電化學儲能電站火災事故應急響應與處置思考

高 碩 方建鋼

電化學儲能電站火災事故應急響應與處置思考

高 碩1方建鋼2

（1.長沙市消防救援支隊，湖南 長沙 410008；2.湖南省消防救援總隊，湖南 長沙 410000）

電化學儲能系統在提升電網穩定性，提高電網效率及推進新能源廣泛應用方面有著十分重要的作用。近年來全球及國內儲能電站火災時有發生，消防救援部門作為應急救援的主力軍和國家隊，承擔應對處置各類災害事故的重要職責。如何科學、高效、安全地應對和處置電化學儲能電站火災爆炸事故，對于消防救援部門既是全新的課題，也是十分緊迫的課題。該文詳細分析了化學儲能電站的事故特點，從接警調度、處置程序和安全警示等方面，就此類災害事故的應急響應和處置進行了思考和探討，以期為消防救援部門處置此類事故提供一些參考。

儲能電站；鋰離子電池；應急處置

2020年，在第七十五屆聯合國大會和氣候雄心峰會上，中國向全世界鄭重宣布：中國……力爭2030年前碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和；到2030年，中國單位GDP二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右[1]。發展以水力發電、風力發電和光伏電能為代表的清潔能源是降低碳排放的有效方案，目前中國清潔能源占總體能源比重接近一半。但清潔能源，尤其是風能和太陽能穩定性較差。為解決安全高效大規模利用清潔能源的問題，全球都在積極研究發展和推廣應用儲能系統，實現削峰填谷，平抑功率波動。截至2019年，全球已投運儲能項目累計裝機規模191.1GW，電化學儲能累計裝機規模約為14.2 GW，其中鋰電池累計裝機規模最大，為13.1 GW[2]。隨著能源互聯網的提出和儲能成本的降低，大規模儲能系統的應用將滲透到電力系統的方方面面，其運行安全性，尤其是化學儲能系統（電站）的運行安全性，受到極大關注。消防救援部門如何科學、高效、安全地應對和處置電化學儲能電站火災爆炸事故既是全新，也是十分緊迫的課題。

1 儲能系統（電站）

1.1 儲能系統分類

儲能系統在發電、可再生能源、輸配電、用戶側和輔助服務等領域有著廣泛而基礎性的應用，其主要實現削峰填谷，調峰調壓等多種功能[3]。儲能系統按照在電力系統應用和安裝位置，可分為發電側儲能、輸配電側儲能和用戶側儲能三種儲能系統（電站）。發電側儲能系統作為風能和太陽能等清潔能源的配套技術，能實現有效削峰填谷功能，提升電能輸送質量；輸配電側儲能系統主要對電網進行有效調頻、調壓、無功補償等功能；用戶側儲能系統主要為耗能用電量大的單位利用電網谷電儲能，峰電自主調節補充用電量，從而實現能耗成本降低的功能。儲能電站按照其能量轉換和儲存形式主要有機械儲能、電化學儲能、電磁儲能及相變儲能等系統[4]。綜合使用成本、儲能密度、動態響應能力及環境適應性等多方面因素，電化學儲能電站的應用將會愈來愈受到重視和廣泛應用[5]。

1.2 化學儲能系統（電站）

電化學儲能電站是指采用電化學電池作為儲能元件，可進行電能存儲、轉換及施放的電站，主要構成部分有：儲能單元、功率變換單元、電池管理系統、變壓器以及相關繼電保護設備、通信設備、控制系統等等。按照容量規模，功率或容量小于1MW或1MWh為小型電化學儲能站，功率或容量大于30MW或30MWh為大型電化學儲能站，介于大型和小型之間的為中型電化學儲能電站[6]。電化學儲能電站中應用較多的為磷酸鐵鋰電池系統。

1.3 電化學儲能電站火災爆炸事故案例

電化學儲能電站其火災風險主要集中在大規模電池組，如果處置不力，易引發大面積燃燒和爆炸，造成巨大經濟損失和社會影響。2018年7月2日，韓國一大規模電化學儲能電站（三元鋰電池）發生爆炸，3500多個電池燒毀，經濟損失約46億韓元；2019年4月19日，美國亞利桑那州的公共服務公用事業公司（APS）發生大規模電池儲能項目（三元鋰電池）爆炸，8名消防隊員在事故處置中受傷[7]；2021年4月16日北京國軒福威斯光儲充技術有限公司儲能電站（磷酸鐵鋰電池）發生起火爆炸，事故造成2名消防員犧牲，1名消防員受傷，電站內1名員工身亡。

