內河電池動力船消防系統(tǒng)設計

李國剛，景彥銘，孫智，邱延

(1.中船重工船舶設計研究中心有限公司，遼寧 大連 116001;2.中船重工船舶設計研究中心有限公司，北京 100861)

目前我國內河船舶中有99%以上仍在采用傳統(tǒng)的柴油機直接推進，排放出包括CO、NO、SO等大量的有毒有害氣體，大部分污染物直接被內河水域吸收，給水域及周邊環(huán)境帶來嚴重排放污染問題，內河船舶的技術升級、節(jié)能減排需求迫在眉睫。相比于傳統(tǒng)采用內燃機為動力的船舶，電池動力船舶不僅在整體舒適性獲得明顯改善、簡化了日常維護保養(yǎng)工作量，關鍵在節(jié)能環(huán)保上有著巨大優(yōu)勢，可實現(xiàn)真正意義上的“零排放”。

船舶電池動力具有特殊性，與電動汽車的標準化、規(guī)模化的設計不同，船舶本身具有很強的訂制性，并且電池系統(tǒng)在船上的使用環(huán)境比汽車更復雜、更非標。目前船用純電池動力推進系統(tǒng)仍處于起步階段，關鍵技術不成熟，作為船用動力電池主推方向之一的鋰電池雖然具有能量密度高和可靠安全等特點，但易于熱失控，曾引發(fā)多起電池動力船舶著火事故。如何有效開展電池動力船消防系統(tǒng)設計，降低電池火災風險，是船廠、船舶設計院和電池動力系統(tǒng)集成商需重點關注和探討的問題。根據(jù)一艘已建造的內河電池動力游覽船的電池動力系統(tǒng)配置情況開展消防系統(tǒng)設計，探討適用于內河電池動力船的消防系統(tǒng)設計流程和計算方法。

1 電池動力船舶火災原因及危害

電池熱失控或電氣設備故障并失火是電池動力船舶發(fā)生火災的主要原因，其中電池熱失控引發(fā)的火災是整個電池動力系統(tǒng)設計重點防范內容。導致電池熱失控的原因主要有系統(tǒng)短路和高溫環(huán)境，但本質是其熱量沒有按照原設計意圖進行相關釋放。鋰電池熱失控表面現(xiàn)象有發(fā)熱、鼓包和電解液分解等，其中電解液的分解會產(chǎn)生大量可燃氣體，極易引發(fā)電池艙內的火災或爆炸。電池一旦發(fā)生燃燒或爆炸，不僅火勢迅猛不易撲滅，而且往往產(chǎn)生大量的煙霧，刺激人體呼吸道、眼睛和皮膚，妨礙救火工作和人員疏散，并可能對人員造成二次傷害。

2 消防系統(tǒng)設計

2.1 設計流程

針對電池火災的起因、特點及危害程度，內河電池動力船消防系統(tǒng)設計應從火災防治、抑制、滅火及監(jiān)測預警等方面出發(fā)，同時綜合考慮電池布置安裝、通風、應急脫險通道等因素，制訂設計流程見圖1。

圖1 消防系統(tǒng)設計流程

2.2 電池安全等級劃分

出于對船舶安全和消防系統(tǒng)設計的整體考慮，電池動力系統(tǒng)應優(yōu)先選用發(fā)生燃燒、爆炸風險性較低，安全等級為2的鋰電池。電池安全等級評估和等級劃分(見表1)主要依據(jù)其熱失控試驗數(shù)據(jù)，具體試驗內容分為參照IEC62619—2017的安全性試驗和參照GD22—2015的環(huán)境適應性試驗。

表1 電池安全分級表

目標船電池動力系統(tǒng)采用的是磷酸鐵鋰電池，出廠前通過了安全性能和環(huán)境適應性能檢驗。在規(guī)定的環(huán)境下，電池經(jīng)過過沖、過放、外部短路、熱濫用、跌落、重物沖擊和擠壓等試驗，未發(fā)生漏液、冒煙、起火和爆炸現(xiàn)象。根據(jù)電池出廠試驗報告和熱失控試驗數(shù)據(jù)判定其安全等級為2。

