電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)處置對(duì)策探究

摘要：當(dāng)前，新型儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、保障電力供應(yīng)穩(wěn)定等方面發(fā)揮的作用越來(lái)越明顯，特別是當(dāng)前鋰電池成本的快速下降，以鋰電池技術(shù)為主的電化學(xué)儲(chǔ)能電站因布局靈活、響應(yīng)迅速、能量密度高、對(duì)環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，其裝機(jī)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)?，F(xiàn)結(jié)合電化學(xué)儲(chǔ)能的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析該類(lèi)型電站的火災(zāi)特點(diǎn)和危險(xiǎn)性，并提出針對(duì)性處置對(duì)策。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能系統(tǒng)；電化學(xué)；滅火救援

中圖分類(lèi)號(hào)：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2024）11-0052-03

1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站發(fā)展的基本情況

1.1" 電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度越來(lái)越快，在電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)和負(fù)荷側(cè)起著削峰填谷、改善電能質(zhì)量等重要作用。儲(chǔ)能技術(shù)在用戶側(cè)微電網(wǎng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，是智能電網(wǎng)、可再生能源接入及電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展必不可少的核心技術(shù)，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要技術(shù)手段。新型儲(chǔ)能系統(tǒng)具有響應(yīng)速度較快、充放電靈活的特性，能很好地解決新能源應(yīng)用帶來(lái)的各種新情況，同時(shí)，在電網(wǎng)的發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)和負(fù)荷側(cè)也擁有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景；特別是以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，由于其具有高效節(jié)能、環(huán)保節(jié)能、靈活可控、安全可靠、可拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為儲(chǔ)能領(lǐng)域裝機(jī)容量增長(zhǎng)最快的儲(chǔ)能方式[1]。隨著鋰電池規(guī)模效應(yīng)的逐漸顯現(xiàn)和電動(dòng)汽車(chē)滲透率的提升，電化學(xué)儲(chǔ)能的成本快速降低，其在能源領(lǐng)域的作用也日益凸顯。結(jié)合《2024年中國(guó)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》報(bào)告[2]，截至2023年底，根據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫(kù)的不完全統(tǒng)計(jì)，全球已投運(yùn)的電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到289.2GW，年增長(zhǎng)率高達(dá)21.9%；新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，是2022年同期的近兩倍，達(dá)到了91.3GW；其中，鋰離子電池的年增長(zhǎng)率超過(guò)100%，表現(xiàn)驚人。我國(guó)已投運(yùn)的相關(guān)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為86.5GW，占全球儲(chǔ)能市場(chǎng)總規(guī)模的近三成，同比增長(zhǎng)45%；新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到34.5GW/74.5GWh時(shí)，在功率規(guī)模和能量規(guī)模上分別比2022年增長(zhǎng)超過(guò)150%。其中以鋰電池為代表的新型電化學(xué)儲(chǔ)能占比進(jìn)一步提高，從2022年的94%增長(zhǎng)至2023年的97%，占據(jù)絕對(duì)地位。

1.2" 儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要構(gòu)成

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括四個(gè)主要部分，分別是電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、儲(chǔ)能逆變器（PCS），還包括相關(guān)的電氣設(shè)備。電池組在儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本占比最高，是最主要的構(gòu)成部分；電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池組的“司令官”，是電池和用戶之間的紐帶，主要負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測(cè)、評(píng)估、保護(hù)以及均衡等?！昂梅桨冈从陧攲釉O(shè)計(jì)，好系統(tǒng)出于EMS”，能量管理系統(tǒng)（EMS）負(fù)責(zé)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)信息的采集和監(jiān)控工作，全方位了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，保證系統(tǒng)安全。儲(chǔ)能逆變器（PCS）可以理解為一個(gè)超大號(hào)的充電器，但其與手機(jī)充電器的區(qū)別在于它是雙向的，可以控制儲(chǔ)能電池組的充電和放電，進(jìn)行交流電與直流電之間的轉(zhuǎn)換。

1.3" 儲(chǔ)能電站安全事故統(tǒng)計(jì)

