電化學(xué)儲能電站火災(zāi)特點及滅火救援策略研究

張威東

摘要：為了降低電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災(zāi)事故的可能性，避免人民生命安全和財產(chǎn)的損失，通過分析具體事例，從中探取事故發(fā)生的原因、特點及處理方法，進(jìn)而整合文獻(xiàn)資料，構(gòu)建出一套最具科學(xué)化、合理化價值的滅火救援策略，從而能夠避免較大的傷害。以實際生活中較為常見的磷酸鐵鋰電池為例，輔以國內(nèi)外相關(guān)的電化學(xué)儲能案例，從探究電化學(xué)儲能電站火災(zāi)發(fā)生的原因及特點入手，討論出一套符合實際救援的策略方案，希望能夠為實踐救援以及本專業(yè)未來發(fā)展起到一定的積極作用。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)儲能電站；火災(zāi)特點；滅火救援策略

中圖分類號：X928.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）03-0042-03

目前，我國已將電化學(xué)儲能技術(shù)廣泛運(yùn)用到各個行業(yè)領(lǐng)域，促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，推動社會文明建設(shè)，同時更大程度地將清潔能源代替化石能源的發(fā)展目標(biāo)進(jìn)一步深化[1]。對于目前我國市場上常見的幾種發(fā)電裝置，風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電都必須依靠特定的外界環(huán)境，而其中的不確定因素極多，因此為了能夠最大限度地保證用電的安全穩(wěn)定性，我國大力推行了電化學(xué)儲能電站的建設(shè)及運(yùn)行[2]。但在多年的實踐過程中發(fā)現(xiàn)，電池的安全問題成為發(fā)展電化學(xué)儲能技術(shù)的重要阻礙因素之一。基于此，通過研究電化學(xué)儲能電站事故發(fā)生的原因及特點，構(gòu)建出恰當(dāng)?shù)姆婪兑庾R體系以及事故救援策略至關(guān)重要。

1 電化學(xué)儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀、火災(zāi)原因及特點

1.1? 電化學(xué)儲能電站發(fā)展現(xiàn)狀

從國內(nèi)市場看，盡管風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源利用在國家能源戰(zhàn)略體系中已經(jīng)成為不可或缺的一部分，并且其占比在逐年上升[3]。但由于氣象條件和自然環(huán)境等的影響，相比較于電化學(xué)儲能技術(shù)來說，其受外界條件因素影響的可能性較大。目前我國較為常用的電化學(xué)儲能電站包括儲能模塊、功率轉(zhuǎn)換模塊、監(jiān)測管理模塊以及電力系統(tǒng)模塊等。儲能模塊由單體電池、電池倉以及電池管理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，其主要功能是用于儲存和釋放電能，它的主要類型有鉛酸電池、全釩液電池和鋰電池三種。

鉛酸電池是以硫酸溶液為電解液，充電狀態(tài)時以硫酸鉛為正負(fù)極，放電狀態(tài)時正電極為氧化鉛，負(fù)電極為鉛。它以制造簡單、價格低廉、性能可靠等優(yōu)點爭得一席之地。全釩液電池是一種可通過氧化還原反應(yīng)再生的電池，它的使用壽命、后期的污染風(fēng)險以及安全性相比較于其他兩種電池來說具有較高的優(yōu)勢[4]。鋰電池從整體上看比前兩種電池的使用率更高，因為它能夠在溫度較為惡劣的環(huán)境下使用而不受影響，而且能夠占據(jù)電化學(xué)儲能最高地位的原因是其能量密度高。

