周會(huì)會(huì) 張亮 劉敏 楊旭

摘要：鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)以其費(fèi)用低、技術(shù)成熟、能量密度大及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用技術(shù)之一，但安全問(wèn)題也是其突出的缺點(diǎn)。文章從儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理、安全風(fēng)險(xiǎn)因素、熱失控特征辨識(shí)等方面分析鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)滅火技戰(zhàn)術(shù)措施及注意事項(xiàng)，為一線消防救援人員處置此類(lèi)火災(zāi)提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能系統(tǒng);火災(zāi);戰(zhàn)術(shù);預(yù)制艙儲(chǔ)能

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2022）04-0029-03

儲(chǔ)能是指通過(guò)介質(zhì)或者設(shè)備，利用化學(xué)或者物理的方法把能量存儲(chǔ)起來(lái)，根據(jù)應(yīng)用的需求以特定能量形式釋放的過(guò)程，通常說(shuō)的儲(chǔ)能是指針對(duì)電能的儲(chǔ)能。儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用廣泛，而電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電（風(fēng)能、太陽(yáng)能等）、清潔能源、新能源汽車(chē)等行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)尤其大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出了更高的要求，儲(chǔ)能技術(shù)已成為該類(lèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將成為智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)[1]。

“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵期、窗口期，要構(gòu)建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源總量，著力提高利用效能，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。因此，提高非化石能源是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的必然選擇。由于風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電具有不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控的特性，可再生能源大規(guī)模并入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊，而大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電的調(diào)幅調(diào)頻、平滑輸出、雙向調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)等功能，從而減小可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電的消納能力[2-4]。因此，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)可有效解決可再生能源發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定特性，提高可再生能源使用率。

我國(guó)的儲(chǔ)能電站所用電池大部分來(lái)自動(dòng)力電池生產(chǎn)線，沿用了動(dòng)力電力的電芯標(biāo)準(zhǔn)。磷酸鐵鋰電池以其安全性高、能量密度高、充放電倍率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)[5]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站事故引起了消防救援人員對(duì)其安全的關(guān)注。因此本文從儲(chǔ)能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素、熱失控辨識(shí)出發(fā)研究該類(lèi)事故的滅火救援戰(zhàn)術(shù)。

1? 儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1? 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

預(yù)制艙鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是由若干電池組和電氣設(shè)備組成并放置于密閉空間的單元集合，主要包含預(yù)制艙、磷酸鐵鋰電池、通風(fēng)空調(diào)、視頻監(jiān)控、逆變器、匯流箱、升壓系統(tǒng)等。

1.2? 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

太陽(yáng)能或者風(fēng)能產(chǎn)生的直流電一部分通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，進(jìn)行升變壓并入市網(wǎng)，輸送到千家萬(wàn)戶;另一部分通過(guò)電纜直接進(jìn)入直流配電柜儲(chǔ)存到電池預(yù)制艙中。

電池管理系統(tǒng)（BMS）可以實(shí)現(xiàn)單體電池電壓、煙霧、電流、溫度等的采集，具有電池短路、過(guò)充或過(guò)放的保護(hù)功能，通過(guò)傳感器復(fù)合判斷方式，有效識(shí)別火災(zāi)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)預(yù)警功能。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖1。

2? 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，鋰電池通常是由數(shù)百只甚至數(shù)千只串并聯(lián)在預(yù)制集裝箱中，電池單體發(fā)生熱失控，會(huì)在電池簇內(nèi)發(fā)生蔓延，引起嚴(yán)重的后果。儲(chǔ)能安全是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，不僅僅是電池帶來(lái)的，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，均有可能導(dǎo)致起火。儲(chǔ)能系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)因素可劃分為電池本體、外部激源、運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)四類(lèi)。電池堆是最大的安全隱患之一，電池本體因素成為儲(chǔ)能安全的核心，其誘發(fā)安全事故的來(lái)源主要是電池制造過(guò)程的瑕疵及電池老化帶來(lái)的儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性。電池在非常規(guī)的運(yùn)行環(huán)境及管理系統(tǒng)因素影響下，內(nèi)部老化過(guò)程更加復(fù)雜多變，并逐漸演變成安全問(wèn)題。外部激源主要來(lái)源于三方面，一是電激源，包括過(guò)充、過(guò)放等濫用情況。二是熱激源，包括在高溫下使用，或其他組件燃燒將單體電池甚至電池組燃爆。三是機(jī)械激源，包括振動(dòng)、擠壓等，機(jī)械激源在電動(dòng)汽車(chē)上較為常見(jiàn)，在儲(chǔ)能電站中幾乎沒(méi)有。

