電池集裝箱電源滅火系統(tǒng)的探討

汪 行阮 棟

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.武漢長(zhǎng)江船舶設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430062）

十四五期間，我國(guó)將嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)，深入開展碳達(dá)峰行動(dòng)，并在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。尤其是在船舶等重點(diǎn)行業(yè)，須堅(jiān)持綠色優(yōu)先、綠色低碳的發(fā)展道路，電池動(dòng)力船是推進(jìn)航運(yùn)綠色化，促進(jìn)安全管理智能化的創(chuàng)新之舉，更有力推動(dòng)了行業(yè)經(jīng)濟(jì)、能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，讓良好的生態(tài)環(huán)境成為可持續(xù)發(fā)展的支撐。

電池動(dòng)力船的電池一般布置在船舶設(shè)置的固定電池艙內(nèi)。隨著電池動(dòng)力船的日益成熟，新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，電池集裝箱式移動(dòng)電源，簡(jiǎn)稱“箱式電源”，由陸用產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為船用產(chǎn)品，作為一門新技術(shù)出現(xiàn)在船人面前。

1 箱式電源特點(diǎn)

箱式電源系指采用集裝箱作為電池安裝平臺(tái)的蓄電池電源系統(tǒng)。其內(nèi)部主要用來存放蓄電池（目前以鋰電池組為主），同時(shí)還存放有電池管理系統(tǒng)以及高壓電路、低壓電路系統(tǒng)；除此之外，內(nèi)部還設(shè)有通風(fēng)、空調(diào)、火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)及滅火系統(tǒng)。其外殼需防火分隔。

2 滅火系統(tǒng)的幾種型式

圖1 箱式電源布置圖

箱式電源布置在船上，應(yīng)滿足船用相關(guān)規(guī)范的消防要求。相關(guān)規(guī)范對(duì)傳統(tǒng)的蓄電池間的滅火及防火有詳細(xì)描述，《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》（2019），以下簡(jiǎn)稱“指南”，第8 章8.1.1.2 中寫道：“箱式電源內(nèi)蓄電池的布置、安裝、通風(fēng)、消防等要求皆應(yīng)與船用主電源和/或推進(jìn)電源對(duì)蓄電池及其艙（室）的要求保持一致。”

因此，我們可以把船用電池集裝箱作為一個(gè)獨(dú)立的蓄電池間來處理，其消防應(yīng)滿足《指南》第6章，第3節(jié)，滅火的相關(guān)要求。

除常規(guī)水滅火外，《指南》提出蓄電池間還需要配置以下三種固定式滅火裝置之一進(jìn)行保護(hù)，即壓力水霧滅火系統(tǒng)、二氧化碳滅火系統(tǒng)、七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

2.1 壓力水霧滅火系統(tǒng)

用于蓄電池間的壓力水霧滅火系統(tǒng)，須滿足MSC Circ.1165 經(jīng)修訂的機(jī)器處所和貨泵艙的等效水基滅火系統(tǒng)認(rèn)可指南。

該系統(tǒng)需要設(shè)置大功率水霧泵，需要蓄電池間內(nèi)的電池為其提供電源，一方面，電池船因容量受限，一般都會(huì)盡量減少用電設(shè)備；另一方面，在蓄電池間失火的情況下，該蓄電池?zé)o法提供電源驅(qū)動(dòng)水霧泵組為該蓄電池間提供水霧滅火，雖然可以通過另外一套電池動(dòng)力源來驅(qū)動(dòng)，但也降低了該滅火系統(tǒng)的可靠性。

如果設(shè)置壓力水霧滅火系統(tǒng)，蓄電池間內(nèi)各設(shè)備的防護(hù)等級(jí)均會(huì)提高到IP56，增加了各電氣設(shè)備的造價(jià)，還會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

與其它滅火系統(tǒng)比較起來，壓力水霧滅火系統(tǒng)沒什么明顯優(yōu)勢(shì)，因此，電池動(dòng)力船很少會(huì)使用壓力水霧滅火系統(tǒng)。

該系統(tǒng)需要經(jīng)過中國(guó)船級(jí)社認(rèn)可，型式認(rèn)可試驗(yàn)需要花費(fèi)一大筆費(fèi)用，成本回收周期長(zhǎng)。據(jù)了解，目前很少有廠家能夠生產(chǎn)該產(chǎn)品。

2.2 二氧化碳滅火系統(tǒng)

《純電池動(dòng)力船舶檢驗(yàn)指南》中指出，二氧化碳滅火系統(tǒng)僅適用于能量型超級(jí)電容器處所，因目前船舶極少使用能量型超級(jí)電容器設(shè)備，因此本文不做深入探討。

如果需要設(shè)置固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)，因其布置方式與七氟丙烷滅火系統(tǒng)相似，后文也可作為其設(shè)計(jì)參考。

