儲能電站正興起,氣體檢測正當時!

發(fā)布時間:2022-06-15

什么是電化學儲能電站

能源是國家安全與經(jīng)濟發(fā)展的根本物質(zhì)保障,對國家政治和經(jīng)濟有著重要的推動和塑造作用。能源安全關(guān)系著國家經(jīng)濟安全和對外戰(zhàn)略,也影響能源地緣政治和國際能源市場。近年來,化石能源的日益枯竭和其所帶來的溫室效應,使得人們逐漸摒棄傳統(tǒng)能源。越來越多的新能源,例如太陽能、氫能、風能等,開始接入電力系統(tǒng)。其中,鋰離子電池由于其具有循環(huán)壽命長、工作電壓高、能量密度高、自放電小等優(yōu)點,成為電化學儲能的主力。 

2021年底,工信部印發(fā)《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》,其中再次強調(diào)在主要碳排放行業(yè)以及綠色氫能與可再生能源應用、新型儲能等領(lǐng)域,實施一批降碳效果突出、帶動性強的重大工程。截至目前,我國已有25個省份發(fā)布文件明確新能源配置儲能,并已有10個省份公布了儲能參與調(diào)峰服務的價格文件。到2025年,新型儲能裝機規(guī)模將達3000萬千瓦以上,因此,電化學儲能產(chǎn)業(yè)前景廣闊。

然而,鋰離子電池在過熱、過充放電和短路等濫用情況下,會發(fā)生熱失控。熱失控時,電池內(nèi)部發(fā)生劇烈的放熱反應,產(chǎn)生大量的熱量和有毒可燃氣體,并有可能引發(fā)火災甚至爆炸。同時,有毒有害氣體也會對人們的生命安全造成威脅,進而造成大量的經(jīng)濟損失和人員傷亡。因此,為了防止電化學儲能電站火災事故的發(fā)生,需要有效的防控手段。 

近年來,儲能電站火災爆炸事故屢見不鮮,其中2017年8月至今,僅韓國就發(fā)生了29起儲能電站火災事故。此外,2019年4月19日,美國亞利桑那州發(fā)生電池儲能項目爆炸,導致4名消防員受傷,其中2名重傷。2021年4月16日下午,北京市豐臺區(qū)發(fā)生一起儲能電站熱失控起火事故,該事故造成1名值班電工遇難、2名消防員犧牲、1名消防員受傷?;馂脑斐芍苯迂敭a(chǎn)損失1660.81萬元。

可見儲能電站一旦發(fā)生事故是多么的可怕,那什么是儲能電站?

什么是儲能電站及其火災特點與危害

儲能技術(shù)是指利用大容量且能實現(xiàn)快速充放電的儲能設(shè)施裝置或物理介質(zhì)將能量存儲起來的技術(shù),主要有物理儲能、電化學儲能、儲熱和儲氫、電磁儲能等。

其中,電化學儲能是利用化學反應直接轉(zhuǎn)化電能的裝置,是以鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池為主的電化學儲能技術(shù)。

目前,電化學儲能在智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)中的應用貫穿整個電力系統(tǒng),在發(fā)電、輸電、用電等環(huán)節(jié)均有應用領(lǐng)域。

電化學儲能產(chǎn)業(yè)雖然具有廣闊前景,但在熱失控時,可能引發(fā)火災甚至爆炸,并產(chǎn)生有毒氣體,造成經(jīng)濟損失和人員傷亡。電池在濫用條件下溫度會逐漸升高,電池的內(nèi)部材料,如正負極材料、電解液相繼發(fā)生反應。這些放熱反應產(chǎn)生的熱量在電池內(nèi)部慢慢積聚,使得電池溫度進一步升高,同時也促進了后續(xù)放熱反應的發(fā)生。當電池溫度達到熱失控臨界溫度時,電池發(fā)生熱失控,在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量,電池溫度驟升。

