张家口市国家级可再生能源示范区新能源产业火灾风险和灭火救援研究

2023-11-27石朝阳

消防界 2023年7期

摘要：本文立足张家口市国家级可再生能源示范区和全国非水可再生能源第一大市的市情实际，调研分析了域内风电、光伏、氢能、储能电站、氢燃料电池汽车等新能源产业的发展现状，对新能源产业火灾风险及灭火救援对策进行初步探析。

关键词：风电；光伏；制氢；储能；氢燃料电池；消防救援

河北省张家口市是华北地区风能和太阳能资源最丰富的地区之一。2015年7月，国务院批复设立张家口为全国首个国家级可再生能源示范区。截至目前，张家口市光伏电站、风电装机规模位居全国第一，已成为全国非水可再生能源第一大市。随着新能源产业强力带动全市经济高质量发展，也伴生出火灾防控和灭火救援的新风险、新挑战。本文结合张家口市国家级可再生能源示范区的市情实际，通过实地调研张北、沽源、尚义、赤城、崇礼等县（区）10余家风电、光伏、制氢、储能、氢燃料电池汽车等新能源产业，系统分析了新能源产业火灾危险性和灭火救援难点并提出对策建议。

一、张家口市国家级可再生能源示范区新能源产业概况

张家口市大力推进国家级可再生能源示范区建设，聚焦稳步实现碳达峰、碳中和目标，积极培育能源转型变革、绿色低碳发展的新典范[1]。

（一）绿色能源

张家口市光伏电站、风电装机规模位居全国第一，可再生能源装机规模位居全国非水可再生能源第一大市。高标准建设落地国家能源集团、华能、大唐、华电、国电投等100多家发电企业。截至目前，已批复风光电项目511个5502万千瓦（风电3052.6万千瓦、光伏1625.6万千瓦），累计完成可再生能源装机规模2821万千瓦，达到全市电力装机总量的82.7%。集风力发电、光伏发电、储能系统、智能输电于一体的张北国家风光储输示范工程（风电装机500兆瓦、光伏装机100兆瓦、储能系统70兆瓦）规模位居全球第一。张北500千伏柔性直流工程每年为北京输送绿电140亿千瓦时，相当于北京市年用电量的10%。

（二）绿电储能

第一，电化学储能。张家口市大力推进磷酸铁锂、全钒液流、超级电容等多种储能技术应用，已建成国家风光储输示范工程、“奥运风光城”多能互补、铁铬液流电池储能集成等示范项目。2022年6个储能项目（康保、沽源、尚义、怀安、赤城、察北6个储能电站）列入省级规划基本电网独立储能示范项目清单，总规模126万千瓦。第二，抽水蓄能。全市共谋划抽水蓄能项目23个，装机规模2655万千瓦。目前，尚义县抽水蓄能电站（装机规模140万千瓦），已完成上下水库、进厂交通洞等工程。第三，压缩空气储能。目前，中科院百兆瓦压缩空气储能建设完工。300兆瓦先进压缩空气储能项目已在赤城县完成地勘、测绘。

（三）绿电制氢

张家口市抢占氢能产业发展制高点，出台《氢能张家口建设规划（2019-2035年）》，初步形成氢能整车制造、燃料电池核心零部件、加储氢设备制造等全产业链。张家口市加快推动风光耦合制氢示范项目建设，推动“可再生能源+氢能”协同发展。目前，已建成国内第一个风电制氢示范项目——沽源风电制氢综合利用示范项目；建成全国加氢量最大的创坝加氢站；先后培育和引进海珀尔、国华投资、亿华通、交投壳牌、厦门金龙等22家氢能企业，涵盖氢能制储运加、燃料电池系统、整车和创新平台等[2]。

（四）绿色交通

氢燃料电池汽车是2022年北京冬奥会和冬残奥会赛事期间张家口市的主要交通用车。自2018年主城区氢能源公交车开始运行，目前全市已累计投入氢燃料电池公交车444辆，成为全国氢燃料电池公交车数量第一的城市。同时，全市积极打造氢能全产业链发展格局，已建成投产年产万台燃料电池发动机项目，成为国家燃料电池发动机生产基地之一；引进厦门金龙、氢奥汽车等覆盖氢燃料电池特种车、专用车、商用车等整车制造项目。

