談?wù)勲娀瘜W(xué)儲能電站火災(zāi)分析及處置措施研究

安科瑞 陳聰

摘要：針對電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災(zāi)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(xué)儲能電站基本常識和目前的安全狀況，分析電化學(xué)儲能電站火災(zāi)特點和目前存在的突出問題，就如何加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站火災(zāi)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(zāi)害事故提供參考。

關(guān)鍵詞：消防；儲能電站；電化學(xué)；火災(zāi)

0 引言

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(xué)儲能電站。主要用于城市電網(wǎng)填谷調(diào)頻、調(diào)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(yīng)用的主要為電化學(xué)儲能電站。過去，大多數(shù)人對儲能電站缺乏了解和認(rèn)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(zāi)事故，造成3人死亡（其中2人為消防員）、1人受傷，引發(fā)了社會廣泛關(guān)注，人們開始重新審視儲能電站的安全情況。經(jīng)過查閱相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)隨著儲能電站裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，近年來國內(nèi)外電化學(xué)儲能電站發(fā)生了多起火災(zāi)事故，且大多數(shù)為鋰離子電池火災(zāi)，因此本文以鋰離子電池儲能電站為重點進(jìn)行研究討論。

1 電化學(xué)儲能電站基本常識

據(jù)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(yù)測，到2030年全球儲能裝機(jī)總量將達(dá)到250GWh。

1.1主要部件

電化學(xué)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*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(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)的系統(tǒng)，主要由變流器及其控制系統(tǒng)構(gòu)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(hù)的系統(tǒng)。

1.2電站分類

1.2.1按電化學(xué)儲能電池類型

按電化學(xué)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(xué)儲能58%，占比*大，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(fēng)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(xué)儲能電站；容量為1～30MWh的電站為中型電化學(xué)儲能電站；容量為30MWh以上為大型電化學(xué)儲能電站。

1.2.3按照電站用途

按照電站用途分為發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)三種使用方式。其中，用戶側(cè)通常位于城市商業(yè)區(qū)、大型商場、大學(xué)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(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲能相比，安全風(fēng)險*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(fēng)險*大。

1.2.5按輸電來源

按輸電來源分為市電、光伏、風(fēng)電、火電、核電等不同供電來源。用戶側(cè)電站通常為市電、光伏、儲能一體化設(shè)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(zhuǎn)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(nèi)。放電期間，通過儲能電池的放電過程，將直流電經(jīng)過儲能變流器轉(zhuǎn)化為交流電，再經(jīng)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(wǎng)，或為商業(yè)直接供電。

1.4熱失控機(jī)理

熱失控就是指鋰離子電池內(nèi)部電流和溫度均升高，且互相促進(jìn)的現(xiàn)象。鋰離子電池內(nèi)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(fù)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(nèi)部或外部的熱源加熱，都可能觸發(fā)電池火災(zāi)。

2 國內(nèi)外電化學(xué)儲能電站安全狀況

由于儲能電站安全問題的形成機(jī)理、邊界條件、控制要素尚未全部認(rèn)識清楚，致使儲能安全防控手段、應(yīng)對措施等尚不能完*適應(yīng)儲能技術(shù)快速發(fā)展及應(yīng)用需要。據(jù)不完*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(zāi)事故。

電化學(xué)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(zāi)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(biāo)定不準(zhǔn)、系統(tǒng)配置和選型有問題、安裝調(diào)試過程不規(guī)范、運行檢修維護(hù)工作不到位等多方面問題。

3 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)特點

3.1火勢控制難，易于復(fù)燃

電化學(xué)儲能電站的電池單元性質(zhì)活躍，在出現(xiàn)短路等故障后，內(nèi)部發(fā)生劇烈、復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)溫度持續(xù)升高，出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生燃燒或爆炸。一旦火災(zāi)發(fā)生，即使表面明火被撲滅，電池內(nèi)部仍持續(xù)發(fā)生自反應(yīng)，不斷產(chǎn)生熱量及可燃?xì)怏w，導(dǎo)致火勢發(fā)展蔓延迅速，同時反復(fù)出現(xiàn)復(fù)燃。

