电化学储能电站火灾事故应急响应与处置思考

高 硕 方建钢

电化学储能电站火灾事故应急响应与处置思考

高 硕1方建钢2

（1.长沙市消防救援支队，湖南 长沙 410008；2.湖南省消防救援总队，湖南 长沙 410000）

电化学储能系统在提升电网稳定性，提高电网效率及推进新能源广泛应用方面有着十分重要的作用。近年来全球及国内储能电站火灾时有发生，消防救援部门作为应急救援的主力军和国家队，承担应对处置各类灾害事故的重要职责。如何科学、高效、安全地应对和处置电化学储能电站火灾爆炸事故，对于消防救援部门既是全新的课题，也是十分紧迫的课题。该文详细分析了化学储能电站的事故特点，从接警调度、处置程序和安全警示等方面，就此类灾害事故的应急响应和处置进行了思考和探讨，以期为消防救援部门处置此类事故提供一些参考。

储能电站；锂离子电池；应急处置

2020年，在第七十五届联合国大会和气候雄心峰会上，中国向全世界郑重宣布：中国……力争2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和；到2030年，中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右[1]。发展以水力发电、风力发电和光伏电能为代表的清洁能源是降低碳排放的有效方案，目前中国清洁能源占总体能源比重接近一半。但清洁能源，尤其是风能和太阳能稳定性较差。为解决安全高效大规模利用清洁能源的问题，全球都在积极研究发展和推广应用储能系统，实现削峰填谷，平抑功率波动。截至2019年，全球已投运储能项目累计装机规模191.1GW，电化学储能累计装机规模约为14.2 GW，其中锂电池累计装机规模最大，为13.1 GW[2]。随着能源互联网的提出和储能成本的降低，大规模储能系统的应用将渗透到电力系统的方方面面，其运行安全性，尤其是化学储能系统（电站）的运行安全性，受到极大关注。消防救援部门如何科学、高效、安全地应对和处置电化学储能电站火灾爆炸事故既是全新，也是十分紧迫的课题。

1 储能系统（电站）

1.1 储能系统分类

储能系统在发电、可再生能源、输配电、用户侧和辅助服务等领域有着广泛而基础性的应用，其主要实现削峰填谷，调峰调压等多种功能[3]。储能系统按照在电力系统应用和安装位置，可分为发电侧储能、输配电侧储能和用户侧储能三种储能系统（电站）。发电侧储能系统作为风能和太阳能等清洁能源的配套技术，能实现有效削峰填谷功能，提升电能输送质量；输配电侧储能系统主要对电网进行有效调频、调压、无功补偿等功能；用户侧储能系统主要为耗能用电量大的单位利用电网谷电储能，峰电自主调节补充用电量，从而实现能耗成本降低的功能。储能电站按照其能量转换和储存形式主要有机械储能、电化学储能、电磁储能及相变储能等系统[4]。综合使用成本、储能密度、动态响应能力及环境适应性等多方面因素，电化学储能电站的应用将会愈来愈受到重视和广泛应用[5]。

1.2 化学储能系统（电站）

电化学储能电站是指采用电化学电池作为储能元件，可进行电能存储、转换及施放的电站，主要构成部分有：储能单元、功率变换单元、电池管理系统、变压器以及相关继电保护设备、通信设备、控制系统等等。按照容量规模，功率或容量小于1MW或1MWh为小型电化学储能站，功率或容量大于30MW或30MWh为大型电化学储能站，介于大型和小型之间的为中型电化学储能电站[6]。电化学储能电站中应用较多的为磷酸铁锂电池系统。

1.3 电化学储能电站火灾爆炸事故案例

电化学储能电站其火灾风险主要集中在大规模电池组，如果处置不力，易引发大面积燃烧和爆炸，造成巨大经济损失和社会影响。2018年7月2日，韩国一大规模电化学储能电站（三元锂电池）发生爆炸，3500多个电池烧毁，经济损失约46亿韩元；2019年4月19日，美国亚利桑那州的公共服务公用事业公司（APS）发生大规模电池储能项目（三元锂电池）爆炸，8名消防队员在事故处置中受伤[7]；2021年4月16日北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站（磷酸铁锂电池）发生起火爆炸，事故造成2名消防员牺牲，1名消防员受伤，电站内1名员工身亡。