隨著電池儲(chǔ)能電站的不斷投運(yùn)，其安全問(wèn)題逐漸突顯；通過(guò)對(duì)2017年以來(lái)全球儲(chǔ)能項(xiàng)目中61起儲(chǔ)能火災(zāi)事故的主要火災(zāi)或爆炸事故的公開(kāi)信息進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)采用三元鋰電池的儲(chǔ)能電站起火爆炸事故占78.1%；2017年以后建成的儲(chǔ)能電站起火爆炸事故占93.8%；儲(chǔ)能電站在充電中或充電后休止期間發(fā)生起火爆炸占65.6%。2021年以前，事故主要集中在韓國(guó)，多數(shù)由三元鋰電池引發(fā)，因此減緩了韓國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)進(jìn)程，并使得三元電池逐漸退出了儲(chǔ)能市場(chǎng)。2021年以后，中國(guó)、美國(guó)、澳大利亞和歐洲地區(qū)等儲(chǔ)能發(fā)展迅速的地區(qū)均發(fā)生了多起嚴(yán)重事故，造成大量損失；例如，2024年5月15日，美國(guó)加利福尼亞州某儲(chǔ)能電站（鋰電池）發(fā)生火災(zāi)；大火復(fù)燃兩次并持續(xù)燃燒了六天，該電站曾經(jīng)是世界最大的鋰電儲(chǔ)能電站之一[3]。6月24日，韓國(guó)京畿道華城市某電池廠發(fā)生的火災(zāi)共造成23人喪生，另有8人在事故中受傷，社會(huì)影響極大[4]。近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)也發(fā)生了多起火災(zāi)，例如，2021年4月16日，北京市豐臺(tái)區(qū)某光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸，事故造成1人遇難、2名消防隊(duì)員犧牲、1名消防員受傷，損失嚴(yán)重[5]。

2 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)

2.1" 高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)

能量密度大、高壓易觸電；儲(chǔ)能電站電池?cái)?shù)量多、模塊（簇）組數(shù)多，變流器的電流電壓高、容量大，一旦發(fā)生故障，易發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，能量一次性集中釋放，導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)劇烈燃燒、爆炸失控；撬裝式儲(chǔ)能電柜通常電壓可達(dá)數(shù)千伏特，處置過(guò)程中人員觸電危險(xiǎn)非常高。

2.2" 易復(fù)燃，撲救難度大

電化學(xué)儲(chǔ)能電站的密閉空間存儲(chǔ)大量的能量，而“熱失控”是導(dǎo)致電化學(xué)電池安全問(wèn)題的根本原因；電化學(xué)儲(chǔ)能的電池發(fā)生火災(zāi)后，現(xiàn)有的處置策略通常是物理稀釋隔絕氧氣或者切斷燃燒鏈的方法；這樣只能撲滅表面的明火，無(wú)法從本質(zhì)上抑制火災(zāi)發(fā)生，熱失控反應(yīng)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，火災(zāi)往往會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃，因此，采用傳統(tǒng)的方式徹底撲滅電化學(xué)儲(chǔ)能電站的火災(zāi)，難度非常大。

2.3" 蔓延迅速，燃燒猛烈

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)主要以集裝箱為代表的預(yù)制倉(cāng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)為主，不僅包括傳統(tǒng)的變壓器火災(zāi)、電纜火災(zāi)等，還包括電池火災(zāi)；特別是一定規(guī)模數(shù)量的電池燃燒時(shí)，火勢(shì)特別激烈，蔓延速度極快，尤其是活潑金屬鋰與水發(fā)生猛烈反應(yīng)后，產(chǎn)生的氫氣和可燃有毒氣體使燃燒更加劇烈，甚至呈現(xiàn)噴射式燃燒。

2.4" 中毒風(fēng)險(xiǎn)

電池燃燒會(huì)產(chǎn)生有毒煙氣以及溶析產(chǎn)生晶體；煙氣主要包括氯化氫、氟化氫等有毒氣體，以及氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w。這些有毒氣體不僅會(huì)對(duì)眼和呼吸道黏膜產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激，還會(huì)引起現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的呼吸道炎癥、肺水腫、潰瘍等健康問(wèn)題。

3 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)處置難點(diǎn)

3.1" 不易靠近，強(qiáng)攻近戰(zhàn)難

步入式電池預(yù)制艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹窄有限，作業(yè)人員難以快速抵近實(shí)施應(yīng)急操作；現(xiàn)場(chǎng)從單模組熱失控發(fā)展到電池簇火災(zāi)用時(shí)較短，消防救援人員難以抵近作戰(zhàn)。

