儲能電池艙防控滅一體化消防系統(tǒng)研究

■ 陳愛萍 南京南瑞繼保電氣有限公司

一、電池艙的構(gòu)造及儲能站布局

電池艙通過預(yù)制艙外體與其內(nèi)部的電池系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等由專業(yè)生產(chǎn)商統(tǒng)一集成，形成一種緊湊型的小型化儲能裝置。繼而根據(jù)項目的需求，成套整體發(fā)往儲能電站現(xiàn)場，直接進(jìn)行基礎(chǔ)的安裝以及系統(tǒng)的調(diào)試即可。安裝施工中無需太多的土建濕作業(yè)，從而較大提高效率。

一個儲能站一般由幾個，甚至幾十個儲能艙陣列布置，形成一個龐大的能量中心。由于能量密度和空間的限制，一個儲能艙內(nèi)電池排布較為緊密，且無工作人員對電池艙內(nèi)的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。因此電池儲能艙本體自身的安全以及智能化要求極高。

二、電池艙火災(zāi)特點及形勢

儲能電池艙內(nèi)鋰離子電池雖然優(yōu)勢顯著，但若處于過熱、過充、短路等濫用條件下，電池內(nèi)部會因熱量積聚而發(fā)生熱失控，從而引起火災(zāi)甚至發(fā)生爆炸事故。通常單個電池模組發(fā)生，若得不到有效控制，則極易引發(fā)火災(zāi)，繼而在電池模塊間、電池柜間甚至是整個儲能電池艙之間傳播蔓延，且鋰離子電池在自燃同時會釋放氧氣，從而出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，造成大規(guī)模的火災(zāi)甚至爆炸。綜上可以得出，鋰電池火災(zāi)具有溫度高、蔓延快、復(fù)燃性等特點。

三、目前儲能電池艙消防設(shè)施及存在問題

（一）缺乏適用的相關(guān)規(guī)范

目前國內(nèi)關(guān)于電池艙的消防設(shè)計沒有明確的依據(jù)，主要參考以下幾個規(guī)范《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范化學(xué)儲能》（GB51048-2014）、《電力設(shè)備典型消防規(guī)程》（DL5027-2015）、《小型電化學(xué)儲能電站消防安全技術(shù)要求》（T/CSAE88-2018）。前兩者沒有明確的消防設(shè)計要求，一般按照工業(yè)建筑進(jìn)行消防設(shè)計。后者規(guī)定了一些主動滅火設(shè)施的要求。

（二）消防設(shè)施配置

目前我國用于儲能電池艙的消防設(shè)施一般如下：一是通風(fēng)裝置；二是可燃?xì)怏w探測器；三是滅火器；四是消防砂箱；五是消防報警系統(tǒng)；六是氣體自動滅火系統(tǒng)。以上設(shè)施，各儲能站由電池廠家結(jié)合自身經(jīng)驗，自行組合。由于儲能站一般地理位置偏僻，周邊沒有市政供水管網(wǎng)，因而絕大部分站區(qū)沒有設(shè)置室外消火栓系統(tǒng)。

（三）存在問題

儲能電池艙由于電池的特殊性，通常由電池廠家配套集成供給，電池艙作為設(shè)備直接發(fā)貨，因而其內(nèi)部消防設(shè)施的配置，沒有統(tǒng)一的機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行驗收，從而消防配置參差不齊。目前國內(nèi)電池艙大多集成了氣體自動滅火系統(tǒng)，其對撲滅電氣明火具備一定的作用，但對于電池艙火災(zāi)還有明顯的短板。

四、防控滅火一體化消防系統(tǒng)的提出

根據(jù)鋰電池火災(zāi)的特殊性，通過分析和研究，單一的消防系統(tǒng)顯然無法有效預(yù)防和控制電池艙火災(zāi)，需要具備多功能的多級消防系統(tǒng)聯(lián)合起來發(fā)揮作用。因此本文提出一種防控滅一體化的消防系統(tǒng)，即集高效熱管理、火災(zāi)報警、全淹沒式與局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)、災(zāi)后防復(fù)燃系統(tǒng)為一體。

