电化学储能电站火灾风险分析与评估指南研究

应急管理部上海消防研究所 杨君涛 张永丰 张磊｜文

近年来，电化学储能技术已经在电力系统中的发电、辅助服务、输配电、可再生能源接入、分布式能源存储及终端用户等多个领域得到广泛应用。2017 年，国家能源局发布了《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》(发改能源〔2017〕1701 号)，明确提出在十三五期间实现储能由研发示范向商业化初期的过渡，十四五期间实现商业化初期向规模化发展转变。2021 年，国家发展改革委和国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕1051 号），到2025 年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，装机规模达3 000 万千瓦以上；到2030 年，实现新型储能全面市场化发展，新型储能成为能源领域碳达峰碳中和的关键支撑之一。由此可见，今后十年电化学储能电站数量将会极大增长。

与此同时，近些年来国内外电力储能系统火灾屡有发生，引起了政府和民众对储能电站安全的普遍关注和巨大担忧。比如2018 年7 月2 日，韩国灵岩储能电站发生火灾事故，烧毁708 平方米的临时建筑和3 500 多个电池，直接经济损失达46 亿韩元；2019 年4 月19 日美国亚利桑那州APS 公司的电池储能电站发生起火爆炸，此次事件除了造成巨大的经济损失外，还致使4 名消防员受伤；2017 年3 月7 日，山西京玉火力发电厂储能电站发生火灾，烧毁储能锂电池包416 个、电池管理系统包26个，致使该储能电站停运30 余天；2018 年8 月3 日，扬中市高新区发生储能电站火灾事故，烧毁储能电站集装箱1 个；2021 年4 月16日，北京市丰台区国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站发生火灾爆炸，造成2 名消防员牺牲，1 名消防员受伤），1 名员工失联。据不完全统计，全世界范围内锂电池储能火灾安全事故在过去的3 年内发生超过30 起，尤其在韩国，报道的储能电站安全事故已近30 起，造成了重大的财产损失。可见，电化学储能电站本身的燃爆风险和防护问题不容忽视。

大量火灾事故案例表明，现阶段运营企业对电化学储能电站火灾危险性和危害认识不清晰，运营管理过程中如何辨识和评估火灾风险缺乏有效手段。因此，伴随电化学储能电站的大规模建设和投入使用，开展储能电站火灾风险评估方面标准的研究和制定，对于规范储能电站的火灾风险评估工作、提高运营企业预防和应对火灾事故的能力、提升储能电站消防安全水平具有重要的促进作用。

电化学储能电站概况

电化学储能电站是采用电化学电池作为储能元件，可进行电能存储、转换及释放的电站，一般包括电池储能系统、中央控制系统、电网接入系统等。其中，最主要的电池储能系统是由电池组、电池管理系统、电力转换系统、能量管理系统、升压变压器、动环监控及辅件构成的。储能电池是最基本的能量存储介质，常见使用类型为三元锂电池和磷酸铁锂电池，现今大多数储能电站采用磷酸铁锂电池。三元锂电池正极材料的分解温度约为200 ℃，磷酸铁锂电池正极材料的分解温度约为700 ℃，实验室测试环境下，短路磷酸铁锂电池单体基本不出现着火的情况；三元锂电池则不然，在使用时要对热管理提出较高的要求，一旦出现过温、过充、过流等异常情况极有可能造成起火、爆炸等严重后果，因而在安全性方面磷酸铁锂电池较三元电池而言有着绝对的优势。

目前，电化学储能电站电池集成方式可分为厂房式和预制舱式两类，鉴于预制舱式锂电池储能系统具有容量高、可靠性强、环保、适应性强、灵活性高、方便安装、维修等独特的优势，大多数电化学储能电站均采用预制舱式设计方案。预制舱式锂电池储能系统是一种以锂电池电化学反应为能量转换形式的储能系统，一般包含监控设备管理系统、电池管理系统、专用应急消防系统、专用集装中央空调、储能电池隔离电力变流器及隔离变压器等设备封装在集装箱内的储能装置。

电化学储能电站火灾特点

储能电池是储能电站行业发展的重要基础，储能电池作为一种能量存储装置在受外部环境激励或内部制造缺陷的影响下会发生热失控现象，在密闭空间中一旦某一电池储能单元发生火灾，可能引起相邻多个单元的连锁火灾甚至爆炸，尤其部分储能电站使用梯次利用的动力电池，与新电池相比危险性更高。另外，单个储能电站装机容量较大，高压电线路较多、排布复杂，高压接触件长时间老化易形成局部热点，造成电气短路引发火灾。因此储能电站发生火灾后，火灾荷载大，危险性高，灭火和应急救援难度很大，极易蔓延成灾，造成巨大财产损失。

电化学储能电站火灾具有以下特点：

一是燃烧猛烈、蔓延迅速。锂离子电池热失控后燃烧比较猛烈，火势迅速蔓延，活泼金属锂与水发生猛烈反应后的产物Li2O（氧化锂）和H2（氢气），使燃烧更加剧烈，加速蔓延。

二是易燃易爆、危险性大。锂电池燃烧释放出大量有毒有害、可燃气体和热量，极易发生爆炸，易造成人员中毒和爆炸伤害。

三是易复燃、灭火难度大。锂离子电池发生火灾后，用常规通过物理稀释隔绝氧气或切断燃烧链的方法只能扑灭明火，无法从根本上抑制火灾发生，往往会出现复燃。另外用水、泡沫灭火，既有触电危险，也有引发其他电池短路的热失控风险，同时存在爆炸危险，严重威胁作战人员的生命安全。因此，短时间内彻底扑灭锂电池火灾难度较大。

