化學儲能設施消防安全管理研究

李波

摘要：化學儲能設施火災最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，儲能設施消防安全管理的智能化研究，涉及較密閉空間，在保持較好通風環(huán)境下，采用紅外光譜儀實現極早期低濃度逸出氣體的探測，早于熱失控停止關聯電池模組充放電，防止發(fā)生熱失控，為應急處置贏得寶貴的時間;當熱失控發(fā)生時，使用水和氮的混合系統(tǒng)實現滅火，其中，通過高壓氮氣實現空間內易燃易爆氣體置換，達到窒息滅火效果;通過細水霧實現冷卻滅火效果。

關鍵詞：消防;化學儲能;熱失效

一、背景

全球的氣候變化關系到整個人類社會發(fā)展進程，綠色健康的生活是我們共同的愿景，碳減排成為了全球重要國家形成的共識。國家大力發(fā)展新能源建設，其中比較重要的領域是風電和光電，由于區(qū)域經濟存在的差異，對能源的需求不均衡，使得儲能設施迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模儲能設施。儲能可以提高常規(guī)發(fā)電和輸電的效率，保障其安全性和經濟性，實現可再生能源平滑波動、調峰調頻，滿足可再生能源大規(guī)模接入，同時它也是分布式能源系統(tǒng)、智能電網系統(tǒng)的重要組成部分，在能源物聯網中具有舉足輕重的地位，發(fā)達國家已經將大規(guī)模儲能技術和產業(yè)發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，并在電力基礎設施建設中大范圍示范推廣。據世界能源研究公司的最新預測，世界各地的儲能裝置將在2030年底達到358～1028GWh的累計值，比2020年底的17～34GWh大二十倍以上。2015～2030年全球累計儲能裝置，如圖1所示。

巨量的能源需求，尤其是大規(guī)?；瘜W能儲能的興建，為消防安全管理和應急救援提出了嚴峻的考驗。消防救援隊伍改革轉制后，擔負起應對處置各類災害事故的重要職責，實現了從原來的滅火救援為主向“全災種、大應急”的拓展，但是儲能設施的消防應急救援是一個全新的領域，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2021 年 4 月 16 日，北京豐臺區(qū)某光儲充一體化項目發(fā)生火災爆炸，造成了不同程度的生命和財產損失，我們在總結經驗教訓的同時，也需要通過科學的方法實現對儲能設施的消防安全管理。

二、儲能技術

儲能即能量的存儲，主要包括化學儲能、物理儲能和電磁儲能三大類。根據能量存儲形式的不同，廣義儲能包括電儲能、熱儲能和化學儲能三類。電儲能是最主要的儲能方式，按照存儲原理的不同又分為電化學儲能和機械儲能兩種技術類型。電化學儲能是指各種二次電池儲能，主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池和釩液流電池等;機械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。化學儲能是消防安全管理的重點和難點，涉及到固體的存放、液體的泄漏和氣體的釋放，電池電芯泄漏或者熱失控會產生氫氣、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等易燃易爆氣體成分，尤其是受限空間大量氣體聚集，與空氣混合形成爆炸性氣體，因電火花而引發(fā)電池模組、柜體、箱體、管廊，甚至建筑爆炸?；瘜W儲能災害如圖2所示。

電池燃燒產物如圖3所示，電池火災會產生近20種化學物質，大多數是易燃、易爆和有毒物質。特別是在極早期會出現甲烷、一氧化碳和氫氣混合氣體，其爆炸下限均為4%，爆炸濃度下限分別為50000ppm、12500ppm和40000ppm。會對人的健康造成威脅的物質包括甲烷、一氧化碳、硫化氫、氟化氫、鹽酸、二氧化硫和氰化氫等，其中，劇毒物質是氟化氫和氰化氫，在30ppm和50ppm的氣體環(huán)境濃度下，會對人的健康造成危害。所以，保持化學儲能設施較密閉空間的通風，尤為重要，特別是火災發(fā)生時和發(fā)生后的消防救援人員的個人安全防護，以及火災區(qū)域的燃燒殘余物的處置、受污染水源和土壤的凈化，需要專用的裝備，也需要科學、標準、規(guī)范的方法和流程。