3? 儲(chǔ)能系統(tǒng)熱失控特征辨識(shí)

3.1? 火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

消防救援人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，充分利用電池管理系統(tǒng)獲取單體電池的溫度、電壓及電流數(shù)據(jù)，全周期、連續(xù)性監(jiān)測(cè)，對(duì)其熱失控狀態(tài)進(jìn)行鑒別，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)安全管控、風(fēng)險(xiǎn)研判及火災(zāi)的快速識(shí)別。

3.2? 多參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊

通過(guò)檢測(cè)電池模塊的VOC、可燃?xì)怏w、溫度、煙霧參數(shù)[6]，分析電池內(nèi)阻數(shù)值的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池?zé)崾Э氐膶?shí)時(shí)探測(cè)，科學(xué)研判火災(zāi)撲救的安全距離及最佳的內(nèi)功時(shí)間，有效避免熱失控。

3.3? 火災(zāi)探測(cè)器

儲(chǔ)能系統(tǒng)所在的環(huán)境相對(duì)密閉，一旦出現(xiàn)電熱失控，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中氣體成分及濃度發(fā)生變化。對(duì)于初期火災(zāi)，主要應(yīng)用氣體探測(cè)器對(duì)泄漏出來(lái)的氣體進(jìn)行檢測(cè)，在中期及晚期火災(zāi)主要利用感煙探測(cè)器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、感光探測(cè)器以及感溫探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。

4? 儲(chǔ)能電站火災(zāi)撲救技戰(zhàn)術(shù)措施

儲(chǔ)能系統(tǒng)的電池單體數(shù)量大，整體能量相對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，預(yù)制艙式鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一旦單體電池或電池單元發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)引起電池簇及相鄰儲(chǔ)能單元的連鎖反應(yīng)甚至箱體爆炸，火災(zāi)處置危險(xiǎn)性高、難于撲救且社會(huì)影響嚴(yán)重。

4.1? 準(zhǔn)確辨識(shí)研判

儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組發(fā)生事故時(shí)，首先要研判“劑量、儲(chǔ)量”，即能量密度的大小。對(duì)有可能發(fā)生的爆炸做出評(píng)估;其次要研判災(zāi)情階段，對(duì)于處于初期火災(zāi)（未爆炸）階段，要始終貫徹“先控制、后消滅”的戰(zhàn)術(shù)原則，嚴(yán)禁救援人員打開(kāi)預(yù)制艙門(mén)、與儲(chǔ)能系統(tǒng)電線路直接相連事故區(qū)域及事故電池組直接射水，建議優(yōu)先使用全氟己酮和七氟丙烷[7]撲救預(yù)制艙初期火災(zāi)，同時(shí)對(duì)毗鄰區(qū)域冷卻。對(duì)于已經(jīng)發(fā)生爆炸的電池組要大流量射水冷卻滅火，嚴(yán)防災(zāi)情擴(kuò)大。

4.2? 全要素、全周期監(jiān)測(cè)

磷酸鐵鋰電池在發(fā)生熱失控前，會(huì)出現(xiàn)明顯的特征參量變化，利用無(wú)人偵察機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻傳輸（如語(yǔ)音、測(cè)距、測(cè)溫等），通過(guò)電池管理系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警、預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)溫度、壓力、煙霧及可燃?xì)怏w成分和濃度，通過(guò)這些特征參量的變化，判斷電池是否發(fā)生熱失控，從而準(zhǔn)確發(fā)出撤退命令，避免造成救援人員傷亡。

