化學(xué)儲能設(shè)施消防安全管理研究

李波

摘要：化學(xué)儲能設(shè)施火災(zāi)最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，儲能設(shè)施消防安全管理的智能化研究，涉及較密閉空間，在保持較好通風(fēng)環(huán)境下，采用紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)極早期低濃度逸出氣體的探測，早于熱失控停止關(guān)聯(lián)電池模組充放電，防止發(fā)生熱失控，為應(yīng)急處置贏得寶貴的時間;當(dāng)熱失控發(fā)生時，使用水和氮的混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滅火，其中，通過高壓氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)空間內(nèi)易燃易爆氣體置換，達(dá)到窒息滅火效果;通過細(xì)水霧實(shí)現(xiàn)冷卻滅火效果。

關(guān)鍵詞：消防;化學(xué)儲能;熱失效

一、背景

全球的氣候變化關(guān)系到整個人類社會發(fā)展進(jìn)程，綠色健康的生活是我們共同的愿景，碳減排成為了全球重要國家形成的共識。國家大力發(fā)展新能源建設(shè)，其中比較重要的領(lǐng)域是風(fēng)電和光電，由于區(qū)域經(jīng)濟(jì)存在的差異，對能源的需求不均衡，使得儲能設(shè)施迅速發(fā)展，特別是大規(guī)模儲能設(shè)施。儲能可以提高常規(guī)發(fā)電和輸電的效率，保障其安全性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)可再生能源平滑波動、調(diào)峰調(diào)頻，滿足可再生能源大規(guī)模接入，同時它也是分布式能源系統(tǒng)、智能電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，在能源物聯(lián)網(wǎng)中具有舉足輕重的地位，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將大規(guī)模儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，并在電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中大范圍示范推廣。據(jù)世界能源研究公司的最新預(yù)測，世界各地的儲能裝置將在2030年底達(dá)到358～1028GWh的累計值，比2020年底的17～34GWh大二十倍以上。2015～2030年全球累計儲能裝置，如圖1所示。

巨量的能源需求，尤其是大規(guī)?；瘜W(xué)能儲能的興建，為消防安全管理和應(yīng)急救援提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。消防救援隊(duì)伍改革轉(zhuǎn)制后，擔(dān)負(fù)起應(yīng)對處置各類災(zāi)害事故的重要職責(zé)，實(shí)現(xiàn)了從原來的滅火救援為主向“全災(zāi)種、大應(yīng)急”的拓展，但是儲能設(shè)施的消防應(yīng)急救援是一個全新的領(lǐng)域，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2021 年 4 月 16 日，北京豐臺區(qū)某光儲充一體化項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)爆炸，造成了不同程度的生命和財產(chǎn)損失，我們在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的同時，也需要通過科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)對儲能設(shè)施的消防安全管理。

二、儲能技術(shù)

儲能即能量的存儲，主要包括化學(xué)儲能、物理儲能和電磁儲能三大類。根據(jù)能量存儲形式的不同，廣義儲能包括電儲能、熱儲能和化學(xué)儲能三類。電儲能是最主要的儲能方式，按照存儲原理的不同又分為電化學(xué)儲能和機(jī)械儲能兩種技術(shù)類型。電化學(xué)儲能是指各種二次電池儲能，主要包括鋰離子電池、鉛蓄電池和釩液流電池等;機(jī)械儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。化學(xué)儲能是消防安全管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，涉及到固體的存放、液體的泄漏和氣體的釋放，電池電芯泄漏或者熱失控會產(chǎn)生氫氣、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等易燃易爆氣體成分，尤其是受限空間大量氣體聚集，與空氣混合形成爆炸性氣體，因電火花而引發(fā)電池模組、柜體、箱體、管廊，甚至建筑爆炸?；瘜W(xué)儲能災(zāi)害如圖2所示。

電池燃燒產(chǎn)物如圖3所示，電池火災(zāi)會產(chǎn)生近20種化學(xué)物質(zhì)，大多數(shù)是易燃、易爆和有毒物質(zhì)。特別是在極早期會出現(xiàn)甲烷、一氧化碳和氫氣混合氣體，其爆炸下限均為4%，爆炸濃度下限分別為50000ppm、12500ppm和40000ppm。會對人的健康造成威脅的物質(zhì)包括甲烷、一氧化碳、硫化氫、氟化氫、鹽酸、二氧化硫和氰化氫等，其中，劇毒物質(zhì)是氟化氫和氰化氫，在30ppm和50ppm的氣體環(huán)境濃度下，會對人的健康造成危害。所以，保持化學(xué)儲能設(shè)施較密閉空間的通風(fēng)，尤為重要，特別是火災(zāi)發(fā)生時和發(fā)生后的消防救援人員的個人安全防護(hù)，以及火災(zāi)區(qū)域的燃燒殘余物的處置、受污染水源和土壤的凈化，需要專用的裝備，也需要科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的方法和流程。