2.3 電池艙耐熱和結構性分隔

目前中國船級社相關規(guī)范中對內河電池動力船電池艙的失火危險程度未明確進行分類，按現(xiàn)有定義分類標準可暫歸為⑨類-較大失火危險的服務處所。根據(jù)客船的耐熱和結構性分隔要求，電池艙與相鄰艙室的耐火完整性應為A級分隔。對于失火風險性較低的相鄰艙室，其共用限界面可采用“A-0”級防火分隔，典型艙室如衛(wèi)生間、空艙等，對于失火風險性較高的相鄰艙室，其共用限界面應采用“A-60”級防火分隔，典型艙室如起居處所、控制站等。

2.4 通風系統(tǒng)設計

磷酸鐵鋰電池適宜長期工作溫度范圍為：-10 ℃～45 ℃。從動力電池使用安全和壽命角度考慮，為避免引起電池熱失控，電池艙應采用強制機械通風進行溫度調節(jié)。采用機械通風時，除考慮艙室的正常通風外，尚應按廠家提供的方法進行電池熱交換的機械通風計算，通風計算時，散熱量按最多的艙室計算，電池艙容積選用最大的一個電池艙容積進行計算。若廠家未提供計算方法，則按以下方法計算通風量。

=(+)0335Δ

(1)

式中：為電池艙最小通風量，m/h；為單個電池模塊發(fā)熱量，W；為其他熱源發(fā)熱量，W；為電池模塊總數(shù)；Δ為電池艙與外面空氣的最高溫度差，℃；為風扇裕量常數(shù)，實際選取1.5～2.0。

電池艙一旦失火，熱失控電池可能釋放出有毒/可燃性氣體，為此需設置一個獨立的應急排風系統(tǒng)，其風機為非火花型。當強制動力通風系統(tǒng)的主通風機同時具備抽風能力時，應急排風系統(tǒng)的抽風機可由主通風機兼用。應急排風機自動啟動應由可燃氣體探測器連鎖控制，當檢測到電池艙內可燃氣體的濃度超過其爆炸極限時，探測器應及時發(fā)出聲光報警并迅速啟動應急排風機。應急排風量應根據(jù)評估確定，但不應小于10次/h的換氣次數(shù)，按應急排風換氣次數(shù)計算通風量。

′=·

(2)

式中：′為電池艙最小應急排風量，m/h；為每小時換氣次數(shù)，次/h(不小于10)；為電池艙艙容，m。

2.5 探火和報警設計

目前船舶電池艙探火和報警系統(tǒng)設計的主要難點在于如何提高數(shù)據(jù)采集的準確性和回饋速度。電池艙內的環(huán)境非常復雜且多變，探火和報警探測器的選用和設計應結合電池火災的特性，在電池出現(xiàn)發(fā)熱、鼓包或電解液分解的情況下，能夠精準定位并快速發(fā)出預警，為電池火災的快速抑制和撲滅贏得寶貴時間。

目前常用設計手段為采用可燃氣體探測器、煙霧探測器和感溫探測器相互組合方式，通過合理的布置發(fā)揮探測器其各自的最佳性能。探測器的具體安裝要求主要依據(jù)其特性試驗數(shù)據(jù)，或參照表2中的相關數(shù)值。

表2 探測器安裝要求

2.6 水滅火系統(tǒng)設計

根據(jù)中國船級社《內河船舶法定檢驗技術規(guī)則》，對于船長≥50 m的客船重要機器處所應配置水滅火系統(tǒng)。水滅火系統(tǒng)一般由泵組、消防管路、消防栓、水龍帶，以及消防水槍(水柱/水霧兩用型)組成，對于內河電池動力船，應至少配置1只消火栓位于電池艙出入口處。內河電池動力客船水滅火系統(tǒng)配置依據(jù)可參照表3。