3.2結(jié)構(gòu)布局不利于滅火救援

電化學(xué)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(nèi)部存放的電池組數(shù)量較多、排列緊密并有構(gòu)件遮擋。在救援過程中為防范爆炸危險，采取遠(yuǎn)距離射水冷卻時，很難靶向作用到電池高溫區(qū)域，難以實施有效處置。

3.3中毒、爆炸及觸電風(fēng)險高

各類電化學(xué)電池火災(zāi)燃燒產(chǎn)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(chǎn)生的熱量會影響毗鄰電池，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，相繼引發(fā)爆燃或爆炸。例如在北京“4·16”火災(zāi)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*高。

3.4持續(xù)時間長，作戰(zhàn)消耗大

由于電化學(xué)儲能電池火災(zāi)所具有的連鎖反應(yīng)、持續(xù)放熱、復(fù)燃復(fù)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(zāi)處置滅火冷卻時間長達(dá)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*高。

4 當(dāng)前電化學(xué)儲能電站存在的突出問題

目前，我國儲能電站的設(shè)計主要依據(jù)GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》。該標(biāo)準(zhǔn)于2015年8月1日實施，編制時我國電力儲能技術(shù)正處于發(fā)展初期，儲能技術(shù)尚處于試驗驗證階段，應(yīng)用場景較為簡單。而目前我國電力儲能的規(guī)模、應(yīng)用場景都發(fā)生了顯著變化，安全風(fēng)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(xué)儲能電站火災(zāi)實例看，一旦發(fā)生火災(zāi)，燃燒強(qiáng)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(jù)GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)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(shè)備、配電裝置等的火災(zāi)危險性均為戊類，造成防火措施標(biāo)準(zhǔn)偏低，對不同裝機(jī)容量的電化學(xué)儲能電站與周邊建筑的防火間距、防火分隔設(shè)施、消防設(shè)施的具體要求過于籠統(tǒng)，無法有效針對性控制、撲滅火災(zāi)及減少火災(zāi)危害。

4.2火災(zāi)探測預(yù)警機(jī)制不合理

各類電化學(xué)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(yù)警到問題，就能夠有效將問題解決在成災(zāi)之前。但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》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(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。”，且規(guī)定設(shè)置的火災(zāi)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(shè)計，此設(shè)計要求無法對鋰離子電池早期問題進(jìn)行有效檢測。

4.3防排煙設(shè)施設(shè)計滯后

電化學(xué)儲能電站電池?zé)崾Э匾桩a(chǎn)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(fēng)險。防排煙設(shè)施可有效疏導(dǎo)煙氣流動，避免熱量積蓄、降低可燃?xì)怏w燃燒爆炸臨界濃度，是安全防護(hù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。但現(xiàn)有電化學(xué)儲能電站大多沒有防排煙設(shè)計，有的也僅采用常規(guī)建筑防排煙設(shè)計，無針對電化學(xué)儲能電池?zé)崾Э靥卣鳠煔膺M(jìn)行特殊設(shè)計，未考慮防爆性能化設(shè)計，造成電化學(xué)儲能系統(tǒng)出現(xiàn)火災(zāi)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(shè)施設(shè)置針對性不強(qiáng)

電化學(xué)儲能電池由于起火燃燒原因復(fù)雜，且電池種類繁多，對于電化學(xué)儲能電池的火災(zāi)不能以單一火災(zāi)類型來對待。而目前儲能電站自動滅火設(shè)置沒有明確的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，僅由各地建設(shè)企業(yè)自行參照普通電子設(shè)備場所的設(shè)計要求設(shè)置，滅火措施，防控技術(shù)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(zāi)害或擴(kuò)大電氣事故，在撲救電化學(xué)儲能電池火災(zāi)中，無法發(fā)揮冷卻、窒息作用。

