鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)與消防安全防護(hù)技術(shù)綜合研究

陶致格，朱順兵,2，侯雙平，李 可，王 赫

（1南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2江蘇省危險(xiǎn)化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816）

自“十三五”計(jì)劃執(zhí)行開始，我國(guó)新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域全面進(jìn)入從研發(fā)示范到初步商業(yè)化的變革階段。在技術(shù)裝備研發(fā)和示范項(xiàng)目建設(shè)等層面，我國(guó)已經(jīng)取得了具有實(shí)質(zhì)意義的進(jìn)步，并且市場(chǎng)應(yīng)用規(guī)模也在穩(wěn)定增長(zhǎng)[1]。由于電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在其適用區(qū)域上的局限性較小，它在電力供應(yīng)和用電兩側(cè)都可以用來實(shí)現(xiàn)能源的可控調(diào)度，我國(guó)已經(jīng)開始了大規(guī)模鋰電池儲(chǔ)能電站的建設(shè)。據(jù)國(guó)家能源局新能源和可再生能源司數(shù)據(jù)顯示，2023 年1～4 月電化學(xué)儲(chǔ)能投運(yùn)項(xiàng)目共73 個(gè)，裝機(jī)規(guī)模為2.523 GW/5.037 GWh，裝機(jī)功率較去年同期(374.4 MW)增長(zhǎng)577.1%。其中磷酸鐵鋰儲(chǔ)能項(xiàng)目高達(dá)69個(gè)，裝機(jī)規(guī)模為2.52 GW/5.019 GWh。電化學(xué)儲(chǔ)能電站裝機(jī)容量在2023 年上半年均大幅增長(zhǎng)以滿足雙碳計(jì)劃的要求。因此，為保障大規(guī)模儲(chǔ)能電站更加安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須針對(duì)目前儲(chǔ)能電站最迫切解決的火災(zāi)消防問題開展研究[2]。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)鋰電池安全防護(hù)技術(shù)方面，水有著優(yōu)異的滅火性能和環(huán)保特性，含添加劑細(xì)水霧也可以對(duì)滅火效果起到顯著的提升[3]。用于儲(chǔ)能電站消防的常用氣體滅火劑有全氟己酮、七氟丙烷、二氧化碳等，但是氣體滅火的缺點(diǎn)也常被詬病，所以科技工作者開始探究氣體-細(xì)水霧協(xié)同滅火的有效性，并總結(jié)出協(xié)同滅火在撲滅儲(chǔ)能電站火災(zāi)的相關(guān)策略。

本文基于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)，從火災(zāi)探測(cè)預(yù)警系統(tǒng)出發(fā)，分析鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)常用滅火劑與滅火機(jī)制，最后選用氣體-細(xì)水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)，構(gòu)建多層協(xié)同預(yù)警滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電站火災(zāi)的精準(zhǔn)預(yù)警和快速滅火，探究一種高效率的儲(chǔ)能電站火災(zāi)消防系統(tǒng)。

1 鋰電池儲(chǔ)能艙消防預(yù)警策略

1.1 火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)

煙感/溫感探測(cè)器。煙感探測(cè)器內(nèi)部運(yùn)用了離子式煙霧感測(cè)技術(shù)，其功能表現(xiàn)優(yōu)于氣敏電阻形式的火警報(bào)警器。另外，溫感探測(cè)器采用熱敏元件進(jìn)行物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)換，能對(duì)異常溫度以及溫度速率等變化進(jìn)行響應(yīng)，然后把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，進(jìn)一步通過報(bào)警設(shè)備發(fā)出警告。針對(duì)傳統(tǒng)艙級(jí)電氣火災(zāi)，在集裝箱頂部及內(nèi)部空間可選擇性地安裝部分煙感/溫感探測(cè)器，通過監(jiān)測(cè)煙霧濃度和溫度來實(shí)現(xiàn)艙級(jí)電氣火災(zāi)的防范[4-5]。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中如果鋰電池使用不恰當(dāng)會(huì)發(fā)生熱失控，隨著熱失控進(jìn)一步惡化，可燃?xì)怏w會(huì)逐漸加速溢出，且在鋰電池發(fā)生爆破時(shí)，可燃?xì)怏w瞬間大量噴出，并伴有大量煙霧產(chǎn)生。當(dāng)某一種可燃性氣體的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，該數(shù)據(jù)會(huì)被可燃?xì)怏w傳感器轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)并進(jìn)行報(bào)警處理。可燃?xì)怏w傳感器用于艙級(jí)布置，當(dāng)檢測(cè)到一定濃度的可燃?xì)怏w時(shí)，聯(lián)動(dòng)預(yù)制艙排煙風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，從而降低艙內(nèi)爆炸濃度。

