應(yīng)急管理部上海消防研究所 楊君濤 張永豐 張磊｜文

近年來，電化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輔助服務(wù)、輸配電、可再生能源接入、分布式能源存儲及終端用戶等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2017 年，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2017〕1701 號)，明確提出在十三五期間實現(xiàn)儲能由研發(fā)示范向商業(yè)化初期的過渡，十四五期間實現(xiàn)商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。2021 年，國家發(fā)展改革委和國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051 號），到2025 年，實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機規(guī)模達(dá)3 000 萬千瓦以上；到2030 年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展，新型儲能成為能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。由此可見，今后十年電化學(xué)儲能電站數(shù)量將會極大增長。

與此同時，近些年來國內(nèi)外電力儲能系統(tǒng)火災(zāi)屢有發(fā)生，引起了政府和民眾對儲能電站安全的普遍關(guān)注和巨大擔(dān)憂。比如2018 年7 月2 日，韓國靈巖儲能電站發(fā)生火災(zāi)事故，燒毀708 平方米的臨時建筑和3 500 多個電池，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)46 億韓元；2019 年4 月19 日美國亞利桑那州APS 公司的電池儲能電站發(fā)生起火爆炸，此次事件除了造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，還致使4 名消防員受傷；2017 年3 月7 日，山西京玉火力發(fā)電廠儲能電站發(fā)生火災(zāi)，燒毀儲能鋰電池包416 個、電池管理系統(tǒng)包26個，致使該儲能電站停運30 余天；2018 年8 月3 日，揚中市高新區(qū)發(fā)生儲能電站火災(zāi)事故，燒毀儲能電站集裝箱1 個；2021 年4 月16日，北京市豐臺區(qū)國軒福威斯光儲充技術(shù)有限公司儲能電站發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成2 名消防員犧牲，1 名消防員受傷），1 名員工失聯(lián)。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界范圍內(nèi)鋰電池儲能火災(zāi)安全事故在過去的3 年內(nèi)發(fā)生超過30 起，尤其在韓國，報道的儲能電站安全事故已近30 起，造成了重大的財產(chǎn)損失?？梢姡娀瘜W(xué)儲能電站本身的燃爆風(fēng)險和防護(hù)問題不容忽視。

大量火災(zāi)事故案例表明，現(xiàn)階段運營企業(yè)對電化學(xué)儲能電站火災(zāi)危險性和危害認(rèn)識不清晰，運營管理過程中如何辨識和評估火災(zāi)風(fēng)險缺乏有效手段。因此，伴隨電化學(xué)儲能電站的大規(guī)模建設(shè)和投入使用，開展儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估方面標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定，對于規(guī)范儲能電站的火災(zāi)風(fēng)險評估工作、提高運營企業(yè)預(yù)防和應(yīng)對火災(zāi)事故的能力、提升儲能電站消防安全水平具有重要的促進(jìn)作用。

電化學(xué)儲能電站概況

電化學(xué)儲能電站是采用電化學(xué)電池作為儲能元件，可進(jìn)行電能存儲、轉(zhuǎn)換及釋放的電站，一般包括電池儲能系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、電網(wǎng)接入系統(tǒng)等。其中，最主要的電池儲能系統(tǒng)是由電池組、電池管理系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、升壓變壓器、動環(huán)監(jiān)控及輔件構(gòu)成的。儲能電池是最基本的能量存儲介質(zhì)，常見使用類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，現(xiàn)今大多數(shù)儲能電站采用磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池正極材料的分解溫度約為200 ℃，磷酸鐵鋰電池正極材料的分解溫度約為700 ℃，實驗室測試環(huán)境下，短路磷酸鐵鋰電池單體基本不出現(xiàn)著火的情況；三元鋰電池則不然，在使用時要對熱管理提出較高的要求，一旦出現(xiàn)過溫、過充、過流等異常情況極有可能造成起火、爆炸等嚴(yán)重后果，因而在安全性方面磷酸鐵鋰電池較三元電池而言有著絕對的優(yōu)勢。

目前，電化學(xué)儲能電站電池集成方式可分為廠房式和預(yù)制艙式兩類，鑒于預(yù)制艙式鋰電池儲能系統(tǒng)具有容量高、可靠性強、環(huán)保、適應(yīng)性強、靈活性高、方便安裝、維修等獨特的優(yōu)勢，大多數(shù)電化學(xué)儲能電站均采用預(yù)制艙式設(shè)計方案。預(yù)制艙式鋰電池儲能系統(tǒng)是一種以鋰電池電化學(xué)反應(yīng)為能量轉(zhuǎn)換形式的儲能系統(tǒng)，一般包含監(jiān)控設(shè)備管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、專用應(yīng)急消防系統(tǒng)、專用集裝中央空調(diào)、儲能電池隔離電力變流器及隔離變壓器等設(shè)備封裝在集裝箱內(nèi)的儲能裝置。

