電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估指南研究

應(yīng)急管理部上海消防研究所 楊君濤 張永豐 張磊｜文

近年來(lái)，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輔助服務(wù)、輸配電、可再生能源接入、分布式能源存儲(chǔ)及終端用戶等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2017 年，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》(發(fā)改能源〔2017〕1701 號(hào))，明確提出在十三五期間實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期的過(guò)渡，十四五期間實(shí)現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變。2021 年，國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051 號(hào)），到2025 年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3 000 萬(wàn)千瓦以上；到2030 年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展，新型儲(chǔ)能成為能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。由此可見(jiàn)，今后十年電化學(xué)儲(chǔ)能電站數(shù)量將會(huì)極大增長(zhǎng)。

與此同時(shí)，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外電力儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)屢有發(fā)生，引起了政府和民眾對(duì)儲(chǔ)能電站安全的普遍關(guān)注和巨大擔(dān)憂。比如2018 年7 月2 日，韓國(guó)靈巖儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)事故，燒毀708 平方米的臨時(shí)建筑和3 500 多個(gè)電池，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)46 億韓元；2019 年4 月19 日美國(guó)亞利桑那州APS 公司的電池儲(chǔ)能電站發(fā)生起火爆炸，此次事件除了造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，還致使4 名消防員受傷；2017 年3 月7 日，山西京玉火力發(fā)電廠儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)，燒毀儲(chǔ)能鋰電池包416 個(gè)、電池管理系統(tǒng)包26個(gè)，致使該儲(chǔ)能電站停運(yùn)30 余天；2018 年8 月3 日，揚(yáng)中市高新區(qū)發(fā)生儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故，燒毀儲(chǔ)能電站集裝箱1 個(gè)；2021 年4 月16日，北京市豐臺(tái)區(qū)國(guó)軒福威斯光儲(chǔ)充技術(shù)有限公司儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成2 名消防員犧牲，1 名消防員受傷），1 名員工失聯(lián)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界范圍內(nèi)鋰電池儲(chǔ)能火災(zāi)安全事故在過(guò)去的3 年內(nèi)發(fā)生超過(guò)30 起，尤其在韓國(guó)，報(bào)道的儲(chǔ)能電站安全事故已近30 起，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失?？梢?jiàn)，電化學(xué)儲(chǔ)能電站本身的燃爆風(fēng)險(xiǎn)和防護(hù)問(wèn)題不容忽視。

大量火災(zāi)事故案例表明，現(xiàn)階段運(yùn)營(yíng)企業(yè)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)危險(xiǎn)性和危害認(rèn)識(shí)不清晰，運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中如何辨識(shí)和評(píng)估火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)缺乏有效手段。因此，伴隨電化學(xué)儲(chǔ)能電站的大規(guī)模建設(shè)和投入使用，開(kāi)展儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，對(duì)于規(guī)范儲(chǔ)能電站的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作、提高運(yùn)營(yíng)企業(yè)預(yù)防和應(yīng)對(duì)火災(zāi)事故的能力、提升儲(chǔ)能電站消防安全水平具有重要的促進(jìn)作用。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站概況

電化學(xué)儲(chǔ)能電站是采用電化學(xué)電池作為儲(chǔ)能元件，可進(jìn)行電能存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換及釋放的電站，一般包括電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、電網(wǎng)接入系統(tǒng)等。其中，最主要的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是由電池組、電池管理系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、升壓變壓器、動(dòng)環(huán)監(jiān)控及輔件構(gòu)成的。儲(chǔ)能電池是最基本的能量存儲(chǔ)介質(zhì)，常見(jiàn)使用類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，現(xiàn)今大多數(shù)儲(chǔ)能電站采用磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池正極材料的分解溫度約為200 ℃，磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度約為700 ℃，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下，短路磷酸鐵鋰電池單體基本不出現(xiàn)著火的情況；三元鋰電池則不然，在使用時(shí)要對(duì)熱管理提出較高的要求，一旦出現(xiàn)過(guò)溫、過(guò)充、過(guò)流等異常情況極有可能造成起火、爆炸等嚴(yán)重后果，因而在安全性方面磷酸鐵鋰電池較三元電池而言有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

目前，電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池集成方式可分為廠房式和預(yù)制艙式兩類，鑒于預(yù)制艙式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有容量高、可靠性強(qiáng)、環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、方便安裝、維修等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)電化學(xué)儲(chǔ)能電站均采用預(yù)制艙式設(shè)計(jì)方案。預(yù)制艙式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種以鋰電池電化學(xué)反應(yīng)為能量轉(zhuǎn)換形式的儲(chǔ)能系統(tǒng)，一般包含監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、專用應(yīng)急消防系統(tǒng)、專用集裝中央空調(diào)、儲(chǔ)能電池隔離電力變流器及隔離變壓器等設(shè)備封裝在集裝箱內(nèi)的儲(chǔ)能裝置。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)特點(diǎn)