可燃?xì)怏w探測(cè)器具備硬接點(diǎn)和RS485 等不少于兩種通信接口，其一路信號(hào)會(huì)被發(fā)送至BMS 進(jìn)行解析，發(fā)出告警、斷電，開啟風(fēng)扇及預(yù)制艙外警示燈并以此反饋給監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，另一路信號(hào)會(huì)傳給火災(zāi)報(bào)警控制器，并觸發(fā)滅火系統(tǒng)?？扇?xì)怏w探測(cè)器能在鋰電池發(fā)生明火之前探測(cè)到電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，但依然滯后于電池溫度。

傳統(tǒng)的感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器和可燃?xì)怏w探測(cè)器在極早期檢測(cè)火災(zāi)隱患方面存在困難，只有在火勢(shì)達(dá)到一定程度且生產(chǎn)出大量濃煙時(shí)才能探測(cè)到。這種延遲探測(cè)通常會(huì)錯(cuò)過處理火災(zāi)的最佳時(shí)間，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生無法彌補(bǔ)的損害。

1.2 極早期火災(zāi)探測(cè)

溫度傳感器。鋰電池火災(zāi)首先是升溫，然后是初爆、漏液、火災(zāi)，將鋰電池儲(chǔ)能火災(zāi)控制在電池箱(Pack)級(jí)別是保障整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全的重要一環(huán)。要想實(shí)現(xiàn)Pack 級(jí)火災(zāi)安全防控，首先需要利用傳感器精準(zhǔn)識(shí)別鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生情況。溫度傳感器成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單，因此選擇合適的溫度傳感器進(jìn)行Pack 級(jí)布置，能實(shí)現(xiàn)發(fā)生熱失控鋰電池的精準(zhǔn)定位，以及鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)Pack預(yù)警效果。

極早期火災(zāi)探測(cè)器。即使在火勢(shì)剛開始還未產(chǎn)生可見煙霧的階段也能夠及時(shí)偵測(cè)出火警的發(fā)生，為應(yīng)對(duì)火災(zāi)隱患提供4～11 h 的預(yù)警時(shí)間。這有利于為熱失控的電池組進(jìn)行中斷運(yùn)作和降溫等措施，防止異常情況升級(jí)為火災(zāi)。極早期火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)用于超前探測(cè)電池組熱失控前的異常狀態(tài)，并將極早期探測(cè)器的火災(zāi)警報(bào)聯(lián)動(dòng)BMS 切斷電源，激活細(xì)水霧自動(dòng)滅火系統(tǒng)，并施行噴水霧降溫措施。

2 鋰電池儲(chǔ)能電站滅火劑及有效性研究

滅火劑的作用機(jī)理主要有隔離、窒息、冷卻和化學(xué)抑制四種方式，鋰電池火災(zāi)三角形如圖2 所示。此外，鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)是一種非常復(fù)雜的火災(zāi)類型，因此設(shè)計(jì)理想的鋰電池火災(zāi)滅火劑是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

圖1 鋰電池火災(zāi)三角形Fig.1 Lithium battery fire triangle

圖2 F-500分子結(jié)構(gòu)、球形微胞圖Fig.2 F-500 spherical microcell, molecular structure diagram

滅火劑根據(jù)物理狀態(tài)分為干粉、水基滅火劑、氣體滅火劑和氣溶膠滅火劑。雖然其種類繁多，但適用于鋰電池模組能使其快速降溫的滅火劑種類較少。目前滅鋰電池火災(zāi)最常用的滅火劑以及滅火效果相對(duì)較好的有水基型滅火劑和潔凈氣體滅火劑。