3.2" 不易偵查，信息核查難

目前缺少歸口管理部門(mén)，特別是服務(wù)于工礦、商業(yè)、民用的用戶側(cè)儲(chǔ)能電站底數(shù)不清，類(lèi)型不明，大多處于無(wú)人值守狀態(tài)；發(fā)生火災(zāi)后，消防救援人員無(wú)法快速獲取作戰(zhàn)信息，現(xiàn)場(chǎng)缺少專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)，使用方對(duì)特性了解不全面，影響滅火救援工作效率[6]。

3.3" 不易降荷，安全防護(hù)難

由于儲(chǔ)能電池自身具有蓄放電功能，熱失控狀態(tài)下可自發(fā)熱并持續(xù)燃燒，導(dǎo)致火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)能量密度高、火勢(shì)強(qiáng)度大、毒害煙氣濃，熱值釋放時(shí)間長(zhǎng)，滅火救援人員既要開(kāi)展稀釋冷卻降壓，又要持續(xù)做好防爆防毒保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)作戰(zhàn)防護(hù)等級(jí)要求極高。

4 電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)處置對(duì)策

4.1" 加強(qiáng)調(diào)研熟悉，制定應(yīng)急預(yù)案

對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有儲(chǔ)能電站進(jìn)行調(diào)研排摸，特別是電化學(xué)儲(chǔ)能電站的類(lèi)型、容量；要詳細(xì)了解儲(chǔ)能電站消防裝置配置及附近通道、人流、水源等情況，制定滅火救援應(yīng)急預(yù)案。

發(fā)生事故后，儲(chǔ)能電站要第一時(shí)間啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，根據(jù)等級(jí)切斷電源、關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)、開(kāi)啟固定消防設(shè)施、進(jìn)行先期處置等工作，為消防力量到場(chǎng)后處置提供有利時(shí)機(jī)。

啟動(dòng)消防應(yīng)急處置預(yù)案，包括一次性調(diào)派足夠力量和相應(yīng)車(chē)輛裝備器材（機(jī)器人、保障車(chē)等）和社會(huì)聯(lián)動(dòng)力量（電力、廠家技術(shù)人員等），做好長(zhǎng)時(shí)間作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。

4.2" 迅速偵查，掌握現(xiàn)場(chǎng)情況

對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸變?cè)O(shè)備設(shè)施多，發(fā)生火災(zāi)后會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害煙霧[7]。因此，當(dāng)消防初戰(zhàn)力量到場(chǎng)后不能盲目進(jìn)入內(nèi)部，需要立即與站內(nèi)工作人員取得聯(lián)系，詳細(xì)了解事故部位、內(nèi)部情況、火勢(shì)蔓延情況以及單位預(yù)案啟動(dòng)情況。另外盡可能進(jìn)入消防控制室通過(guò)監(jiān)控查看現(xiàn)場(chǎng)情況，為初戰(zhàn)以及增援力量的處置創(chuàng)造有利條件，根據(jù)獲得的信息及數(shù)據(jù)，分析研判可能存在的各種危險(xiǎn)性，并制定最佳處置方案。

4.3" 因情施策，合理選擇戰(zhàn)術(shù)

4.3.1" 電氣火災(zāi)

若發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域?yàn)殡姎獠糠?，且電池組未出現(xiàn)明火，應(yīng)首先使用固定設(shè)施滅火，充分利用二氧化碳、超細(xì)水霧、七氟丙烷等固定滅火裝置撲救電氣設(shè)備火災(zāi)。當(dāng)無(wú)法啟動(dòng)固定滅火裝置時(shí)，要在單位專業(yè)技術(shù)人員配合下切斷局部或全部電源，然后進(jìn)行滅火戰(zhàn)斗；切斷電源后，應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備使用的絕緣材料種類(lèi)選擇合適的滅火劑進(jìn)行滅火[8]。變壓器、油斷路等充電設(shè)備發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若油箱沒(méi)有破損，可用干粉、二氧化碳滅火劑進(jìn)行撲救，若油箱破裂起火，大量油品流出，可用噴霧水或泡沫撲救。

