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电化学储能电站火灾的防控中CO传感器的应用

字号+ 编辑:shuaigang 目录:未知 2022-05-15 11:10 我要评论(0)

近年来,储能电站火灾爆炸事故屡见不鲜,据统计,过去一年全世界发生储能电站火灾超过30起。其中2017年8月至今,仅韩国就发生了29起储能电站火灾事故

  

近年来,储能电站火灾爆炸事故屡见不鲜,据统计,过去一年全世界发生储能电站火灾超过30起。其中2017年8月至今,仅韩国就发生了29起储能电站火灾事故。此外,2019年4月19日,美国亚利桑那州发生电池储能项目爆炸,导致4名消防员受伤,其中2名重伤。2021年4月16日下午,北京市丰台区发生一起储能电站热失控起火事故,该事故造成1名值班电工遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤。火灾造成直接财产损失1660.81万元。可见储能电站一旦发生事故是多么的可怕。

  

什么是储能电站?

  

就当它是个大号充电宝,商用兆瓦级别,家用的容量小点。为方便安装运输,通常以标准集装箱规格制作外包箱体。

  

  

储能电站并不全是锂电池,铅酸电池、液流电池、钠硫电池都有,飞轮啊、超导啊也都是,抽水蓄能从理论上来说也是一种储能方式,只不过现在锂电池风头正劲,占比较高。

  

电化学储能产业具有广阔前景,但在热失控时,可能引发火灾甚至爆炸,并产生有毒气体,造成经济损失和人员伤亡。工采网小编为大家介绍电化学储能电站火灾事故的特点及危害,并提出防控手段。

  

近年来,化石能源的日益枯竭和其所带来的温室效应,使得人们逐渐摒弃传统能源。越来越多的新能源,例如太阳能、氢能、风能等,开始接入电力系统。其中,锂离子电池由于其具有循环寿命长、工作电压高、能量密度高、自放电小等优点,成为电化学储能的主力。根据《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》(发改能源规〔2021〕1051号),到2025年,新型储能装机规模将达3000万千瓦以上,因此,电化学储能产业前景广阔。

  

然而,锂离子电池在过热、过充放电和短路等滥用情况下,会发生热失控。热失控时,电池内部发生剧烈的放热反应,产生大量的热量和有毒可燃气体,并有可能引发火灾甚至爆炸。同时,有毒气体也会对人们的生命安全造成威胁,进而造成大量的经济损失和人员伤亡。因此,为了防止电化学储能电站火灾事故的发生,需要有效的防控手段。

  

电化学储能电站火灾特点及危害

  

1.电池升温快 温度高

  

电池在滥用条件下,电池温度逐渐升高,电池内部材料,如正负极材料、电解液相继发生反应。这些放热反应产生的热量在电池内部慢慢积聚,使得电池温度进一步升高,同时也促进了后续放热反应的发生。

  

当电池温度达到热失控临界温度时,电池发生热失控,在短时间内产生大量的热量,电池温度骤升。从图1可以看出, 电池表面温度在热失控时迅速从130℃上升至522℃。由于放热反应发生在电池内部,因此电池内部温度更高,可以达到800~900℃,甚至1000℃。

  

  

2.伴随猛烈射流火 燃烧剧烈

  

储能电站常用的电池类型主要为方形硬壳电池,此类电池往往配置有安全阀,来避免因压力过大发生爆炸。随着电池温度的升高,电池内部产生一些可燃气体。随着可燃气体的不断积聚,电池内部压力逐渐增加,当电池内部压力达到电池安全阀破裂阈值时,电池安全阀破裂,大量的可燃气体和电池内部材料被喷射出。

  

当电池发生热失控时,在电池极高温度的作用下,可燃气体和可燃物质如电解液等被引燃,从安全阀处喷射出猛烈的射流火,火焰高度最高可以达到1米。

  

3.热失控易传播

  

在储能电站中,电池紧密排列在一起形成模组。当模组中的一节电池发生热失控时,紧密排列使得热量可以迅速传递到相邻电池,使相邻电池异常升温。此外,猛烈的射流火由于盖板的阻挡,对相邻电池的热辐射增加,相邻电池的温度进一步升高,直至发生热失控,最终,电池在模组中发生热失控传播。

  

4.气体具有爆炸性

  

电池热失控时,大量的气体从安全阀喷射出,气体主要为H2、CO、CO2、CH4、C2H4和电解液因高温汽化产生的气体。其中一部分可燃气体会在燃烧中消耗,还有部分未燃烧的会积聚在模组内部,随着模组中热失控传播的不断扩展,模组中可燃气体越来越多,造成模组压力增加,最终可能会因压力过大发生物理爆炸。

  

