基于RAC-AHP评估法的锂离子电池厂房火灾处置研究

2022-05-10胡博恺工程师钱洪伟副教授苏忠波工程师凡高级工程师蔡昊燃

安全 2022年4期

胡博恺工程师钱洪伟副教授苏忠波工程师莫凡高级工程师蔡昊燃

(1.应急管理部消防救援局昆明训练总队，云南昆明 650000；2.河南理工大学，河南焦作 454000；3.温州市消防救援支队，浙江温州 325000)

0 引言

根据国际能源署2021年的统计数据，2020年全球储能系统年度装机量约为17GW，其中锂离子电池(Lithium-ion Battery，LIB)占92%，此外，受低碳经济驱动，中国预计至2025年加装超过30GW的储能设备，5年内储能装机容量预计增长约10倍[1]。随着中国LIB储能产业的爆炸式发展，该产业的消防安全问题日益凸显，LIB厂房火灾时有发生[2]。据统计，近10年来，中国共发生LIB储能火灾11起，其中LIB厂房火灾8起，造成人员受伤和重大财产损失[3]。近期，国内外学者针对LIB厂房火灾事故展开定性和定量研究：就LIB火灾成因，Robert等[4]在2021年案例回顾发现，大型LIB储能火灾的起因通常为爆炸，因此在LIB厂房必须做到通风防爆；就厂房中LIB的燃烧特性，Chandra等[5]在2022年通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真建模发现，21700型高密度LIB簇在火灾时的放热速率、电池表面温度和内部温度的平均峰值分别为3.6kW、753℃和1080℃；就LIB厂房火灾灭火剂的选用，Ahmed等[6]、刘喻军等[7]分别于2021、2022年通过试验研究发现，一种新型氟化酮类灭火剂(Novec1230)能够有效抑制LIB厂房初期火灾的燃烧速率和毒性，达到洁净灭火的效果；就LIB厂房的处置方法，陈文博等[3]、杨旭等[8]分别于2021、2022年定性研究发现，科学、合理地运用消防技战术措施是扑救LIB厂房火灾的关键。综上所述，LIB厂房火灾具有高温、易爆的特性，而氟化酮类灭火剂的使用和消防技战术的合理运用是扑救LIB厂房火灾的关键因素。由于氟化酮类灭火剂仅限于初期LIB厂房火灾的防控，而关于消防技战术的研究仍处于经验总结阶段，因此对厂房火灾危险性做出定量评估，以及构建火灾处置程序体系，有利于实现氟化酮类灭火剂初期防控与中后期消防技战术处置的有机融合，提升LIB厂房火灾处置效能。风险评价规范法(Risk Assessment Code，RAC)在2017年被首次用于LIB厂房火灾评估[9]，而层次分析评估法(Analytical Hierarchy Process Method，AHP)已被广泛应用于多种建筑火灾的研究，本文采用的RAC与AHP结合的复合研究法，有利于克服非典型火灾中因专家对灾情不熟悉、权威性不足带来的不利影响，较全面地分析研判灭火救援风险隐患，并有针对性地提出安全、高效、务实的火灾处置措施，有利于提升应急救援队伍对于LIB厂房火灾等非典型火灾的处置能力。

1 LIB厂房火灾的风险特征

1.1 LIB的主要风险

1.1.1 火灾

LIB因热失控发生火灾后，火灾温度超过750℃，并持续释放可燃气体(甲烷、乙烯、氢气等)与助燃气体(氧气)[5]。由于电池内部难以冷却降温，明火扑灭后容易复燃。

1.1.2 爆炸

LIB发生热失控后，会生成大量烷烃类可燃气体，当可燃气体浓度达到爆炸极限时，遇明火就会发生爆炸，LIB爆炸的TNT当量与电池容量呈线性关系。

1.1.3 中毒

LIB燃烧时会产生氰化氢、氟化氢等剧毒气体，对眼和呼吸道粘膜产生强烈刺激作用，引起呼吸道炎症、肺水肿、呼吸麻痹等，吸入量过大时会导致人员死亡。

1.1.4 触电

LIB储能系统未接通电源或系统关闭时，部分部件仍可能处在带电状态。在接触系统时，若没有穿戴好相应的防护工器具，极可能发生触电。100V的电压电箱短路时的瞬间电流超过104A，可瞬间融化钢铁，非常危险。

1.1.5 灼伤

火灾中，LIB外壳受热辐射而鼓包、破裂，硫酸、氢氧化钠等强酸强碱电解液从电池外壳滴落，此外，绝缘破损位置产生的弧光放电会导致消防救援人员电弧灼伤。

1.2 LIB厂房火灾风险性

1.2.1 高热失控风险

LIB厂房通常具有电池数量多、能量密度高的特点，因质量不过关、设计安装不规范等因素导致电池热失控，内部热量持续堆积，释放有毒易爆气体，易发生燃烧、爆炸等连锁反应。尤其化成、分容、储能等环节，兼具高架仓库火灾特点，火势蔓延、货架倒塌、高压触电、爆炸冲击等风险进一步加大。