儲能技術(shù)主要是指能夠通過物理或化學(xué)的方式來對電能進(jìn)行儲存，并且能夠在所需的時間或環(huán)境中釋放出來，主要有機(jī)械儲能、電池儲能以及電化學(xué)儲能三種類型。而電化學(xué)儲能技術(shù)就是指通過將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的形式儲存起來，并在需要的時候釋放。簡單來說，電化學(xué)儲能電站就是一個巨大的“電池”。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料是含有鋰元素的化合物，負(fù)極材料常見的是石墨和碳，電解質(zhì)為有機(jī)溶劑。在磷酸鋰鐵電池的充電過程中，正極產(chǎn)生鋰離子并通過電解質(zhì)到達(dá)電池的負(fù)極[5]。而在放電過程中，充電時到達(dá)負(fù)極的離子重新運(yùn)動到正極。在整個過程中，返回正極的鋰離子越多，電池的容量就越高，而鋰離子在正負(fù)極之間不斷運(yùn)動就產(chǎn)生了電流，這就是磷酸鋰鐵電池的工作原理。

1.2? 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)原因與特點

1.2.1? 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)案例

2021年4月16日，北京一公司的光儲充一體化項目發(fā)生火災(zāi)，造成2名消防員犧牲[6]。調(diào)查顯示，此次事故發(fā)生的原因是某處裝置的磷酸鋰鐵電池發(fā)生短路，從而引發(fā)的電池?zé)崾Э兀⑶译姵刂械囊兹家妆煞峙c空氣結(jié)合形成了爆炸性氣體，預(yù)定后發(fā)生了較大程度的爆炸。這個案例反映出來的問題除了公司維護(hù)得不到位外，最重要的原因就是鋰電池中可燃物容易引起大范圍的傷害。

1.2.2? 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)原因

據(jù)不完全統(tǒng)計，近十年來全球儲能項目發(fā)生的火災(zāi)、爆炸事故有32起，其中大部分事故和三元鋰電池相關(guān)[7]。除此之外，在充電過程中或充電完成之后的靜止期容易發(fā)生火災(zāi)。而火災(zāi)的主要原因大部分都是由于電池內(nèi)部的短路從而引發(fā)熱失控，一定條件下就會爆發(fā)火災(zāi)。熱失控就是指電池在充放電過程中由于短路等問題，致使熱量積累，到達(dá)一定程度后就會引發(fā)失控。

1.2.3? 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)特點

一是事故發(fā)生的導(dǎo)火索較多。大部分的電池?zé)崾Э厍闆r都是以儲能電站發(fā)生火災(zāi)或爆炸的形式表現(xiàn)出來，但產(chǎn)生火災(zāi)的原因都各不相同，可能遍布于從電池產(chǎn)生到投入使用的各個環(huán)節(jié)中。以電池從生產(chǎn)開始到使用的順序判斷原因，首先可能是由于電池本身的各部分零件質(zhì)量問題，或者是在電池的安裝過程中使用不夠恰當(dāng)?shù)陌惭b方法，從而導(dǎo)致熱失控。其次在使用過程中，可能是使用人員的操作失誤、電池使用時虧電時間較長或者循環(huán)使用過程不合理等情況導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。最后，如果電池遭遇劇烈的撞擊、其所處環(huán)境發(fā)生火災(zāi)或者進(jìn)水等情況也會引起電池短路。另外，電池長時間使用后，也可能會因為電池老化以及維修不當(dāng)?shù)仍蛞l(fā)熱失控。

二是荷載能量越大，熱失控后發(fā)生爆炸的可能性越高。電化學(xué)儲能電站中儲存的荷載電量數(shù)量多，其中所含的電池數(shù)量多，模塊組數(shù)以及能量容量也多，電站的電流電壓較大，如果某處電池中發(fā)生短路而引發(fā)熱失控，這時便會產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，能量大規(guī)模集中爆發(fā)，傳播速度會急劇加快，可能會引發(fā)不可估量的災(zāi)害。此外，儲能電站內(nèi)都帶有高壓電，在事故發(fā)生后，其還具有一定的電量，因而容易發(fā)生漏電與爆炸等情況，這在一定程度上也加大了事故救援的難度。