此外,可燃气体的浓度逐渐增加,当达到混合可燃气体的爆炸极限,即超过爆炸下限6.1%时,热失控电池的高温作为点燃源,当遇到足够的氧气时,可燃气体会发生化学爆炸,最大爆炸压力可以达到0.76MPa,巨大的爆炸压力可以对电池簇、集装箱造成严重的破坏,进而带来经济损失,甚至人员伤亡。例如在北京丰台“4·16”储能电站火灾事故中,由于储能电站发生了爆炸,导致2名消防人员死亡。

  

5.气体具有毒性

  

电池热失控产生的一些气体除了具有可燃性之外,还具有危害很高的毒性,如 CO、HF(氟化氢)等。不同体系的电池在热失控时产生的气体成分及占比如图2所示。

  

  

可以看出,CO和CO2占比很大。在热失控时,CO浓度最高可以达到250ppm以上,已经可以对人体产生严重的中毒危害。

  

HF是一种刺激性有毒气体,具有腐蚀性,在50ppm浓度下活动数分钟便有致死的风险。而一节容量为20Ah的100%SOC磷酸铁锂电池热失控时,HF最高浓度约为145ppm,远远高于所规定的HF安全浓度。而储能电站一个集装箱中,有成百上千节电池,热失控时将会使得这些有毒有害气体的浓度急剧增加,大大增加了人员操作和救援的危险性。

  

如何防范?

  

目前没有能够保证锂电池不发生热失控的方法,那有没有方法能够及时发现预防锂电池失控的方法呢?

  

电化学储能电站火灾早期探测和预警

  

在电池火灾前期,进行有效准确地探测并预警,采取相应的消防手段,防止火灾的进一步蔓延。在安全阀打开前,应做好电池故障诊断工作,及早进行预警。当电池安全阀打开时,会产生大量的气体和烟雾,如CO的体积分数可以从2.4×10-6迅速增加至190×10-6。

  

此外,释放气体如CO2、CH4、挥发性有机化合物(VOC)等,在安全阀打开时都有明显的增加,因此,可以通过相关的气体传感器,再配合烟雾传感器、火灾探测器、温度传感器等,根据电站电池的热失控特性,设定相应的预警阈值,将多种特征参数进行耦合,当不同传感器参数达到所设阈值时,发出警报,实现锂离子电池火灾早期探测和预警,并根据警报采取相应的控制措施,防止锂离子电池火灾的进一步扩大。

  

此外,应根据量程和灵敏度,选取适当的传感器和探测器,同时设置冗余系统,保证电站火灾早期探测和预警装置的准确响应。

  

我们可以从动力锂电池热失控时产生的大量气体入手,锂离子电池热失控的时候,电池内部会有大量的一氧化碳释放出来。一氧化碳不仅是易燃易爆的气体,更可以与人体内的血红蛋白结合,使其失去与氧气结合的能力,从而导致我们缺氧甚至窒息。所以我们可以通过检测一氧化碳的浓度来判断电池热失控。在这里工采网给大家推荐一款纽扣式一氧化碳传感器(CO传感器)TGS5141:

  

  

TGS5141一氧化碳传感器CO传感器是费加罗研发的可电池驱动的电化学式传感器,使用一个特殊的电极取代了储水器,由于去除了TGS5042中使用的储水器,TGS5141与TGS5042相比,其外形尺寸缩减到只有后者的10%大小。非常适用于高集成电子产品,对CO的灵敏度高、将CO浓度线性输出,设计方便,自带出厂预标定灵敏度系数,方便用户使用与性能追溯,寿命长达10年以上。

  

毕竟是事关我们的生命安全,对于精度还是有要求的,测量不准的话又怎么能给出正确的警报呢?TGS5141输出电流与一氧化碳浓度之间在0~1,000ppm范围内显示了± 5%以内偏差的较高直线性。不同浓度CO对应的输出电流可以参考下图。

  

  

同时我们也要关注传感器的长期稳定性,这就要求传感器寿命足够长,更要求传感器输出长期稳定,不然会使报警值改变,造成早报晚报甚至不报等情况了。TGS5141的寿命长达十年以上,长期稳定性也是十分优秀,可以参考下图。(Y轴显示的是在任何时间点300ppm一氧化碳中的输出电流(I)和测试第一天300ppm一氧化碳中的输出电流(Io)的比值。)

  

  

储能电站内会有各种各样的气味,要是传感器抗干扰性不好的话,也是很容易造成误报的,所以这个传感器要求对CO灵敏度高,对其他气体的灵敏度越低越好。TGS5141就很好,对大部分气体的灵敏度都是非常低的,对CO灵敏度又很高的,见下图。

  

  

并且考虑到电站内的温度范围是比较宽广的,基本所有传感器受温度的影响又是比较明显的,所以厂家针对TGS5141做出了温度补偿系数表,OEM客户可以直接利用补偿系数对传感器进行温度补偿,从而使传感器在不同温度下也能有高精度的输出。补偿系数见下图。

  

  

由此可见TGS5141是一款十分优秀的CO传感器,性能优异、质量可靠,可以为我们的生命财产安全添加一层保障。

  原文标题!电化学储能电站火灾的防控中CO传感器的应用

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