.3。

例如，在实际应用中，某浸没式储能电站采用了这种热管理系统和消防控制方法。当一个电芯发生热失控现象时，系统迅速检测到烟雾报警和温度变化，电池管理系统立即定位到发生热失控的电芯所在的电池箱，并控制浸没式循环系统向该电池箱内间歇性地泵入冷却液。通过精确计算泵入冷却液的时间间隔，确保了发生热失控现象的电芯上方始终被冷却液所覆盖，有效地控制了火势，避免了火灾的进一步扩大。同时，系统停止向其他电池箱泵入冷却液，避免了不必要的资源浪费和可能的短路风险。

六、储能柜浸没水消防自动灭火系统

（一）技术要求与配置

储能柜浸没水消防自动灭火系统在技术要求和配置方面有着严格的规定。在灭火剂的选择上，宜选用水灭火剂，最好是 2 - 10℃的冷水。这是因为冷水能够有效地带走热失控产生的热量，当安全阀打开时，还能进入电芯内部降温，抑制复燃。例如，根据相关实验数据，在相同的热失控条件下，使用 2 - 10℃的冷水作为灭火剂，能够在更短的时间内降低电芯温度，减少复燃的可能性。

对于水量的要求，水箱的储水量应大于 2 个模组浸没电芯所需水量，以确保在火灾发生时有足够的灭火剂可用。同时，水泵的流量应满足在 30S 内浸没单个模组电芯的要求，这样可以保证在火灾发生时能够迅速将水喷洒到电芯上，实现快速灭火。

此外，灭火系统中消防水量、电磁阀、消防控制器、管路管件等部件，均应符合 GB25972 的相关规定，确保系统的可靠性和稳定性。

（二）功能与性能要求

在功能要求方面，消防触发传感器由每个电芯温度传感器构成，全采所有电芯温度，通过比对相邻电芯的温度，分三级告警级别，作为预警、报警和触发消防系统的温度级别。这种分级告警机制能够在火灾发生的不同阶段及时发出警报，为采取相应的消防措施提供依据。

启动运行要求也十分严格。启动方式为自动启动方式，在自动启动条件下应具有延迟启动功能，延迟时间在 0 - 30s 范围内连续可调，延迟时间设定误差应不大于设定时间的 20%。灭火系统的启动应具有自保持功能，确保在灭火过程中不会意外中断。同时，灭火系统应具有启动反馈报警功能，分云端平台报警和手机报警功能，以便相关人员能够及时了解灭火系统的运行状态。

消防喷射时间各功能模块应能满足持续运行 5 分钟要求，单模组消防运行时间为消防水浸没电芯 30 秒内。这样可以保证在火灾发生时，灭火剂能够持续作用，有效扑灭火灾。

在性能要求方面，灭火系统启动时，若有明火出现，从灭火剂喷出至明火扑灭不应超过 30s，且电池不应发生复燃。电磁兼容性能方面，灭火系统的电磁兼容性能应符合 GB/T17626.2、GB/T17626.4、GB/T17626.5、GB/T17626.8、GB/T17626.12 等规定的严酷等级要求。环境适应性能要求灭火系统在 - 10℃~ + 50℃的环境中应能正常工作，能承受规定的温度变化试验和盐雾试验，在试验后应能正常工作。

七、储能电站消防设计审查要点

（一）布局规划审查

储能电站的布局规划应充分考虑消防安全因素。设备布局要合理，确保消防通道畅通无阻，便于消防车辆和人员进出。例如，消防通道的宽度应不小于 4 米，转弯半径应满足消防车的通行要求。同时，储能设备之间应保持足够的安全距离，以防止火灾蔓延。根据相关标准，储能设备之间的间距不应小于 1.5 米。

（二）消防设备配置审查

1.灭火设备审查：储能电站应配备多种灭火设备，如灭火器、消防栓、自动灭火系统等。灭火器的类型和数量应根据储能电站的规模和火灾风险进行合理配置。例如，对于中型储能电站，应配备不少于 10 具干粉灭火器和 5 具二氧化碳灭火器。消防栓的设置应保证在储能电站内任何位置都能在一定距离内找到，通常消防栓的保护半径不应大于 60 米。自动灭火系统应具备快速响应和有效灭火的能力，如全氟己酮自动灭火系统、水喷雾灭火系统等。