近10年间，全球共发生32起储能电站起火爆炸事故。其中，日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。其中25起事故采用三元锂离子电池[8]。

2 电化学储能电站火灾事故主要特点

化学储能电站火灾事故风险性最高的场所是其储能单元，即电池簇。电池簇中的电芯内部发生热失控是火灾爆炸的直接原因，经过大量研究，锂离子电池热失控的机理已基本清楚[9-11]。化学储能电站火灾有如下几个方面主要特点：

2.1 能量密度高，燃烧热辐射强，爆炸威力较大

对于锂电池，内部有大量含能正负极材料、可燃有机电解液等，其能量密度为150～250Wh/Kg，整个体系能量密度较高，锂离子电池电芯燃烧热辐射强烈，一旦爆炸，能量释放强度高，产生的冲击波威力大。以100Ah的三元锂电芯为例，一个电芯存储的电能为100 Ah×3.7 V×3600 s=1332kJ。同时，电池热失控时还会存在化学反应释放能量，一个100% SOC（stateofcharge缩写,电池的剩余容量）的电芯热失控释放的总能量中有42%来自电能转化而来，电能转化热能效率约28%，其他大多来自内部材料的分解等化学副反应，一个电芯热失控后释放的总能量为，1332 kJ×28%/42%=888 kJ。作为对比，1克TNT炸药的能量为4184焦耳，则一个100Ah的电芯热失控后释放的总能量相当于212克TNT炸药能量当量。储能电站中一个1MW/2MWh锂电池储能柜的电芯热失控后释放的总能量约为80GJ。

2.2 危险化学品多样，化学反应复杂，事故处置难度大

电池组内部有正负极活性材料、高分子隔膜、粘合剂、有机电解液和少量活性金属等重量众多易燃、可燃物质组成。发生事故时，电池内部热失控导致内部物质发生复杂化学反应，释放氢气、烃类及易燃电解液蒸汽、氧气等可燃和助燃气体[12]，锂离子电池堆燃烧后同时具有固、液、气、金属火灾的特点[13]。此外，燃烧有氟化氢、五氟化磷等剧毒物质产生。这些对消防救援人员在救援现场的个人防护要求高，目前无特殊有效灭火药剂用于此类灾害的灭火行动。

2.3 多种风险关联耦合，灾情易发生突变，现场风险评估难度大

由于储能系统中的级联电池模块（串并联组后电压一般近1000V，电流强度近200Ah），灭火处置不当，喷水位置和喷水强度不合理，可能引起带电体发生短路，诱发电池模块内新的热失控过程，导致火灾、爆炸；一个储能单元发生事故，可能引起相邻多个单元火灾或爆炸事故，扩大事故灾情等级。同时，由于电池组在事故中可能会在一定区域有爆炸性混合聚集，进一步增加事故现场风险。此外，各种风险因素耦合和性高，给现场风险评估带来极大不确定性，作战安全管控难度大。

2.4 电池结构密闭性强，冷却和灭火效率低

储能单元的电池组外表面及电池电芯有严格的密闭性要求，各类结构处于高封闭状态，发生火灾时，起火介质在内部被密封外壳隔离，灭火剂不能有效地直接打击着火部位，这导致外部灭火剂冷却效果大打折扣，极大降低了灭火处置效率。

2.5 灭火持续时间长，火灾现场易复燃。

储能电站电池组数量多，可燃固体、液体和气体成分多，灭火持续时间较长。如，山西朔州磷酸铁锂电池储能电站火灾扑救用时近10h；北京集美大红门25MWh直流光储充一体化电站火灾扑救用时近12h。电池组明火被扑灭后，如果现场冷却不当，火场容易发生复燃。