五、防控滅火一體化消防系統(tǒng)的組成

（一）火災(zāi)預(yù)防——熱管理系統(tǒng)

防消結(jié)合，防患于未然，任何情況下，預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生都是消防中的重要環(huán)節(jié)。針對電池火災(zāi)的原因，熱管理失控是火災(zāi)的直接導(dǎo)火索。因此熱管理是儲能項目火災(zāi)預(yù)防中的一個重要環(huán)節(jié)。儲能艙熱管理系統(tǒng)主要由空調(diào)系統(tǒng)和BMS 溫控系統(tǒng)組成。

熱管理的目的在于讓高能量電池工作在合適的溫度區(qū)間內(nèi)，并且溫度分布較為均勻，從而提升電池的使用效率和壽命，同時兼顧安全，防止電池異常升溫導(dǎo)致安全火災(zāi)。因此熱管理的第一步就是設(shè)計良好的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計中根據(jù)電池艙內(nèi)的布置，借助熱仿真軟件，設(shè)計高效的氣流組織，保障電池的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

電池艙一般采用空調(diào)頂部出風(fēng)，通過風(fēng)道將冷（熱）風(fēng)通過電池與艙壁形成的風(fēng)墻均勻的送至每個電池柜，同時電池柜設(shè)計導(dǎo)熱孔，保證冷（熱）量能順利地到達(dá)每個電池PACK、每個模組。同時空調(diào)設(shè)置上部回風(fēng)口，出風(fēng)及回風(fēng)在電池艙內(nèi)形成風(fēng)路循環(huán)。同時借助熱仿真軟件進(jìn)行修正和驗證，保證電池之間的溫差也能控制在5℃以內(nèi)。

（二）火災(zāi)監(jiān)控——火災(zāi)報警

BMS 電池管理系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警管理，一旦電池模組內(nèi)熱管理失控，及時聯(lián)動電池運(yùn)行系統(tǒng)關(guān)閉，進(jìn)行事故診斷?；馂?zāi)報警自動啟動，一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)，后臺將自動按照既定控制策略，啟動固定式滅火裝置，進(jìn)行火災(zāi)撲滅。每個電池艙為一個報警區(qū)域，配備區(qū)域火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。每個集裝箱內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的點型火災(zāi)探測器，在此基礎(chǔ)上，增加可燃?xì)怏w探測器，能夠?qū)崿F(xiàn)早期報警并將該區(qū)域的報警信號統(tǒng)一發(fā)送至消防控制中心。

（三）全淹沒式——氣體滅火系統(tǒng)

氣體自動滅火系統(tǒng)中氣體主要采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），由于其在實現(xiàn)窒息滅火的同時吸收熱量，電絕緣性好等優(yōu)點，對于撲滅電池艙初期火災(zāi)具有很好的效果。

氣體自動滅火系統(tǒng)由氣體柜、管道、噴頭、泄壓裝置、消防報警等設(shè)施組成。柜體通常設(shè)置于艙體的一端，通過管網(wǎng)連接至所有艙體頂部安裝的氣體噴頭，從而形成自動氣體滅火系統(tǒng)。同時七氟丙烷在噴射完后，由液態(tài)轉(zhuǎn)換成了氣態(tài)，艙內(nèi)壓強(qiáng)迅速變大，電池艙作為一個密閉的空間，因此需設(shè)置相應(yīng)的泄壓口。該裝置應(yīng)根據(jù)電池艙結(jié)構(gòu)所能承受的壓強(qiáng)進(jìn)行具體的設(shè)計，防止電池艙出現(xiàn)裂縫。

當(dāng)電池預(yù)制艙任意電氣發(fā)生火災(zāi)后，氣體滅火系統(tǒng)首先開啟，所有氣體噴頭均噴放滅火劑，以全淹沒應(yīng)用滅火方式進(jìn)行初期火災(zāi)的撲滅。