2.报警系统审查：火灾报警系统应齐全可靠，能够实时监测储能电站内的温度、烟雾、可燃气体等参数，并在异常情况下及时发出警报。报警系统应与消防控制中心连接，以便及时采取灭火措施。例如，烟雾探测器的灵敏度应不低于 0.1% obs/m，温度探测器的报警温度应根据储能设备的特性进行设置，一般不应高于 60℃。

3.应急照明审查：应急照明系统应在火灾发生时提供足够的照明，确保人员疏散的安全。应急照明的照度应不低于 10lx，持续时间不应少于 30 分钟。应急照明灯具应分布在储能电站的各个区域，且应具备防水、防尘、防爆等功能。

（三）消防预案审查

1.风险评估审查：储能电站应进行全面的风险评估，确定可能发生的火灾风险及其影响范围。风险评估应包括储能设备的类型、数量、布局，以及周边环境等因素。例如，对于靠近居民区或重要设施的储能电站，应进行更加严格的风险评估，制定相应的应急预案。

2.应急流程审查：应急流程应明确、具体，包括火灾报警、人员疏散、灭火救援等环节。火灾报警应及时、准确，人员疏散应有序、迅速，灭火救援应专业、高效。例如，在人员疏散方面，应制定详细的疏散路线和疏散指示标志，确保人员在最短时间内安全撤离。

3.处置方案审查：处置方案应针对不同类型的火灾制定相应的灭火措施和救援方法。例如，对于电气火灾，应采用二氧化碳灭火器或干粉灭火器进行灭火；对于油类火灾，应采用泡沫灭火器进行灭火。同时，处置方案还应考虑到火灾可能引发的爆炸、中毒等次生灾害，制定相应的防范措施。

4.应急物资储备审查：应急物资储备应充足、齐全，包括灭火器、消防栓、消防水带、防护服、呼吸器等。应急物资应定期检查和维护，确保其在紧急情况下能够正常使用。例如，灭火器应每年进行一次检查和维护，消防水带应每半年进行一次试压和清洗。

（四）施工验收审查

1.施工质量审查：储能电站的消防工程施工应符合相关标准和规范，施工质量应得到有效保障。施工过程中应加强对消防设备安装、管道敷设、电气线路连接等环节的质量控制，确保消防系统的可靠性和稳定性。例如，消防管道的连接应严密，不得有漏水现象；电气线路的敷设应符合防火要求，不得有短路、过载等隐患。

2.验收程序审查：储能电站的消防工程竣工后，应按照规定的程序进行验收。验收应由建设单位组织，邀请消防部门、设计单位、施工单位等参加。验收内容应包括消防设备的性能测试、消防系统的联动试验、应急照明和疏散指示标志的检查等。例如，自动灭火系统应进行模拟火灾试验，验证其灭火效果和可靠性；应急照明系统应进行照度测试，确保其满足疏散要求。

储能电站消防设计审查要点涵盖布局规划、消防设备配置、消防预案和施工验收等多个方面。只有严格按照这些要点进行审查，才能确保储能电站的消防方案有效、合规，保障人员生命和财产安全。

八、未来发展

随着能源需求的不断增长和可再生能源的广泛应用，浸没式储能系统在未来的能源领域中将扮演着越来越重要的角色。然而，火灾风险始终是浸没式储能系统面临的重大挑战之一，因此消防方案的设计与完善至关重要。

尽管目前浸没式储能系统消防方案仍面临一些挑战，如成本较高、技术成熟度有待进一步提升等问题，但它的潜力巨大。从安全性角度来看，浸没式储能系统通过将电池直接浸没在冷却液中，能够有效降低热失控风险，提高储能电站的整体安全性能。全氟己酮等新型消防介质的应用，以及 PACK 级消防细化、多级消防等创新方法，为浸没式储能系统的消防安全提供了有力保障。

未来，随着技术的不断进步，浸没式储能系统消防方案有望在以下几个方面得到持续探索和完善。首先，进一步降低成本，提高技术的经济性，使其更具市场竞争力。通过优化设计、提高生产效率、降低材料成本等方式，降低浸没式储能系统消防方案的整体成本。其次，加强技术创新，提高消防方案的可靠性和有效性。例如，研发更加高效的消防介质、优化传感器技术、提高灭火系统的响应速度等。此外，还可以加强国际合作与交流，借鉴国外先进经验，共同推动浸没式储能系统消防方案的发展。