4.3? 高精尖裝備聯(lián)用

高噴車(chē)垂直冷卻事故預(yù)制艙及毗鄰區(qū)域，新型消防滅火機(jī)器人向前推進(jìn)，壓制火勢(shì)，冷卻預(yù)制艙，大型無(wú)人機(jī)連接30mm水帶噴射氣液兩相滅火劑[8]（全氟己酮和水），形成空地一體化快速控制災(zāi)情發(fā)展，為內(nèi)攻創(chuàng)造合適的時(shí)機(jī)。見(jiàn)圖2。

4.4? 防消結(jié)合，精準(zhǔn)施策

磷酸鐵鋰電池早期熱失控及熱擴(kuò)散特征參數(shù)為氣體，應(yīng)將氣體探測(cè)作為鋰電池火災(zāi)探測(cè)的主要指標(biāo)之一。因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)防控應(yīng)更加注重對(duì)氣體探測(cè)器的多點(diǎn)布置，以便滅火救援人員及時(shí)掌握鋰電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警。同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置外部消防緊急接口和消防水池，有利于滅火救援人員快速運(yùn)用“固移結(jié)合”戰(zhàn)術(shù)原則處置火災(zāi)。

4.5? 智慧消防與5G技術(shù)精準(zhǔn)防控

5G新技術(shù)推動(dòng)智慧消防領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，使得消防技術(shù)從平面化向立體化提升[9]。通過(guò)對(duì)攝像機(jī)點(diǎn)位的視頻進(jìn)行針對(duì)性智能分析，在原有報(bào)警信息的基礎(chǔ)上增加可視化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)感知、智能研判與精準(zhǔn)防控，確保基層消防救援人員的生命安全。消防救援人員可以通過(guò)VR/AR模擬訓(xùn)練，提升消防救援人員對(duì)新業(yè)態(tài)、新工藝技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練。

5? 儲(chǔ)能電站火災(zāi)處置注意事項(xiàng)

鋰電池火災(zāi)會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，滅火后需采用紅外測(cè)溫儀等設(shè)備不間斷測(cè)溫，預(yù)留消防中隊(duì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。

六氟磷酸鋰電解液受熱分解會(huì)產(chǎn)生氟化氫，溶于水形成弱酸，遇到普通金屬易反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，處置時(shí)要防止氫氣爆炸。

鋰電池燃燒或撲滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，消防救援人員在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)和現(xiàn)場(chǎng)清理全過(guò)程中必須全程佩戴空氣呼吸器等全套防護(hù)裝備，防止中毒風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)配備一定數(shù)量的防毒面罩，增加一線戰(zhàn)斗人員處置事故時(shí)間。

儲(chǔ)能電站箱門(mén)打開(kāi)后，會(huì)產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，CO的體積分?jǐn)?shù)從環(huán)境值2.4×10-6上升至190×10-6甚至更高[10]。因此消防救援人員在陣地設(shè)置時(shí)要注意避開(kāi)泄壓口、泄壓面，處置過(guò)程中應(yīng)留出一定的安全距離，防止電池組突然爆燃或爆炸的沖擊、高溫傷害。

6? 結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)儲(chǔ)能是“雙碳”能源改革中重要的一環(huán)，同時(shí)儲(chǔ)能電站事故也是消防救援隊(duì)伍面臨的一類(lèi)新業(yè)態(tài)，由于現(xiàn)有滅火劑難以撲救該類(lèi)型火災(zāi)，消防救援人員必須熟悉預(yù)制艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、防火技術(shù)、熱失控辨識(shí)方法，從預(yù)制艙的防火設(shè)計(jì)及元件間聯(lián)鎖效應(yīng)上革新技戰(zhàn)術(shù)方法，科學(xué)決策，合理部署，真正做到“科學(xué)、安全、環(huán)保、專(zhuān)業(yè)、高效”的消滅儲(chǔ)能電站火災(zāi)。

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