三是發(fā)生火災(zāi)后易產(chǎn)生有毒氣體。電化學(xué)儲能技術(shù)中所使用的電池大部分多為活潑的化學(xué)物質(zhì)，火災(zāi)發(fā)生時，由于高溫等情況各類電池可能發(fā)生分解，劇烈反應(yīng)后將會釋放出大量的氣體，氣體中不僅含有一氧化碳、氟化氫、二氧化硫等有毒有害氣體，而且可能會含有氫氣、甲烷、乙烷等可燃?xì)怏w。不僅威脅被困人員的生命安全，還會在一定程度上阻礙救援人員工作的實施，造成二次傷害。

四是火災(zāi)救援難度大。由電池發(fā)生事故而引發(fā)的火災(zāi)處理難度較大，而電化學(xué)儲能電站也是如此，主要是因為沒有特別有效的滅火劑。在現(xiàn)有的幾種滅火劑中，干粉和氣體滅火劑的工作原理主要是隔絕，能自然有效地隔絕掉空氣，但也阻礙了爆炸產(chǎn)生的熱量的散發(fā)；而泡沫滅火器或者用水進(jìn)行滅火則可能會有觸電的危險，并且電化學(xué)儲能電站占地大，電荷量多，可想而知其救援難度可謂難上加難。

2 常見滅火劑性能分析

2.1? 氣體滅火劑

氣體滅火劑主要包括二氧化碳、七氟丙烷等。二氧化碳的滅火機(jī)理主要是通過稀釋空氣中的氧氣，從而起到滅火的作用。但是二氧化碳對于人體來說具有一定的毒性，所以在使用二氧化碳進(jìn)行滅火時需要先疏散人群，在使用過程中，二氧化碳噴出時會使得周圍環(huán)境溫度降低，若使用在高溫金屬設(shè)備上，可能會對其造成一定的損害，從而影響其使用功能。而七氟丙烷滅火劑的滅火原理與二氧化碳滅火劑的原理相近，都是通過降低溫度稀釋氧氣濃度來阻止燃燒。此類滅火劑不會產(chǎn)生冷氣而對救援設(shè)備造成二次傷害。但需要注意的是濃度如果配比不當(dāng)就會產(chǎn)生大量氟化氫等有毒氣體。

2.2? 水基滅火劑

水基滅火器是水、水成膜泡沫和f500等滅火劑的統(tǒng)稱，也是在日常消防救援過程中使用最多的滅火劑種類。水的滅火原理是通過降溫、降低氧氣含量、減少可燃物濃度等來阻礙燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。針對電化學(xué)儲能電站的滅火作業(yè)，考慮到可能會有漏電等情況，在用水過程中可以使用導(dǎo)電能力較弱的水進(jìn)行滅火。缺點就是耗水量大且救援時間線拉長。

對于其他的水基滅火劑來說，在純水中加入一些具有特殊效力的化學(xué)藥劑，進(jìn)而改變水的附著性和浸潤性，能夠使得水的滅火性質(zhì)得到進(jìn)一步改善，例如水成膜泡沫和f500滅火劑。實驗研究結(jié)果表明，f500滅火器對于由鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)具有良好的滅火效果，不僅耗水量少，而且耗時也比較短。而其工作原理是由于f500具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，它的分子中非極性端可以與磷酸鐵鋰電池產(chǎn)生的主要燃燒物質(zhì)結(jié)合，并把它包圍形成一個化學(xué)繭，這樣就可以將電池中的燃燒物鈍化成為不可燃燒的物質(zhì)，從而阻礙了進(jìn)一步燃燒和爆炸的發(fā)生。

2.3? 干粉滅火劑

干粉滅火劑主要是由無機(jī)鹽和少量添加劑粉末組成的，工作原理是通過隔絕空氣來抑制燃燒，除具有針對性的干粉滅火劑之外，日常生活中常見的普通干粉劑包括ABC干粉和BC干粉兩類。ABC干粉中的主要成分是磷酸氫氨和亞硫酸氫氨，ABC干粉滅火器的成分是碳酸氫鈉和碳酸氫鉀。但使用干粉滅火器后會有殘留物附著在設(shè)備上，遇水后具有一定程度的腐蝕作用。根據(jù)大量的相關(guān)研究結(jié)果顯示，干粉滅火劑對鋰電池引發(fā)的火災(zāi)不能起到較為顯著的效果。