2.6 灭火供水强度要求大，现场环境污染风险高。

储能电站电池组起火后，考虑动力电池本身结构及电池热失控后的反应机制等原因，需要高强度灭火药剂冷却降温，灭火供水强度较建筑火灾或石化企业火灾扑救所需供水强度要大。而储能电站一般建设在城市郊区，周边市政水源缺乏，给现场灭火供水保障提出了较大挑战。同时受行业建设规范滞后影响，储能电站现场没有像化工企业等单位一样，设立应急事故污水池和污水围堰，一旦发生火灾，灭火用水与破电池损后流出的有毒化学物质混合，四处流淌，造成周边环境污染。

3 电化学储能电站火灾事故处置

3.1 接警调度

当接报辖区化学储能电站发生火情时，消防调度指挥中心应按照充足有效原则，精准调派消防救援队伍（主要调集灭火编队、救援编队、防化编队、供水编队、高喷编队、排烟编队、机器人编队等力量）、辖区专职消防力量及社会联动力量到场处置，并上报省级消防救援总队和应急管理部门。

省级应急管理部门和消防救援总队立即向省级党委政府、应急管理部及消防救援局报告灾情，启动本级应急预案，调集周边所属应急救援力量增援，主要领导带队赶赴现场，成立指挥部，指挥协调各方力量开展灭火救援行动；省级政府、应急管理部门相关领导及辅助指挥人员，立即到指挥中心值守，加强与能源、电力、公安、环保、医疗、通信、供水等部门和行业系统的沟通联络，指导现场力量会同厂区技术人员研判起火部位、危害程度和工艺处置措施，明确救援任务分工。

3.2 处置程序

3.2.1 风险评估

一是查明储能电站的基本情况，电池储能系统的类型，储能电站功率（或容量）规模，发生事故时所处的电池组的状态（充电、放电、检修或是待修）、电池的荷电状态（SOC）和电池组与外部其他设备的拓扑连接结构等，及时通过电站安全控制室的电池管理系统（batterymanengesystem，缩写为BMS）、视频监控系统、气体报警系统、通风系统等查看电池温度、内压、荷电状态等参数，判明电池电芯热失控情况和固定通风系统、灭火系统等安全设施的启动情况，电池单元内部以及电池单位与外界与外界供电系统（电网或光伏电网等）是否物理断开，以及现场是否有触电危险；二是查看有无人员受到火势威胁，人员数量、所在位置、伤势情况等；三是要注意是否已经有过大当量的能量释放（爆炸）；四是现场是否有白色烟雾冒出或聚集，同时使用有毒可燃气体不间断检测现场气体浓度，动态判断发生气体爆炸的可能，尤其要注意电缆井、地下管道等隐蔽工程的分布连接形式，在测量可燃气体浓度时，要将其与起火建筑相连接的受限空间（或建构筑物）一并考虑，开展同步监测。

3.2.2 现场管控

根据事故严重程度划定警戒范围，疏散周边群众，协调交警部门疏导道路交通，以便救援力量及时到场；严格管控警戒范围内人员及车辆进出，安排专人负责救援车辆疏导和定位，确保救援现场紧张有序；综合使用热成像仪、测温仪等装备，对现场进行不间断监测，特别关注未燃烧爆炸电池模块区域的实时状态监控，适时调整警戒范围；人员和车辆装备距离电池组设备、线路安全距离初始推荐的安全疏散距离为45m，不得盲目向未发生燃烧的池组和线路射水。

3.2.3 安全防护

救援人员应根据现场情况做好安全防护工作，穿着全套灭火防护装具。抵近灭火人员应佩戴空气呼吸器，穿戴好防静电内衣、绝缘服、绝缘手套等个人防护装备，防止现场可燃有毒气体、电解液喷溅和触电等伤害。

3.2.4 处置要点

坚持在党委政府统一领导下开展灭火救援行动，贯彻“先控制、后消灭”战术原则，第一时间调集灭火和社会联动专业力量（尤其是储能电站和电力系统专家）到场，采取全面侦察、通风降温、冷却抑爆、控制燃烧等技战术措施进行科学处置。

1）现场警戒。在灭火救援行动中要始终强化安全警戒，初始推荐的安全疏散距离为45m，避免触电和电池爆炸等突发情况造成人员伤亡。

2）侦察断电。第一时间进入主控室，全面掌握事故部位、燃烧状态、蔓延情况、电池相关电压、温度、电量等灾害研判要素，立即切断电池与外界电网的连接，尽可能切断电池组模块之间的连接。若一个区域内的电池组火灾已经发展到猛烈阶段，必须及时果断对临近用电设备实施断电，在此前提下方可进行灭火。

