电化学储能电站火灾分析及处置措施研究

发布时间：2024-11-25

摘要：针对电化学储能电站发生火灾后灭火救援时间长、难度大、易造成处置人员伤亡的问题，通过介绍电化学储能电站基本常识和目前的安全状况，分析电化学储能电站火灾特点和目前存在的突出问题，就如何加强电化学储能电站火灾处置能力，确保处置人员在处置过程中的安全提出意见和建议，为消防救援队伍安全有效处置此类灾害事故提供参考。

关键词：消防；储能电站；电化学；火灾

0 引言

储能电站主要分为两大类：一类是抽水蓄能电站，一类是电化学储能电站。主要用于城市电网填谷调频、调峰、商业区辅助用电、电动车充电等。目前，我国除抽水蓄能电站外，大规模应用的主要为电化学储能电站。过去，大多数人对储能电站缺乏了解和认识，2021年4月16日，北京市丰台区南四环永外大红门西马场某公司储能电站火灾事故，造成3人死亡（其中2人为消防员）、1人受伤，引发了社会广泛关注，人们开始重新审视储能电站的安全情况。经过查阅相关资料，发现随着储能电站装机规模不断扩大，近年来国内外电化学储能电站发生了多起火灾事故，且大多数为锂离子电池火灾，因此本文以锂离子电池储能电站为重点进行研究讨论。

1 电化学储能电站基本常识

据世界能源理事会（WEC）发布的《储能监测：2019发展趋势》报告预测，到2030年全球储能装机总量将达到250GWh。

1.1主要部件

电化学储能电站包括储能单元、功率变换系统（PCS）、电池管理系统（BMS）等组成。

1.1.1储能单元

由电池组、电池管理系统及与其相连的功率变换系统组成的*小储能系统。

1.1.2功率变换系统（PCS）

与储能电池组配套，连接于电池组与电网之间，把电网电能存入电池组或将电池组能量回馈到电网的系统，主要由变流器及其控制系统构成。

1.1.3电池管理系统（BMS）

监测电池温度、电压、电流、荷电状态等，为电池提供通信接口和保护的系统。

1.2电站分类

1.2.1按电化学储能电池类型

按电化学储能电池类型分为铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠基电池、超级电容等方式。锂离子电池占电化学储能58%，占比*大，常见为以镍钴锰酸锂、磷酸铁锂为正极材料的锂离子电池。不同种类的电池安全风险排序为：铅酸电池＜磷酸铁锂材料电池＜三元材料电池＜钠流电池。

1.2.2按规模

按规模分类分为小型、中型和大型。其中，容量为1MWh以下为小型电化学储能电站；容量为1～30MWh的电站为中型电化学储能电站；容量为30MWh以上为大型电化学储能电站。

1.2.3按照电站用途

按照电站用途分为发电侧、电网侧、用户侧三种使用方式。其中，用户侧通常位于城市商业区、大型商场、大学城、电动车充电配套的发电、储电、供电储能电站。集发电、储能、充电等业态于一体，人流、物流密集，发生事故易造成群死群伤，与发电侧、电网侧储能相比，安全风险*大。

1.2.4按布局形式

按布局形式分为室外撬装式、建筑封闭式（站房式）两种。建筑封闭式电站通常为多模组、多楼层竖向叠加堆放，风险*大。

1.2.5按输电来源

按输电来源分为市电、光伏、风电、火电、核电等不同供电来源。用户侧电站通常为市电、光伏、储能一体化设计。

1.3工艺流程

主要工艺流程为：锂离子电池充电期间，系统将电能通过主变压器、干式变压器和储能变流器将交流电转化为直流电，通过储能电池的充电过程，将电能储存在电芯内。放电期间，通过储能电池的放电过程，将直流电经过储能变流器转化为交流电，再经过干式变压器、主变压器通过高压配电装置将电能输送到电网，或为商业直接供电。

1.4热失控机理

热失控就是指锂离子电池内部电流和温度均升高，且互相促进的现象。锂离子电池内电解液和隔膜为可燃物，在不同荷电状态下，正极材料和负极材料可分别成为氧化剂和还原剂，短路后易自发热燃烧；电池还可因内部或外部的热源加热，都可能触发电池火灾。

2 国内外电化学储能电站安全状况

由于储能电站安全问题的形成机理、边界条件、控制要素尚未全部认识清楚，致使储能安全防控手段、应对措施等尚不能完全适应储能技术快速发展及应用需要。据不完全统计，2011年至今，美国、韩国、日本、中国等地先后发生多起储能电站火灾事故。