1.2.2 空间布局风险

厂房整体结构多数采用钢结构(轻、重钢结构)，建筑布局复杂，通风管道及电气线路密集，内部围挡较多，空间密闭，通道错综复杂，高温烟气聚集，燃烧爆炸导致坍塌风险加剧，救援人员容易迷失。此外，LIB生产企业还有多栋厂房通道连接、单栋多层高度集成和“厂中厂”等特征，风险隐患不托底。

1.2.3 物料燃爆风险

厂房内的原料仓库、注液车间、电解液储备(暂存)间和废料库涉及电解液、醇酮类溶剂等原、废料，多为甲、乙类物质，易发生燃烧爆炸。此外，电池热失控所释放的易燃易爆、有毒有害气体，与原料、废料、废气和产物共存叠加，风险加剧。

2 LIB厂房火灾的风险评级

2.1 理论模型构建

结合LIB生产工序及“5.13”江苏启东海四达LIB厂房火灾扑救、“2.15”浙江杭州萧山万向一二三LIB厂房火灾扑救等典型灭火处置案例，分析LIB厂房火灾的影响因素，构建LIB厂房火灾风险评估指标体系，依据层次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)分析原理建立LIB厂房火灾风险评估层次递阶模型，如图1。

注：火灾中，3种灭火处置战术在同一区域、时间展开，其风险要素相互渗透、相互影响

2.2 RAC-AHP综合评估

2.2.1 确立风险权重系数

不同于其他火灾，LIB厂房火灾是近年来才出现的全新火灾类型，消防救援部门对其认识了解不深，缺乏资深研究专家，因此传统的专家调查法不适合。为确保权重系数的合理准确，本研究采用RAC法评估LIB厂房灭火处置风险指数[10]，并用RAC风险指数等效替换AHP风险权重系数。在RAC中，LIB厂房火灾的灭火处置风险指数为灭火处置风险严重性与灭火处置风险可能性的乘积。灭火处置风险严重性共划分为5级：5级(死亡)、4级(重伤)、3级(轻伤或罹患慢性职业病)、2级(轻微伤，休养后恢复)、1级(轻微伤，不影响工作)；灭火处置风险可能性同样划分为5级：5级(经常发生)、4级(偶尔发生)、3级(罕见)、2级(极其罕见)、1级(存在理论可能，但几乎未发生过)，见表1。

表1 LIB厂房火灾处置的风险矩阵

在实际灭火处置行动中，尽管厂房合理的内部空间布局、畅通的疏散通道和完善的工艺设施能够消除一定比例的火灾风险指数，但是由于不同企业的安全基础设施差异巨大，其风险消除因子难以量化，因此本研究不考虑风险消除因子变量对风险指数的影响。所以，按照AHP模型1-9标度法的构建需求，分别对目标层、准则层指标的风险指数逐一求和并化简整除，得到AHP风险权重系数的等效标度值，见表2。

表2 RAC风险指数和与AHP风险权重系数对应关系

2.2.2 计算风险指标权重

根据RAC风险指数所替换的AHP等效标度值，对2类共14个层次指标两两比较分析，并按其重要性程度评定等级，根据两两比较结果构建的矩阵称为判断矩阵：

目标层的判断矩阵为：

同理，准则层的判断矩阵为：

首先，计算判断矩阵每一行元素的乘积M：

(1)

式中：

n—矩阵的阶数；

aij—要素i与要素j重要性的比较结果。

(2)

式中：

(3)

式中：

ωi—权重向量标准值。

计算判断矩阵的最大特征根λmax：

(4)

式中：

ω—所求的权重向量；

(Aω)i—特征向量Aω的第i个元素。

按照公式(1)-(4)，利用SPSS pro软件计算出准则层、决策层的风险指标权重及最终权重，见表3。

表3 准则层与决策层权重

AHP中，需要通过一致性检验来评价分层判断矩阵的合理性，只有当随机一致性指标CR≤0.1时，判断矩阵构建合理。

计算一致性指标：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

式中：

λmax—判断矩阵的最大特征值。

计算判断矩阵的一致性比例CR：

(6)