5 加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站火災(zāi)處置能力的建議

5.1完善設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，提升消防安全水平

相關(guān)部門要推動科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)加強(qiáng)電化學(xué)儲能電站相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用場景消防安全性能研究，推進(jìn)儲能安全技術(shù)創(chuàng)新，改善電化學(xué)儲能電站行業(yè)工藝過程、機(jī)械設(shè)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(shè)施等提升消防安全條件的設(shè)計規(guī)范。同時要制定完善儲能產(chǎn)品性能、安全性等檢測認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，提升行業(yè)消防安全水平，從源頭上降低消防安全風(fēng)險。

5.2加強(qiáng)調(diào)研熟悉，完善滅火救援預(yù)案

從國內(nèi)外儲能電站火災(zāi)情況看，對其發(fā)生火災(zāi)的燃燒機(jī)理、內(nèi)部布局和危險性不掌握，是導(dǎo)致火災(zāi)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(jìn)行摸底排查，開展實地熟悉調(diào)研，了解行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀、趨勢、電站分布和安全風(fēng)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(zāi)危險性、固定滅火設(shè)施、事故處置對策等基本情況，收集電站的平面圖、裝機(jī)圖、流程圖、線路圖、控制圖等基礎(chǔ)資料，建立資料檔案庫，逐一制定滅火救援預(yù)案，真正摸清底數(shù)，做到心中有數(shù)。

5.3強(qiáng)化力量調(diào)度，確保協(xié)同高效處置

各地消防救援隊伍在接到電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災(zāi)的報警后，應(yīng)優(yōu)先調(diào)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(yuǎn)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(jī)器人、無人機(jī)、漏電探測儀、測溫儀、可燃?xì)怏w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(hù)裝備。同時，要調(diào)集電力、應(yīng)急、公安、醫(yī)療、環(huán)保、供水等聯(lián)動力量以及相關(guān)專家到場輔助處置。確保能夠*一時間了解掌握儲能電站情況，*一時間有效處置。

5.4依據(jù)現(xiàn)場規(guī)模，保持安全處置距離

消防救援力量到達(dá)后，應(yīng)特別注意要從上風(fēng)或側(cè)上風(fēng)方向接近現(xiàn)場，并在事故區(qū)域的上風(fēng)向或側(cè)上風(fēng)向劃定安全集結(jié)區(qū)。按照單個獨立設(shè)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)人員和車輛在安全集結(jié)區(qū)集結(jié)待命，不得貿(mào)然進(jìn)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掌握現(xiàn)場情況，及時組織災(zāi)情研判

到場的消防救援隊伍指揮員應(yīng)及時組織對現(xiàn)場情況進(jìn)行研判，核實確認(rèn)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(xué)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(jī)容量等，預(yù)判*大爆炸破壞力波及范圍和有毒有害氣體擴(kuò)散范圍，為人員疏散、警戒管控、車輛集結(jié)、處置區(qū)與工作區(qū)劃分等提供依據(jù)。消防救援力量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場研判評估意見，確定處置措施和處置時機(jī)。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(mào)然進(jìn)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(jīng)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(yuǎn)距離控制火勢、冷卻降溫。對其他未著火的建筑或區(qū)域設(shè)置水幕分隔保護(hù)。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(jī)器人稀釋、水幕分隔的方式，*一時間疏散人員，阻截輻射熱，保護(hù)周邊建筑和重點目標(biāo)。嚴(yán)禁將水直接射向未著火的儲能電池模塊（簇），避免處置不當(dāng)造成儲能電池模塊（簇）短路；對設(shè)置在露天區(qū)域的撬裝式儲能電站火災(zāi)，應(yīng)在撬裝4個角的鋼柱45°角方向，距離50m處設(shè)置移動水炮對兩側(cè)箱體以及頂部進(jìn)行冷卻，人員撤離至安全區(qū)域。明火撲滅后，應(yīng)對電池堆（站）間內(nèi)的電池模塊（簇）、組合電池、單個電芯進(jìn)行持續(xù)冷卻至正常環(huán)境溫度。

6 安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

6.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào)度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運行。

6.2應(yīng)用場景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

6.4系統(tǒng)功能

6.4.1實時監(jiān)管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負(fù)荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

6.4.2優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

6.4.3收益分析

用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。

6.4.4能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設(shè)備性能與狀態(tài)。

6.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

7 硬件及其配套產(chǎn)品

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