2.1 鋰電池火災(zāi)水基型滅火劑應(yīng)用研究

在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了大量針對(duì)鋰電池火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)，通過分析滅火以及冷卻效果來判斷各種類型的滅火劑的適用性，據(jù)研究顯示，滅火劑的冷卻功效是阻止電池內(nèi)反應(yīng)鏈以及阻止電池因溫度失控而導(dǎo)致的火勢(shì)蔓延和復(fù)燃的關(guān)鍵。在各類滅火劑中，細(xì)水霧的效果尤為突出，對(duì)環(huán)境的破壞較輕，但是其缺點(diǎn)是需要大量的水源以及較長(zhǎng)的滅火時(shí)間。而純水細(xì)水霧滅火在滅火機(jī)理方面仍屬于物理作用滅火，它的局限性主要表現(xiàn)在滅火效果和應(yīng)用范圍上。學(xué)者們研究了各類物質(zhì)與細(xì)水霧協(xié)同滅火的效果，進(jìn)而彌補(bǔ)純水細(xì)水霧的不足。研究結(jié)果均表明，含添加劑的細(xì)水霧對(duì)鋰電池火災(zāi)的抑制效果明顯較好。

（1）協(xié)同滅火作用。張博[6]、朱明星等[7]開展了在受限空間內(nèi)含添加劑細(xì)水霧的滅火實(shí)驗(yàn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，使用加入堿金屬鹽和表面活性劑的高壓細(xì)水霧進(jìn)行滅火，其比純水細(xì)水霧滅火效率更高，滅火時(shí)間大大縮短。這說明二者在滅火過程中起到了協(xié)同作用，極大地提升了滅火性能。

（2）最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。張青松等人[8-10]提出的鋰電池火災(zāi)降溫指數(shù)模型，利用鋰電池?zé)崾Э匦袨槠脚_(tái)進(jìn)行了不同添加劑細(xì)水霧對(duì)鋰電池?zé)崾Э氐囊种茖?shí)驗(yàn)。研究分析了溫度變化趨勢(shì)、最大溫度及最大冷卻速率三個(gè)因素，以確定添加每種添加劑后的溫度下降指數(shù)。研究結(jié)果顯示，加入添加劑的細(xì)水霧對(duì)熱失控情況的抑制作用有明顯提升，但表面活性劑類的作用效果較無機(jī)鹽類添加劑稍遜一籌。添加劑之間存在協(xié)同作用，為了使滅火效果達(dá)到最好，添加劑存在最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

（3）噴灑時(shí)機(jī)。抑制鋰電池火災(zāi)不僅要選擇合適的滅火劑，噴灑時(shí)機(jī)也需考慮其中，Liu 等[11]研究了細(xì)水霧對(duì)磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元鎳錳鈷為正極材料的三種18650 型電池的抑制效應(yīng)，結(jié)果表明，含5% NaCl的細(xì)水霧比純水細(xì)水霧具有更好的熱失控抑制作用，且提出了噴灑時(shí)機(jī)影響因素。

2.2 細(xì)水霧添加劑應(yīng)用研究

純水細(xì)水霧滅火的滅火機(jī)理依然是物理作用滅火，其主要局限于滅火效果和適用范圍。為了優(yōu)化細(xì)水霧的滅火效率，科研人員鑒于添加劑的物理和化學(xué)特性能提升細(xì)水霧滅火性能的理論[12-15]，對(duì)各類添加劑在配方、工藝、使用方法等方面影響細(xì)水霧協(xié)同滅火的效果進(jìn)行了研究。而對(duì)滅火劑的研究不僅僅局限于提升細(xì)水霧的基本滅火性能，同時(shí)也著重于提高環(huán)保特性，開發(fā)新型材料。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于細(xì)水霧添加劑的研究，主要集中于鹽類物質(zhì)及表面活性劑，分析物質(zhì)對(duì)各類火災(zāi)的抑制作用。

（1）鹽類物質(zhì)。王青松等人[16]通過對(duì)含有KHCO3和K2C2O4·H2O 添加劑的細(xì)水霧進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)得出含鹽添加劑的細(xì)水霧表現(xiàn)出更好的冷卻和抑制效果。

