基于磷酸鐵鋰儲能電站滅火技戰(zhàn)術(shù)研究

周會會 張亮 劉敏 楊旭

摘要：鋰電池儲能技術(shù)以其費用低、技術(shù)成熟、能量密度大及循環(huán)壽命長等優(yōu)點成為電化學儲能領域最廣泛應用技術(shù)之一，但安全問題也是其突出的缺點。文章從儲能系統(tǒng)工作原理、安全風險因素、熱失控特征辨識等方面分析鋰電池儲能系統(tǒng)滅火技戰(zhàn)術(shù)措施及注意事項，為一線消防救援人員處置此類火災提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：儲能系統(tǒng);火災;戰(zhàn)術(shù);預制艙儲能

中圖分類號：TM912? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）04-0029-03

儲能是指通過介質(zhì)或者設備，利用化學或者物理的方法把能量存儲起來，根據(jù)應用的需求以特定能量形式釋放的過程，通常說的儲能是指針對電能的儲能。儲能技術(shù)應用廣泛，而電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電（風能、太陽能等）、清潔能源、新能源汽車等行業(yè)的飛速發(fā)展，對儲能技術(shù)尤其大規(guī)模儲能技術(shù)提出了更高的要求，儲能技術(shù)已成為該類產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用將成為智能電網(wǎng)發(fā)展的一個必然趨勢[1]。

“十四五”是碳達峰的關(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，實施可再生能源替代行動，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現(xiàn)碳達峰、碳中和的必然選擇。由于風能、太陽能等可再生能源發(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)會給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴重的沖擊，而大規(guī)模儲能系統(tǒng)可有效實現(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)、快速響應等功能，從而減小可再生能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，提高電網(wǎng)對可再生能源發(fā)電的消納能力[2-4]。因此，大規(guī)模儲能技術(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。

我國的儲能電站所用電池大部分來自動力電池生產(chǎn)線，沿用了動力電力的電芯標準。磷酸鐵鋰電池以其安全性高、能量密度高、充放電倍率高、使用壽命長等特點被廣泛應用于電化學儲能系統(tǒng)[5]。近年來，國內(nèi)外儲能電站事故引起了消防救援人員對其安全的關(guān)注。因此本文從儲能系統(tǒng)安全風險因素、熱失控辨識出發(fā)研究該類事故的滅火救援戰(zhàn)術(shù)。

1? 儲能系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1? 電池儲能系統(tǒng)構(gòu)成

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

1.2? 鋰電池儲能系統(tǒng)工作原理

太陽能或者風能產(chǎn)生的直流電一部分通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，進行升變壓并入市網(wǎng)，輸送到千家萬戶;另一部分通過電纜直接進入直流配電柜儲存到電池預制艙中。

電池管理系統(tǒng)（BMS）可以實現(xiàn)單體電池電壓、煙霧、電流、溫度等的采集，具有電池短路、過充或過放的保護功能，通過傳感器復合判斷方式，有效識別火災信號，實現(xiàn)早期火災預警功能。儲能系統(tǒng)工作原理見圖1。

2? 儲能系統(tǒng)安全風險因素

在儲能系統(tǒng)中，鋰電池通常是由數(shù)百只甚至數(shù)千只串并聯(lián)在預制集裝箱中，電池單體發(fā)生熱失控，會在電池簇內(nèi)發(fā)生蔓延，引起嚴重的后果。儲能安全是一個系統(tǒng)問題，不僅僅是電池帶來的，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，均有可能導致起火。儲能系統(tǒng)事故風險因素可劃分為電池本體、外部激源、運行環(huán)境及管理系統(tǒng)四類。電池堆是最大的安全隱患之一，電池本體因素成為儲能安全的核心，其誘發(fā)安全事故的來源主要是電池制造過程的瑕疵及電池老化帶來的儲能系統(tǒng)安全性。電池在非常規(guī)的運行環(huán)境及管理系統(tǒng)因素影響下，內(nèi)部老化過程更加復雜多變，并逐漸演變成安全問題。外部激源主要來源于三方面，一是電激源，包括過充、過放等濫用情況。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。三是機械激源，包括振動、擠壓等，機械激源在電動汽車上較為常見，在儲能電站中幾乎沒有。

3? 儲能系統(tǒng)熱失控特征辨識

3.1? 火災預警系統(tǒng)

消防救援人員到達現(xiàn)場，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，對其熱失控狀態(tài)進行鑒別，實現(xiàn)現(xiàn)場安全管控、風險研判及火災的快速識別。

3.2? 多參數(shù)監(jiān)測模塊

通過檢測電池模塊的VOC、可燃氣體、溫度、煙霧參數(shù)[6]，分析電池內(nèi)阻數(shù)值的變化情況，實現(xiàn)對電池熱失控的實時探測，科學研判火災撲救的安全距離及最佳的內(nèi)功時間，有效避免熱失控。

3.3? 火災探測器

儲能系統(tǒng)所在的環(huán)境相對密閉，一旦出現(xiàn)電熱失控，將會導致系統(tǒng)中氣體成分及濃度發(fā)生變化。對于初期火災，主要應用氣體探測器對泄漏出來的氣體進行檢測，在中期及晚期火災主要利用感煙探測器、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、感光探測器以及感溫探測器進行檢測。

4? 儲能電站火災撲救技戰(zhàn)術(shù)措施

儲能系統(tǒng)的電池單體數(shù)量大，整體能量相對于電動汽車電池系統(tǒng)高1～2個數(shù)量級，預制艙式鋰電池儲能系統(tǒng)一旦單體電池或電池單元發(fā)生火災，將會引起電池簇及相鄰儲能單元的連鎖反應甚至箱體爆炸，火災處置危險性高、難于撲救且社會影響嚴重。

