储能系统危险性分析及灭火技战术_周会会.pdf

收稿日期：基金项目：消防救援局昆明训练总队教改课题项目“锂离子电池全产业链火灾风险评估及灭火技战术研究”（）作者简介：周会会（），男，内蒙古呼和浩特人，助教，主要研究方向为新能源行业灭火救援及材料分析技术；黄中杰（），男，云南保山人，高级专业技术职务；张亮（），男，云南昆明人，中级专业技术职务；刘敏（），男，云南大理人，初级专业技术职务；杨旭（），男，云南大理人，初级专业技术职务。储能系统危险性分析及灭火技战术周会会，黄中杰，张 亮，刘 敏，杨 旭 应急管理部消防救援局昆明训练总队 灭火救援训练部，云南 昆明；云南省消防救援总队，云南 昆明 摘 要：随着高功率充电桩和换电站的需求日益增加，储能电站被广泛应用于大中型城市商场、市场及工业物流园区。为满足建筑功能要求，需要成组电池通过串并联的形式来提供动力，电池组的安全成为储能电站亟待解决的问题。从储能系统建造环境、爆炸时间分析、灾情研判出发，分析储能电站火灾事故的灭火技战术措施，并提出行之有效的防消结合处置战术。关键词：储能电站；建造环境；火灾；战术中图分类号：文献标志码：文章编号：（）用户侧储能电站在电网低谷用电时存电，高峰用电时放电，“削峰填谷”式的能源利用有效解决了新能源发电的消纳问题。与此同时，在“、”碳达峰、碳中和的背景下，光伏储能与充电桩、车棚等基础设施的结合可以实现建筑节能与产能、降碳与降耗的有机统一，也将成为降低双碳的重要路径。在政策激励之下，储能产业在大中型城市发展态势激增，其中，安全问题已成为锂离子电池储能可持续发展的首要问题。当前新能源汽车、储能电站火灾频繁发生，年美国亚利桑那州的电池储能电站发生火灾，造成 名消防员受伤，年 月北京丰台区大红门储能电站爆炸，造成 名消防员牺牲。储能系统一旦发生事故，处置难度大、专业性强、安全风险大，这就要求消防救援人员熟悉并掌握储能系统的建造环境、致爆时间、灾情特征及处置对策等专业知识，第一时间快速、准确控制灾情发展。储能系统建造环境 建筑内的位置储能系统按布局形式分为室外撬装式、建筑封闭式（站房式）两种。在室内，从楼层分布看，储能系统可能在首层、楼顶的屋面层、有夹层的房间或者其他楼层。储能系统有可能单独存在于某一楼层，也有可能存在于某一楼层的房间。建筑封闭式电站通常为多模组、多楼层竖向叠加堆放，风险最大。在室外，储能系统有可能建造在大中型城市的商场、市场及工业园区周围，主要和换电站、充电桩结合在一起使用。储能规模及形式储能电站按规模分为小型、中型和大型，其中系统内部电池簇连接形式一般为串联或者并联。储能电站形式主要有一体式、分布式和撬装式。按照储能电站应用场景主要分为发电侧、电网侧、用户侧。爆炸时间分析储能系统火灾事故主要由高温、过充及外短路引起，其爆炸时间也不尽相同，通过分析不同工况的致爆时间，可使救援人员准确进行安全评估和风险防范，把握合适的内攻时机。温度引起的爆炸温度是引起锂离子电池爆炸的重要因素之一，由表 可知，不同类型电池在不同温度下爆炸时间应急救援技术都有差异，同种电池在不同温度下爆炸时间也不同；在同样温度下，不同类型电池的爆炸时间也不同。对于救援人员，应严格做好侦察评估、研判等工作。在火灾初期，应采取防御姿态或掩体状态布置水炮阵地；在火灾末期，应待温度降至外界温度后，且可燃气体已被置换或降至爆炸下限浓度 以后，方可打开舱门进行后续处置。表 不同电池在不同温度下的爆炸时间电池类型工况环境爆炸时间 过充引起的爆炸过充引起的锂离子电池爆炸主要是电池运营维护、电池本身等出现问题造成的。由表 可知，不同过充倍率条件下爆炸时长不同，同种类型电池在不同过充倍率条件下爆炸时间差异较大。同时也发现，过充倍率越大，爆炸时间越短。对于救援人员，应仔细询问事故原因、研判风险，结合救援现场，科学评估安全距离和设定安全员，确保现场救援人员安全。表 不同电池在过充条件下的爆炸时间电池类型工况环境（过充）爆炸时间 绝热环境，注：的充电速率指以每小时能充满 倍电池容量的电流进行充电，即在 小时内充满电池，指一小时充满电池。