安科瑞 陳聰

摘要：針對電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災后滅火救援時(shí)間長(cháng)、難度大、易造成處置人員傷亡的問(wèn)題，通過(guò)介紹電化學(xué)儲能電站基本常識和目前的安全狀況，分析電化學(xué)儲能電站火災特點(diǎn)和目前存在的突出問(wèn)題，就如何加強電化學(xué)儲能電站火災處置能力，確保處置人員在處置過(guò)程中的安全提出意見(jiàn)和建議，為消防救援隊伍安全有效處置此類(lèi)災害事故提供參考。

關(guān)鍵詞：消防；儲能電站；電化學(xué)；火災

0 引言

儲能電站主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是抽水蓄能電站，一類(lèi)是電化學(xué)儲能電站。主要用于城市電網(wǎng)填谷調頻、調峰、商業(yè)區輔助用電、電動(dòng)車(chē)充電等。目前，我國除抽水蓄能電站外，大規模應用的主要為電化學(xué)儲能電站。過(guò)去，大多數人對儲能電站缺乏了解和認識，2021年4月16日，北京市豐臺區南四環(huán)永外大紅門(mén)西馬場(chǎng)某公司儲能電站火災事故，造成3人死亡（其中2人為消防員）、1人受傷，引發(fā)了社會(huì )廣泛關(guān)注，人們開(kāi)始重新審視儲能電站的安全情況。經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，發(fā)現隨著(zhù)儲能電站裝機規模不斷擴大，近年來(lái)國內外電化學(xué)儲能電站發(fā)生了多起火災事故，且大多數為鋰離子電池火災，因此本文以鋰離子電池儲能電站為重點(diǎn)進(jìn)行研究討論。

1 電化學(xué)儲能電站基本常識

據世界能源理事會(huì )（WEC）發(fā)布的《儲能監測：2019發(fā)展趨勢》報告預測，到2030年全球儲能裝機總量將達到250GWh。

1.1主要部件

電化學(xué)儲能電站包括儲能單元、功率變換系統（PCS）、電池管理系統（BMS）等組成。

1.1.1儲能單元

由電池組、電池管理系統及與其相連的功率變換系統組成的*小儲能系統。

1.1.2功率變換系統（PCS）

與儲能電池組配套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或將電池組能量回饋到電網(wǎng)的系統，主要由變流器及其控制系統構成。

1.1.3電池管理系統（BMS）

監測電池溫度、電壓、電流、荷電狀態(tài)等，為電池提供通信接口和保護的系統。

1.2電站分類(lèi)

1.2.1按電化學(xué)儲能電池類(lèi)型

按電化學(xué)儲能電池類(lèi)型分為鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池、超級電容等方式。鋰離子電池占電化學(xué)儲能58%，占比*大，常見(jiàn)為以鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池。不同種類(lèi)的電池安全風(fēng)險排序為：鉛酸電池＜磷酸鐵鋰材料電池＜三元材料電池＜鈉流電池。

1.2.2按規模

按規模分類(lèi)分為小型、中型和大型。其中，容量為1MWh以下為小型電化學(xué)儲能電站；容量為1～30MWh的電站為中型電化學(xué)儲能電站；容量為30MWh以上為大型電化學(xué)儲能電站。

1.2.3按照電站用途

按照電站用途分為發(fā)電側、電網(wǎng)側、用戶(hù)側三種使用方式。其中，用戶(hù)側通常位于城市商業(yè)區、大型商場(chǎng)、大學(xué)城、電動(dòng)車(chē)充電配套的發(fā)電、儲電、供電儲能電站。集發(fā)電、儲能、充電等業(yè)態(tài)于一體，人流、物流密集，發(fā)生事故易造成群死群傷，與發(fā)電側、電網(wǎng)側儲能相比，安全風(fēng)險*大。

1.2.4按布局形式

按布局形式分為室外撬裝式、建筑封閉式（站房式）兩種。建筑封閉式電站通常為多模組、多樓層豎向疊加堆放，風(fēng)險*大。

1.2.5按輸電來(lái)源

按輸電來(lái)源分為市電、光伏、風(fēng)電、火電、核電等不同供電來(lái)源。用戶(hù)側電站通常為市電、光伏、儲能一體化設計。

1.3工藝流程

主要工藝流程為：鋰離子電池充電期間，系統將電能通過(guò)主變壓器、干式變壓器和儲能變流器將交流電轉化為直流電，通過(guò)儲能電池的充電過(guò)程，將電能儲存在電芯內。放電期間，通過(guò)儲能電池的放電過(guò)程，將直流電經(jīng)過(guò)儲能變流器轉化為交流電，再經(jīng)過(guò)干式變壓器、主變壓器通過(guò)高壓配電裝置將電能輸送到電網(wǎng)，或為商業(yè)直接供電。

