基于磷酸铁锂储能电站灭火技战术研究

周会会 张亮 刘敏 杨旭

摘要：锂电池储能技术以其费用低、技术成熟、能量密度大及循环寿命长等优点成为电化学储能领域最广泛应用技术之一，但安全问题也是其突出的缺点。文章从储能系统工作原理、安全风险因素、热失控特征辨识等方面分析锂电池储能系统灭火技战术措施及注意事项，为一线消防救援人员处置此类火灾提供经验。

关键词：储能系统;火灾;战术;预制舱储能

中图分类号：TM912       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）04-0029-03

储能是指通过介质或者设备，利用化学或者物理的方法把能量存储起来，根据应用的需求以特定能量形式释放的过程，通常说的储能是指针对电能的储能。储能技术应用广泛，而电力系统、新能源发电（风能、太阳能等）、清洁能源、新能源汽车等行业的飞速发展，对储能技术尤其大规模储能技术提出了更高的要求，储能技术已成为该类产业发展不可或缺的关键环节，特别是储能技术在电力系统中的应用将成为智能电网发展的一个必然趋势[1]。

“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期，要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，构建以新能源为主体的新型电力系统。因此，提高非化石能源是实现碳达峰、碳中和的必然选择。由于风能、太阳能等可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控的特性，可再生能源大规模并入电网会给电网的安全稳定运行带来严重的冲击，而大规模储能系统可有效实现可再生能源发电的调幅调频、平滑输出、双向调节、快速响应等功能，从而减小可再生能源发电并网对电网的冲击，提高电网对可再生能源发电的消纳能力[2-4]。因此，大规模储能技术可有效解决可再生能源发电不连续、不稳定特性，提高可再生能源使用率。

我国的储能电站所用电池大部分来自动力电池生产线，沿用了动力电力的电芯标准。磷酸铁锂电池以其安全性高、能量密度高、充放电倍率高、使用寿命长等特点被广泛应用于电化学储能系统[5]。近年来，国内外储能电站事故引起了消防救援人员对其安全的关注。因此本文从储能系统安全风险因素、热失控辨识出发研究该类事故的灭火救援战术。

1  储能系统构成及工作原理

1.1  电池储能系统构成

预制舱锂电池储能系统是由若干电池组和电气设备组成并放置于密闭空间的单元集合，主要包含预制舱、磷酸铁锂电池、通风空调、视频监控、逆变器、汇流箱、升压系统等。

1.2  锂电池储能系统工作原理

太阳能或者风能产生的直流电一部分通过逆变器转变为交流电，进行升变压并入市网，输送到千家万户;另一部分通过电缆直接进入直流配电柜储存到电池预制舱中。

电池管理系统（BMS）可以实现单体电池电压、烟雾、电流、温度等的采集，具有电池短路、过充或过放的保护功能，通过传感器复合判断方式，有效识别火灾信号，实现早期火灾预警功能。储能系统工作原理见图1。

2  储能系统安全风险因素

在储能系统中，锂电池通常是由数百只甚至数千只串并联在预制集装箱中，电池单体发生热失控，会在电池簇内发生蔓延，引起严重的后果。储能安全是一个系統问题，不仅仅是电池带来的，某一环节出现问题，均有可能导致起火。储能系统事故风险因素可划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类。电池堆是最大的安全隐患之一，电池本体因素成为储能安全的核心，其诱发安全事故的来源主要是电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性。电池在非常规的运行环境及管理系统因素影响下，内部老化过程更加复杂多变，并逐渐演变成安全问题。外部激源主要来源于三方面，一是电激源，包括过充、过放等滥用情况。二是热激源，包括在高温下使用，或其他组件燃烧将单体电池甚至电池组燃爆。三是机械激源，包括振动、挤压等，机械激源在电动汽车上较为常见，在储能电站中几乎没有。

3  储能系统热失控特征辨识

3.1  火灾预警系统

消防救援人员到达现场，充分利用电池管理系统获取单体电池的温度、电压及电流数据，全周期、连续性监测，对其热失控状态进行鉴别，实现现场安全管控、风险研判及火灾的快速识别。

3.2  多参数监测模块

通过检测电池模块的VOC、可燃气体、温度、烟雾参数[6]，分析电池内阻数值的变化情况，实现对电池热失控的实时探测，科学研判火灾扑救的安全距离及最佳的内功时间，有效避免热失控。

3.3  火灾探测器

储能系统所在的环境相对密闭，一旦出现电热失控，将会导致系统中气体成分及浓度发生变化。对于初期火灾，主要应用气体探测器对泄漏出来的气体进行检测，在中期及晚期火灾主要利用感烟探测器、视频监控系统、感光探测器以及感温探测器进行检测。

4  储能电站火灾扑救技战术措施

储能系统的电池单体数量大，整体能量相对于电动汽车电池系统高1～2个数量级，预制舱式锂电池储能系统一旦单体电池或电池单元发生火灾，将会引起电池簇及相邻储能单元的连锁反应甚至箱体爆炸，火灾处置危险性高、难于扑救且社会影响严重。