2.4? 氣溶膠滅火劑

氣溶膠滅火劑可以分為冷氣溶膠和熱氣溶膠兩類。冷氣溶膠可以說是干粉滅火劑的一種升級版，它是一種超細(xì)干粉滅火劑，是一種氣體滅火劑。使用全淹沒而進(jìn)行隔絕的工作原理。熱氣溶膠滅火劑的滅火原理是通過發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的煙霧進(jìn)行滅火。其中也分為K型熱氣溶膠和S型熱氣溶膠兩類。K型熱氣溶膠主要用于電氣設(shè)備的救援，S型熱氣溶膠主要是起到一個保護(hù)撲滅對象的作用。

目前，我國并沒有發(fā)現(xiàn)一種在單獨(dú)使用時能夠?qū)﹄娀瘜W(xué)儲能電站火災(zāi)產(chǎn)生針對性滅火效果的滅火劑，因此在救援過程中通常兩種或多種滅火劑混合使用，以求能夠產(chǎn)生較為顯著的滅火效果。

3 電化學(xué)儲能電站滅火救援策略

3.1? 熱失控預(yù)警裝置

在火災(zāi)發(fā)生初期，可能只涉及單個或幾個小組件，如果能夠在此階段及時發(fā)現(xiàn)通常避免更大的損失。因此，可以通過安裝熱失控預(yù)警裝置起到一定的提醒作用。預(yù)警裝置可以通過檢測電池的電壓、電流以及其本身的溫度情況進(jìn)行系統(tǒng)分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況就能夠及時將信息傳遞給監(jiān)控中心并及時切斷該處的工作，然后安排專業(yè)人員進(jìn)行處理。這樣一來就能夠起到預(yù)防作用，減少人員和資產(chǎn)的損失。目前，熱失控預(yù)警裝置的位置、布局、密度等方面的標(biāo)準(zhǔn)還不夠明確，因此需要相關(guān)部門進(jìn)一步整合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2? 關(guān)鍵部位的分隔保護(hù)

如果錯過了第一道防線，電池故障引起的熱失控得到進(jìn)一步擴(kuò)散，這時就需要在電化學(xué)儲能電站的布局中設(shè)置防火分割的第二道防線。而根據(jù)組件的布局和大小可以分成三類：首先是電池模塊內(nèi)的單件分割，需排布隔熱材料。其次是電池組之間的分割，可以選用玻璃纖維材料或者是不燃的隔熱材料。最后就是電池室與其他裝置之間的分割，電池室應(yīng)當(dāng)單獨(dú)并采用耐火限度極高的材料進(jìn)行分割，其墻面上除了開設(shè)通向疏散通道的門之外，不應(yīng)該再開設(shè)其他窗口，從而達(dá)到較強(qiáng)的隔絕作用。這樣不僅能夠保護(hù)救援人員的生命安全，而且能夠降低火災(zāi)發(fā)生時的傳播速度。

4 結(jié)束語

為了能夠使電化學(xué)儲能技術(shù)的研究進(jìn)一步發(fā)展，必須將電池?zé)崾Э貦C(jī)理以及其發(fā)生火災(zāi)的原因及特點摸索清楚，才能將電儲能使用提到一個更高的安全層次。但由于電化學(xué)電池本身的不穩(wěn)定性，電化學(xué)儲能電站的事故發(fā)生不能完全避免，只能通過對滅火劑的選擇和救援方式等方面進(jìn)行改進(jìn)等，將其事故發(fā)生率在最大程度上降低。而如果僅僅利用傳統(tǒng)的滅火救援方式并不能夠達(dá)到實際所需，因此需要進(jìn)一步研究探索，升級滅火劑、調(diào)整救援過程中的人員分配、引入更加先進(jìn)的救援設(shè)備等，才能找到更好的發(fā)展道路。

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