浅谈可再生能源产业发展火灾风险和消防对策

摘要：张家口市作为国家级可再生能源示范区，风电、光伏、制氢、储能、氢燃料电池汽车等新能源产业发展如火如荼，同时存在的潜在火灾风险也给日常消防安全管控工作带来了新挑战。笔者通过实地调研，积极为可再生能源产业发展过程中的消防安全管控工作建言献策。关键词：可再生能源；火灾风险；消防安全管控2015年，国务院将张家口市选定为可再生能源示范区。截至目前，张家口市可再生能源装机规模已经实现2821万千瓦，占据了全市电力装机总量的82.7%。然而，随着可再生能源产业不断发展壮大，给日常消防安全管控工作也带来了新挑战。现结合张家口市可再生能源发展实际，实地调研风电、光伏、制氢、储能、氢燃料电池汽车等新能源企业，为可再生能源产业发展过程中的消防安全管控建言献策。一、可再生能源产业发展背景和意义随着全球能源需求的不断增长，传统能源资源逐渐枯竭，环境污染和气候变化问题日益严重，可再生能源开发和利用受到了世界各国的广泛关注。可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能和地热能等，具有清洁、低碳、环保、可持续等特点，被认为是未来能源发展的主要方向。可再生能源开发有利于优化能源结构，减少对化石能源的依赖，提高能源安全。在使用过程中还可以减少温室气体排放，对抗全球气候变化，保护生态环境。此外，可再生能源产业的发展可以带动相关产业链的发展，创造就业岗位，促进经济增长。有利于提高人们的生活质量，改善生活环境，促进社会进步。然而，在可再生能源产业发展的过程中，火灾风险也不容忽视，需要采取有效的消防对策，确保产业安全可持续发展。二、可再生能源产业火灾风险分析（一）风力发电火灾风险风力发电机组由大量的机械和电气部件组成，长时间运行可能会导致设备老化、磨损，从而引发火灾。此外，由于风力发电机组通常安装在偏远地区，一旦发生故障，火势可能较大，救援难度较大。张家口市风电项目大多建设在张北、康保、沽源、尚义、蔚县、崇礼、赤城等地，海拔较高、全年风力资源丰富。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，主要表现在：一是风力发电机组控制柜、变流柜、变桨系统等电气元件如果出现接头松动、触点腐蚀、导线过流、碳刷过流等易引发火灾。二是机械结构刹车盘、轴承、齿轮箱等转动部件摩擦产生火花，遇风机内部漏油及易燃物等易引发火灾。三是避雷设施选型设计不当或接触电阻过高，遭受雷击易引发火灾。四是机组接地故障、电线短路时，电流迅速升高至额定电流的10—15倍，使电路严重超负荷而发热导致火灾发生[1]。风能发电机组的塔筒和叶片常被设置在几十米乃至上百米的高处，一旦机组起火，风扇下方的森林和草原易于被引燃，这会带来更严重的社会影响。（二）光伏电站火灾风险据调研，光伏电站起火往往是因为设备老化、电气短路、电缆破裂、触点松动、组件热斑等，加上电站中杂草未及时清除，干枯后成为易燃物。光伏电站涉及大量的电气设备，如光伏板、逆变器、电缆等。这些设备在运行过程中可能会因为短路、过载等原因引发火灾。数据显示，80%以上的光伏电站火灾是由直流侧故障触发。常规的组件电路经常具有600V到1000V的直流高电压，这是其工艺特色。如果直流电路中的连接器出现故障、接触不良、老化或型号不兼容等问题，这可能会触发直流电弧进而引起火灾。此时消防救援队伍接到报警到场后，由于光伏发电系统往往带有电压超过1000V的直流电，火灾扑救过程中高压直流电持续存在，给灭火救援工作带来较大的触电风险[2]。另外，秋冬季野外風力较大，森林草原等可燃物干枯易燃，野外光伏电站一旦起火，往往会引发较大森林草原火灾。（三）氢能火灾风险氢气储运方式为气态、液态、固体。气态氢气安全风险体现在点火能量低、爆炸极限（4%—75%）范围宽以及燃烧速度快等。高压气态罐车是国内技术最成熟、应用最广泛的设备。目前张家口市制氢、储氢、运氢、加氢多以压力气瓶为主，加氢站的外送氢气均采用长管罐车（35Mpa、70Mpa）进行运输，对车辆安全运行、应急处置提出更高要求。当前，氢燃料车辆生产企业大多只考虑气瓶材料、防爆和单车事故安全，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。涉氢受限场所的泄爆抑爆处置风险极高，加之消防救援队伍对氢燃料车辆动力源形式、工作原理、设备布局、火灾风险、处置难点和应对措施研究较少，缺少受限场所氢燃料电池汽车火灾爆炸特征与防控处置技术，一旦发生事故，如按照惯性思维进行处置，极易造成作战伤亡。（四）电化学储能电站火灾风险储能电站电池火灾发展过程大致分为：某一电池单体热失控→电池组热失控传播→储能电站火灾、爆炸事故发生。SEI膜将会崩溃瓦解，PE膜将遭受熔化之厄，负极与电解液的化学反应正在进行。同时，正极也与电解液产生化学反应，电解质分解，燃烧电解液；在外部，观察到的反应表现为温度快速升高，电池肿胀，壳体或防爆阀自动启动，烟雾喷涌，直至产生燃烧或爆炸。此外，电化学储能电站周围可能也存在火源，如野火、烟头等。火源失控就会引发火灾，对设备和人员安全造成威胁。在电化学储能电站的安装、维护和运行过程中，也会因为人员操作失误而发生火灾风险。（五）氢燃料电池汽车火灾风险氢燃料电池汽车主要使用磷酸铁锂动力电池，主要存在以下火灾风险：一是热失控。指单位时间内电池所产生（接受）的热量超过其有效散热能力，导致快速且不受控制释放热能的情形。