李波

摘要：化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施火災(zāi)最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，儲(chǔ)能設(shè)施消防安全管理的智能化研究，涉及較密閉空間，在保持較好通風(fēng)環(huán)境下，采用紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)極早期低濃度逸出氣體的探測(cè)，早于熱失控停止關(guān)聯(lián)電池模組充放電，防止發(fā)生熱失控，為應(yīng)急處置贏得寶貴的時(shí)間;當(dāng)熱失控發(fā)生時(shí)，使用水和氮的混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滅火，其中，通過(guò)高壓氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)空間內(nèi)易燃易爆氣體置換，達(dá)到窒息滅火效果;通過(guò)細(xì)水霧實(shí)現(xiàn)冷卻滅火效果。

關(guān)鍵詞：消防;化學(xué)儲(chǔ)能;熱失效

一、背景

全球的氣候變化關(guān)系到整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)程，綠色健康的生活是我們共同的愿景，碳減排成為了全球重要國(guó)家形成的共識(shí)。國(guó)家大力發(fā)展新能源建設(shè)，其中比較重要的領(lǐng)域是風(fēng)電和光電，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)存在的差異，對(duì)能源的需求不均衡，使得儲(chǔ)能設(shè)施迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施。儲(chǔ)能可以提高常規(guī)發(fā)電和輸電的效率，保障其安全性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)可再生能源平滑波動(dòng)、調(diào)峰調(diào)頻，滿足可再生能源大規(guī)模接入，同時(shí)它也是分布式能源系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，在能源物聯(lián)網(wǎng)中具有舉足輕重的地位，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，并在電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中大范圍示范推廣。據(jù)世界能源研究公司的最新預(yù)測(cè)，世界各地的儲(chǔ)能裝置將在2030年底達(dá)到358～1028GWh的累計(jì)值，比2020年底的17～34GWh大二十倍以上。2015～2030年全球累計(jì)儲(chǔ)能裝置，如圖1所示。

巨量的能源需求，尤其是大規(guī)?；瘜W(xué)能儲(chǔ)能的興建，為消防安全管理和應(yīng)急救援提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。消防救援隊(duì)伍改革轉(zhuǎn)制后，擔(dān)負(fù)起應(yīng)對(duì)處置各類災(zāi)害事故的重要職責(zé)，實(shí)現(xiàn)了從原來(lái)的滅火救援為主向“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的拓展，但是儲(chǔ)能設(shè)施的消防應(yīng)急救援是一個(gè)全新的領(lǐng)域，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2021 年 4 月 16 日，北京豐臺(tái)區(qū)某光儲(chǔ)充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成了不同程度的生命和財(cái)產(chǎn)損失，我們?cè)诳偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的同時(shí)，也需要通過(guò)科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)施的消防安全管理。

二、儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能即能量的存儲(chǔ)，主要包括化學(xué)儲(chǔ)能、物理儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三大類。根據(jù)能量存儲(chǔ)形式的不同，廣義儲(chǔ)能包括電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能三類。電儲(chǔ)能是最主要的儲(chǔ)能方式，按照存儲(chǔ)原理的不同又分為電化學(xué)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能兩種技術(shù)類型。電化學(xué)儲(chǔ)能是指各種二次電池儲(chǔ)能，主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池和釩液流電池等;機(jī)械儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等?；瘜W(xué)儲(chǔ)能是消防安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，涉及到固體的存放、液體的泄漏和氣體的釋放，電池電芯泄漏或者熱失控會(huì)產(chǎn)生氫氣、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等易燃易爆氣體成分，尤其是受限空間大量氣體聚集，與空氣混合形成爆炸性氣體，因電火花而引發(fā)電池模組、柜體、箱體、管廊，甚至建筑爆炸?；瘜W(xué)儲(chǔ)能災(zāi)害如圖2所示。

電池燃燒產(chǎn)物如圖3所示，電池火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生近20種化學(xué)物質(zhì)，大多數(shù)是易燃、易爆和有毒物質(zhì)。特別是在極早期會(huì)出現(xiàn)甲烷、一氧化碳和氫氣混合氣體，其爆炸下限均為4%，爆炸濃度下限分別為50000ppm、12500ppm和40000ppm。會(huì)對(duì)人的健康造成威脅的物質(zhì)包括甲烷、一氧化碳、硫化氫、氟化氫、鹽酸、二氧化硫和氰化氫等，其中，劇毒物質(zhì)是氟化氫和氰化氫，在30ppm和50ppm的氣體環(huán)境濃度下，會(huì)對(duì)人的健康造成危害。所以，保持化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施較密閉空間的通風(fēng)，尤為重要，特別是火災(zāi)發(fā)生時(shí)和發(fā)生后的消防救援人員的個(gè)人安全防護(hù)，以及火災(zāi)區(qū)域的燃燒殘余物的處置、受污染水源和土壤的凈化，需要專用的裝備，也需要科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的方法和流程。