隨著電池溫度的升高,其內(nèi)部產(chǎn)生一些可燃氣體。隨著可燃氣體的不斷積聚,電池內(nèi)部壓力逐漸增加,當電池內(nèi)部壓力達到電池安全閥破裂閾值時,電池安全閥破裂,大量的可燃氣體和電池內(nèi)部材料被噴射出。當電池發(fā)生熱失控時,在電池極高溫度的作用下,可燃氣體和可燃物質(zhì)如電解液等被引燃,從安全閥處噴射出猛烈的射流火,火焰高度最高可以達到1米。在儲能電站中,電池通常緊密排列在一起形成模組。當模組中的一節(jié)電池發(fā)生熱失控時,緊密排列使得熱量可以迅速傳遞到相鄰電池,使相鄰電池異常升溫。此外,猛烈的射流火由于蓋板的阻擋,對相鄰電池的熱輻射增加,相鄰電池的溫度進一步升高,直至發(fā)生熱失控,最終,電池在模組中發(fā)生熱失控傳播。

電池熱失控時,大量的氣體從安全閥噴射出,氣體主要為H2、CO、CO2、CH4、C2H4和電解液因高溫汽化產(chǎn)生的氣體。這些氣體會積聚在模組內(nèi)部,隨著模組中熱失控傳播的不斷擴展,模組中可燃氣體越來越多,造成模組壓力增加,最終可能會因壓力過大發(fā)生物理爆炸。

乙烯C2H4的爆炸上下限為2.8%-32%;遇明火、高熱或與氧化劑接觸,有引起燃燒爆炸的危險。

氫氣爆炸極限是4.0%~75.6%(體積濃度),其爆炸下限低和爆炸極限范圍廣的特點,使得氫氣泄漏的氣體安全管理是首要重點。

此外,當可燃氣體的濃度逐漸增加,達到混合可燃氣體的爆炸極限,熱失控電池的高溫作為點燃源,當遇到足夠的氧氣時,可燃氣體會發(fā)生化學爆炸,巨大的爆炸壓力可以對電池組、集裝箱造成嚴重的破壞,進而帶來經(jīng)濟損失,甚至人員傷亡。電池熱失控產(chǎn)生的一些氣體除了具有可燃性之外,還具有危害很高的毒性氣體,如 CO、HF(氟化氫)等。不同體系的電池在熱失控時產(chǎn)生的氣體成分及占比如圖2所示。

我們可以看出,電池在熱失控時產(chǎn)生的氣體成分CO和CO2占比很大。在熱失控時,CO濃度最高可以達到250ppm以上,已經(jīng)可以對人體產(chǎn)生嚴重的中毒危害。

HF同樣是一種刺激性有毒氣體,具有腐蝕性,在50ppm濃度下活動數(shù)分鐘便有致死的風險。而一節(jié)容量為20Ah的100%SOC磷酸鐵鋰電池熱失控時,HF最高濃度約為145ppm,遠遠高于所規(guī)定的HF安全濃度。

而儲能電站一個集裝箱中,有成百上千節(jié)電池,熱失控時將會使得這些有毒有害氣體的濃度急劇增加,大大增加了人員操作和救援的危險性。

儲能電站氣體安全的防范

目前技術(shù)上沒有能夠保證鋰電池不發(fā)生熱失控的方法,那有沒有能夠及時發(fā)現(xiàn)預防鋰電池失控的方法呢?當然是有的.....

