電化學儲能電站火災分析及處置措施研究

徐寶勇

摘要：針對電化學儲能電站發(fā)生火災后滅火救援時間長、難度大、易造成處置人員傷亡的問題，通過介紹電化學儲能電站基本常識和目前的安全狀況，分析電化學儲能電站火災特點和目前存在的突出問題，就如何加強電化學儲能電站火災處置能力，確保處置人員在處置過程中的安全提出意見和建議，為消防救援隊伍安全有效處置此類災害事故提供參考。

關鍵詞：消防；儲能電站；電化學；火災

中圖分類號：X928.7? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）04-0011-03

儲能電站主要分為兩大類：一類是抽水蓄能電站，一類是電化學儲能電站。主要用于城市電網填谷調頻、調峰、商業(yè)區(qū)輔助用電、電動車充電等。目前，我國除抽水蓄能電站外，大規(guī)模應用的主要為電化學儲能電站。過去，大多數(shù)人對儲能電站缺乏了解和認識，2021年4月16日，北京市豐臺區(qū)南四環(huán)永外大紅門西馬場某公司儲能電站火災事故，造成3人死亡（其中2人為消防員）、1人受傷[1]，引發(fā)了社會廣泛關注，人們開始重新審視儲能電站的安全情況。經過查閱相關資料，發(fā)現(xiàn)隨著儲能電站裝機規(guī)模不斷擴大，近年來國內外電化學儲能電站發(fā)生了多起火災事故，且大多數(shù)為鋰離子電池火災，因此本文以鋰離子電池儲能電站為重點進行研究討論。

1 電化學儲能電站基本常識

據世界能源理事會（WEC）發(fā)布的《儲能監(jiān)測：2019發(fā)展趨勢》報告預測，到2030年全球儲能裝機總量將達到250GWh。

1.1? 主要部件

電化學儲能電站包括儲能單元、功率變換系統(tǒng)（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）等組成。

1.1.1? 儲能單元

由電池組、電池管理系統(tǒng)及與其相連的功率變換系統(tǒng)組成的最小儲能系統(tǒng)。

1.1.2? 功率變換系統(tǒng)（PCS）

與儲能電池組配套，連接于電池組與電網之間，把電網電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網的系統(tǒng)，主要由變流器及其控制系統(tǒng)構成。

1.1.3? 電池管理系統(tǒng)（BMS）

監(jiān)測電池溫度、電壓、電流、荷電狀態(tài)等，為電池提供通信接口和保護的系統(tǒng)。

1.2? 電站分類

1.2.1? 按電化學儲能電池類型

按電化學儲能電池類型分為鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池、超級電容等方式。鋰離子電池占電化學儲能58%，占比最大，最常見為以鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池。不同種類的電池安全風險排序為：鉛酸電池＜磷酸鐵鋰材料電池＜三元材料電池＜鈉流電池。

1.2.2? 按規(guī)模

按規(guī)模分類分為小型、中型和大型。其中，容量為1MWh以下為小型電化學儲能電站；容量為1～30MWh的電站為中型電化學儲能電站；容量為30MWh以上為大型電化學儲能電站[2]。

1.2.3? 按照電站用途

按照電站用途分為發(fā)電側、電網側、用戶側三種使用方式。其中，用戶側通常位于城市商業(yè)區(qū)、大型商場、大學城、電動車充電配套的發(fā)電、儲電、供電儲能電站。集發(fā)電、儲能、充電等業(yè)態(tài)于一體，人流、物流密集，發(fā)生事故易造成群死群傷，與發(fā)電側、電網側儲能相比，安全風險最大。

1.2.4? 按布局形式

按布局形式分為室外撬裝式、建筑封閉式（站房式）兩種。建筑封閉式電站通常為多模組、多樓層豎向疊加堆放，風險最大。

1.2.5? 按輸電來源

按輸電來源分為市電、光伏、風電、火電、核電等不同供電來源。用戶側電站通常為市電、光伏、儲能一體化設計。

1.3? 工藝流程

主要工藝流程為：鋰離子電池充電期間，系統(tǒng)將電能通過主變壓器、干式變壓器和儲能變流器將交流電轉化為直流電，通過儲能電池的充電過程，將電能儲存在電芯內。放電期間，通過儲能電池的放電過程，將直流電經過儲能變流器轉化為交流電，再經過干式變壓器、主變壓器通過高壓配電裝置將電能輸送到電網，或為商業(yè)直接供電。