因此，救援人员应提高安全防范意识，充分掌握电池爆炸机理与爆炸时间，结合作战效能、事故经验、规范要求、爆炸理论，配齐扑救储能系统灾害事故的车辆装备和器材，并结合储能规模划定处置安全距离和警戒疏散范围。储能系统火灾处置 灾情特征储能系统通常是由数百只甚至数千只电池以串并联形式安装在预制集装箱中。储能系统事故风险中电池堆（电池簇）是较为严重的安全隐患之一，其诱发安全事故的原因包括过充、过放等滥用情况，高温环境以及其他组件燃烧引发电池单体热失控，集聚的热量引起电池组（电池簇）燃爆等。电池舱或室内锂离子电池可能表现的外在燃烧形式为：少量锂离子电池冒烟、燃烧、爆炸；大量锂离子电池冒烟、燃烧、爆炸；电池舱内可燃气体预混爆燃、爆炸等。灾情研判 指挥员到达现场时，首先要查明站房式储能电站的布局，查清撬装储能与站房式储能电站是否通过母线相连，是否为子母站。进一步厘清储能电站运行模式的切换机制，即白天自动切断市政用电（太阳能光伏板发的电），晚上自动切断光伏换用市政电，是否通过控制柜自动控制。同时，也要查明市场、商场及工业园区用电的来源，即明确市政交流电和储能电站直流电所占比例。查明市政电与商场、储能电站以及市政电与储能单元之间的关系，毗邻建筑线路与储能系统线路是否连接在一起。因为初期力量到场若贸然使用大量水冷却，则可能造成电池发生短路燃烧或爆炸。查明储能电站是否有增容。辖区队站应对站房式储能电站大力开展六熟悉调研工作，查明储能电站在原基础上有无增加容量，科学制定灭火救援预案，尽最大可能避免人员伤亡。查明电池簇的安装形式。判断电池组是串联为一簇，还是先串联再并联为一簇。对并联电池组来说，某节电池热失控后，与其并联的电池会向其放电，导致温度进一步升高，可能会加速热失控蔓延。等的研究表明，同样的并联模块，不同的连接顺序也会对热失控蔓延的速度产生影响。观察储能电站内部火焰的状态。黎可等以 的磷酸铁锂电池为研究对象，发现荷电状态为、的锂电池分别在 和 形成二次射流火，而荷电状态为 的锂电池在燃烧过程中未出现多次射流火现象。三元锂电池燃烧易形成喷射火，火焰喷射距离约为 。这就要求救援人员到达现场应注意观察储能电站内部火焰的状态，安全员若观测到射流火、柱状火，应及时发出撤离信号。防消结合处置战术 首先要查清太阳能光伏板与储能电站、市商场、撬装电站、充电桩、市政电之间的联系，然后进行内、外部断电。（）断开事故储能电站的上下游电。即储能电站直接连接其他设备（直流电）和储能周会会，等：储能系统危险性分析及灭火技战术电站通过变压器升压供其他设备（交流电）。（）断开来自太阳能光伏板的电。即太阳能光伏板供给储能系统的电线。（）断开母线的电。即撬装储能与站房式储能电站通过母线连接的线路。（）断开商场、市场与储能电站的电。（）断开储能系统中电路与整个系统切断的手动开关。启动储能电站的灭火系统。通常采用空间淹没式七氟丙烷、管网式灭火系统，实现存放电池的电池舱或建筑内部站房式储能系统的安全防护。当电池组或电池簇内部火灾初期未得到有效控制，火焰在电池室内部形成扩大化灾情，或因外部电气火灾导致电池室空间火灾时，可通过消防管路定向喷放灭火剂为灭火救援争取时间。应在储能电站电池簇体上方设灭火药剂及消防水接口，簇体下方设排水口，在紧急情况下，可以接入消防车、消火栓，快速将消防用水输送到热失控部位，防止火灾蔓延和扩大，将损失降到最低。同时，在电池簇侧壁设置消防管路，管路连接顶部灭火装置，管路上设置喷口，每个电池簇分别设立电磁阀进行单独控制，以便电池发生热失控快速泄压。储能电站初期火灾处置。若储能电池舱于室外布置，舱内锂电池发生热失控，少量电池发烟或起火，此时可采取如下处置措施：（）联系厂区技术人员及时切断电源。（）启动舱内固定消防设施，包括气体灭火系统、细水雾灭火系统、通风排烟系统，及时控制初期火势，排出可燃和有毒气体，对通风系统排出的可燃气体和有毒气体进行喷雾稀释。