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)特點

儲能電池是儲能電站行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，儲能電池作為一種能量存儲裝置在受外部環(huán)境激勵或內(nèi)部制造缺陷的影響下會發(fā)生熱失控現(xiàn)象，在密閉空間中一旦某一電池儲能單元發(fā)生火災(zāi)，可能引起相鄰多個單元的連鎖火災(zāi)甚至爆炸，尤其部分儲能電站使用梯次利用的動力電池，與新電池相比危險性更高。另外，單個儲能電站裝機容量較大，高壓電線路較多、排布復(fù)雜，高壓接觸件長時間老化易形成局部熱點，造成電氣短路引發(fā)火災(zāi)。因此儲能電站發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)荷載大，危險性高，滅火和應(yīng)急救援難度很大，極易蔓延成災(zāi)，造成巨大財產(chǎn)損失。

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)具有以下特點：

一是燃燒猛烈、蔓延迅速。鋰離子電池?zé)崾Э睾笕紵容^猛烈，火勢迅速蔓延，活潑金屬鋰與水發(fā)生猛烈反應(yīng)后的產(chǎn)物L(fēng)i2O（氧化鋰）和H2（氫氣），使燃燒更加劇烈，加速蔓延。

二是易燃易爆、危險性大。鋰電池燃燒釋放出大量有毒有害、可燃?xì)怏w和熱量，極易發(fā)生爆炸，易造成人員中毒和爆炸傷害。

三是易復(fù)燃、滅火難度大。鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)后，用常規(guī)通過物理稀釋隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法只能撲滅明火，無法從根本上抑制火災(zāi)發(fā)生，往往會出現(xiàn)復(fù)燃。另外用水、泡沫滅火，既有觸電危險，也有引發(fā)其他電池短路的熱失控風(fēng)險，同時存在爆炸危險，嚴(yán)重威脅作戰(zhàn)人員的生命安全。因此，短時間內(nèi)徹底撲滅鋰電池火災(zāi)難度較大。

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險影響因素分析

通過實地調(diào)查電化學(xué)儲能電站火災(zāi)危險性和消防安全現(xiàn)狀可知，影響電站火災(zāi)風(fēng)險的因素主要集中在以下四個方面：電站特性、防火設(shè)計、消防設(shè)施和消防安全管理。

電站特性

電站特性是指儲能電站自身的特征和其內(nèi)外部的致災(zāi)因素。比如儲能電站選址、裝機規(guī)模、預(yù)制艙數(shù)量、鋰電池類型、鋰電池可用容量占比等。

防火設(shè)計

儲能電站防火設(shè)計主要是由空間的合理布局、適用有效的防火分隔、符合規(guī)定要求的建材和構(gòu)件等設(shè)防內(nèi)容所構(gòu)成，比如建筑耐火等級、防火間距等，儲能電站由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，應(yīng)重點考慮平面布置、防火間距、耐火等級以及預(yù)制艙防火設(shè)計等。

消防設(shè)施

儲能電站火災(zāi)所配置的消防設(shè)施，主要是由主動自動（或手動）控制的滅火、報警、防排煙和消火栓等設(shè)備系統(tǒng)組成。消防設(shè)施設(shè)計合理、配置到位、系統(tǒng)完好，儲能發(fā)生火災(zāi)后造成的損失就會得到降低，其發(fā)生火災(zāi)的概率和造成的后果也就越小。儲能電站重點考慮預(yù)制艙內(nèi)探測器設(shè)置、消火栓系統(tǒng)、自動滅火系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)及滅火器材配置等設(shè)施器材的配置及使用情況。在進(jìn)行風(fēng)險評估時，應(yīng)檢查是否按規(guī)定進(jìn)行了設(shè)置各系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的完好率。

消防安全管理

消防安全管理是指人們?yōu)榱祟A(yù)防火災(zāi)和降低火災(zāi)損失所采取的管理措施，比如消防宣傳教育培訓(xùn)、應(yīng)急預(yù)案編制及演練、消防設(shè)施維護(hù)、物業(yè)管理等?？v觀國內(nèi)外發(fā)生火災(zāi)的原因，人的過失和不安全行為造成火災(zāi)事故約占火災(zāi)總數(shù)的85%以上，可見加強消防安全管理，可以有效地降低火災(zāi)風(fēng)險。儲能站內(nèi)涉及的電氣設(shè)施較多，對消防安全管理的要求更高。

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估指南框架

在上述分析研究基礎(chǔ)上，參考依據(jù)GB 51048—2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》、GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》、T/CEC 373—2020《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》、GA 503—2004《建筑消防設(shè)施檢測技術(shù)規(guī)程》《中華人民共和國消防法》等法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)合實際調(diào)研和專家討論，從可操作性出發(fā)構(gòu)建了電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估指南框架，并編制了相關(guān)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估的工作程序及步驟、評估單元及評估內(nèi)容、評估結(jié)論等方面的要求。