1.4熱失控機理

熱失控就是指鋰離子電池內部電流和溫度均升高，且互相促進(jìn)的現象。鋰離子電池內電解液和隔膜為可燃物，在不同荷電狀態(tài)下，正極材料和負極材料可分別成為氧化劑和還原劑，短路后易自發(fā)熱燃燒；電池還可因內部或外部的熱源加熱，都可能觸發(fā)電池火災。

2 國內外電化學(xué)儲能電站安全狀況

由于儲能電站安全問(wèn)題的形成機理、邊界條件、控制要素尚未全部認識清楚，致使儲能安全防控手段、應對措施等尚不能完*適應儲能技術(shù)快速發(fā)展及應用需要。據不完*統計，2011年至今，美國、韓國、日本、中國等地先后發(fā)生多起儲能電站火災事故。

電化學(xué)儲能電站事故涉及多種儲能類(lèi)型，其中以鋰離子電池為主。引發(fā)火災事故的起因有多種形式，而且涉及不同的方面，比如儲能容量和功率標定不準、系統配置和選型有問(wèn)題、安裝調試過(guò)程不規范、運行檢修維護工作不到位等多方面問(wèn)題。

3 電化學(xué)儲能電站火災特點(diǎn)

3.1火勢控制難，易于復燃

電化學(xué)儲能電站的電池單元性質(zhì)活躍，在出現短路等故障后，內部發(fā)生劇烈、復雜化學(xué)反應，引發(fā)溫度持續升高，出現熱失控現象，進(jìn)而發(fā)生燃燒或爆炸。一旦火災發(fā)生，即使表面明火被撲滅，電池內部仍持續發(fā)生自反應，不斷產(chǎn)生熱量及可燃氣體，導致火勢發(fā)展蔓延迅速，同時(shí)反復出現復燃。

3.2結構布局不利于滅火救援

電化學(xué)儲能電站所用電池儲能系統平面布置緊湊，儲能系統的形式多樣且未采取隔熱措施，內部存放的電池組數量較多、排列緊密并有構件遮擋。在救援過(guò)程中為防范爆炸危險，采取遠距離射水冷卻時(shí)，很難靶向作用到電池高溫區域，難以實(shí)施有效處置。

3.3中毒、爆炸及觸電風(fēng)險高

各類(lèi)電化學(xué)電池火災燃燒產(chǎn)物含有氫氣、甲烷、乙烯等易燃易爆氣體以及氟化物等有毒有害氣體。燃燒產(chǎn)生的熱量會(huì )影響毗鄰電池，產(chǎn)生連鎖反應，相繼引發(fā)爆燃或爆炸。例如在北京“4·16”火災處置過(guò)程中，先后發(fā)生4次以上不同規模的爆燃及1次劇烈爆炸。同時(shí)，事故現場(chǎng)大量成簇電池組底部系高壓包直流系統，長(cháng)期處于高壓帶電狀態(tài)，滅火過(guò)程中觸電危險性*高。

3.4持續時(shí)間長(cháng)，作戰消耗大

由于電化學(xué)儲能電池火災所具有的連鎖反應、持續放熱、復燃復爆特性，在明火撲滅后電池仍呈現無(wú)焰通紅高溫狀態(tài)，需要持續冷卻降溫。北京“4·16”火災處置滅火冷卻時(shí)間長(cháng)達53h，累計用水近2萬(wàn)t，參戰力量多、人員輪換頻次高，對現場(chǎng)人員、器材裝備、滅火劑等保障要求*高。

4 當前電化學(xué)儲能電站存在的突出問(wèn)題

目前，我國儲能電站的設計主要依據GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設計規范》。該標準于2015年8月1日實(shí)施，編制時(shí)我國電力儲能技術(shù)正處于發(fā)展初期，儲能技術(shù)尚處于試驗驗證階段，應用場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單。而目前我國電力儲能的規模、應用場(chǎng)景都發(fā)生了顯著(zhù)變化，安全風(fēng)險顯著(zhù)提升，消防安全問(wèn)題亟待解決。

4.1消防安全定位偏低

從電化學(xué)儲能電站火災實(shí)例看，一旦發(fā)生火災，燃燒強度大，火焰呈噴射狀，并伴有爆炸、高溫、濃煙等現象，處置異常艱難，但依據GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設計規范》，除鈉硫電池外，鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池的電池室、屋外電池設備、配電裝置等的火災危險性均為戊類(lèi)，造成防火措施標準偏低，對不同裝機容量的電化學(xué)儲能電站與周邊建筑的防火間距、防火分隔設施、消防設施的具體要求過(guò)于籠統，無(wú)法有效針對性控制、撲滅火災及減少火災危害。