3）冷却保护。及时启动固定消防设施处置初期灾情，尽可能在火势扩大之前，实施通风冷却，同时对发生火灾的电池组采取外围大流量持续冷却降温，对于电池破损后电解液在地面流淌燃烧的区域实施泡沫覆盖。电堆、电池间发生热失控火灾，消防力量到场主要保护其他电池间或撬装站，疏散人员、稀释降毒、保护其他充-输-储设备，防止事故连锁反应。

4）动态监测。及时通过电池管理系统及红外热成像仪、有毒可燃气体探测仪动态掌握电池储能电站所有电池模块的状态、电池模块箱体内温度、可燃气体和有毒气体浓度等情况，遇有监测数据突变情况或有白色气体冒出，立即撤了至安全区域。

5）供液组织。现场指挥部应当及时组织力量，通过远程供水系统直接供水、环卫车辆运水供水、局部市政管网增压等方式，确保火场供水不间断。必要时一次性批量调集泡沫，设置泡沫供给编队，保障现场泡沫供给。

6）控制污染。现场指挥部应当及时组织力量，对现场灭火后的废水进行导流集中收集到应急池，无事故污水池的现场应现场开挖污水池，防止有毒废水污染周边河流和土壤。

7）防止复燃。电池组火灾扑灭后，仍然要持续出水冷却，动态采用测温仪和红外热成像仪监控，防止复燃发生。

3.2.5 现场移交

1）事故处置完毕后，应当全面、细致检查清理现场，视情留下必要力量实施监护或配合后续处置，并向事故单位或有关部门移交现场。

2）撤离现场时，应当清点人员、整理器材装备。归队后及时检查保养装备，补充油料、器材等消耗品，恢复战备状态，并向上级报告。

3.3 安全警示

1）严禁人工开启电池集装箱，或是深入内部近战灭火，除非是建筑内有能实施救援的被困人员或者知道内部有被困人员。当现场观察到有白色烟雾冒出或聚集时，应果断做好撤离准备。

2）消防车辆和装备要放置在远离电池储能系统，较为安全的区域，且头顶不要有电力线路的位置。

3）严控随意射水，射水是要避开未燃烧电池组、功率变换器及相关电气设施，防止引起短路，导致灾情扩大。电池间已发生电池模组、电池堆喷射火，电池间内所有组合电池、簇柜、电池堆没过火前，禁止向事故电池间组合电池、簇柜、电池堆射水降温，移动消防主要任务是疏散人员、稀释降毒、保护其他充-输-储设备。

4）利用高喷车、移动炮、机器人设置灭火阵地，尽可能减少一线作业人员。

5）做好灭火后污水的引流收集，严防浸水短路发生次生灾害和环境污染等。

6）对于已经着火的锂离子电池区域，其灭火剂供给强度远比一般火灾和石化火灾要求大，因此灭火时要加大灭火剂供给强度，持续不断的使用大量的水进行冷却。

4 结 语

通过分析归纳电化学储能电站事故特点，总结出电化学储能电站具有能量密度高，燃烧爆炸中毒风险大，多类风险间耦合性强，灾情易发生突变，火灾现场易复燃及现场供水强度大，环境容污染等灾害特点。针对灾害特点，从接警调度、处置程序和安全警示等方面就此类灾害事故的应急响应和处置给出了一些工作建议，以期为消防救援部门处置此类事故提供一些有益的参考。在论文撰写和修改期间，消防救援局印发了《电化学储能电站火灾扑救要点（试行）》（后简称要点），这一要点的出台，将为消防救援队伍处置此类灾害事故提供行动指南。

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X931

A

1673-2219（2021）05-0039-04

2020-05-01

高硕（1980－），男，湖南祁阳人，博士，研究方向为化学灾害事故处置。

方建钢（1980－），男，湖南怀化人，研究方向为火灾扑救及特种灾害事故救援。

（责任编校：文春生）