火焰熄灭后，在确保舱内温度和可燃气体浓度达到安全值后，可开启舱门，利用喷雾水枪掩护，进行后续处置。（）若固定消防设施失效或无固定消防设施，可在外部利用移动炮等远距离射水设备对舱体侧面和顶部持续强制冷却。利用无人机、红外测温仪、可燃气体探测仪、舱内监测系统，密切监控舱内温度、可燃气体浓度等情况，在确保安全和技术人员指导的情况下，开启舱门，利用喷雾水枪掩护，进行后续处置。（）若到场时，舱门处于开启状态，有明火产生或向外排出少量白色 灰白色气体，可先用移动炮向内部射水，迅速降低舱内温度，防止其他电池模块继续发生热失控。失控火灾处置。若储能电池舱位于室外，舱内大量锂电池发生热失控，产生大量白色 灰白色烟雾，或已经发生猛烈燃烧，舱内温度急剧升高，电池舱随时可能发生爆燃或爆炸。此时，不能贸然行动，应进行评估，在确保安全的基础上进行处置。（）联系厂区技术人员及时切断电源。（）启动舱内固定消防设施，包括气体灭火系统、细水雾灭火系统、通风排烟系统。（）若舱门处于关闭状态，舱内大量电池热失控，切不可盲目开启舱门，应利用无人机、红外测温仪、可燃气体探测仪、舱内监测系统，密切监控舱内温度、可燃气体浓度等情况，在外部利用移动炮等远距离射水设备对舱体侧面和顶部持续强制冷却，同时阻止燃烧舱体对邻近舱体的辐射热。（）若舱门处于开启状态，发生猛烈燃烧，或向外排出大量白色或灰白色气体，表明电池舱内大量电池模块发生热失控，反应剧烈，有随时发生爆燃和爆炸的危险，应利用预先架设的移动炮持续对舱体外侧和舱内冷却，立即组织人员撤离，等待所有电池能量全部释放，经评估后再进行处置。储能电池舱位于室内的处置。若储能电池舱位于室内，除考虑电池舱内燃烧、爆炸，还应充分考虑室内密闭环境因可燃气体而发生的爆燃爆炸，可能导致室内其他电池舱电气设备发生危险。（）若建筑内电池舱发生火灾，锂电池热失控（起火）数量较少，烟火主要集中在电池舱内，还没有大量烟气向外扩散，应立即启动气体灭火系统、细水雾灭火系统。若固定消防设施无法启动，应抓住有利时机，立即架设移动炮，冷却发生热失控和起火的电池堆。（）若建筑内电池舱发生火灾，大量烟气已经突破建筑门窗，说明电池舱内电池反应剧烈，大量可燃气体充满电池舱及建筑内。应开启建筑内部的气体灭火系统、细水雾灭火系统和通风排烟设施，在建筑外部选择合理地点通过窗口利用远程遥控炮射水，进行冷却降温，人员应撤离到室外安全位置。待建筑内能量释放完毕，探测建筑内温度、可燃气体浓度、邻近电池堆情况，再组织后续救援。结束语储能电站火灾事故是消防救援队伍面临的一类新业态、新工艺问题，由于现有灭火剂难以直接施加在电池模组，消防救援人员必须熟悉掌握储能电站场所运行方式、工况模式、结构形式、火灾风险、防火技术、热失控辨识方法等专业知识，研究分析储能场所事故特点，综合评估其危险性，创新该类火灾的战术战法。从非常态领域灭火救援、高精尖装备技术的需要出发，全面加强高精尖装备的应用，实现特殊火灾核心区域作战的机械化、科技化，科学决策，合应急救援技术理部署，真正做到科学、安全、环保、专业、高效地扑救储能电站火灾。参考文献：，：陈玉红，唐致远，贺艳兵，等 锂离子电池爆炸机理分析 电化学，（）：杨中发，王庆杰，石斌，等 锂亚硫酰氯电池的高温性能研究 电池，（）：罗庆凯，王志荣，刘婧婧，等 型锂离子电池热失控影响因素 电源技术，（）：，：，：陈玉红，唐致远，卢星河 锂离子电池爆炸机理研究化学进展，（）：杨娟玉，卢世刚，刘莎，等 混合电动汽车用锂离子电池的研究 电池，（）：刘丽华，莫梁君 锂离子电池过充电保护实验中着火、爆炸原因分析 科技资讯，（）：单明新，王松岑，朱艳丽，等 锂离子电池过充爆炸强度试验研究 安全与环境学报，（）：，：，：王莉，李建军，高剑，等 钴酸锂正极锂离子电池的过充电安全性 电池，（）：，（）：黎可，穆居易，金翼 磷酸铁锂电池火灾危险性 储能科学与技术，（）：卓萍，倪照鹏，杨凯，等 锂离子储能系统消防安全现状 消防科学与技术，（）：，；，：，：；（责任编辑 李 蕾）