电化学储能电站事故涉及多种储能类型，其中以锂离子电池为主。引发火灾事故的起因有多种形式，而且涉及不同的方面，比如储能容量和功率标定不准、系统配置和选型有问题、安装调试过程不规范、运行检修维护工作不到位等多方面问题。

3 电化学储能电站火灾特点

3.1火势控制难，易于复燃

电化学储能电站的电池单元性质活跃，在出现短路等故障后，内部发生剧烈、复杂化学反应，引发温度持续升高，出现热失控现象，进而发生燃烧或爆炸。一旦火灾发生，即使表面明火被扑灭，电池内部仍持续发生自反应，不断产生热量及可燃气体，导致火势发展蔓延迅速，同时反复出现复燃。

3.2结构布局不利于灭火救援

电化学储能电站所用电池储能系统平面布置紧凑，储能系统的形式多样且未采取隔热措施，内部存放的电池组数量较多、排列紧密并有构件遮挡。在救援过程中为防范爆炸危险，采取远距离射水冷却时，很难靶向作用到电池高温区域，难以实施有效处置。

3.3中毒、爆炸及触电风险高

各类电化学电池火灾燃烧产物含有氢气、甲烷、乙烯等易燃易爆气体以及氟化物等有毒有害气体。燃烧产生的热量会影响毗邻电池，产生连锁反应，相继引发爆燃或爆炸。例如在北京“4·16”火灾处置过程中，先后发生4次以上不同规模的爆燃及1次剧烈爆炸。同时，事故现场大量成簇电池组底部系高压包直流系统，长期处于高压带电状态，灭火过程中触电危险性极高。

3.4持续时间长，作战消耗大

由于电化学储能电池火灾所具有的连锁反应、持续放热、复燃复爆特性，在明火扑灭后电池仍呈现无焰通红高温状态，需要持续冷却降温。北京“4·16”火灾处置灭火冷却时间长达53h，累计用水近2万t，参战力量多、人员轮换频次高，对现场人员、器材装备、灭火剂等保障要求极高。

4 当前电化学储能电站存在的突出问题

目前，我国储能电站的设计主要依据GB51048—2014《电化学储能电站设计规范》。该标准于2015年8月1日实施，编制时我国电力储能技术正处于发展初期，储能技术尚处于试验验证阶段，应用场景较为简单。而目前我国电力储能的规模、应用场景都发生了显著变化，安全风险显著提升，消防安全问题亟待解决。

4.1消防安全定位偏低

从电化学储能电站火灾实例看，一旦发生火灾，燃烧强度大，火焰呈喷射状，并伴有爆炸、高温、浓烟等现象，处置异常艰难，但依据GB51048—2014《电化学储能电站设计规范》，除钠硫电池外，铅酸电池、锂离子电池、液流电池的电池室、屋外电池设备、配电装置等的火灾危险性均为戊类，造成防火措施标准偏低，对不同装机容量的电化学储能电站与周边建筑的防火间距、防火分隔设施、消防设施的具体要求过于笼统，无法有效针对性控制、扑灭火灾及减少火灾危害。

4.2火灾探测预警机制不合理

各类电化学电池失效早期已存在多种异常信号，如异常电压、异常电流、异常温度等，如果能够在早期检测预警到问题，就能够有效将问题解决在成灾之前。但现行标准GB51048—2014《电化学储能电站设计规范》11.4.1条规定“主控通信室、配电装置室、继电器室、电池室、PCS室、电缆夹层及电缆竖井应设置火灾自动报警系统。”，且规定设置的火灾探测器类型为感烟或吸入式感烟探测器。目前，市场主流锂离子储能电站也均如此设计，此设计要求无法对锂离子电池早期问题进行有效检测。

4.3防排烟设施设计滞后

电化学储能电站电池热失控易产生大量有毒、易燃烟气，在密闭环境中，如遇电火花，具有发生爆炸的风险。防排烟设施可有效疏导烟气流动，避免热量积蓄、降低可燃气体燃烧爆炸临界浓度，是安全防护的重要基础设施。但现有电化学储能电站大多没有防排烟设计，有的也仅采用常规建筑防排烟设计，无针对电化学储能电池热失控特征烟气进行特殊设计，未考虑防爆性能化设计，造成电化学储能系统出现火灾事故时无法及时排解烟气，不利于现场灭火。

4.4自动灭火设施设置针对性不强

电化学储能电池由于起火燃烧原因复杂，且电池种类繁多，对于电化学储能电池的火灾不能以单一火灾类型来对待。而目前储能电站自动灭火设置没有明确的强制标准，仅由各地建设企业自行参照普通电子设备场所的设计要求设置，灭火措施，防控技术措施无法有效抑制电池燃烧，部分企业仍采用传统的水喷淋灭火系统，而水喷淋极有可能引发带电体及其线路短路诱发次生灾害或扩大电气事故，在扑救电化学储能电池火灾中，无法发挥冷却、窒息作用。