式中：

CI—一致性指标；

RI—对应的平均随机一致性指标。平均随机一致性指标值，见表4。

表4 平均随机一致性指标值

按照公式(5)-(6)，利用SPSS pro软件对分层判断矩阵进行一致性检验，结果见表5，当CR≤0.1时，判断矩阵具有满意的一致性。

表5 一致性检验结果

2.2.3 划分风险级别

结合表3可知，LIB厂房火灾处置中最大的风险指标分别是C9车间着火、C5外部爆炸、C6建筑坍塌，C5、C6、C9的风险总和占LIB厂房火灾风险的52.1%。值得注意的是，着火、爆炸和建筑坍塌同样是造成中国消防员伤亡的最主要风险，2017-2019年，着火、爆炸和建筑坍塌共造成中国消防员11死、41伤，占3年内总伤亡人数的57.1%[11]。参照成松柏等[12]2007年提出的现代社会风险综合量化指数评分法，对LIB厂房火灾风险级别进行划分。

(1)简单风险级别划分。各个决策指标的量化指数Ri(i=1，…，11)均使用5级计分法，则现代社会风险综合量化指数R为：

计算出R的取值范围为11～55，可规定11～22为低风险级，22～33为中风险级，33～44为高风险级，44～55为极高风险级。

(2)加权风险级别划分。各个决策指标的量化指数Ri(i=1，…，11)均使用5级计分法，但根据实际情况将各指标分别取不同的权重值。将工艺处置风险、外部处置风险、内攻处置风险分别规定相应的权重 (x1，x2，x3)，则现代社会风险综合量化指数R为：

根据表3可知，最终权重(x1，x2，x3)=(0.135，0.367，0.498)，可求得R∈(0.04，0.20]，规定R∈(0.04，0.08]为低风险级，R∈(0.08，0.12]为中风险级，R∈(0.12，0.16]为高风险级，R∈(0.16，0.20]为极高风险级，见表6。

表6 LIB厂房火灾风险指标的风险级别划分

3 LIB厂房火灾处置程序体系构建

为有效消解各类风险因素、提升灭火救援效率，借鉴胡人元[13]2020年提出的模块化消防救援事故处置程序，按照接警调度、展开准备、灭火救援行动和收尾的步骤构建LIB厂房火灾处置程序体系，如图2。

图2 LIB厂房火灾处置程序体系框架

3.1 接警调度

3.1.1 接处警

指挥中心接警后，需询问锂离子生产企业或厂房的事故位置、有无人员被困、灾情发展、周边毗邻情况等，如报警人是单位内部人员，要询问电池种类及储量、厂房结构、火灾烟气情况、燃烧部位及爆炸坍塌可能性等信息。警力出动后，及时将火灾现场情况和安全处置事项反馈给前方指挥员，并保持不间断联系，共享灾情信息，着重做好着火、爆炸和建筑坍塌风险方面的安全提示。

3.1.2 力量调度

优先调集大流量、大载液量泡沫消防车、大跨距举高喷射消防车、排烟车、供气车、远程供水系统等车辆，增大外部射水的安全距离，减少外部爆炸造成的损伤；携带无人机、红外热像仪、有毒(可燃)气体检测仪、漏电探测仪、测温仪、排烟机、万用表(绝缘电阻表)等器材装备，对爆炸、漏电风险进行监测和研判；调集住建、交通、应急、卫健、综合执法等联动力量的重型工程机械，做好建筑塌方后第一时间现场排险、抢救伤员的应急准备；支队、全勤指挥部、辖区大队值班长要随警出动，到场指挥，做好灾情发展的分析研判。

3.1.3 途中指挥

辖区消防救援站指挥员及时联系报警人或事故单位，行进途中进一步了解核实事故现场人员被困、灾情发展(现场火焰形式、燃烧或爆炸情况、火势蔓延趋势)、固定灭火设施动作，以及采取紧急措施等情况，预判灾情发展态势，明确侦察、警戒、安全管控等任务分工，并及时向指挥中心报告，视情请求增援。

3.2 展开准备

3.2.1 安全管控

做好作战区域管控。参战人员和车辆从上风或侧风方向接近现场，并在适当位置划定安全集结区，不得贸然进入事故现场；充分利用地形地势条件设置防冲击屏障，避开爆炸泄压的门、窗、孔洞等区域。根据LIB化成及仓储区域容量、事故现场环境以及爆炸冲击可能产生的风险危害，实施安全管控和交通管制。

做好救援人员安全防护。在核心处置区域，参战人员需做好个人防护，佩戴空(氧)气呼吸器；外围区域人员需佩戴过滤式呼吸面罩或N95防护等级以上口罩；设立紧急救助小组，实时掌握救援人员位置及其附近的应急通道；提前准备工程机械待命，做好安全迅速破拆墙体，打通救生通道的准备。

构建现场监测评估体系。利用随车专业监测仪器对着火建筑结构安全性、可燃及有毒气体浓度和带电情况进行实时监测，全程预判现场危险区域和部位可能发生的危险迹象，预先确定撤离信号，明确撤离方式和路线。

