儲(chǔ)能電站火災(zāi)致因路徑及防治措施研究

楊 帆

(北京市消防救援總隊(duì)海淀支隊(duì)八家救援站,北京 100000)

1 引言

儲(chǔ)能電站主要是指利用各種類型的儲(chǔ)能方式構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，其可有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除峰谷差，平滑負(fù)荷，目前已成為電力系統(tǒng)存儲(chǔ)電能的有效手段。隨著儲(chǔ)能電站應(yīng)用日益廣泛，安全問(wèn)題也接踵而來(lái)，儲(chǔ)能電站的安全風(fēng)險(xiǎn)因素種類繁多，火災(zāi)爆炸等極端事故的發(fā)生帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。目前，關(guān)于儲(chǔ)能電站火災(zāi)防治的研究已取得較多成果：艾紹偉等[1]圍繞儲(chǔ)能電站的火災(zāi)預(yù)防措施展開(kāi)探討；徐國(guó)棟等[2]對(duì)電池儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題進(jìn)行研究；李首頂?shù)萚3]對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；蔡興初等[4]研究了鋰電池儲(chǔ)能電站的消防設(shè)計(jì)；吳靜云等[5]對(duì)儲(chǔ)能電站消防系統(tǒng)進(jìn)行研究；王忠等[6]對(duì)儲(chǔ)能電站消防安全現(xiàn)狀進(jìn)行分析并提出火災(zāi)防控措施；卓萍等[7]對(duì)鋰離子電池過(guò)充火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行研究；王春力[8]針對(duì)儲(chǔ)能電站早期預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行分析。當(dāng)前對(duì)儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題的研究主要集中在電池、防火設(shè)計(jì)、電站建設(shè)方面，然而儲(chǔ)能電站從設(shè)計(jì)建設(shè)再到運(yùn)行維護(hù)等各階段火災(zāi)隱患不計(jì)其數(shù)，儲(chǔ)能電站構(gòu)造和性質(zhì)特殊，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果和損失十分嚴(yán)重。

因此，為儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估和分析，針對(duì)性地提出儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和管控措施，最大程度地降低儲(chǔ)能電站火災(zāi)發(fā)生的概率和最大程度減輕儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)后的損失，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。因此本文基于事故樹(shù)方法，對(duì)可能導(dǎo)致儲(chǔ)能電站火災(zāi)的影響因素進(jìn)行全面系統(tǒng)的定性分析，以確保儲(chǔ)能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 儲(chǔ)能電站主要危險(xiǎn)源辨識(shí)

結(jié)合現(xiàn)有儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題現(xiàn)狀的研究，本文從人、機(jī)、物、環(huán)境、管理5個(gè)維度出發(fā)，找出致使儲(chǔ)能電站發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)因素，并在此基礎(chǔ)上建立影響因素模型，如圖1所示。

圖1 影響因素模型

人的不安全性主要分為兩個(gè)方面：一是由于能力素質(zhì)不足，或者安全意識(shí)淡薄，或是主觀有意的行為，而進(jìn)行的違章操作；二是由于缺乏工作經(jīng)驗(yàn)，在面對(duì)突發(fā)情況時(shí)處理不當(dāng)造成事故。

設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括設(shè)備故障、設(shè)備自身存在設(shè)計(jì)缺陷、設(shè)備在使用過(guò)程中老化以及設(shè)備質(zhì)量不合格等因素。例如電池?zé)崾Э?、電線短路或接觸不良、電氣設(shè)備漏電或絕緣不到位等。

大風(fēng)、沙塵的氣象環(huán)境可能造成儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部灰塵積聚，一方面，不利于儲(chǔ)能系統(tǒng)的散熱，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行溫度；另一方面，沙塵的存在，對(duì)系統(tǒng)的絕緣造成不利影響，而絕緣失效容易造成電氣設(shè)備電擊穿、局部高溫，都會(huì)誘發(fā)儲(chǔ)能電池?zé)崾Э亍?/p>

管理問(wèn)題主要是管理制度不完善，管理工作沒(méi)有落實(shí)到位。例如：缺少完整健全的安全管理體系、沒(méi)有完整健全的安全管理制度、安全生產(chǎn)制度實(shí)施力度小、安全技術(shù)人才缺乏、管理方案不科學(xué)、管理監(jiān)督不到位等。