鋰電池在發(fā)生熱失控時,會產(chǎn)生大量的氣體和煙霧,如CO的體積分數(shù)可以從2.4×10-6迅速增加至190×10-6。釋放氣體如CO2、CH4、揮發(fā)性有機化合物(VOC)等。因此,我們現(xiàn)場可以通過相關(guān)的氣體傳感器技術(shù),根據(jù)電站電池的熱失控特性,設(shè)定相應的預警閾值,將多種特征參數(shù)進行耦合,當不同傳感器參數(shù)達到所設(shè)閾值時,發(fā)出警報,就可以實現(xiàn)實現(xiàn)鋰離子電池火災早期的探測和預警,并根據(jù)警報采取相應的控制措施,防止鋰離子電池火災的進一步擴大。

此外,我們應根據(jù)不同氣體傳感器的量程和靈敏度,選取適當?shù)膫鞲衅骱蜌怏w檢測儀,同時設(shè)置冗余系統(tǒng),保證電站火災早期探測和預警裝置的準確響應。

例如鋰離子電池熱失控的時候,電池內(nèi)部會有大量的一氧化碳釋放出來。所以我們可以通過檢測一氧化碳的濃度來判斷電池熱失控。

理研計器自成立以來,專注于氣體檢測儀器的研發(fā)制造,所追求的理念就是“締造安心安全的工作環(huán)境”,在防止災害方面有著科學的技術(shù)與成熟的經(jīng)驗,公司旗下也有多款應對儲能電站安全事故預警的氣體檢測設(shè)備。

▼固定在線式

● SD-1系列、SD-D58等防爆型氣體檢測儀,可以在一個地方監(jiān)視現(xiàn)場設(shè)置的多個氣體檢測儀的濃度。

● 【GX-8000、SP-220、GX-2012】通過泵吸式對測試區(qū)域內(nèi)的氣體進行采樣,然后將樣氣體送入儀器進行測試。具有檢測速度快,危險區(qū)域遠程測量,人員安全維護等特點。

● 針對維修檢修的作業(yè)項目,作業(yè)人員可以攜帶便攜式氣體檢測器【GW-3,GX-3R/Pro】,可以及時發(fā)現(xiàn)有毒性氣體泄漏情況,以進行安全作業(yè)。

儲能電站內(nèi)會有各種各樣的氣味,要是傳感器抗干擾性不好的話,也是很容易造成誤報的,以理研計器的CO傳感器為例,其對CO靈敏度很高,其它諸如氫氣的干擾就不受影響。

作業(yè)人員佩帶著專業(yè)的、可靠的儀器設(shè)備,如果遇到危險氣體,儀器就會立即報警,完全不用擔心那些無色無味的毒氣。

儲能電站是解決新能源消納、增強電網(wǎng)穩(wěn)定性、提高配電系統(tǒng)利用效率的合理的方案,在整個電力價值鏈上能夠起到重要的作用,涉及發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)。儲能是未來能源改革中重要的一環(huán),將氣體安全因素控制好,降低發(fā)生危險事故的概率,儲能會擁有巨大的發(fā)展空間。

理研計器擁有600多種氣體傳感器和100多種氣體探測器,未來,我們?nèi)詫⒉粩嚅_發(fā)新產(chǎn)品、研發(fā)各項新功能,使得氣體檢測儀在應用上更先進、更適合日新月異的市場環(huán)境,致力于為用戶提供一個最可靠、最準確、最安全的氣體檢測方案。

選擇氣體檢測儀,不能馬虎大意,理研計器80多年氣體檢測行業(yè)經(jīng)驗,一直關(guān)注各個行業(yè)的氣體安全狀況,極力解決用戶遇到的各種問題,針對不同環(huán)境下的氣體檢測,為用戶選配適合原理的檢測儀,用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。

自1939年成立以來,理研計器一直用科學的方法營造氣體安全。80多年來一直關(guān)注各個行業(yè)的氣體安全狀況,極力解決用戶遇到的各種問題,針對不同環(huán)境下的氣體檢測,為用戶選配適合原理的檢測儀,用成熟的工藝完善氣體檢測系統(tǒng)。今后,我們將繼續(xù)在研發(fā)上投入力量,用高端精湛的技術(shù)“為人們締造安心的工作環(huán)境”。

如果您對氣體檢測技術(shù)有獨到之處,請說出來,請寫下來,把您的想法和見解發(fā)給我們。請讓我們?yōu)槟故驹谧钜鄣牡胤健?

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