三、化學儲能設施消防安全管理

（一）電池火災特點

鋰電池或電池芯有三種常見類型：鋰金屬、鋰離子和鋰離子聚合物，當電池進入熱失控時，劇烈燃燒爆炸會產生噴射彈片、熔融金屬、燃燒的電解液和有毒有害氣體。儲能模塊中三層電池熱失控溫度變化曲線如圖4所示，將電池集成到儲能系統(tǒng)的模塊中，分別位于高層、中層和底層，三層電池在熱失效的情況下，相鄰電池內部的溫度會繼續(xù)升高，直到最終達到峰值，并長時間保持300℃以上的高溫。在電池火災滅火救援及應急處置的過程中，要保持高壓細水霧持續(xù)冷卻。即使在全尺寸模塊測試期間用水滅火，熱危害仍然存在于電池之間，導致未燃燒的電池在延遲級聯現象中點燃，凸顯了鋰離子電池火災的深層性質所帶來的嚴峻挑戰(zhàn)。

（二）模型設計

化學儲能設施火災最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，比如氟化氫、一氧化碳和甲烷，在比較多的滅火劑滅電池火對比測試中發(fā)現，水的冷卻效果是比較理想的，特別是亞微米級的細水霧?；诖?，設計儲能設施消防安全管理系統(tǒng)模型，如圖5所示。在較密閉空間，使用水和氮組成的混合滅火系統(tǒng)，使用細水霧和惰性氣體來滅火，水和惰性氣體在滅火系統(tǒng)中共同作用實現氧氣置換和熱量吸收，其中，通過高壓氮氣實現空間內的易燃易爆氣體置換，達到窒息滅火效果;通過細水霧實現冷卻滅火效果。

（三）智能化管理

采用紅外光譜儀實現極早期一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氯化氫、氟化氫和氫氣等氣體的探測，檢測到低濃度逸出氣體，早于熱失控，通過應急聯動智能化管理系統(tǒng)停止電池模組充放電，阻止熱失控的發(fā)生。極早期低濃度逸出氣體濃度如圖6所示，從電池火災極早期氣體的逸出到熱失控的發(fā)生，是一個較為漫長的過程，可以通過消防安全智能化管理為應急救援處置贏得寶貴的時間。

四、消防安全管理及應急救援的幾點建議

在化學儲能設施災害應急處置的過程中，建議消防安全管理人員、滅火指揮員與戰(zhàn)斗員應注意以下事項：

（1）儲能設施環(huán)境要恒溫恒濕，并保持排風良好。

（2）所有電氣電子設備均需做防爆設計。

（3）在出風口實現氣體濃度數據的采集、傳輸、處理與安全閾值判斷，實時傳輸報警信息。

（4）化學儲能設施所處的是高溫、高壓、強電流、有毒及腐蝕環(huán)境，救援現場要做好環(huán)境信息探測，包括氣體、漏電和漏液，并做好個人防護，包括軀體防護和呼吸防護。

（5）燃燒與爆炸不分先后，與儲能設施保持安全警戒距離。

（6）實時監(jiān)控環(huán)境核心區(qū)域易爆氣體濃度，隨時準備撤離現場。

（7）使用水進行滅火降溫可能會導致電池短路，加劇火災風險。

（8）火焰熄滅之后，仍要保持降溫通風，直到設施能量放盡、溫度歸零，環(huán)境中仍會殘留有毒有害氣體液體，人員安全防護等級不能降低。

參考文獻：

[1]He X， Restuccia F， Zhang Y， Hu Z， Huang X， Fang J. Experimental Study of Self-heating Ignition of Lithium-ion Batteries During Storage and Transport ： Effect of the Number of Cells. Fire Technology （Under Review） 2019.

[2]Anderson CD， Anderson J. Electric and Hybrid Cars. Second. McFarland & Company; 2010.

[3]Grauers A， Sarasini S， Karlstr?m M， Industriteknik C. Why Electromobility and What is it？ In： Sandén B，Editor. Systems Perspectives on Electromobility， Chalmers University of Technology， G?teborg; 2013.

[4]BP. Statistical Review of World Energy 2018 2018：1–53.

[5]Bisschop R， Willstrand O， Amon F， Rosengren M. Fire Safety of Lithium-Ion Batteries in Road Vehicles. Bor?s： 2019.

[6]Bisschop R， Willstrand O， Rosengren M. Handling Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles - Preventing and Recovering from Hazardous Events. 1st International Symposium on Lithium Battery Fire Safety， Hefei， China： 2019.