消防設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括消防設(shè)施不完善、消防設(shè)施設(shè)置不合理、消防水源不足、消防設(shè)施不能及時(shí)啟動(dòng)等。例如：儲(chǔ)能電站可能缺乏可燃?xì)怏w探測(cè)裝置或者探測(cè)裝置失靈，電站配備的滅火裝置不能發(fā)揮作用，站內(nèi)人員或消防救援人員錯(cuò)誤使用消防用水等。

3 基于事故樹(shù)的火災(zāi)致因分析

根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的條件可知，當(dāng)可燃物具備充足的燃燒條件并且未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、撲滅火災(zāi)是火災(zāi)可以發(fā)生、擴(kuò)散、蔓延的主要原因，因此主要從可燃物、氧化劑、引火源等方面入手辨識(shí)。

3.1 事故樹(shù)的建立

根據(jù)儲(chǔ)能電站火災(zāi)的危險(xiǎn)源的辨識(shí)和分析，綜合火災(zāi)發(fā)生的三要素和火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律對(duì)儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故案例的整合分析，將火災(zāi)發(fā)生的各方面原因以事故樹(shù)的形式展示出來(lái)，直觀清晰顯示出事故之間的邏輯性，并對(duì)此作最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度的定性分析，事故樹(shù)見(jiàn)圖2所示。

3.2 事故樹(shù)的分析

事故樹(shù)中的基本事件有30種，詳見(jiàn)表1所示。對(duì)各基本事件的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，共得到576個(gè)最小割集，5個(gè)最小徑集，即有576種可能途徑會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生，5種保障安全性的最佳方案。最后結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度的大小排序針對(duì)性地提出預(yù)防事故發(fā)生的有效措施。

表1 基本事件說(shuō)明

3.2.1 最小割集分析

根據(jù)事故樹(shù)理論，事故樹(shù)的最小割集就是指能夠引起頂上事件發(fā)生的最低數(shù)量的基本事件的組合[9]，在事故樹(shù)中，30個(gè)基本事件構(gòu)成了576個(gè)最小割集，最小割集如下所示。這說(shuō)明可以儲(chǔ)能電站火災(zāi)的因素是非常多的，必須加強(qiáng)儲(chǔ)能電站的安全管理，才能有效避免火災(zāi)事故的發(fā)生。

K1=(X1，X10，X15，X19)，K2=(X1，X10，X15，X20)，K3=(X1，X10，X15，X21)

K4=(X1，X10，X15，X22)，K5=(X1，X10，X15，X23)，K6=(X1，X10，X15，X24)

K7=(X1，X10，X15，X25)，K8=(X1，X10，X15，X26)，K9=(X1，X10，X15，X27)

K10=(X1，X10，X15，X28)，K11=(X1，X10，X15，X29)，K12=(X1，X10，X15，X30)

K13=(X1，X10，X16，X19)，K14=(X1，X10，X16，X20)，K15=(X1，X10，X16，X21)

K16=(X1，X10，X16，X22)，K17=(X1，X10，X16，X23)，K18=X1，X10，X16，X24)

K19=(X1，X10，X16，X25)，K20=(X1，X10，X16，X26)

……

K576=(X1，X9，X18，X30)

3.2.2 最小徑集分析

最小徑集就是指能夠使得頂上事件不發(fā)生的最低數(shù)量的基本事件的集合。這樣，最小徑集就指明了哪些基本事件不同時(shí)發(fā)生就可以使頂上事件不發(fā)生的安全模式[9]。根據(jù)事故樹(shù)圖得到了5種最小徑集，分別如下所示。P1是指燃燒所必須的氧氣，若該電站無(wú)氧氣存在，則不構(gòu)成燃燒三要素，事故就不會(huì)發(fā)生；P2和P3是圍繞引火源組成的事件，從火災(zāi)根煙上杜絕事故的發(fā)生；P4從可燃物角度出發(fā)，旨在將可燃材料轉(zhuǎn)換成難燃材料從而防止事故的發(fā)生；P5主要從消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全管理層面角度分析，火災(zāi)發(fā)生后采取對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行滅火，最大限度地降低火災(zāi)危害。

P1=(X1)

P2=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12)

P3=(X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X13，X14)

P4=(X15，X16，X17，X18)

P5=(X19，X20，X21，X22，X23，X24，X25，X26，X27，X28，X29，X30)