4.1  准确辨识研判

储能系统电池组发生事故时，首先要研判“剂量、储量”，即能量密度的大小。对有可能发生的爆炸做出评估;其次要研判灾情阶段，对于处于初期火灾（未爆炸）阶段，要始终贯彻“先控制、后消灭”的战术原则，严禁救援人员打开预制舱门、与储能系统电线路直接相连事故区域及事故电池组直接射水，建议优先使用全氟己酮和七氟丙烷[7]扑救预制舱初期火灾，同时对毗邻区域冷却。对于已经发生爆炸的电池组要大流量射水冷却灭火，严防灾情扩大。

4.2  全要素、全周期监测

磷酸铁锂电池在发生热失控前，会出现明显的特征参量变化，利用无人侦察机实现视频传输（如语音、测距、测温等），通过电池管理系统、火灾报警、预警系统探测温度、压力、烟雾及可燃气体成分和浓度，通过这些特征参量的变化，判断电池是否发生热失控，从而准确发出撤退命令，避免造成救援人员伤亡。

4.3  高精尖装备联用

高喷车垂直冷却事故预制舱及毗邻区域，新型消防灭火机器人向前推进，压制火势，冷却预制舱，大型无人机连接30mm水带喷射气液两相灭火剂[8]（全氟己酮和水），形成空地一体化快速控制灾情发展，为内攻创造合适的时机。见图2。

4.4  防消结合，精准施策

磷酸铁锂电池早期热失控及热扩散特征参数为气体，应将气体探测作为锂电池火灾探测的主要指标之一。因此储能系统的火灾防控应更加注重对气体探测器的多点布置，以便灭火救援人员及时掌握锂电池热失控早期预警。同时储能系统应设置外部消防紧急接口和消防水池，有利于灭火救援人员快速运用“固移结合”战术原则处置火灾。

4.5  智慧消防与5G技术精准防控

5G新技术推动智慧消防领域产业的转型升级，使得消防技术从平面化向立体化提升[9]。通过对摄像机点位的视频进行针对性智能分析，在原有报警信息的基础上增加可视化，实现动态感知、智能研判与精准防控，确保基层消防救援人员的生命安全。消防救援人员可以通过VR/AR模拟训练，提升消防救援人员对新业态、新工艺技战术训练。

5  储能电站火灾处置注意事项

锂电池火灾会出现复燃现象，灭火后需采用红外测温仪等设备不间断测温，预留消防中队进行现场监控。

六氟磷酸锂电解液受热分解会产生氟化氢，溶于水形成弱酸，遇到普通金属易反应产生氢气，处置时要防止氢气爆炸。

锂电池燃烧或扑灭时会产生有毒有害气体，消防救援人员在火灾现场和现场清理全过程中必须全程佩戴空气呼吸器等全套防护装备，防止中毒风险。同时配备一定数量的防毒面罩，增加一线战斗人员处置事故时间。

储能电站箱门打开后，会产生大量的气体和烟雾，CO的体积分数从环境值2.4×10-6上升至190×10-6甚至更高[10]。因此消防救援人员在阵地设置时要注意避开泄压口、泄压面，处置过程中应留出一定的安全距离，防止电池组突然爆燃或爆炸的冲击、高温伤害。

6  结语

电化学储能是“双碳”能源改革中重要的一环，同时储能电站事故也是消防救援队伍面临的一类新业态，由于现有灭火剂难以扑救该类型火灾，消防救援人员必须熟悉预制舱的内部结构、火灾风险、防火技术、热失控辨识方法，从预制舱的防火设计及元件间联锁效应上革新技战术方法，科学决策，合理部署，真正做到“科学、安全、环保、专业、高效”的消灭储能电站火灾。

参考文献：

[1]吴霜，季聪，孙国强.含分布式储能的配电网多目标运行优化策略研究[J].电力工程技术，2018，37（2）：20-26.

[2]吴盛军，徐青山，袁晓冬，等.规模化储能技术在电力系统中的需求与应用分析[J].电气工程学报，2019，12（8）：10-15.

[3]ALBERTUS P， MANSER J S， LITZELMAN S. Long-Duration Electricity Storage Applications， Economics， and Technologies[J].Joule，2020，4（1）：21-32.

[4]吴静云，黄峥，郭鹏宇.储能用磷酸铁锂（LFP）电池消防技术研究进展[J].储能科学与技术，2019，8（3）：495-499.

[5]刘俊华，张启超，李程，等.磷酸铁锂电池模组健康度快速评估方法研究[J].电网与清洁能源，2020，36（10）：112-118.

[6]高平，许铤，王寅.储能用锂离子电池及其系统国内外标准研究[J].储能科学与技术，2017，6（2）：270-274.

[7]刘昱君，段强领，黎可，等.多种灭火剂扑救大容量锂离子电池火灾的实验研究[J].储能科学与技术，2018，7（6）：1105-1112.

[8]黄强，陶风波，刘洋，等.气液灭火剂对磷酸铁锂电池模组灭火能效研究[J].储能科学与技术，2020，30（3）：54-58.

[9]李首頂，李艳，田杰，等.锂离子电池电力储能系统消防安全现状分析[J].储能科学与技术，2020，19（5）：1505-1516.

[10]胡振恺，李勇琦，彭鹏.电池储能系统火灾预警与灭火系统设计[J].消防科学与技术，2020，39（10）：1434-1438.