电化学储能电站火灾风险影响因素分析

通过实地调查电化学储能电站火灾危险性和消防安全现状可知，影响电站火灾风险的因素主要集中在以下四个方面：电站特性、防火设计、消防设施和消防安全管理。

电站特性

电站特性是指储能电站自身的特征和其内外部的致灾因素。比如储能电站选址、装机规模、预制舱数量、锂电池类型、锂电池可用容量占比等。

防火设计

储能电站防火设计主要是由空间的合理布局、适用有效的防火分隔、符合规定要求的建材和构件等设防内容所构成，比如建筑耐火等级、防火间距等，储能电站由于其结构的特殊性，应重点考虑平面布置、防火间距、耐火等级以及预制舱防火设计等。

消防设施

储能电站火灾所配置的消防设施，主要是由主动自动（或手动）控制的灭火、报警、防排烟和消火栓等设备系统组成。消防设施设计合理、配置到位、系统完好，储能发生火灾后造成的损失就会得到降低，其发生火灾的概率和造成的后果也就越小。储能电站重点考虑预制舱内探测器设置、消火栓系统、自动灭火系统、排风系统及灭火器材配置等设施器材的配置及使用情况。在进行风险评估时，应检查是否按规定进行了设置各系统，以及系统的完好率。

消防安全管理

消防安全管理是指人们为了预防火灾和降低火灾损失所采取的管理措施，比如消防宣传教育培训、应急预案编制及演练、消防设施维护、物业管理等。纵观国内外发生火灾的原因，人的过失和不安全行为造成火灾事故约占火灾总数的85%以上，可见加强消防安全管理，可以有效地降低火灾风险。储能站内涉及的电气设施较多，对消防安全管理的要求更高。

电化学储能电站火灾风险评估指南框架

在上述分析研究基础上，参考依据GB 51048—2014《电化学储能电站设计规范》、GB 50016—2014《建筑设计防火规范》、T/CEC 373—2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》、GA 503—2004《建筑消防设施检测技术规程》《中华人民共和国消防法》等法律法规和标准规范，结合实际调研和专家讨论，从可操作性出发构建了电化学储能电站火灾风险评估指南框架，并编制了相关团体标准，规范了电化学储能电站火灾风险评估的工作程序及步骤、评估单元及评估内容、评估结论等方面的要求。

图1 电化学储能电站火灾风险评估工作程序

评估程序

储能电站火灾风险评估工作程序如图所示1，评估工作步骤包括前期准备、现场检查、评估判定和报告编制等。

评估内容

电化学储能电站火灾风险评估应根据评估对象的实际情况确定评估单元，具体包括消防安全管理单元、防火设计单元、消防设施单元等，各评估单元的基本评估内容如表1 所示。

表1 电化学储能电站火灾风险评估内容表

电化学储能电站火灾风险评估以检查表法为基本方法，检查表中除了检查结果和备注栏需现场检查记录外，其他内容应根据评估对象和评估单元的实际情况，在现场检查前编制。现场检查时可选用的检查方法还包括资料核对、问卷调查、外观检查、功能测试等，实际检查时可采用单一方法或几种方法的组合。不同评估单元采用的检查方法要求如下：

1.消防安全管理单元的现场检查应采用资料核对、问卷调查的方式或其组合，资料核对时，应逐项检查资料原件；问卷调查对象应不少于5 人，包括但不限于消防安全管理人员、自动消防系统的操作人员、志愿消防队员及一般人员。

2.防火设计单元及消防设施单元的现场检查应采用资料核对、外观检查与功能测试相结合的方式。

3. 如确有需要，可选用烟气模拟分析、安全疏散分析等方法进行定量评估。

评估判定

电化学储能电站火灾风险评估中现场检查项分为3 类，分别是直接判定项、关键项与一般项。其中可直接判定评估结论等级为高风险的检查项是直接判定项，以法律法规、部门规章和消防技术标准的强制条款为依据的检查项是关键项，其他检查项是一般项，在制定检查表时应予以识别并确定。直接判定项包括以下内容：

1.储能电站场所未依法办理消防行政许可或备案手续；

2.未依法确定消防安全管理人、自动消防系统人员；

3. 未按规定设置自动消防系统；

4. 消防设施严重损坏，不再具备防火灭火功能；

5. 疏散通道、安全出口不具备安全疏散条件；

6.违反消防安全规定，使用、储存易燃易爆危险品；

7.经应急管理或消防机构责令改正后，同一违法行为反复出现；

8. 未依法建立专（兼）职消防队；

9.一年内发生一次较大以上（含）火灾或两次以上（含）一般火灾。

电化学储能电站火灾风险评估应依据评估结果中直接判定项、关键项与一般项的数量综合确定储能电站火灾风险等级，宜划分为四个等级，表2 给出与火灾风险等级相对应的消防安全特征。评估结论应依据评估目的和评估对象实际状况，针对火灾风险评估中发现的问题，结合评估对象的火灾风险等级，提出对策措施及建议。对策措施及建议应具有科学性、适用性和可操作性。

表2 电化学储能电站火灾风险分级标准

对策建议

针对储能电站消防安全，应加强以下四个方面的研究：

1. 开展不同类型、不同容量的大型全尺寸储能电站实体实验，深入研究电化学储能电站火灾、爆炸机理，掌握其造成的危害后果和危害范围。

2.开发适用于电化学储能电站早期探测报警装置和固定灭火设施，提高电站整体设防水平。

3.开展电化学储能电站灭火救援装备和技术研究，研发专业化、智能化、无人化处置救援装备和个人防护装备，编制储能电站灭火救援处置规程，减少战斗人员伤亡。

4.开展电化学储能电站智能化消防安全管理技术研究，应用物联网、人工智能等技术，实时监测电站火灾风险，达到动态预警、早期处置的目标。安