二、张家口市新能源产业火灾风险及灭火救援难点

此次调研涉及风电、光伏、氢能、储能电站、氢燃料电池汽车等不同类型新能源企业，消防救援队伍所面临的火灾风险特点和灭火救援难点各不相同[3]。

（一）风力发电火灾风险

张家口市风电项目大多建设在位置偏远、海拔高、交通差的坝上高原或坝头山地，随着发电机组服务年限的增加，近几年风电火灾事故也偶有发生。风力发电机组遭受雷击，或者机械结构刹车盘、轴承、齿轮箱等转动部件摩擦火花，或者控制柜、变流柜、变桨系统等电气元件接头松动、导线过流等都会引发火灾。此外，风电机组往往安装在几十米甚至上百米的高空，机组着火后消防力量到场很难有效灭火，一旦引燃风机下方的森林草原，会带来一定的社会影响。

（二）光伏电站火灾风险

随着张家口市光伏装机容量的逐年攀升，随之而来的故障起火风险也越来越大。据统计，光伏电站由直流侧故障引发火灾占比高达80%。由于组件电压叠加，一串组件电路往往具有600V—1000V直流高电压，当直流电路中出现线缆连接老化、连接器故障、型号不匹配、虚接情况时，在高电压的作用下会产生直流电弧，出现明火，造成火灾。此外，还需特别注意：光伏发电系统往往带有电压超过1000V的直流电，在火灾扑救过程中高压直流电持续存在，需高度防范灭火救援中的触电风险。此外，冬春防火季节，野外光伏电站火灾也是引发森林草原火灾的诱因之一[4]。

（三）储能电站火灾风险

电化学储能电站火灾、爆炸的风险大多由锂离子电池热失控造成。锂离子电池主要由正极、隔膜、电解液、负极组成。正极为：磷酸铁锂、氧化钴锂、镍酸锂、锰酸锂；隔膜为：聚乙烯、聚丙烯；锂电池电解液溶解有锂盐，有机溶液主要由磷酸二甲酯、碳酸甲乙酯、硝酸二乙酯等按照一定比例混合而成，有机溶液具有高挥发性、易燃性、腐蚀性；负极材料是锂-碳层间化合物LixC6。锂离子电池燃烧后会产生一氧化碳（CO）、氰化氢（HCN）、氫氟酸（HF）等毒性、腐蚀性气体。综上所述，储能电站电池火灾具有固、液、气和带电等多种火灾属性，消防灭火救援中存在爆炸、中毒、触电、灼烫等风险。

（四）氢能和氢燃料电池汽车火灾风险

目前，张家口市加氢站的外送氢气均采用长管拖车（35Mpa、70Mpa）进行运输。由于氢气具有点火能量低、爆炸极限范围宽、燃烧速度快等易燃易爆特性，安全风险不容小觑。当前，氢燃料车辆生产企业大多只考虑气瓶的材料、防爆和单车事故安全底线，很少考虑压缩氢气在地下停车场、隧道等密闭空间发生泄漏、着火、爆炸的危害后果。由于消防救援队伍缺乏受限场所氢燃料电池汽车火灾爆炸事故处置经验，一旦发生事故，如果处置不当，极易造成作战伤亡。此外，氢燃料电池汽车动力电池的驱动电压一般都在380V以上，商用车更是高达500V以上，灭火救援过程中，存在触电风险[5]。

三、张家口市新能源产业火灾防控和灭火救援对策

消防救援队伍应从“防、灭”两个角度做好全市新能源产业的实地调研和风险辨识，提升新能源产业火灾防控和灭火救援水平。

（一）风电场防灭火措施

自动报警系统：风电机组的机舱及机舱平台底板下部、塔架及竖向电缆桥架、塔架底部设备层、各类电气柜应设置火灾自动探测报警系统，报警信号宜与风电机组中心控制系统连接，传输至风电场升压站监控系统；升压站应设置火灾自动报警系统。其中无人值班的风电场升压站火灾报警和消防联动信号应传至远方监控中心。灭火系统：风电机组的机舱及机舱平台底板下部、轮毂、塔架底部设备层、机组变压器、各类电气柜应配置自动灭火装置；单台容量125MVA及以上的油浸式变压器应设置水喷雾灭火系统、合成泡沫喷淋系统、排油充氮系统或其他固定式灭火装置。灭火介质：风电机组多采用七氟丙烷、二氧化碳、惰性气体灭火装置，变流器、控制器等相对密闭的柜体多采用惰性气体或高压二氧化碳气体灭火。偏航系统、刹车系统、发电机、齿轮箱、变压器等多采用细水雾添加阻燃药剂或泡沫液等液体灭火介质。