1.4? 熱失控機理

熱失控就是指鋰離子電池內部電流和溫度均升高，且互相促進的現(xiàn)象。鋰離子電池內電解液和隔膜為可燃物，在不同荷電狀態(tài)下，正極材料和負極材料可分別成為氧化劑和還原劑，短路后易自發(fā)熱燃燒；電池還可因內部或外部的熱源加熱，都可能觸發(fā)電池火災[3]。

2 國內外電化學儲能電站安全狀況

由于儲能電站安全問題的形成機理、邊界條件、控制要素尚未全部認識清楚，致使儲能安全防控手段、應對措施等尚不能完全適應儲能技術快速發(fā)展及應用需要。據不完全統(tǒng)計，2011年至今，美國、韓國、日本、中國等地先后發(fā)生多起儲能電站火災事故。

電化學儲能電站事故涉及多種儲能類型，其中以鋰離子電池為主。引發(fā)火災事故的起因有多種形式，而且涉及不同的方面，比如儲能容量和功率標定不準、系統(tǒng)配置和選型有問題、安裝調試過程不規(guī)范、運行檢修維護工作不到位等多方面問題。

3 電化學儲能電站火災特點

3.1? 火勢控制難，易于復燃

電化學儲能電站的電池單元性質活躍，在出現(xiàn)短路等故障后，內部發(fā)生劇烈、復雜化學反應，引發(fā)溫度持續(xù)升高，出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，進而發(fā)生燃燒或爆炸。一旦火災發(fā)生，即使表面明火被撲滅，電池內部仍持續(xù)發(fā)生自反應，不斷產生熱量及可燃氣體，導致火勢發(fā)展蔓延迅速，同時反復出現(xiàn)復燃。

3.2? 結構布局不利于滅火救援

電化學儲能電站所用電池儲能系統(tǒng)平面布置緊湊，儲能系統(tǒng)的形式多樣且未采取隔熱措施，內部存放的電池組數(shù)量較多、排列緊密并有構件遮擋。在救援過程中為防范爆炸危險，采取遠距離射水冷卻時，很難靶向作用到電池高溫區(qū)域，難以實施精準有效處置。

3.3? 中毒、爆炸及觸電風險高

各類電化學電池火災燃燒產物含有氫氣、甲烷、乙烯等易燃易爆氣體以及氟化物等有毒有害氣體。燃燒產生的熱量會影響毗鄰電池，產生連鎖反應，相繼引發(fā)爆燃或爆炸。例如在北京“4·16”火災處置過程中，先后發(fā)生4次以上不同規(guī)模的爆燃及1次劇烈爆炸。同時，事故現(xiàn)場大量成簇電池組底部系高壓包直流系統(tǒng)，長期處于高壓帶電狀態(tài)，滅火過程中觸電危險性極高。

3.4? 持續(xù)時間長，作戰(zhàn)消耗大

由于電化學儲能電池火災所具有的連鎖反應、持續(xù)放熱、復燃復爆特性，在明火撲滅后電池仍呈現(xiàn)無焰通紅高溫狀態(tài)，需要持續(xù)冷卻降溫。北京“4·16”火災處置滅火冷卻時間長達53h，累計用水近2萬t，參戰(zhàn)力量多、人員輪換頻次高，對現(xiàn)場人員、器材裝備、滅火劑等保障要求極高[4]。

4 當前電化學儲能電站存在的突出問題

目前，我國儲能電站的設計主要依據GB51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》。該標準于2015年8月1日實施，編制時我國電力儲能技術正處于發(fā)展初期，儲能技術尚處于試驗驗證階段，應用場景較為簡單。而目前我國電力儲能的規(guī)模、應用場景都發(fā)生了顯著變化，安全風險顯著提升，消防安全問題亟待解決。

4.1? 消防安全定位偏低

從電化學儲能電站火災實例看，一旦發(fā)生火災，燃燒強度大，火焰呈噴射狀，并伴有爆炸、高溫、濃煙等現(xiàn)象，處置異常艱難，但依據GB 51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》，除鈉硫電池外，鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池的電池室、屋外電池設備、配電裝置等的火災危險性均為戊類，造成防火措施標準偏低，對不同裝機容量的電化學儲能電站與周邊建筑的防火間距、防火分隔設施、消防設施的具體要求過于籠統(tǒng)，無法有效針對性控制、撲滅火災及減少火災危害。