三、化學(xué)儲能設(shè)施消防安全管理

（一）電池火災(zāi)特點(diǎn)

鋰電池或電池芯有三種常見類型：鋰金屬、鋰離子和鋰離子聚合物，當(dāng)電池進(jìn)入熱失控時，劇烈燃燒爆炸會產(chǎn)生噴射彈片、熔融金屬、燃燒的電解液和有毒有害氣體。儲能模塊中三層電池?zé)崾Э販囟茸兓€如圖4所示，將電池集成到儲能系統(tǒng)的模塊中，分別位于高層、中層和底層，三層電池在熱失效的情況下，相鄰電池內(nèi)部的溫度會繼續(xù)升高，直到最終達(dá)到峰值，并長時間保持300℃以上的高溫。在電池火災(zāi)滅火救援及應(yīng)急處置的過程中，要保持高壓細(xì)水霧持續(xù)冷卻。即使在全尺寸模塊測試期間用水滅火，熱危害仍然存在于電池之間，導(dǎo)致未燃燒的電池在延遲級聯(lián)現(xiàn)象中點(diǎn)燃，凸顯了鋰離子電池火災(zāi)的深層性質(zhì)所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

（二）模型設(shè)計

化學(xué)儲能設(shè)施火災(zāi)最典型的特征是釋放的氣體成分均顯示出易燃性和毒性，比如氟化氫、一氧化碳和甲烷，在比較多的滅火劑滅電池火對比測試中發(fā)現(xiàn)，水的冷卻效果是比較理想的，特別是亞微米級的細(xì)水霧?；诖?，設(shè)計儲能設(shè)施消防安全管理系統(tǒng)模型，如圖5所示。在較密閉空間，使用水和氮組成的混合滅火系統(tǒng)，使用細(xì)水霧和惰性氣體來滅火，水和惰性氣體在滅火系統(tǒng)中共同作用實(shí)現(xiàn)氧氣置換和熱量吸收，其中，通過高壓氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)空間內(nèi)的易燃易爆氣體置換，達(dá)到窒息滅火效果;通過細(xì)水霧實(shí)現(xiàn)冷卻滅火效果。

（三）智能化管理

采用紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)極早期一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、氯化氫、氟化氫和氫氣等氣體的探測，檢測到低濃度逸出氣體，早于熱失控，通過應(yīng)急聯(lián)動智能化管理系統(tǒng)停止電池模組充放電，阻止熱失控的發(fā)生。極早期低濃度逸出氣體濃度如圖6所示，從電池火災(zāi)極早期氣體的逸出到熱失控的發(fā)生，是一個較為漫長的過程，可以通過消防安全智能化管理為應(yīng)急救援處置贏得寶貴的時間。

四、消防安全管理及應(yīng)急救援的幾點(diǎn)建議

在化學(xué)儲能設(shè)施災(zāi)害應(yīng)急處置的過程中，建議消防安全管理人員、滅火指揮員與戰(zhàn)斗員應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

（1）儲能設(shè)施環(huán)境要恒溫恒濕，并保持排風(fēng)良好。

（2）所有電氣電子設(shè)備均需做防爆設(shè)計。

（3）在出風(fēng)口實(shí)現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理與安全閾值判斷，實(shí)時傳輸報警信息。

（4）化學(xué)儲能設(shè)施所處的是高溫、高壓、強(qiáng)電流、有毒及腐蝕環(huán)境，救援現(xiàn)場要做好環(huán)境信息探測，包括氣體、漏電和漏液，并做好個人防護(hù)，包括軀體防護(hù)和呼吸防護(hù)。

（5）燃燒與爆炸不分先后，與儲能設(shè)施保持安全警戒距離。

（6）實(shí)時監(jiān)控環(huán)境核心區(qū)域易爆氣體濃度，隨時準(zhǔn)備撤離現(xiàn)場。

（7）使用水進(jìn)行滅火降溫可能會導(dǎo)致電池短路，加劇火災(zāi)風(fēng)險。

（8）火焰熄滅之后，仍要保持降溫通風(fēng)，直到設(shè)施能量放盡、溫度歸零，環(huán)境中仍會殘留有毒有害氣體液體，人員安全防護(hù)等級不能降低。

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