二是产生毒性、腐蚀性及易燃气体。电池燃烧会产生一氧化碳（CO）、氰化氢（HCN）、氢氟酸（HF）等具有毒性、腐蚀性及易燃性气体，在密闭空间中会形成爆炸性环境。三是触电。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，远超人体安全电压[3]。此外，氢燃料电池汽车在行驶、停车等过程中，可能遭受外部火源侵袭，如交通事故、其他车辆火灾等。在氢燃料电池汽车制造、维修和运行过程中，人员操作失误也可能导致火灾风险。三、火灾防控和灭火救援对策（一）风电机组防灭火措施首先，做好火灾检测。在风力发电机组各部位设置检测仪器，常见探测器如感烟探测器、感温探测器、感光探测器以及空气采样探测器等。感烟探测器一般被用作一级警报系统，通常被安装在封闭空间如机舱、变频器柜、控制柜、电缆桥架等地方；感温探测器、感光探测器以及空气采样探测器等常被使用作为二级或三级报警设备，通常被安装在容易产生火花和电弧的发电机、刹车制动器、转子接线盒等地方。其次，合理选择灭火介质。在大部分情况下，我们会采用含有高压二氧化碳（CO2）或稀有气体（例如氮气或氩气）或七氟丙烷等的气体灭火系统，目的是为了能够迅速扑灭火源。另外，在处理电气火灾时，常常会看到使用细水雾并混入具有阻燃性质的添加剂或泡沫液情况。风电机组中诸如变流器和控制器等重要设备，通常会配备以稀有气体、高压二氧化碳为基础的气体灭火系统，从而确保设备安全[4]。此外，刹车系统、齿轮箱、发电机、液压站、变压器等设备，一般都会安装阻燃剂、泡沫细水雾灭火系统。（二）光伏电站防灭火措施鉴于光伏电站电气设备的特征，主控房、配电设施室以及继电设备室都可以安装感烟火灾探测器；主变电器、电缆层以及电缆竖井内则适宜装置线型感温火灾探测器；对于主变电器有125MVA以上单台设备容量的，应设置水喷雾灭火系统、合成型泡沫喷雾系统。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，对于户内封闭空间的变压器也可采用气体灭火系统。另外，由于光伏电站占地面积大，电缆分布广，无法针对电缆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。在光伏电站周围应设置防火隔离带，防止外部火源蔓延至电站。在电站内部，对易燃物品进行隔离存放，降低火灾风险。（三）氢能防灭火措施一是强化安全防范和制度建设。围绕氢气制造、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点、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。二是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。配备泄漏检测报警系统，及时发现和处理泄漏，避免氢气积聚导致火灾。三是规范氢气生产、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》（GB50177）、《加氢站技术规范》（GB50516）和《汽车加油加气加氢站技术标准》（GB50156）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[5]。在氢气储存和运输场所，应设置足够的防火距离，确保氢气泄漏时不会直接接触到火源。（四）储能电站防灭火措施储能电站作为新能源领域的重要组成部分，其安全性至关重要。储能电站的火灾风险主要来自电池热失控、电气设备故障、电池管理系统故障等。首先，要提高电池的本质安全。建议由国家相关部门围绕火灾发生三要素，解决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，研究制定更加有效的防护措施，控制电池热失控产生连锁反应，从源头上提高电池的安全性能。其次，完善储能电站消防安全技术标准。修正其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。最后，探索极早期报警设施的开发应用。目前《电化学储能电站设计规范》中要求的普通烟感、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，对电池内部发生的热解反应产生的热解离子进行探测，实现在热失控前的极早期预警。（五）氢燃料电池汽车防灭火措施氢气具有高燃爆性，防止氢气泄漏是防火安全的关键。首先，落实燃料电池汽车安全要求。根据《燃料电池电动汽车安全要求》（GB/T24549）和电动汽车安全标准要求，氢燃料电池车应防止氢气泄漏爆炸，特别是在地下停车场、交通枢纽、公路隧道等场所要提高防爆等级。要配备完善的电池热管理系统，实时监测电池温度，避免过热。其次，开发新型高效灭火剂。针对氢燃料电池汽车及车载锂电池特有的火灾特性，应研发新型高效、防复燃、防短路的灭火剂。比如：可研制移动液氮灭火装备，火灾发生后由消防救援人员遥控进入现场，在预先设置在氢燃料电池汽车电池舱外的灭火药剂注入口灌注液氮，通过极低温度的液氮对舱内进行降温窒息灭火。对氢燃料电池汽车的使用者、维护人员进行定期安全培训，使其了解和掌握防火安全知识和灭火器使用技能，并定期进行火灾应急演练，提高应对火灾的能力。最后，制定灭火作战标准流程。针对氢燃料电池汽车燃爆特性，加强灭火救援现场侦检、安全距