4.2? 火災探測預警機制不合理

各類電化學電池失效早期已存在多種異常信號，如異常電壓、異常電流、異常溫度等，如果能夠在早期檢測預警到問題，就能夠有效將問題解決在成災之前。但現(xiàn)行標準GB 51048—2014《電化學儲能電站設計規(guī)范》第11.4.1條規(guī)定“主控通信室、配電裝置室、繼電器室、電池室、PCS室、電纜夾層及電纜豎井應設置火災自動報警系統(tǒng)。”，且規(guī)定設置的火災探測器類型為感煙或吸入式感煙探測器。目前，市場主流鋰離子儲能電站也均如此設計，此設計要求無法對鋰離子電池早期問題進行有效檢測。

4.3? 防排煙設施設計滯后

電化學儲能電站電池熱失控易產生大量有毒、易燃煙氣，在密閉環(huán)境中，如遇電火花，具有發(fā)生爆炸的風險。防排煙設施可有效疏導煙氣流動，避免熱量積蓄、降低可燃氣體燃燒爆炸臨界濃度，是安全防護的重要基礎設施。但現(xiàn)有電化學儲能電站大多沒有防排煙設計，有的也僅采用常規(guī)建筑防排煙設計，無針對電化學儲能電池熱失控特征煙氣進行特殊設計，未考慮防爆性能化設計，造成電化學儲能系統(tǒng)出現(xiàn)火災事故時無法及時排解煙氣，不利于現(xiàn)場滅火。

4.4? 自動滅火設施設置針對性不強

電化學儲能電池由于起火燃燒原因復雜，且電池種類繁多，對于電化學儲能電池的火災不能以單一火災類型來對待。而目前儲能電站自動滅火設置沒有明確的國家強制標準，僅由各地建設企業(yè)自行參照普通電子設備場所的設計要求設置，滅火措施不精準，防控技術措施無法有效抑制電池燃燒，部分企業(yè)仍采用傳統(tǒng)的水噴淋滅火系統(tǒng)，而水噴淋極有可能引發(fā)帶電體及其線路短路誘發(fā)次生災害或擴大電氣事故，在撲救電化學儲能電池火災中，無法發(fā)揮冷卻、窒息作用[4]。

5 加強電化學儲能電站火災處置能力的建議

5.1? 完善設計標準，提升消防安全水平

國家相關部門要推動科研機構、企業(yè)加強電化學儲能電站相關產品和應用場景消防安全性能研究，推進儲能安全技術創(chuàng)新，改善電化學儲能電站行業(yè)工藝過程、機械設備、裝置等環(huán)節(jié)的消防安全條件，完善站區(qū)平面布置、防火分隔、消防設施等提升消防安全條件的設計規(guī)范。同時要制定完善儲能產品性能、安全性等檢測認證標準，提升行業(yè)消防安全水平，從源頭上降低消防安全風險。

5.2? 加強調研熟悉，完善滅火救援預案

從國內外儲能電站火災情況看，對其發(fā)生火災的燃燒機理、內部布局和危險性不掌握，是導致火災撲救時間長和人員傷亡的主要原因。因此，消防救援隊伍要組織力量對轄區(qū)儲能電站進行摸底排查，開展實地熟悉調研，了解行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢、電站分布和安全風險。熟悉掌握每個儲能電站的具體位置、儲能類型、電池類型、容量規(guī)模、火災危險性、固定滅火設施、事故處置對策等基本情況，收集電站的平面圖、裝機圖、流程圖、線路圖、控制圖等基礎資料，建立資料檔案庫，逐一制定滅火救援預案，真正摸清底數(shù)，做到心中有數(shù)。

5.3? 強化力量調度，確保協(xié)同高效處置

各地消防救援隊伍在接到電化學儲能電站發(fā)生火災的報警后，應優(yōu)先調派大功率大流量水罐和泡沫消防車、高倍數(shù)泡沫消防車、搶險救援消防車、大跨距舉高噴射消防車、供氣消防車、干粉消防車、遠程供水系統(tǒng)等車輛，以及遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高倍泡沫發(fā)生器、熱成像儀、消防機器人、無人機、漏電探測儀、測溫儀、可燃氣體檢測儀、有毒氣體檢測儀、電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、備用氣瓶等器材和個人防護裝備。同時，要調集電力、應急、公安、醫(yī)療、環(huán)保、供水等聯(lián)動力量以及相關專家到場輔助處置。確保能夠第一時間了解掌握儲能電站情況，第一時間有效處置。