4.1? 準確辨識研判

儲能系統(tǒng)電池組發(fā)生事故時，首先要研判“劑量、儲量”，即能量密度的大小。對有可能發(fā)生的爆炸做出評估;其次要研判災情階段，對于處于初期火災（未爆炸）階段，要始終貫徹“先控制、后消滅”的戰(zhàn)術(shù)原則，嚴禁救援人員打開預制艙門、與儲能系統(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]撲救預制艙初期火災，同時對毗鄰區(qū)域冷卻。對于已經(jīng)發(fā)生爆炸的電池組要大流量射水冷卻滅火，嚴防災情擴大。

4.2? 全要素、全周期監(jiān)測

磷酸鐵鋰電池在發(fā)生熱失控前，會出現(xiàn)明顯的特征參量變化，利用無人偵察機實現(xiàn)視頻傳輸（如語音、測距、測溫等），通過電池管理系統(tǒng)、火災報警、預警系統(tǒng)探測溫度、壓力、煙霧及可燃氣體成分和濃度，通過這些特征參量的變化，判斷電池是否發(fā)生熱失控，從而準確發(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

高噴車垂直冷卻事故預制艙及毗鄰區(qū)域，新型消防滅火機器人向前推進，壓制火勢，冷卻預制艙，大型無人機連接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情發(fā)展，為內(nèi)攻創(chuàng)造合適的時機。見圖2。

4.4? 防消結(jié)合，精準施策

磷酸鐵鋰電池早期熱失控及熱擴散特征參數(shù)為氣體，應將氣體探測作為鋰電池火災探測的主要指標之一。因此儲能系統(tǒng)的火災防控應更加注重對氣體探測器的多點布置，以便滅火救援人員及時掌握鋰電池熱失控早期預警。同時儲能系統(tǒng)應設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用“固移結(jié)合”戰(zhàn)術(shù)原則處置火災。

4.5? 智慧消防與5G技術(shù)精準防控

5G新技術(shù)推動智慧消防領域產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，使得消防技術(shù)從平面化向立體化提升[9]。通過對攝像機點位的視頻進行針對性智能分析，在原有報警信息的基礎上增加可視化，實現(xiàn)動態(tài)感知、智能研判與精準防控，確?；鶎酉谰仍藛T的生命安全。消防救援人員可以通過VR/AR模擬訓練，提升消防救援人員對新業(yè)態(tài)、新工藝技戰(zhàn)術(shù)訓練。

5? 儲能電站火災處置注意事項

鋰電池火災會出現(xiàn)復燃現(xiàn)象，滅火后需采用紅外測溫儀等設備不間斷測溫，預留消防中隊進行現(xiàn)場監(jiān)控。

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

鋰電池燃燒或撲滅時會產(chǎn)生有毒有害氣體，消防救援人員在火災現(xiàn)場和現(xiàn)場清理全過程中必須全程佩戴空氣呼吸器等全套防護裝備，防止中毒風險。同時配備一定數(shù)量的防毒面罩，增加一線戰(zhàn)斗人員處置事故時間。

儲能電站箱門打開后，會產(chǎn)生大量的氣體和煙霧，CO的體積分數(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置時要注意避開泄壓口、泄壓面，處置過程中應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

電化學儲能是“雙碳”能源改革中重要的一環(huán)，同時儲能電站事故也是消防救援隊伍面臨的一類新業(yè)態(tài)，由于現(xiàn)有滅火劑難以撲救該類型火災，消防救援人員必須熟悉預制艙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、火災風險、防火技術(shù)、熱失控辨識方法，從預制艙的防火設計及元件間聯(lián)鎖效應上革新技戰(zhàn)術(shù)方法，科學決策，合理部署，真正做到“科學、安全、環(huán)保、專業(yè)、高效”的消滅儲能電站火災。

參考文獻：

[1]吳霜，季聰，孫國強.含分布式儲能的配電網(wǎng)多目標運行優(yōu)化策略研究[J].電力工程技術(shù)，2018，37（2）：20-26.

[2]吳盛軍，徐青山，袁曉冬，等.規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的需求與應用分析[J].電氣工程學報，2019，12（8）：10-15.

[3]ALBERTUS P， MANSER J S， LITZELMAN S. Long-Duration Electricity Storage Applications， Economics， and Technologies[J].Joule，2020，4（1）：21-32.

[4]吳靜云，黃崢，郭鵬宇.儲能用磷酸鐵鋰（LFP）電池消防技術(shù)研究進展[J].儲能科學與技術(shù)，2019，8（3）：495-499.

[5]劉俊華，張啟超，李程，等.磷酸鐵鋰電池模組健康度快速評估方法研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2020，36（10）：112-118.

[6]高平，許鋌，王寅.儲能用鋰離子電池及其系統(tǒng)國內(nèi)外標準研究[J].儲能科學與技術(shù)，2017，6（2）：270-274.

[7]劉昱君，段強領，黎可，等.多種滅火劑撲救大容量鋰離子電池火災的實驗研究[J].儲能科學與技術(shù)，2018，7（6）：1105-1112.

[8]黃強，陶風波，劉洋，等.氣液滅火劑對磷酸鐵鋰電池模組滅火能效研究[J].儲能科學與技術(shù)，2020，30（3）：54-58.

[9]李首頂，李艷，田杰，等.鋰離子電池電力儲能系統(tǒng)消防安全現(xiàn)狀分析[J].儲能科學與技術(shù)，2020，19（5）：1505-1516.

[10]胡振愷，李勇琦，彭鵬.電池儲能系統(tǒng)火災預警與滅火系統(tǒng)設計[J].消防科學與技術(shù)，2020，39（10）：1434-1438.