表3 客船水滅火系統(tǒng)配置表

目標船水滅火系統(tǒng)由2臺總用泵兼作消防泵，獨立電機驅動，通過海水總管吸水供至各消防栓，排量和壓頭滿足各項消防設備同時工作的需求。

2.7 七氟丙烷滅火系統(tǒng)設計

相比于二氧化碳滅火氣體，七氟丙烷(HFC-227ea) 兼具物理滅火和化學滅火作用，其所含F(xiàn)元素具有捕獲燃燒中活性基H、OH的能力，從而阻斷燃燒鏈。在設定實驗條件下，使用9%濃度的七氟丙烷，將發(fā)生電池火災的空間完全浸漬20 min后，明火被有效撲滅，但電池熱失控未得到有效控制，存在復燃可能性。七氟丙烷系統(tǒng)設計用量按下式計算。

(3)

式中：為滅火劑設計用量，kg；；為海拔高度修正系數(shù)；為防護區(qū)域凈容積，m；為七氟丙烷蒸汽質量體積，m/kg；為滅火劑設計濃度，%。

目標船七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設計用量計算結果見表4。

表4 七氟丙烷設計用量

2.8 壓力水霧滅火系統(tǒng)設計

在設定實驗條件下，對失火的鋰電池持續(xù)噴灑壓力水霧100 s后，電池組溫度迅速降低，明火完全撲滅且無復燃現(xiàn)象。對于內河電池動力船，采用壓力水霧與七氟丙烷相互組合滅火系統(tǒng)，不但可以快速撲滅明火，還可以有效控制電池組溫度，避免發(fā)生二次復燃。壓力水霧滅火系統(tǒng)一般采用中壓細水霧型式，由中壓泵組單元、儲水柜、區(qū)域隔離閥、壓力開關、過濾器、細水霧噴頭等組成。系統(tǒng)水流量計算如下。

1)單個噴嘴流量。

(4)

式中：為噴頭的設計流量，L/min；為噴頭的流量系數(shù)，可取1.6；為噴頭的設計工作壓力，MPa。

2)系統(tǒng)設計流量。

(5)

式中：為系統(tǒng)的設計流量，L/min；為計算噴頭數(shù)；為計算噴頭的設計流量，L/min；

目標船壓力水霧滅火系統(tǒng)噴頭選擇及相關的流量計算見表5。

表5 壓力水霧滅火系統(tǒng)噴頭型號的流量計算結果

2.9 手提式滅火器

手提式滅火器可作為固定式氣體滅火系統(tǒng)的替代或補充。當電池艙的甲板面積<4m時，艙內的固定式氣體滅火系統(tǒng)可由手提式滅火器替代，手提式滅火器數(shù)量可參照公式(3)計算。當電池艙的甲板面積≥4m時，應設一定數(shù)量的手提式滅火器作為固定式氣體滅火系統(tǒng)的補充。手提式滅火器在電池艙內的布置應合理且易于接近，在艙出入口處布置數(shù)量應≥1具，全艙內布置總數(shù)量應≥4具。

根據(jù)目標船電池艙甲板面積，手提式滅火器的配置清單見表6。

表6 手提式滅火器配置清單

2.10 脫險

為保證發(fā)生火災時人員能迅速撤離，內河電池動力船舶電池艙應設有1條應急脫險通道。脫險通道的設計不僅要保證人員能快速到達開敞甲板，還要與起居處所的人員脫險通道相互獨立。對于電池艙脫險通道一般采用傾斜角度≤65°的鋼制斜梯，當艙內高度<2 m時，也可用鋼制直梯進行替代。

3 結論

隨著越來越多的內河船舶采用電池動力系統(tǒng)，電池動力船舶消防安全問題越來越被關注。消防系統(tǒng)設計主要根據(jù)電池熱失控引發(fā)火災特點出發(fā)，需要綜合考慮電池艙溫度控制、火災的探測、火災的撲滅、火災的間隔以及如何去有效去除產(chǎn)生的煙霧、有害氣體等。鑒于船舶本身具有很強的訂制性，并且電池系統(tǒng)在船上的使用環(huán)境更復雜更非標，電池動力船舶消防安全系統(tǒng)設計應當按照船級社有關規(guī)定進行安全條件論證和安全評價。