儲(chǔ)能電池是儲(chǔ)能電站行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，儲(chǔ)能電池作為一種能量存儲(chǔ)裝置在受外部環(huán)境激勵(lì)或內(nèi)部制造缺陷的影響下會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，在密閉空間中一旦某一電池儲(chǔ)能單元發(fā)生火災(zāi)，可能引起相鄰多個(gè)單元的連鎖火災(zāi)甚至爆炸，尤其部分儲(chǔ)能電站使用梯次利用的動(dòng)力電池，與新電池相比危險(xiǎn)性更高。另外，單個(gè)儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量較大，高壓電線路較多、排布復(fù)雜，高壓接觸件長(zhǎng)時(shí)間老化易形成局部熱點(diǎn)，造成電氣短路引發(fā)火災(zāi)。因此儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)荷載大，危險(xiǎn)性高，滅火和應(yīng)急救援難度很大，極易蔓延成災(zāi)，造成巨大財(cái)產(chǎn)損失。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)具有以下特點(diǎn)：

一是燃燒猛烈、蔓延迅速。鋰離子電池?zé)崾Э睾笕紵容^猛烈，火勢(shì)迅速蔓延，活潑金屬鋰與水發(fā)生猛烈反應(yīng)后的產(chǎn)物L(fēng)i2O（氧化鋰）和H2（氫氣），使燃燒更加劇烈，加速蔓延。

二是易燃易爆、危險(xiǎn)性大。鋰電池燃燒釋放出大量有毒有害、可燃?xì)怏w和熱量，極易發(fā)生爆炸，易造成人員中毒和爆炸傷害。

三是易復(fù)燃、滅火難度大。鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)后，用常規(guī)通過(guò)物理稀釋隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法只能撲滅明火，無(wú)法從根本上抑制火災(zāi)發(fā)生，往往會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃。另外用水、泡沫滅火，既有觸電危險(xiǎn)，也有引發(fā)其他電池短路的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)存在爆炸危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅作戰(zhàn)人員的生命安全。因此，短時(shí)間內(nèi)徹底撲滅鋰電池火災(zāi)難度較大。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

通過(guò)實(shí)地調(diào)查電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)危險(xiǎn)性和消防安全現(xiàn)狀可知，影響電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的因素主要集中在以下四個(gè)方面：電站特性、防火設(shè)計(jì)、消防設(shè)施和消防安全管理。

電站特性

電站特性是指儲(chǔ)能電站自身的特征和其內(nèi)外部的致災(zāi)因素。比如儲(chǔ)能電站選址、裝機(jī)規(guī)模、預(yù)制艙數(shù)量、鋰電池類型、鋰電池可用容量占比等。

防火設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能電站防火設(shè)計(jì)主要是由空間的合理布局、適用有效的防火分隔、符合規(guī)定要求的建材和構(gòu)件等設(shè)防內(nèi)容所構(gòu)成，比如建筑耐火等級(jí)、防火間距等，儲(chǔ)能電站由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)重點(diǎn)考慮平面布置、防火間距、耐火等級(jí)以及預(yù)制艙防火設(shè)計(jì)等。

消防設(shè)施

儲(chǔ)能電站火災(zāi)所配置的消防設(shè)施，主要是由主動(dòng)自動(dòng)（或手動(dòng)）控制的滅火、報(bào)警、防排煙和消火栓等設(shè)備系統(tǒng)組成。消防設(shè)施設(shè)計(jì)合理、配置到位、系統(tǒng)完好，儲(chǔ)能發(fā)生火災(zāi)后造成的損失就會(huì)得到降低，其發(fā)生火災(zāi)的概率和造成的后果也就越小。儲(chǔ)能電站重點(diǎn)考慮預(yù)制艙內(nèi)探測(cè)器設(shè)置、消火栓系統(tǒng)、自動(dòng)滅火系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)及滅火器材配置等設(shè)施器材的配置及使用情況。在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，應(yīng)檢查是否按規(guī)定進(jìn)行了設(shè)置各系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的完好率。

消防安全管理

消防安全管理是指人們?yōu)榱祟A(yù)防火災(zāi)和降低火災(zāi)損失所采取的管理措施，比如消防宣傳教育培訓(xùn)、應(yīng)急預(yù)案編制及演練、消防設(shè)施維護(hù)、物業(yè)管理等?？v觀國(guó)內(nèi)外發(fā)生火災(zāi)的原因，人的過(guò)失和不安全行為造成火災(zāi)事故約占火災(zāi)總數(shù)的85%以上，可見(jiàn)加強(qiáng)消防安全管理，可以有效地降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能站內(nèi)涉及的電氣設(shè)施較多，對(duì)消防安全管理的要求更高。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南框架

在上述分析研究基礎(chǔ)上，參考依據(jù)GB 51048—2014《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電站消防技術(shù)規(guī)范》、GA 503—2004《建筑消防設(shè)施檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》《中華人民共和國(guó)消防法》等法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際調(diào)研和專家討論，從可操作性出發(fā)構(gòu)建了電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南框架，并編制了相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的工作程序及步驟、評(píng)估單元及評(píng)估內(nèi)容、評(píng)估結(jié)論等方面的要求。