4.2火災探測預警機制不合理

各類(lèi)電化學(xué)電池失效早期已存在多種異常信號，如異常電壓、異常電流、異常溫度等，如果能夠在早期檢測預警到問(wèn)題，就能夠有效將問(wèn)題解決在成災之前。但現行標準GB51048—2014《電化學(xué)儲能電站設計規范》11.4.1條規定“主控通信室、配電裝置室、繼電器室、電池室、PCS室、電纜夾層及電纜豎井應設置火災自動(dòng)報警系統。”，且規定設置的火災探測器類(lèi)型為感煙或吸入式感煙探測器。目前，市場(chǎng)主流鋰離子儲能電站也均如此設計，此設計要求無(wú)法對鋰離子電池早期問(wèn)題進(jìn)行有效檢測。

4.3防排煙設施設計滯后

電化學(xué)儲能電站電池熱失控易產(chǎn)生大量有毒、易燃煙氣，在密閉環(huán)境中，如遇電火花，具有發(fā)生爆炸的風(fēng)險。防排煙設施可有效疏導煙氣流動(dòng)，避免熱量積蓄、降低可燃氣體燃燒爆炸臨界濃度，是安全防護的重要基礎設施。但現有電化學(xué)儲能電站大多沒(méi)有防排煙設計，有的也僅采用常規建筑防排煙設計，無(wú)針對電化學(xué)儲能電池熱失控特征煙氣進(jìn)行特殊設計，未考慮防爆性能化設計，造成電化學(xué)儲能系統出現火災事故時(shí)無(wú)法及時(shí)排解煙氣，不利于現場(chǎng)滅火。

4.4自動(dòng)滅火設施設置針對性不強

電化學(xué)儲能電池由于起火燃燒原因復雜，且電池種類(lèi)繁多，對于電化學(xué)儲能電池的火災不能以單一火災類(lèi)型來(lái)對待。而目前儲能電站自動(dòng)滅火設置沒(méi)有明確的強制標準，僅由各地建設企業(yè)自行參照普通電子設備場(chǎng)所的設計要求設置，滅火措施，防控技術(shù)措施無(wú)法有效抑制電池燃燒，部分企業(yè)仍采用傳統的水噴淋滅火系統，而水噴淋極有可能引發(fā)帶電體及其線(xiàn)路短路誘發(fā)次生災害或擴大電氣事故，在撲救電化學(xué)儲能電池火災中，無(wú)法發(fā)揮冷卻、窒息作用。

5 加強電化學(xué)儲能電站火災處置能力的建議

5.1完善設計標準，提升消防安全水平

相關(guān)部門(mén)要推動(dòng)科研機構、企業(yè)加強電化學(xué)儲能電站相關(guān)產(chǎn)品和應用場(chǎng)景消防安全性能研究，推進(jìn)儲能安全技術(shù)創(chuàng )新，改善電化學(xué)儲能電站行業(yè)工藝過(guò)程、機械設備、裝置等環(huán)節的消防安全條件，完善站區平面布置、防火分隔、消防設施等提升消防安全條件的設計規范。同時(shí)要制定完善儲能產(chǎn)品性能、安全性等檢測認證標準，提升行業(yè)消防安全水平，從源頭上降低消防安全風(fēng)險。

5.2加強調研熟悉，完善滅火救援預案

從國內外儲能電站火災情況看，對其發(fā)生火災的燃燒機理、內部布局和危險性不掌握，是導致火災撲救時(shí)間長(cháng)和人員傷亡的主要原因。因此，消防救援隊伍要組織力量對轄區儲能電站進(jìn)行摸底排查，開(kāi)展實(shí)地熟悉調研，了解行業(yè)發(fā)展的現狀、趨勢、電站分布和安全風(fēng)險。熟悉掌握每個(gè)儲能電站的具體位置、儲能類(lèi)型、電池類(lèi)型、容量規模、火災危險性、固定滅火設施、事故處置對策等基本情況，收集電站的平面圖、裝機圖、流程圖、線(xiàn)路圖、控制圖等基礎資料，建立資料檔案庫，逐一制定滅火救援預案，真正摸清底數，做到心中有數。

5.3強化力量調度，確保協(xié)同高效處置

各地消防救援隊伍在接到電化學(xué)儲能電站發(fā)生火災的報警后，應優(yōu)先調派大功率大流量水罐和泡沫消防車(chē)、高倍數泡沫消防車(chē)、搶險救援消防車(chē)、大跨距舉高噴射消防車(chē)、供氣消防車(chē)、干粉消防車(chē)、遠程供水系統等車(chē)輛，以及遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高倍泡沫發(fā)生器、熱成像儀、消防機器人、無(wú)人機、漏電探測儀、測溫儀、可燃氣體檢測儀、有毒氣體檢測儀、電絕緣裝具、絕緣剪斷鉗、備用氣瓶等器材和個(gè)人防護裝備。同時(shí)，要調集電力、應急、公安、醫療、環(huán)保、供水等聯(lián)動(dòng)力量以及相關(guān)專(zhuān)家到場(chǎng)輔助處置。確保能夠*一時(shí)間了解掌握儲能電站情況，*一時(shí)間有效處置。