三、化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施消防安全管理

（一）電池火災(zāi)特點(diǎn)

鋰電池或電池芯有三種常見(jiàn)類型：鋰金屬、鋰離子和鋰離子聚合物，當(dāng)電池進(jìn)入熱失控時(shí)，劇烈燃燒爆炸會(huì)產(chǎn)生噴射彈片、熔融金屬、燃燒的電解液和有毒有害氣體。儲(chǔ)能模塊中三層電池?zé)崾Э販囟茸兓€如圖4所示，將電池集成到儲(chǔ)能系統(tǒng)的模塊中，分別位于高層、中層和底層，三層電池在熱失效的情況下，相鄰電池內(nèi)部的溫度會(huì)繼續(xù)升高，直到最終達(dá)到峰值，并長(zhǎng)時(shí)間保持300℃以上的高溫。在電池火災(zāi)滅火救援及應(yīng)急處置的過(guò)程中，要保持高壓細(xì)水霧持續(xù)冷卻。即使在全尺寸模塊測(cè)試期間用水滅火，熱危害仍然存在于電池之間，導(dǎo)致未燃燒的電池在延遲級(jí)聯(lián)現(xiàn)象中點(diǎn)燃，凸顯了鋰離子電池火災(zāi)的深層性質(zhì)所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

（二）模型設(shè)計(jì)

化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施火災(zāi)最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，比如氟化氫、一氧化碳和甲烷，在比較多的滅火劑滅電池火對(duì)比測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，水的冷卻效果是比較理想的，特別是亞微米級(jí)的細(xì)水霧?；诖?，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能設(shè)施消防安全管理系統(tǒng)模型，如圖5所示。在較密閉空間，使用水和氮組成的混合滅火系統(tǒng)，使用細(xì)水霧和惰性氣體來(lái)滅火，水和惰性氣體在滅火系統(tǒng)中共同作用實(shí)現(xiàn)氧氣置換和熱量吸收，其中，通過(guò)高壓氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)空間內(nèi)的易燃易爆氣體置換，達(dá)到窒息滅火效果;通過(guò)細(xì)水霧實(shí)現(xiàn)冷卻滅火效果。

（三）智能化管理

采用紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)極早期一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氯化氫、氟化氫和氫氣等氣體的探測(cè)，檢測(cè)到低濃度逸出氣體，早于熱失控，通過(guò)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)智能化管理系統(tǒng)停止電池模組充放電，阻止熱失控的發(fā)生。極早期低濃度逸出氣體濃度如圖6所示，從電池火災(zāi)極早期氣體的逸出到熱失控的發(fā)生，是一個(gè)較為漫長(zhǎng)的過(guò)程，可以通過(guò)消防安全智能化管理為應(yīng)急救援處置贏得寶貴的時(shí)間。

四、消防安全管理及應(yīng)急救援的幾點(diǎn)建議

在化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施災(zāi)害應(yīng)急處置的過(guò)程中，建議消防安全管理人員、滅火指揮員與戰(zhàn)斗員應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）儲(chǔ)能設(shè)施環(huán)境要恒溫恒濕，并保持排風(fēng)良好。

（2）所有電氣電子設(shè)備均需做防爆設(shè)計(jì)。

（3）在出風(fēng)口實(shí)現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理與安全閾值判斷，實(shí)時(shí)傳輸報(bào)警信息。

（4）化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施所處的是高溫、高壓、強(qiáng)電流、有毒及腐蝕環(huán)境，救援現(xiàn)場(chǎng)要做好環(huán)境信息探測(cè)，包括氣體、漏電和漏液，并做好個(gè)人防護(hù)，包括軀體防護(hù)和呼吸防護(hù)。

（5）燃燒與爆炸不分先后，與儲(chǔ)能設(shè)施保持安全警戒距離。

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境核心區(qū)域易爆氣體濃度，隨時(shí)準(zhǔn)備撤離現(xiàn)場(chǎng)。

（7）使用水進(jìn)行滅火降溫可能會(huì)導(dǎo)致電池短路，加劇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

（8）火焰熄滅之后，仍要保持降溫通風(fēng)，直到設(shè)施能量放盡、溫度歸零，環(huán)境中仍會(huì)殘留有毒有害氣體液體，人員安全防護(hù)等級(jí)不能降低。

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