2.3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)

七氟丙烷滅火系統(tǒng)，是目前電池動(dòng)力船最常用、最廣泛的的固定式滅火系統(tǒng)。

七氟丙烷是無色、無味、不導(dǎo)電、無二次污染的氣體，具有清潔、低毒、電絕緣性好，滅火效率高的特點(diǎn)，特別是它對(duì)臭氧層無破壞，在大氣中的殘留時(shí)間比較短，是目前為止研究開發(fā)比較成功的一種潔凈氣體滅火劑。

七氟丙烷自動(dòng)滅火系統(tǒng)由儲(chǔ)存瓶組、儲(chǔ)存瓶組架、液流單向閥、集流管、釋放閥（組）、安全閥、壓力信號(hào)發(fā)送器、管網(wǎng)、噴嘴、藥劑、火災(zāi)探測(cè)器、聲光報(bào)器等組成 。

3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)在箱式電源上的應(yīng)用

根據(jù)七氟丙烷滅火系統(tǒng)特點(diǎn)，在船用箱式電源上有以下幾種應(yīng)用方案。

3.1 在箱內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的七氟丙烷室

此方案是在集裝箱內(nèi)設(shè)定一個(gè)獨(dú)立的空間，其與電池艙之間分離，并按要求進(jìn)行防火分隔。該獨(dú)立的空間按照七氟丙烷間的要求布置，內(nèi)設(shè)置一套七氟丙烷滅火系統(tǒng)，在電池艙失火時(shí)，船員進(jìn)入該房間，按照操作規(guī)程，啟動(dòng)滅火系統(tǒng)，對(duì)電池艙進(jìn)行滅火。

作為箱式電源，一般應(yīng)具有可批量制造，具有通用性，互換性高的特點(diǎn)。各箱式電源內(nèi)部空間布置應(yīng)相同，七氟丙烷室的出入口位置及開門方向應(yīng)相同。

而當(dāng)箱式電源布置在船上時(shí)，因?yàn)楦鞣N布置條件影響，一些七氟丙烷間可能很難達(dá)到，在失火時(shí)很難靠近。

為此，可以考慮設(shè)置滅火系統(tǒng)遙控接口，各電池箱的遙控裝置布置在船上專用房間內(nèi)。遙控裝置和集裝箱之間可以通過電纜、或氣管甚至是藍(lán)牙或者無線網(wǎng)絡(luò)連接。

《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》（2019）第5篇第3章第8節(jié)3.8.5.2“七氟丙烷間應(yīng)設(shè)置在機(jī)艙外、干舷甲板以上，最好應(yīng)能從開敞甲板進(jìn)入”[2]。因此，此方案中的箱式電源不能設(shè)置在主甲板以下。

本方案的七氟丙烷原理圖見圖2。

圖2 七氟丙烷滅火系統(tǒng)原理圖-方案1

V1-七氟丙烷瓶組；V2-釋放閥；V3-遙控釋放站；V4-壓力傳感器；V6-吹洗閥；

V7-壓力釋放閥；V8-背壓閥；V9-信號(hào)叫笛；V10-壓力表；V11-報(bào)警器；V12-電控箱

3.2 箱內(nèi)不設(shè)置七氟丙烷瓶組

此方案是在船上設(shè)置獨(dú)立的七氟丙烷間，藥劑瓶和控制系統(tǒng)均布置在該房間內(nèi)，集裝箱內(nèi)僅設(shè)置滅火管網(wǎng)噴頭及火災(zāi)報(bào)警。

箱式電源裝船后，船上的多路七氟丙烷釋放管與各集裝箱上的釋放管通過軟管或硬管連接，火災(zāi)報(bào)警線路連接。構(gòu)成完整的固定式七氟丙烷滅火系統(tǒng)。

電池動(dòng)力船往往采用2個(gè)或更多的箱式電源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，滅火劑量?jī)H需要滿足最大電池集裝箱的劑量要求，通過設(shè)置多個(gè)區(qū)域釋放閥，達(dá)到對(duì)每個(gè)箱式電源的滅火要求。當(dāng)某一箱式電源內(nèi)部失火時(shí)，船員進(jìn)入船上的七氟丙烷間，按照操作規(guī)程，啟動(dòng)滅火系統(tǒng)，對(duì)該電池艙進(jìn)行滅火。

該七氟丙烷滅火系統(tǒng)產(chǎn)品比較成熟，其原理圖見圖3。

圖3 七氟丙烷滅火系統(tǒng)原理圖-方案2

V1-七氟丙烷瓶組；V2-釋放閥；V3-遙控釋放站；V4-壓力傳感器；V5-噴嘴；V6-吹洗閥；

V7-壓力釋放閥；V8-背壓閥；V9-信號(hào)叫笛；V10-壓力表；V11-報(bào)警器；V12-電控箱

3.3 在各箱式電源電池艙內(nèi)設(shè)置七氟丙烷自動(dòng)滅火系統(tǒng)