5.4依據現場(chǎng)規模，保持安全處置距離

消防救援力量到達后，應特別注意要從上風(fēng)或側上風(fēng)方向接近現場(chǎng)，并在事故區域的上風(fēng)向或側上風(fēng)向劃定安全集結區。按照單個(gè)獨立設置的撬裝式儲能電站不少于200m，2個(gè)以上撬裝式儲能電站不少于500m，站房集中式單層布置的儲能電站不少于500m，站房集中式立體布置（2層以上）的儲能電站不少于1000m的要求保持安全距離。參戰人員和車(chē)輛在安全集結區集結待命，不得貿然進(jìn)入事故現場(chǎng)。在處置過(guò)程中要避開(kāi)爆炸泄壓的門(mén)、窗、孔洞和泄爆口，確保參戰人員的安全。

5.5掌握現場(chǎng)情況，及時(shí)組織災情研判

到場(chǎng)的消防救援隊伍指揮員應及時(shí)組織對現場(chǎng)情況進(jìn)行研判，核實(shí)確認事故現場(chǎng)是否已處于輸入、輸出斷電狀態(tài)，核實(shí)事故電池堆（站）電池電化學(xué)體系類(lèi)型，單個(gè)電芯、電池模塊（簇）容量和形狀，以及數量、電流、電壓、溫度、裝機容量等，預判*大爆炸破壞力波及范圍和有毒有害氣體擴散范圍，為人員疏散、警戒管控、車(chē)輛集結、處置區與工作區劃分等提供依據。消防救援力量應根據現場(chǎng)研判評估意見(jiàn)，確定處置措施和處置時(shí)機。在情況不明的情況下，消防救援力量堅決不靠近、不處置，不貿然進(jìn)入。

5.6遵循處置原則，確?，F場(chǎng)人員安全

消防救援隊伍在處置過(guò)程中要堅持“安全防御、控制燃燒”的原則。經(jīng)評估具備處置條件的，充分利用遙控消防水炮、水力自擺消防水炮、高噴消防車(chē)臂架水炮等遠距離控制火勢、冷卻降溫。對其他未著(zhù)火的建筑或區域設置水幕分隔保護。陣地部署完畢后，人員要及時(shí)撤離至安全區域；不具備處置條件的，要利用消防機器人稀釋、水幕分隔的方式，*一時(shí)間疏散人員，阻截輻射熱，保護周邊建筑和重點(diǎn)目標。嚴禁將水直接射向未著(zhù)火的儲能電池模塊（簇），避免處置不當造成儲能電池模塊（簇）短路；對設置在露天區域的撬裝式儲能電站火災，應在撬裝4個(gè)角的鋼柱45°角方向，距離50m處設置移動(dòng)水炮對兩側箱體以及頂部進(jìn)行冷卻，人員撤離至安全區域。明火撲滅后，應對電池堆（站）間內的電池模塊（簇）、組合電池、單個(gè)電芯進(jìn)行持續冷卻至正常環(huán)境溫度。

6 安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統

6.1概述

Acrel-2000MG儲能能量管理系統是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)等功能。其中策略管理，支持多種控制策略選擇，包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不僅可以實(shí)現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)現與上級調度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以滿(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

6.2應用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

6.3系統結構

6.4系統功能

6.4.1實(shí)時(shí)監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

6.4.2優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進(jìn)行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現經(jīng)濟優(yōu)化調度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

6.4.3收益分析

用戶(hù)可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

6.4.4能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

6.4.5策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

7 硬件及其配套產(chǎn)品

參考文獻：

[1]應急管理部消防救援局,滅火救援典型戰例[Z].2021.

[2]GB 51048—2014電化學(xué)儲能電站設計規范[S].

[3]吳泳,李麗娜,王志剛,等.通風(fēng)條件下儲能集裝箱磷酸鐵鋰電池熱失控氣體擴散規律[J].消防科學(xué)與技術(shù),2021(5):610-612.

[4]朱江,張宏亮.鋰電池儲能系統火災危險性及防范措施[J].武*學(xué)院學(xué)報，2018,34(12):43-45.

[5]應急管理部消防救援局,電化學(xué)儲能電站火災撲救要點(diǎn)（試行）[Z].2021.

[6]徐寶勇.電化學(xué)儲能電站火災分析及處置措施研究

[7]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022年05版

[8]安科瑞Acrel2000ES儲能能量管理系統選型手冊.2024年04版

[9]安科瑞光儲充微電網(wǎng)系統解決方案.2024年04版