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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濟發(fā)展的根本物質保障，對國家政治和經濟有著重要的推動和塑造作用。能源安全關系著國家經濟安全和對外戰(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，電池內部發(fā)生劇烈的放熱反應，產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。火災造成直接財產損失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
儲能技術是指利用大容量且能實現快速充放電的儲能設施裝置或物理介質將能量存儲起來的技術，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。
目前，電化學儲能在智能電網、能源互聯(lián)網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)均有應用領域。
電化學儲能產業(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，并產生有毒氣體，造成經濟損失和人員傷亡。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。這些放熱反應產生的熱量在電池內部慢慢積聚，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，在短時間內產生大量的熱量，電池溫度驟升。
隨著電池溫度的升高，其內部產生一些可燃氣體。隨著可燃氣體的不斷積聚，電池內部壓力逐漸增加，當電池內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生的氣體。這些氣體會積聚在模組內部，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，進而帶來經濟損失，甚至人員傷亡。電池熱失控產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，已經可以對人體產生嚴重的中毒危害。
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，會產生大量的氣體和煙霧，如CO的體積分數可以從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，我們現場可以通過相關的氣體傳感器技術，根據電站電池的熱失控特性，設定相應的預警閾值，將多種特征參數進行耦合，當不同傳感器參數達到所設閾值時，發(fā)出警報，就可以實現實現鋰離子電池火災早期的探測和預警，并根據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，我們應根據不同氣體傳感器的量程和靈敏度，選取適當的傳感器和氣體檢測儀，同時設置冗余系統(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與成熟的經驗，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)視現場設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)現有毒性氣體泄漏情況，以進行安全作業(yè)。
儲能電站內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，我們仍將不斷開發(fā)新產品、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)經驗，一直關注各個行業(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“為人們締造安心的工作環(huán)境”。
如果您對氣體檢測技術有獨到之處，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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