近10年間，全球共發生32起儲能電站起火爆炸事故。其中，日本1起、美國2起、比利時1起、中國3起、韓國24起。其中25起事故采用三元鋰離子電池[8]。

2 電化學儲能電站火災事故主要特點

化學儲能電站火災事故風險性最高的場所是其儲能單元，即電池簇。電池簇中的電芯內部發生熱失控是火災爆炸的直接原因，經過大量研究，鋰離子電池熱失控的機理已基本清楚[9-11]。化學儲能電站火災有如下幾個方面主要特點：

2.1 能量密度高，燃燒熱輻射強，爆炸威力較大

對于鋰電池，內部有大量含能正負極材料、可燃有機電解液等，其能量密度為150～250Wh/Kg，整個體系能量密度較高，鋰離子電池電芯燃燒熱輻射強烈，一旦爆炸，能量釋放強度高，產生的沖擊波威力大。以100Ah的三元鋰電芯為例，一個電芯存儲的電能為100 Ah×3.7 V×3600 s=1332kJ。同時，電池熱失控時還會存在化學反應釋放能量，一個100% SOC（stateofcharge縮寫,電池的剩余容量）的電芯熱失控釋放的總能量中有42%來自電能轉化而來，電能轉化熱能效率約28%，其他大多來自內部材料的分解等化學副反應，一個電芯熱失控后釋放的總能量為，1332 kJ×28%/42%=888 kJ。作為對比，1克TNT炸藥的能量為4184焦耳，則一個100Ah的電芯熱失控后釋放的總能量相當于212克TNT炸藥能量當量。儲能電站中一個1MW/2MWh鋰電池儲能柜的電芯熱失控后釋放的總能量約為80GJ。

2.2 危險化學品多樣，化學反應復雜，事故處置難度大

電池組內部有正負極活性材料、高分子隔膜、粘合劑、有機電解液和少量活性金屬等重量眾多易燃、可燃物質組成。發生事故時，電池內部熱失控導致內部物質發生復雜化學反應，釋放氫氣、烴類及易燃電解液蒸汽、氧氣等可燃和助燃氣體[12]，鋰離子電池堆燃燒后同時具有固、液、氣、金屬火災的特點[13]。此外，燃燒有氟化氫、五氟化磷等劇毒物質產生。這些對消防救援人員在救援現場的個人防護要求高，目前無特殊有效滅火藥劑用于此類災害的滅火行動。

2.3 多種風險關聯耦合，災情易發生突變，現場風險評估難度大

由于儲能系統中的級聯電池模塊（串并聯組后電壓一般近1000V，電流強度近200Ah），滅火處置不當，噴水位置和噴水強度不合理，可能引起帶電體發生短路，誘發電池模塊內新的熱失控過程，導致火災、爆炸；一個儲能單元發生事故，可能引起相鄰多個單元火災或爆炸事故，擴大事故災情等級。同時，由于電池組在事故中可能會在一定區域有爆炸性混合聚集，進一步增加事故現場風險。此外，各種風險因素耦合和性高，給現場風險評估帶來極大不確定性，作戰安全管控難度大。

2.4 電池結構密閉性強，冷卻和滅火效率低

儲能單元的電池組外表面及電池電芯有嚴格的密閉性要求，各類結構處于高封閉狀態，發生火災時，起火介質在內部被密封外殼隔離，滅火劑不能有效地直接打擊著火部位，這導致外部滅火劑冷卻效果大打折扣，極大降低了滅火處置效率。

2.5 滅火持續時間長，火災現場易復燃。

儲能電站電池組數量多，可燃固體、液體和氣體成分多，滅火持續時間較長。如，山西朔州磷酸鐵鋰電池儲能電站火災撲救用時近10h；北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站火災撲救用時近12h。電池組明火被撲滅后，如果現場冷卻不當，火場容易發生復燃。