3.2.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

不考慮各基本事件發(fā)生的難易程度，或假設(shè)各基本事件的發(fā)生概率相等，僅從事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)上研究各基本事件對(duì)頂事件的影響程度，得到結(jié)構(gòu)重要度分析，各基本事件對(duì)頂事件影響程度從大到小如下排序。首先，氧氣的重要程度最大，其次，是可燃物和引火源，最后，是消防設(shè)計(jì)方面。

I(X1)>I(X18)=I(X17)=I(X16)=I(X15)>I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)=I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)>I(X12)>I(X30)=I(X29)=I(X28)=I(X27)=I(X26)=I(X25)=I(X24)=I(X23)=I(X22)=I(X21)=I(X20)=I(X19)=I(X14)=I(X13)

4 基于事故樹(shù)的有效防范措施

4.1 隔絕氧氣

由于電池?zé)崾Э剡^(guò)程中會(huì)釋放出氧氣，即使在外界無(wú)氧氣的參與下也能發(fā)生燃燒[10]，因此隔絕氧氣與電池便無(wú)關(guān)緊要了，然而氧氣出現(xiàn)在所有最小割集中，其危險(xiǎn)性不容忽視，因此，只能從其他可燃物角度出發(fā)，做到氧氣的隔絕。

4.1.1 電線與氧氣的隔絕

電線里面的有機(jī)物(如聚氧乙烯)與空氣中的氧氣結(jié)合不完全燃燒會(huì)產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，因此，為防止電線的氧化，可使用一種新型隔氧阻燃的耐火型電纜、電線埋于地下、外加電線保護(hù)套管等措施[11]。

4.1.2 電氣設(shè)備與氧氣的隔絕

在電氣設(shè)備外部鍍一層銀或錫等抗氧化性較強(qiáng)的金屬；若設(shè)備外部已經(jīng)形成氧化膜，可以迅速在表面涂抹一層中性凡士林。

4.2 杜絕引火源的出現(xiàn)

儲(chǔ)能電站中的引火源大致分為三類：明火、電火花和雷擊火花。

(1)對(duì)于明火，主要是有人吸煙、外來(lái)火種和故意縱火。加強(qiáng)儲(chǔ)能電站的防火、用火管理，在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)杜絕明火出現(xiàn)。主要措施包括明確嚴(yán)禁攜帶火種作業(yè)、制定嚴(yán)格的動(dòng)火作業(yè)的審批和操作程序，動(dòng)火前取得動(dòng)火許可證、動(dòng)火時(shí)有監(jiān)管人員監(jiān)督，還需加強(qiáng)消防安全教育，提高員工消防安全意識(shí)。

(2)針對(duì)電路故障和電氣設(shè)備故障，應(yīng)加強(qiáng)作業(yè)管理和人員絕緣防護(hù)。作業(yè)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守作業(yè)規(guī)范，正確使用帶電設(shè)備，對(duì)設(shè)備和物品的絕緣性要定期進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣性能下降的情況要立即維修或更換。對(duì)于絕緣保護(hù)，操作人員作業(yè)時(shí)必須使用絕緣防爆工具，穿著絕緣服裝和絕緣鞋，進(jìn)行多重保護(hù)以避免產(chǎn)生電火花。

(3)結(jié)合以往案例事故，電池的熱失控往往是引發(fā)火災(zāi)事故的關(guān)鍵因素，發(fā)熱失控的因素很多，總的來(lái)說(shuō)分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是：電池生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致內(nèi)短路；電池使用不當(dāng)，引發(fā)正負(fù)極短路。外部因素主要是：擠壓和碰撞等外部因素導(dǎo)致電池發(fā)生短路；電池外部短路造成電池內(nèi)部熱量累積過(guò)快等，因此，要做好電池的安全防護(hù)，可以結(jié)合事故樹(shù)從電芯、電解質(zhì)、外界溫度、充放電時(shí)間、電流強(qiáng)度、換熱系統(tǒng)等出發(fā)[12]。

(4)對(duì)于雷擊火花而言，主要做好防護(hù)工作，安裝符合要求的接地電阻和避雷裝置，做好對(duì)裝置設(shè)備的檢查維護(hù)工作。

4.3 加強(qiáng)可燃物的管理

在儲(chǔ)能電站中，常見(jiàn)的火災(zāi)事故多以電氣火災(zāi)和電池火災(zāi)為主，電站中可燃材料多為電纜電線、電氣設(shè)備和電池，除了從引火源角度杜絕燃燒的發(fā)生，還要加強(qiáng)對(duì)可燃物的管理，在此主要圍繞可燃物的絕緣保護(hù)、質(zhì)量要求、設(shè)備布置等進(jìn)行分析。

