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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(xiàn)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(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(xiàn)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(xiàn)實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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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