5 加强电化学储能电站火灾处置能力的建议

5.1完善设计标准，提升消防安全水平

相关部门要推动科研机构、企业加强电化学储能电站相关产品和应用场景消防安全性能研究，推进储能安全技术创新，改善电化学储能电站行业工艺过程、机械设备、装置等环节的消防安全条件，完善站区平面布置、防火分隔、消防设施等提升消防安全条件的设计规范。同时要制定完善储能产品性能、安全性等检测认证标准，提升行业消防安全水平，从源头上降低消防安全风险。

5.2加强调研熟悉，完善灭火救援预案

从国内外储能电站火灾情况看，对其发生火灾的燃烧机理、内部布局和危险性不掌握，是导致火灾扑救时间长和人员伤亡的主要原因。因此，消防救援队伍要组织力量对辖区储能电站进行摸底排查，开展实地熟悉调研，了解行业发展的现状、趋势、电站分布和安全风险。熟悉掌握每个储能电站的具体位置、储能类型、电池类型、容量规模、火灾危险性、固定灭火设施、事故处置对策等基本情况，收集电站的平面图、装机图、流程图、线路图、控制图等基础资料，建立资料档案库，逐一制定灭火救援预案，真正摸清底数，做到心中有数。

5.3强化力量调度，确保协同高效处置

各地消防救援队伍在接到电化学储能电站发生火灾的报警后，应优先调派大功率大流量水罐和泡沫消防车、高倍数泡沫消防车、抢险救援消防车、大跨距举高喷射消防车、供气消防车、干粉消防车、远程供水系统等车辆，以及遥控消防水炮、水力自摆消防水炮、高倍泡沫发生器、热成像仪、消防机器人、无人机、漏电探测仪、测温仪、可燃气体检测仪、有毒气体检测仪、电绝缘装具、绝缘剪断钳、备用气瓶等器材和个人防护装备。同时，要调集电力、应急、公安、医疗、环保、供水等联动力量以及相关专家到场辅助处置。确保能够*一时间了解掌握储能电站情况，*一时间有效处置。

5.4依据现场规模，保持安全处置距离

消防救援力量到达后，应特别注意要从上风或侧上风方向接近现场，并在事故区域的上风向或侧上风向划定安全集结区。按照单个独立设置的撬装式储能电站不少于200m，2个以上撬装式储能电站不少于500m，站房集中式单层布置的储能电站不少于500m，站房集中式立体布置（2层以上）的储能电站不少于1000m的要求保持安全距离。参战人员和车辆在安全集结区集结待命，不得贸然进入事故现场。在处置过程中要避开爆炸泄压的门、窗、孔洞和泄爆口，确保参战人员的安全。

5.5掌握现场情况，及时组织灾情研判

到场的消防救援队伍指挥员应及时组织对现场情况进行研判，核实确认事故现场是否已处于输入、输出断电状态，核实事故电池堆（站）电池电化学体系类型，单个电芯、电池模块（簇）容量和形状，以及数量、电流、电压、温度、装机容量等，预判*大爆炸破坏力波及范围和有毒有害气体扩散范围，为人员疏散、警戒管控、车辆集结、处置区与工作区划分等提供依据。消防救援力量应根据现场研判评估意见，确定处置措施和处置时机。在情况不明的情况下，消防救援力量坚决不靠近、不处置，不贸然进入。

5.6遵循处置原则，确保现场人员安全

消防救援队伍在处置过程中要坚持“安全防御、控制燃烧”的原则。经评估具备处置条件的，充分利用遥控消防水炮、水力自摆消防水炮、高喷消防车臂架水炮等远距离控制火势、冷却降温。对其他未着火的建筑或区域设置水幕分隔保护。阵地部署完毕后，人员要及时撤离至安全区域；不具备处置条件的，要利用消防机器人稀释、水幕分隔的方式，*一时间疏散人员，阻截辐射热，保护周边建筑和重点目标。严禁将水直接射向未着火的储能电池模块（簇），避免处置不当造成储能电池模块（簇）短路；对设置在露天区域的撬装式储能电站火灾，应在撬装4个角的钢柱45°角方向，距离50m处设置移动水炮对两侧箱体以及顶部进行冷却，人员撤离至安全区域。明火扑灭后，应对电池堆（站）间内的电池模块（簇）、组合电池、单个电芯进行持续冷却至正常环境温度。

6 安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

6.1概述

Acrel-2000MG储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

6.2应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

6.3系统结构