（二）光伏电站防灭火措施

消防设施：主控室、继电器设备室、配电装置室可选用感烟火灾探测器，主变压器、电缆层和电缆竖井可选用线型感温火灾探测器。主变压器（单台容量125MVA及以上）的应设置合成型泡沫喷雾系统、水喷雾灭火系统。其他带油电气设备宜采用干粉灭火器。在缺水寒冷地区，可以选用排油注氮灭火装置和合成泡沫喷淋灭火系统，户内封闭空间内的变压器也可采用气体灭火系统。变压器防火：变压器在与其他建筑物贴邻侧应设置防火墙。屋内单台总油量为100kg以上的电气设备，屋外单台油量为1000kg以上的电气设备应设置贮油或挡油设施，贮油设施内应铺设卵石层。电缆防火：由于光伏电站占地面积大、电缆分布广，难以有效设置固定的灭火装置，在电缆沟道内应采用防火分隔和阻燃电缆作为应对电缆火灾的主要措施，集中敷设于沟道、槽盒中的电缆宜选用阻燃电缆[6]。

（三）氢能防灭火措施

第一，强化安全防范和制度建设。围绕氢气制取、储存、运输、加注的全生产链条和燃料电池汽车运营、停放、维修、保养的全作业场景以及制氢厂、加氢站、运输车、停保场等全关键要素，完善检测认证、质量监管、标准规范、应急处置体系。第二，搭建氢能应用全过程运营监管。完善氢能应用安全防护体系，建立应急保障方案，提升安全运营能力，强化预警处置能力，为交通氢能发展建好安全屏障。第三，规范氢气生产、运输、使用管理要求。加氢站（含供氢站）的设计、施工和安全管理等，应符合《氢气站设计规范》《加氢站技术规范》和《汽车加油加气加氢站技术标准》等要求。氢能产品运输车辆及其维保、检测应符合《危险货物运输车辆结构要求》和《危险货物道路运输营运车辆安全技术条件》等要求。

（四）储能电站防灭火措施

第一，完善消防技术标准。修正戊类火灾危险性等内容，并明确选址、防火间距、消防设施、泄压排烟、电气线路敷设、运维检修等。第二，提高电池本质安全。针对电池电极材料易分解、电解液易燃等问题，研制高熔点SEI膜、难燃电解液等。同时，加强电池性能监测预警和定期维保检测，从源头上提高电池安全性能。第三，应用全氟己酮灭火系统。根据有关试验结果，集报警、排烟、灭火的全氟己酮主动安全防护系统可有效扑救电池储能设施火灾，应鼓励推广全氟己酮灭火系统的应用。第四，研发极早期报警设施。目前《电化学储能电站设计规范》中普通烟感、主动吸气等探测报警装置不能满足实际需要，可在电池组内设置热释离子探测装置，实现在热失控前的极早期预警[7]。

四、下一步工作建议

（一）持续开展新能源产业专项调研

消防救援队伍要结合本地新能源产业布局和企业情况，开展新能源产业专项摸底调研，针对不同类型新能源企业的生产特点、工艺路线和火灾风险，制定“一业一策”处置对策和应急预案，抓实新能源火灾防控和实战应用工作。

（二）制定完善新能源企业类型预案

支队、大队、消防站要以“是什么、有什么危险性、怎样进行处置”为主线，根据辖区新能源产业门类、生产特点，按照灾情类型、灾情部位和灾害等级，科学制定新能源企业灭火救援类型预案，明确风险辨识、力量编成、战术方法、装备应用、药剂储备、安全警示等内容，筑牢消防安全最后一道防线。

（三）优化队站建设和车辆装备配备

一是针对风电、光伏、氢能、储能电站、氢燃料电池汽车等特殊场所灾情，要准确辨识风险，尽快出台与实际、实战相符的消防站建设、装备配备指导意见。二是优化新能源产业编队、编组和单元力量构成，科学选配满足实战需求的车辆及器材装备[8]。

（四）提升新能源企业本质安全水平

要强化和落实企业主体责任与政府监管责任，按照“管行业必须管安全、管业务必须管安全、管生产经营必须管安全”的原则，构建安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制，切实提升新能源企业本质安全水平。

参考文献

[1]风力发电厂设计规范：GB51096-2015[S].北京：中国计划出版社，2015.

[2]光伏发电站设计规范：GB50797-2012[S].北京：中国计划出版社，2012.