電纜線路發(fā)生燃燒，燃燒物質(zhì)一般為電線、塑料、橡膠等，切斷電源后與一般可燃物質(zhì)火災(zāi)處置策略類(lèi)似；特別注意的是，對(duì)于電容器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)，切斷電源后，仍可能有較高的殘留電壓，需要在技術(shù)人員指導(dǎo)下進(jìn)一步采取放電措施才能處置。

大型變電設(shè)備火災(zāi)，此類(lèi)設(shè)備在高溫狀態(tài)遇急冷或冷熱不均時(shí)，其瓷質(zhì)絕緣套管容易爆裂，造成絕緣油流散，該類(lèi)火災(zāi)應(yīng)采用噴霧水滅火，注意對(duì)設(shè)備均勻冷卻。救援人員在火場(chǎng)緊急狀況、生產(chǎn)的連續(xù)性需要以及其他原因無(wú)法切斷電源的情況下，指戰(zhàn)員需要在做好個(gè)人防護(hù)（佩戴絕緣裝具）和保持安全距離的基礎(chǔ)上實(shí)施帶電滅火。

4.3.2" 電池預(yù)制艙火災(zāi)

電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)以預(yù)制艙式儲(chǔ)能系統(tǒng)最為常見(jiàn)，而鋰電池預(yù)制艙內(nèi)容納的單元較多，任一電池部分發(fā)生火災(zāi)事故都可能引起臨近電池燃燒甚至爆炸；預(yù)制艙內(nèi)電池發(fā)生熱失控時(shí)，應(yīng)立即疏散艙內(nèi)人員，切斷主回路電源，關(guān)閉并遠(yuǎn)離艙門(mén)，疏散周?chē)藛T。

初期階段。針對(duì)密閉空間鋰電池預(yù)制艙內(nèi)的初期火災(zāi)，首先考慮不破壞電池預(yù)制艙內(nèi)密閉環(huán)境前提下，優(yōu)先使用七氟丙烷、全氟己酮等自動(dòng)滅火系統(tǒng)來(lái)抑制火勢(shì)。研究表明，七氟丙烷、全氟己酮等滅火劑對(duì)撲救初期電化學(xué)火災(zāi)效果較好，但不能阻止復(fù)燃。

發(fā)展階段。若初期火災(zāi)控制不及時(shí)，會(huì)波及毗鄰的電池組。此時(shí)，從外部難以看到明顯的燃燒跡象，表明現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有泄壓，應(yīng)該充分考慮鋰電池?zé)崾Э?，此時(shí)發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)極高。偵查及內(nèi)攻人員要迅速撤離至安全區(qū)域，充分評(píng)估可能發(fā)生爆炸的可能性，盡可能使用固定消防設(shè)施或遠(yuǎn)程操控機(jī)器狗、無(wú)人機(jī)、熱成像儀進(jìn)行偵查，充分利用消防機(jī)器人、移水炮、車(chē)載炮等裝備，遠(yuǎn)程對(duì)著火的鋰離子電池預(yù)制艙進(jìn)行出水冷卻，人員選擇站位時(shí)應(yīng)避開(kāi)門(mén)、窗、孔洞等泄壓口。若電池預(yù)制艙未設(shè)置預(yù)留接口，應(yīng)尋找好掩體，再遠(yuǎn)程破拆泄壓口，火焰冒出一定時(shí)間后，在冷卻的同時(shí)利用泄壓口噴射大量的水進(jìn)行淹沒(méi)式降溫滅火，待充分降溫后，使用熱成像儀、多功能氣體探測(cè)儀檢測(cè)預(yù)制艙的溫度和可燃?xì)怏w濃度，查看其是否具備復(fù)燃的條件，若超過(guò)臨界條件，則要持續(xù)用水降溫，防止其復(fù)燃。

5 結(jié)束語(yǔ)

消防救援人員應(yīng)積極對(duì)接廠家和相關(guān)技術(shù)人員收集電池火災(zāi)發(fā)生前的煙氣、電池表面溫度變化、電壓、電流波動(dòng)等重要參數(shù)，采用5G及大數(shù)據(jù)模型，找出電池火災(zāi)的關(guān)聯(lián)特征變量，完善和提升消防設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)，聯(lián)系廠家、轄區(qū)相關(guān)單位，制定儲(chǔ)能電站多種力量聯(lián)動(dòng)應(yīng)急機(jī)制。

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