圖1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作程序

評(píng)估程序

儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作程序如圖所示1，評(píng)估工作步驟包括前期準(zhǔn)備、現(xiàn)場(chǎng)檢查、評(píng)估判定和報(bào)告編制等。

評(píng)估內(nèi)容

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)根據(jù)評(píng)估對(duì)象的實(shí)際情況確定評(píng)估單元，具體包括消防安全管理單元、防火設(shè)計(jì)單元、消防設(shè)施單元等，各評(píng)估單元的基本評(píng)估內(nèi)容如表1 所示。

表1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)容表

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以檢查表法為基本方法，檢查表中除了檢查結(jié)果和備注欄需現(xiàn)場(chǎng)檢查記錄外，其他內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評(píng)估對(duì)象和評(píng)估單元的實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)檢查前編制?，F(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)可選用的檢查方法還包括資料核對(duì)、問(wèn)卷調(diào)查、外觀檢查、功能測(cè)試等，實(shí)際檢查時(shí)可采用單一方法或幾種方法的組合。不同評(píng)估單元采用的檢查方法要求如下：

1.消防安全管理單元的現(xiàn)場(chǎng)檢查應(yīng)采用資料核對(duì)、問(wèn)卷調(diào)查的方式或其組合，資料核對(duì)時(shí)，應(yīng)逐項(xiàng)檢查資料原件；問(wèn)卷調(diào)查對(duì)象應(yīng)不少于5 人，包括但不限于消防安全管理人員、自動(dòng)消防系統(tǒng)的操作人員、志愿消防隊(duì)員及一般人員。

2.防火設(shè)計(jì)單元及消防設(shè)施單元的現(xiàn)場(chǎng)檢查應(yīng)采用資料核對(duì)、外觀檢查與功能測(cè)試相結(jié)合的方式。

3. 如確有需要，可選用煙氣模擬分析、安全疏散分析等方法進(jìn)行定量評(píng)估。

評(píng)估判定

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中現(xiàn)場(chǎng)檢查項(xiàng)分為3 類，分別是直接判定項(xiàng)、關(guān)鍵項(xiàng)與一般項(xiàng)。其中可直接判定評(píng)估結(jié)論等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)的檢查項(xiàng)是直接判定項(xiàng)，以法律法規(guī)、部門(mén)規(guī)章和消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制條款為依據(jù)的檢查項(xiàng)是關(guān)鍵項(xiàng)，其他檢查項(xiàng)是一般項(xiàng)，在制定檢查表時(shí)應(yīng)予以識(shí)別并確定。直接判定項(xiàng)包括以下內(nèi)容：

1.儲(chǔ)能電站場(chǎng)所未依法辦理消防行政許可或備案手續(xù)；

2.未依法確定消防安全管理人、自動(dòng)消防系統(tǒng)人員；

3. 未按規(guī)定設(shè)置自動(dòng)消防系統(tǒng)；

4. 消防設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞，不再具備防火滅火功能；

5. 疏散通道、安全出口不具備安全疏散條件；

6.違反消防安全規(guī)定，使用、儲(chǔ)存易燃易爆危險(xiǎn)品；

7.經(jīng)應(yīng)急管理或消防機(jī)構(gòu)責(zé)令改正后，同一違法行為反復(fù)出現(xiàn)；

8. 未依法建立專（兼）職消防隊(duì)；

9.一年內(nèi)發(fā)生一次較大以上（含）火災(zāi)或兩次以上（含）一般火災(zāi)。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)依據(jù)評(píng)估結(jié)果中直接判定項(xiàng)、關(guān)鍵項(xiàng)與一般項(xiàng)的數(shù)量綜合確定儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，宜劃分為四個(gè)等級(jí)，表2 給出與火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的消防安全特征。評(píng)估結(jié)論應(yīng)依據(jù)評(píng)估目的和評(píng)估對(duì)象實(shí)際狀況，針對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合評(píng)估對(duì)象的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提出對(duì)策措施及建議。對(duì)策措施及建議應(yīng)具有科學(xué)性、適用性和可操作性。

表2 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)策建議

針對(duì)儲(chǔ)能電站消防安全，應(yīng)加強(qiáng)以下四個(gè)方面的研究：

1. 開(kāi)展不同類型、不同容量的大型全尺寸儲(chǔ)能電站實(shí)體實(shí)驗(yàn)，深入研究電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)、爆炸機(jī)理，掌握其造成的危害后果和危害范圍。

2.開(kāi)發(fā)適用于電化學(xué)儲(chǔ)能電站早期探測(cè)報(bào)警裝置和固定滅火設(shè)施，提高電站整體設(shè)防水平。

3.開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能電站滅火救援裝備和技術(shù)研究，研發(fā)專業(yè)化、智能化、無(wú)人化處置救援裝備和個(gè)人防護(hù)裝備，編制儲(chǔ)能電站滅火救援處置規(guī)程，減少戰(zhàn)斗人員傷亡。

4.開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能電站智能化消防安全管理技術(shù)研究，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到動(dòng)態(tài)預(yù)警、早期處置的目標(biāo)。安