5.4? 依據現(xiàn)場規(guī)模，保持安全處置距離

消防救援力量到達后，應特別注意要從上風或側上風方向接近現(xiàn)場，并在事故區(qū)域的上風向或側上風向劃定安全集結區(qū)。按照單個獨立設置的撬裝式儲能電站不少于200m，2個以上撬裝式儲能電站不少于500m，站房集中式單層布置的儲能電站不少于500m，站房集中式立體布置（2層以上）的儲能電站不少于1000m的要求保持安全距離。參戰(zhàn)人員和車輛必須在安全集結區(qū)集結待命，不得貿然進入事故現(xiàn)場。在處置過程中要避開爆炸泄壓的門、窗、孔洞和泄爆口，確保參戰(zhàn)人員的安全[5]。

5.5? 掌握現(xiàn)場情況，及時組織災情研判

到場的消防救援隊伍指揮員應及時組織對現(xiàn)場情況進行研判，核實確認事故現(xiàn)場是否已處于輸入、輸出斷電狀態(tài)，核實事故電池堆（站）電池電化學體系類型，單個電芯、電池模塊（簇）容量和形狀，以及數(shù)量、電流、電壓、溫度、裝機容量等，預判最大爆炸破壞力波及范圍和有毒有害氣體擴散范圍，為人員疏散、警戒管控、車輛集結、處置區(qū)與工作區(qū)劃分等提供依據。消防救援力量應根據現(xiàn)場研判評估意見，確定處置措施和處置時機。在情況不明的情況下，消防救援力量堅決不靠近、不處置，不貿然進入。

5.6? 遵循處置原則，確?，F(xiàn)場人員安全

消防救援隊伍在處置過程中要堅持“安全防御、控制燃燒”的原則。經評估具備處置條件的，充分利用遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高噴消防車臂架水炮等遠距離控制火勢、冷卻降溫。對其他未著火的建筑或區(qū)域設置水幕分隔保護。陣地部署完畢后，人員要及時撤離至安全區(qū)域；不具備處置條件的，要利用消防機器人稀釋、水幕分隔的方式，第一時間疏散人員，阻截輻射熱，保護周邊建筑和重點目標。嚴禁將水直接射向未著火的儲能電池模塊（簇），避免處置不當造成儲能電池模塊（簇）短路；對設置在露天區(qū)域的撬裝式儲能電站火災，應在撬裝4個角的鋼柱45°角方向，距離50m處設置移動水炮對兩側箱體以及頂部進行冷卻，人員撤離至安全區(qū)域。明火撲滅后，應對電池堆（站）間內的電池模塊（簇）、組合電池、單個電芯進行持續(xù)冷卻至正常環(huán)境溫度。

參考文獻：

[1]應急管理部消防救援局，滅火救援典型戰(zhàn)例[Z].2021.

[2]GB 51048—2014 電化學儲能電站設計規(guī)范[S].

[3]吳泳，李麗娜，王志剛，等.通風條件下儲能集裝箱磷酸鐵鋰電池熱失控氣體擴散規(guī)律[J].消防科學與技術，2021（5）：610-612.

[4]朱江，張宏亮.鋰電池儲能系統(tǒng)火災危險性及防范措施[J].武警學院學報，2018，34（12）：43-45.

[5]應急管理部消防救援局，電化學儲能電站火災撲救要點（試行）[Z].2021.

Research on fire analysis and disposal measures

of electrochemical energy storage power station

Xu Baoyong

（Urumqi Municipal Fire and Rescue Brigade， Xinjiang Urumqi 830002）

Abstract：After a fire occurs in an electrochemical energy storage power station， the fire fighting and rescue time is long and difficult， and it is easy to cause casualties. By introducing the basic knowledge and current safety status of electrochemical energy storage power stations， analyzing the fire characteristics and current outstanding problems of electrochemical energy storage power stations， opinions and suggestions are put forward to strengthen the fire disposal capacity of electrochemical energy storage power stations， and ensure the safety of personnel in the process. It provides references for fire and rescue teams to safely and effectively deal with such disasters.

Keywords：fire protection; energy storage power station; electrochemistry; fire