2.6 滅火供水強度要求大，現場環境污染風險高。

儲能電站電池組起火后，考慮動力電池本身結構及電池熱失控后的反應機制等原因，需要高強度滅火藥劑冷卻降溫，滅火供水強度較建筑火災或石化企業火災撲救所需供水強度要大。而儲能電站一般建設在城市郊區，周邊市政水源缺乏，給現場滅火供水保障提出了較大挑戰。同時受行業建設規范滯后影響，儲能電站現場沒有像化工企業等單位一樣，設立應急事故污水池和污水圍堰，一旦發生火災，滅火用水與破電池損后流出的有毒化學物質混合，四處流淌，造成周邊環境污染。

3 電化學儲能電站火災事故處置

3.1 接警調度

當接報轄區化學儲能電站發生火情時，消防調度指揮中心應按照充足有效原則，精準調派消防救援隊伍（主要調集滅火編隊、救援編隊、防化編隊、供水編隊、高噴編隊、排煙編隊、機器人編隊等力量）、轄區專職消防力量及社會聯動力量到場處置，并上報省級消防救援總隊和應急管理部門。

省級應急管理部門和消防救援總隊立即向省級黨委政府、應急管理部及消防救援局報告災情，啟動本級應急預案，調集周邊所屬應急救援力量增援，主要領導帶隊趕赴現場，成立指揮部，指揮協調各方力量開展滅火救援行動；省級政府、應急管理部門相關領導及輔助指揮人員，立即到指揮中心值守，加強與能源、電力、公安、環保、醫療、通信、供水等部門和行業系統的溝通聯絡，指導現場力量會同廠區技術人員研判起火部位、危害程度和工藝處置措施，明確救援任務分工。

3.2 處置程序

3.2.1 風險評估

一是查明儲能電站的基本情況，電池儲能系統的類型，儲能電站功率（或容量）規模，發生事故時所處的電池組的狀態（充電、放電、檢修或是待修）、電池的荷電狀態（SOC）和電池組與外部其他設備的拓撲連接結構等，及時通過電站安全控制室的電池管理系統（batterymanengesystem，縮寫為BMS）、視頻監控系統、氣體報警系統、通風系統等查看電池溫度、內壓、荷電狀態等參數，判明電池電芯熱失控情況和固定通風系統、滅火系統等安全設施的啟動情況，電池單元內部以及電池單位與外界與外界供電系統（電網或光伏電網等）是否物理斷開，以及現場是否有觸電危險；二是查看有無人員受到火勢威脅，人員數量、所在位置、傷勢情況等；三是要注意是否已經有過大當量的能量釋放（爆炸）；四是現場是否有白色煙霧冒出或聚集，同時使用有毒可燃氣體不間斷檢測現場氣體濃度，動態判斷發生氣體爆炸的可能，尤其要注意電纜井、地下管道等隱蔽工程的分布連接形式，在測量可燃氣體濃度時，要將其與起火建筑相連接的受限空間（或建構筑物）一并考慮，開展同步監測。

3.2.2 現場管控

根據事故嚴重程度劃定警戒范圍，疏散周邊群眾，協調交警部門疏導道路交通，以便救援力量及時到場；嚴格管控警戒范圍內人員及車輛進出，安排專人負責救援車輛疏導和定位，確保救援現場緊張有序；綜合使用熱成像儀、測溫儀等裝備，對現場進行不間斷監測，特別關注未燃燒爆炸電池模塊區域的實時狀態監控，適時調整警戒范圍；人員和車輛裝備距離電池組設備、線路安全距離初始推薦的安全疏散距離為45m，不得盲目向未發生燃燒的池組和線路射水。

3.2.3 安全防護

救援人員應根據現場情況做好安全防護工作，穿著全套滅火防護裝具。抵近滅火人員應佩戴空氣呼吸器，穿戴好防靜電內衣、絕緣服、絕緣手套等個人防護裝備，防止現場可燃有毒氣體、電解液噴濺和觸電等傷害。

3.2.4 處置要點

堅持在黨委政府統一領導下開展滅火救援行動，貫徹“先控制、后消滅”戰術原則，第一時間調集滅火和社會聯動專業力量（尤其是儲能電站和電力系統專家）到場，采取全面偵察、通風降溫、冷卻抑爆、控制燃燒等技戰術措施進行科學處置。