氣體滅火系統(tǒng)平面布置圖

（四）局部應(yīng)用——高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

高壓細(xì)水霧由于其霧滴較小，電絕緣性好，穿透能力強(qiáng)，能有效解決障礙物的遮擋等問題，因此對于解決電池模組內(nèi)的火災(zāi)具有很強(qiáng)的針對性，從而用其作為局部應(yīng)用滅火系統(tǒng)。

該滅火系統(tǒng)由高壓細(xì)水霧滅火裝置（水箱、增壓泵、高壓細(xì)水霧泵）和管道、閥組、噴頭、消防報警等設(shè)施組成。高壓細(xì)水霧滅火裝置設(shè)在站區(qū)專門的建筑物內(nèi)，分區(qū)閥組可安裝在每個電池艙外壁，電池預(yù)制艙內(nèi)每一個電池模組內(nèi)均安裝有一個以上高壓細(xì)水霧噴頭，所有細(xì)水霧噴頭通過管網(wǎng)連接至細(xì)水霧滅火裝置，從而形成細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。電池模組外殼在裝有細(xì)水霧噴頭的一側(cè)開口，以便于噴頭伸入，其噴放方向朝向電池上表面和電池模組外殼頂板內(nèi)表面之間的區(qū)域。在電池模組外殼的其他側(cè)開設(shè)網(wǎng)孔，便于水霧溢出。網(wǎng)孔區(qū)的開孔率為20%—30%。

初期火災(zāi)撲滅后，高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)開啟，整個電池預(yù)制艙內(nèi)所有電池模組內(nèi)的細(xì)水霧噴頭均噴放高壓細(xì)水霧，以局部應(yīng)用滅火方式，對電池模組內(nèi)的火災(zāi)進(jìn)行撲滅，持續(xù)抑制熱失控，同時高壓細(xì)水霧會通過電池孔在電池預(yù)制艙內(nèi)彌漫，抑制整個電池預(yù)制艙內(nèi)其他區(qū)域發(fā)生熱失控。

（五）災(zāi)后防復(fù)燃——噴霧水槍

火災(zāi)控制后，電池艙內(nèi)依然溫度很高，釋放大量的熱量，因此災(zāi)后進(jìn)行防復(fù)燃也是一個很重要的環(huán)節(jié)。盡管氣體滅火系統(tǒng)以及高壓細(xì)水霧系統(tǒng)都具備一定的降溫和冷卻效果，但是對于電池火災(zāi)釋放的巨大能量還是不夠的，因此采用噴霧水槍進(jìn)行補(bǔ)充和持續(xù)降溫，災(zāi)后至少噴霧降溫2h，噴霧水槍用水一般取自室外消火栓，從而在儲能電池艙室外設(shè)置室外消火栓系統(tǒng)是必需的，并且就近設(shè)置消防箱，內(nèi)置噴霧水槍。

六、防控滅火一體化消防系統(tǒng)啟動策略

防控滅火一體化的消防系統(tǒng)啟動均由消防報警和消防聯(lián)動實現(xiàn)自動運(yùn)行，由電氣專業(yè)實現(xiàn)。電池正常運(yùn)行時，由BMS 電池管理系統(tǒng)，在線監(jiān)測各電池模組的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時切斷回路。消防報警自動啟動，判斷火災(zāi)發(fā)生，自動啟動固定滅火設(shè)施。固定滅火系統(tǒng)的啟動必須符合“先斷電后滅火”的要求。滅火系統(tǒng)控制組件在接收到預(yù)警信號或火災(zāi)信號后后，根據(jù)既定滅火策略，自動啟動滅火系統(tǒng)。

七、結(jié)語

本文通過對鋰電池艙火災(zāi)成因及火災(zāi)特點的分析，提出從火災(zāi)預(yù)防、火災(zāi)報警、撲滅火災(zāi)、災(zāi)后降溫等組合式多級防控滅火一體化消防系統(tǒng)，為電池儲能艙安全穩(wěn)定的運(yùn)行增設(shè)了一道有力屏障，從而能進(jìn)一步助力儲能行業(yè)的發(fā)展。