圖1 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估工作程序

評估程序

儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估工作程序如圖所示1，評估工作步驟包括前期準(zhǔn)備、現(xiàn)場檢查、評估判定和報告編制等。

評估內(nèi)容

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估應(yīng)根據(jù)評估對象的實際情況確定評估單元，具體包括消防安全管理單元、防火設(shè)計單元、消防設(shè)施單元等，各評估單元的基本評估內(nèi)容如表1 所示。

表1 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估內(nèi)容表

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估以檢查表法為基本方法，檢查表中除了檢查結(jié)果和備注欄需現(xiàn)場檢查記錄外，其他內(nèi)容應(yīng)根據(jù)評估對象和評估單元的實際情況，在現(xiàn)場檢查前編制?，F(xiàn)場檢查時可選用的檢查方法還包括資料核對、問卷調(diào)查、外觀檢查、功能測試等，實際檢查時可采用單一方法或幾種方法的組合。不同評估單元采用的檢查方法要求如下：

1.消防安全管理單元的現(xiàn)場檢查應(yīng)采用資料核對、問卷調(diào)查的方式或其組合，資料核對時，應(yīng)逐項檢查資料原件；問卷調(diào)查對象應(yīng)不少于5 人，包括但不限于消防安全管理人員、自動消防系統(tǒng)的操作人員、志愿消防隊員及一般人員。

2.防火設(shè)計單元及消防設(shè)施單元的現(xiàn)場檢查應(yīng)采用資料核對、外觀檢查與功能測試相結(jié)合的方式。

3. 如確有需要，可選用煙氣模擬分析、安全疏散分析等方法進(jìn)行定量評估。

評估判定

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估中現(xiàn)場檢查項分為3 類，分別是直接判定項、關(guān)鍵項與一般項。其中可直接判定評估結(jié)論等級為高風(fēng)險的檢查項是直接判定項，以法律法規(guī)、部門規(guī)章和消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的強制條款為依據(jù)的檢查項是關(guān)鍵項，其他檢查項是一般項，在制定檢查表時應(yīng)予以識別并確定。直接判定項包括以下內(nèi)容：

1.儲能電站場所未依法辦理消防行政許可或備案手續(xù)；

2.未依法確定消防安全管理人、自動消防系統(tǒng)人員；

3. 未按規(guī)定設(shè)置自動消防系統(tǒng)；

4. 消防設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞，不再具備防火滅火功能；

5. 疏散通道、安全出口不具備安全疏散條件；

6.違反消防安全規(guī)定，使用、儲存易燃易爆危險品；

7.經(jīng)應(yīng)急管理或消防機構(gòu)責(zé)令改正后，同一違法行為反復(fù)出現(xiàn)；

8. 未依法建立專（兼）職消防隊；

9.一年內(nèi)發(fā)生一次較大以上（含）火災(zāi)或兩次以上（含）一般火災(zāi)。

電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估應(yīng)依據(jù)評估結(jié)果中直接判定項、關(guān)鍵項與一般項的數(shù)量綜合確定儲能電站火災(zāi)風(fēng)險等級，宜劃分為四個等級，表2 給出與火災(zāi)風(fēng)險等級相對應(yīng)的消防安全特征。評估結(jié)論應(yīng)依據(jù)評估目的和評估對象實際狀況，針對火災(zāi)風(fēng)險評估中發(fā)現(xiàn)的問題，結(jié)合評估對象的火災(zāi)風(fēng)險等級，提出對策措施及建議。對策措施及建議應(yīng)具有科學(xué)性、適用性和可操作性。

表2 電化學(xué)儲能電站火災(zāi)風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

對策建議

針對儲能電站消防安全，應(yīng)加強以下四個方面的研究：

1. 開展不同類型、不同容量的大型全尺寸儲能電站實體實驗，深入研究電化學(xué)儲能電站火災(zāi)、爆炸機理，掌握其造成的危害后果和危害范圍。

2.開發(fā)適用于電化學(xué)儲能電站早期探測報警裝置和固定滅火設(shè)施，提高電站整體設(shè)防水平。

3.開展電化學(xué)儲能電站滅火救援裝備和技術(shù)研究，研發(fā)專業(yè)化、智能化、無人化處置救援裝備和個人防護(hù)裝備，編制儲能電站滅火救援處置規(guī)程，減少戰(zhàn)斗人員傷亡。

4.開展電化學(xué)儲能電站智能化消防安全管理技術(shù)研究，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實時監(jiān)測電站火災(zāi)風(fēng)險，達(dá)到動態(tài)預(yù)警、早期處置的目標(biāo)。安