3.2.2 信息核查

核查生产工艺设施。第一时间询问知情人，结合工艺流程图、事故部位及关键设备结构图、公用工程管网图等相关资料，了解事故企业类型(电芯生产、电池仓储、电池包组装、换电站或储能电站等类型)；了解厂房类型(洁净厂房、大跨度厂房以及多栋厂房通道连接、单栋多层高度集成和“厂中厂”等)；了解电池储量、种类(磷酸铁锂、三元锂等)、外观(圆形、方形、软包等类型)、形式(电芯、电池模块、电池簇等)。

核查建筑结构及保温材料。根据厂区平面图、内部布局图，了解建筑结构(门式轻钢结构、多层钢结构、混凝土框架结构)；确认屋顶是否设置光伏发电面板；了解平面布局(整体平面分布、垂直分布、分体连廊连接式)，重点确认原料仓库、化成分容车间、成品仓库等电池数量较多的区域；了解横向蔓延通道(人流、物流、管道等)和纵向通道(垂直运输设备、变形缝等)；了解防爆墙、泄压口(孔)等位置；核实厂房所用的内部装修材料(岩棉、聚氨酯泡沫板等)，并估测其燃烧性能和发烟量。

3.2.3 侦察研判

侦查起火区域。利用无人机、无人侦察车，侦查厂房整体LIB燃烧状态，根据红外温度判断厂房内电池能量是否已释放；派遣侦察组，核实起火厂区是否设置光伏发电、压力容器和储能电站(类型、功能)，涉及储能电站的需核实电池类型(铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等)以及电池堆(站)、电池模块(簇)、单个电芯的具体参数(容量、数量、电压、电流、温度等)，全面研判火灾发展蔓延的风险性。

侦查毗邻情况。派遣侦查组，侦查事故建筑周边的压力低温容器(压缩空气、液氮或氮气管线、惰性气体钢瓶等)位置、存量及管道走向、关阀断料情况，研判生产工段发生爆炸、毒性和腐蚀性气体泄漏的风险性。

全面分析研判。利用消防控制室查询、视频监控系统查看、询问厂方技术人员等方式，进一步复核掌握人员被困、平面布局、建筑结构、工艺工况、火势蔓延、毗邻区域受火势威胁程度、固定消防设施启用及公用工程保障能力，确保消防员在内攻途中不会遭遇轰燃、爆炸和建筑坍塌等险情。

3.3 灭火救援行动和收尾

3.3.1 生产工艺处置

协助工厂技术人员，第一时间切断事故厂房相邻工段的电源。厂房火势失控前，未经综合研判，不能随意切断事故厂房内部电源，防止化成区自动处置措施因断电失效，造成电池热失控蔓延；关闭空气净化系统，防止火势随管道扩散蔓延。厂房火势失控后，切断全厂电源。同时，第一时间启动事故区域喷淋、排烟等固定消防设施，对电池存储火灾核心区域进行冷却通风，降低火场温度、烟气浓度，并通过后台监测电脑对锂电池存储区域的温度和烟气流动情况进行监测，防止轰燃、爆炸发生的可能性。

3.3.2 外部控火冷却

坚持固移结合，按照“安全防御、控制燃烧”的原则，第一时间利用消防车为喷淋接合器加压供水，提高内部喷淋冷却强度，控制火势蔓延。依托防爆墙设置大跨距高喷车、车载炮压制火势，避开门窗等泄爆面；如无防爆墙，必须保持安全距离；对其他未着火的建筑或区域设置水幕分隔保护。如需抵近作业，优先采用自摆炮、遥控炮、机器人等无人化装备部署阵地，防止爆炸抛射物、高空坠物造成人员伤亡。

3.3.3 内攻灭火救援

坚持“救人第一，科学施救”的灭火救援原则，利用消控室视频监控定位、询问知情人等方式快速确定被困人员位置，在知情人指引下，通过就近应急通道内攻搜救。内攻前，确定排烟排热部位，优先启动建筑固定防排烟系统，如无法实施，视情调集挖掘机、强臂破拆车等大型机械设备进行破拆排烟。内攻时，优先从着火区域就近应急门进入，如未设置应急门，可根据情况破拆墙体就近进入事故区间。内攻期间，考虑长时间灭火冷却的战术要求，要及时启用远程供水系统，保证火场供水持续不间断。对于火场中的重要设备、物资，设置水枪阵地冷却保护，厂房明火扑灭后方可进行物资转运。

3.3.4 清理移交

在LIB冷却降温至正常环境温度后开展清理工作。清理事故现场时，必须在企业技术人员配合下，做好个人防护，穿着电绝缘服、电绝缘鞋和手套等全套装具，全程利用有毒、可燃、漏电探测仪及万用表进行监测，防止发生漏电、触电等意外伤害。现场清理完毕后，清点人员物资，并将现场移交给企业和环保部门。