1）現場警戒。在滅火救援行動中要始終強化安全警戒，初始推薦的安全疏散距離為45m，避免觸電和電池爆炸等突發情況造成人員傷亡。

2）偵察斷電。第一時間進入主控室，全面掌握事故部位、燃燒狀態、蔓延情況、電池相關電壓、溫度、電量等災害研判要素，立即切斷電池與外界電網的連接，盡可能切斷電池組模塊之間的連接。若一個區域內的電池組火災已經發展到猛烈階段，必須及時果斷對臨近用電設備實施斷電，在此前提下方可進行滅火。

3）冷卻保護。及時啟動固定消防設施處置初期災情，盡可能在火勢擴大之前，實施通風冷卻，同時對發生火災的電池組采取外圍大流量持續冷卻降溫，對于電池破損后電解液在地面流淌燃燒的區域實施泡沫覆蓋。電堆、電池間發生熱失控火災，消防力量到場主要保護其他電池間或撬裝站，疏散人員、稀釋降毒、保護其他充-輸-儲設備，防止事故連鎖反應。

4）動態監測。及時通過電池管理系統及紅外熱成像儀、有毒可燃氣體探測儀動態掌握電池儲能電站所有電池模塊的狀態、電池模塊箱體內溫度、可燃氣體和有毒氣體濃度等情況，遇有監測數據突變情況或有白色氣體冒出，立即撤了至安全區域。

5）供液組織。現場指揮部應當及時組織力量，通過遠程供水系統直接供水、環衛車輛運水供水、局部市政管網增壓等方式，確保火場供水不間斷。必要時一次性批量調集泡沫，設置泡沫供給編隊，保障現場泡沫供給。

6）控制污染。現場指揮部應當及時組織力量，對現場滅火后的廢水進行導流集中收集到應急池，無事故污水池的現場應現場開挖污水池，防止有毒廢水污染周邊河流和土壤。

7）防止復燃。電池組火災撲滅后，仍然要持續出水冷卻，動態采用測溫儀和紅外熱成像儀監控，防止復燃發生。

3.2.5 現場移交

1）事故處置完畢后，應當全面、細致檢查清理現場，視情留下必要力量實施監護或配合后續處置，并向事故單位或有關部門移交現場。

2）撤離現場時，應當清點人員、整理器材裝備。歸隊后及時檢查保養裝備，補充油料、器材等消耗品，恢復戰備狀態，并向上級報告。

3.3 安全警示

1）嚴禁人工開啟電池集裝箱，或是深入內部近戰滅火，除非是建筑內有能實施救援的被困人員或者知道內部有被困人員。當現場觀察到有白色煙霧冒出或聚集時，應果斷做好撤離準備。

2）消防車輛和裝備要放置在遠離電池儲能系統，較為安全的區域，且頭頂不要有電力線路的位置。

3）嚴控隨意射水，射水是要避開未燃燒電池組、功率變換器及相關電氣設施，防止引起短路，導致災情擴大。電池間已發生電池模組、電池堆噴射火，電池間內所有組合電池、簇柜、電池堆沒過火前，禁止向事故電池間組合電池、簇柜、電池堆射水降溫，移動消防主要任務是疏散人員、稀釋降毒、保護其他充-輸-儲設備。

4）利用高噴車、移動炮、機器人設置滅火陣地，盡可能減少一線作業人員。

5）做好滅火后污水的引流收集，嚴防浸水短路發生次生災害和環境污染等。

6）對于已經著火的鋰離子電池區域，其滅火劑供給強度遠比一般火災和石化火災要求大，因此滅火時要加大滅火劑供給強度，持續不斷的使用大量的水進行冷卻。

4 結 語

通過分析歸納電化學儲能電站事故特點，總結出電化學儲能電站具有能量密度高，燃燒爆炸中毒風險大，多類風險間耦合性強，災情易發生突變，火災現場易復燃及現場供水強度大，環境容污染等災害特點。針對災害特點，從接警調度、處置程序和安全警示等方面就此類災害事故的應急響應和處置給出了一些工作建議，以期為消防救援部門處置此類事故提供一些有益的參考。在論文撰寫和修改期間，消防救援局印發了《電化學儲能電站火災撲救要點（試行）》（后簡稱要點），這一要點的出臺，將為消防救援隊伍處置此類災害事故提供行動指南。

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X931

A

1673-2219（2021）05-0039-04

2020-05-01

高碩（1980－），男，湖南祁陽人，博士，研究方向為化學災害事故處置。

方建鋼（1980－），男，湖南懷化人，研究方向為火災撲救及特種災害事故救援。

（責任編校：文春生）