此方案中，七氟丙烷鋼瓶、電磁瓶頭閥，管網(wǎng)噴頭、火災(zāi)探頭均布置在集裝箱電池艙內(nèi)，當(dāng)失火時(shí)，溫感或煙感探頭探測(cè)到火災(zāi)，自動(dòng)啟動(dòng)電磁瓶頭閥進(jìn)行釋放，以達(dá)到滅火目的。

根據(jù)MSC.1/Circ.1267要求，系統(tǒng)中任一部件損壞時(shí)，系統(tǒng)仍然能釋放出最低滅火濃度所需的藥劑量[3]。因此，本方案需要設(shè)置兩套獨(dú)立的自動(dòng)滅火系統(tǒng)，在一套出現(xiàn)故障時(shí)，另外一套仍然能夠正常工作。在失火時(shí)，如果兩套系統(tǒng)同時(shí)釋放，將會(huì)超過規(guī)范要求的最大藥劑量，故兩套系統(tǒng)不能同時(shí)釋放，需要在兩套系統(tǒng)之間設(shè)置互鎖裝置，既能保證兩套系統(tǒng)能相互備用，又能保證其中一套系統(tǒng)釋放時(shí)，另外一套不釋放。

另外，火災(zāi)探頭一般在68℃發(fā)出信號(hào)，為了保證系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)各部件如電纜、探頭應(yīng)能耐一定的溫度，保證在滅火劑完全釋放完畢之前，各部件不會(huì)因高溫而損壞。

據(jù)調(diào)研，目前市場(chǎng)還無此種系統(tǒng)應(yīng)用，需要設(shè)備廠按此要求研發(fā)新產(chǎn)品。最終系統(tǒng)見圖4。

圖4 七氟丙烷滅火系統(tǒng)原理圖-方案3

V1-七氟丙烷瓶組；V2-釋放閥；V3-遙控釋放站；V4-壓力傳感器；V5-噴嘴；V6-吹洗閥；V7-壓力釋放閥；V8-背壓閥；V9-信號(hào)叫笛；V10-壓力表；V11-報(bào)警器；V12-電控箱；V13-火災(zāi)探頭

4 實(shí)用案例分析比較

下面對(duì)國(guó)內(nèi)采用箱式電源首制船進(jìn)行上述三種滅火方案比較，見下表。

該船為集裝箱運(yùn)輸船，在主甲板尾部設(shè)置4只20尺箱式電源。每個(gè)電池艙體積25m3。電源布置方案見圖5。

根據(jù)擺放，該箱式電源應(yīng)設(shè)檢修通道、通風(fēng)進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置在前、后方。

由上述分析可知，方案二，箱內(nèi)不設(shè)置七氟丙烷氣瓶，船上設(shè)置獨(dú)立的七氟丙烷間，可布置在圖中A處，不影響前后檢修通道及通風(fēng)進(jìn)、出口。總價(jià)格最低、重量最小，操作、檢修空間要求低，為最優(yōu)方案。

5 總結(jié)

箱式電源可遠(yuǎn)洋和公路運(yùn)輸，可移動(dòng)性強(qiáng)，不受地域限制；集裝箱可以從前后、左右及上方進(jìn)行裝卸作業(yè)。

車用鋰電池有充電模式和換電模式的選擇，船用動(dòng)力電池通過箱式電源集成也可以實(shí)現(xiàn)充電模式和換電模式的選擇。一臺(tái)20 尺箱式電源，配磷酸鐵鋰電池，最大容量可做到1700kWh（不預(yù)留中間維護(hù)通道），常規(guī)電池動(dòng)力船按照這個(gè)容量，在靠岸時(shí)，通過岸基充電作業(yè)，一般需要6-8h；而集裝箱吊裝作業(yè)平均3-5 分鐘一只，加上管線連接作業(yè)，一臺(tái)箱式電源可在碼頭最短時(shí)間20 分鐘即可完成更換。純電池動(dòng)力船采用箱式電源，能夠大幅度縮短了充電時(shí)間，提高了船只運(yùn)營(yíng)效率。

表1 三種滅火方案比較

圖5 箱式電源布置圖

在“綠色發(fā)展”的大形勢(shì)下，箱式電源以其諸多優(yōu)勢(shì)必將得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

在箱式電源大規(guī)模使用之前，各基礎(chǔ)配置應(yīng)達(dá)到最優(yōu)，與安全息息相關(guān)的消防系統(tǒng)應(yīng)受到重視。

據(jù)悉，目前箱式電源更詳細(xì)的規(guī)范正在制定中，本文從使用角度提出個(gè)人見解，供同行參考。