(1)電池的選擇。儲(chǔ)能電池具有悠久的歷史，目前已經(jīng)發(fā)展出包括鉛酸電池、鎳系電池、鋰系電池以及液流電池、鈉硫電池等類型[13]，在選擇電池時(shí)，不能只考慮經(jīng)濟(jì)成本，也要將安全因素納入其中，包括電池的比能量和比功率、電池壽命、電池是否具有毒性、是否造成環(huán)境污染等。

(2)電氣設(shè)備的安裝布置。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)除電芯外還包含BMS、PCS、變壓器以及相關(guān)繼電保護(hù)設(shè)備、通信設(shè)備等一系列一次、二次設(shè)備，在日常運(yùn)行管理中，設(shè)備之間要有一定的安全距離；安裝調(diào)試機(jī)器時(shí)，人員要戴好絕緣用具；對(duì)功率較大的電氣設(shè)備添加保護(hù)器或防壓裝備。

(3)電纜電線的絕緣性。線束要做好防火處理；線束與線束之間應(yīng)區(qū)分明顯，防止造成線束之間的干擾。

4.4 強(qiáng)化安全教育和健全安全制度

(1)對(duì)站內(nèi)生產(chǎn)、操作、管理人員加強(qiáng)安全教育，使他們意識(shí)到安全生產(chǎn)的重要性，并把安全教育培訓(xùn)與思想教育、崗位專業(yè)培訓(xùn)有機(jī)結(jié)合，將提高安全意識(shí)和加強(qiáng)自我防護(hù)能力同提高業(yè)務(wù)能力相結(jié)合，從根本上提高安全教育的針對(duì)性與實(shí)用性。

(2)健全安全制度，如表2所示。安全制度的建立健全，幫助作業(yè)人員明確自身職責(zé)，嚴(yán)格按照規(guī)章制度辦事。制度涉及組織管理人員、施工人員、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管人員、安全技術(shù)人員等多個(gè)層面，使各級(jí)人員真正認(rèn)識(shí)到哪些是危險(xiǎn)點(diǎn)并掌握危險(xiǎn)點(diǎn)的防控措施。

表2 安全管理制度

4.5 加強(qiáng)消防安全管理

(1)消防設(shè)計(jì)方面。站內(nèi)應(yīng)有消防安全滅火系統(tǒng)，包括火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、消火栓給水系統(tǒng)；除此之外，應(yīng)按國(guó)家規(guī)范要求設(shè)置防火防煙分區(qū)，留出消防逃生通道，消火栓中給水充足；由于電氣火災(zāi)和電池火災(zāi)屬于E類火災(zāi)，不適合水或泡沫滅火劑，還應(yīng)配備符合儲(chǔ)能電站特殊性的滅火器。

(2)消防制度方面。應(yīng)依法建立消防安全責(zé)任制，通過(guò)建立防火檢查巡查制度、應(yīng)急處置制度，明確各級(jí)、各崗位的消防安全職責(zé)，負(fù)責(zé)組織實(shí)施日常消防安全管理工作。

5 結(jié)論

(1)本文首先分析了儲(chǔ)能電站中的危險(xiǎn)因素，從人的不安全性、設(shè)備的不安全狀態(tài)、環(huán)境影響、管不到位和消防設(shè)計(jì)缺陷5個(gè)方面進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)，為編制事故樹(shù)提供依據(jù)。

(2)結(jié)合事故樹(shù)的最小割集、最小徑集和結(jié)構(gòu)重要度分析，從氧氣、引火源、可燃物、消防設(shè)計(jì)、安全管理角度制定防治火災(zāi)的措施。根據(jù)576個(gè)最小割集可知，加強(qiáng)對(duì)最小割集的管理可有效防止火災(zāi)事故的發(fā)生，氧氣出現(xiàn)在所有最小割集中，是發(fā)生火災(zāi)爆炸必不可少的因素，因此必須嚴(yán)格管制；根據(jù)最小徑集可以發(fā)現(xiàn)，氧氣構(gòu)成了火災(zāi)事故的主要隱患來(lái)源，且在5個(gè)最小徑集中重要性最大；根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度結(jié)果可得到同樣的分析。

(3)由于僅從定性角度上分析火災(zāi)致因，缺乏定量討論，難以挖掘事故深層次的原因，結(jié)果難免存在不足。