（2）表面活性劑。Mallick等[17]指出水是一種良好的汽化冷卻介質(zhì)，表面活性劑作為水基添加劑可以減少熱量傳遞，防止熱失控傳播，引燃周圍電池。程相靜等人[18]分析了各類添加劑的作用機(jī)理，用傳熱學(xué)理論對(duì)電池?zé)崾Э睾蟮哪芰總鬟f進(jìn)行定量計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于FC-4(氟碳表面活性劑)而言，可以熱輻射和熱對(duì)流兩種方式來增加鋰電池?zé)崾Э睾蟮哪芰康膫鬟f。FC-4 屬于氟表面活性劑的一種，主要的作用是降低霧滴的表面張力，在相同的實(shí)驗(yàn)工況下霧滴粒徑減小更易蒸發(fā)吸收更多的熱量，降低環(huán)境溫度以及表面溫度進(jìn)而阻斷熱失控的傳播，達(dá)到持續(xù)抑制鋰電池火災(zāi)的效果。SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)和三乙醇胺這兩種添加劑主要促進(jìn)熱傳導(dǎo)形式的能量傳遞，對(duì)熱輻射和熱對(duì)流這兩種形式的能量傳遞起到抑制作用。劉惠平[19]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明濃度為1.5%的陰離子表面活性劑SDBS 可以增強(qiáng)細(xì)水霧的吸熱性能，提升細(xì)水霧對(duì)老化的18650型鋰電池?zé)崾Э鼗鹧娴囊种菩Ч?/p>

（3）復(fù)合組分滅火劑。為了進(jìn)一步提升滅火性能，綜合鹽類物質(zhì)及表面活性劑的化學(xué)、物理抑制作用，學(xué)者們對(duì)物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，研究?jī)?yōu)化復(fù)合組分滅火劑的配比、濃度等，以尋找高效、清潔、環(huán)保的新型滅火劑。王赫等[20]以三元鐵鋰電池火焰為研究對(duì)象，在受限空間內(nèi)對(duì)比了高壓細(xì)水霧與含添加劑的高壓細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明添加復(fù)合組分添加劑的高壓細(xì)水霧滅火時(shí)間明顯縮短，復(fù)合物質(zhì)存在協(xié)同滅火作用。Xu 等[21]、Wang 等[22]以18650型鋰電池為研究對(duì)象，開展細(xì)水霧滅火實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了滅火劑的理化性能，發(fā)現(xiàn)加入復(fù)合添加劑后溶液的表面張力明顯降低，噴霧粒徑減小，比單一添加劑表現(xiàn)出更好的冷卻性能。得出添加劑可作為有效的滅火介質(zhì)，提高細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的滅火效率。程相靜[18]開展不同種類添加劑、不同濃度梯度抑制18650 型鋰電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)，得出NH4H2PO4、KHCO3主要影響電池間的熱對(duì)流，三乙醇胺、十二烷基苯磺酸鈉主要影響電池間的熱傳導(dǎo)，F(xiàn)C-4、NaCl主要影響電池間的熱輻射。

FAA(federal aviation administration)[23]指出水基滅火劑抑制效果要優(yōu)于非水基滅火劑。由于細(xì)水霧粒子顆粒較小，火場(chǎng)中的細(xì)水霧粒子容易受外界條件影響，導(dǎo)致部分霧滴不能穿越火羽流抵達(dá)火焰根部和燃燒物的表面，這就降低了細(xì)水霧對(duì)火焰的抑制效果。但是如果加入合適的滅火介質(zhì)，這個(gè)問題就能得到改善，并且可以使滅火效果得到進(jìn)一步的提升。

F-500微胞囊滅火劑是一種優(yōu)質(zhì)滅火劑，F(xiàn)-500分子結(jié)構(gòu)、球形微胞如圖2所示。F-500滅火劑與水混合后，其分子非極性端向外排列，捕獲可燃物分子以及輻射熱，快速吸收火場(chǎng)熱量，中斷自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，同時(shí)形成微胞囊包裹，起到隔絕氧氣作用。此外，F(xiàn)-500 可以降低溶液的表面張力，增強(qiáng)霧滴的滲透力，實(shí)現(xiàn)快速降溫效果。Yuan 等[24]測(cè)試了3% F-500溶液與純水細(xì)水霧對(duì)磷酸鐵鋰電池的滅火效果和冷卻能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)降溫值計(jì)算，3% F-500溶液的冷卻能力是純水細(xì)水霧的3倍。冷卻效果是抑制火災(zāi)的重要因素之一，不僅可以快速熄滅電池火焰，也能防止熱失控的大規(guī)模傳播。

2.3 含添加劑細(xì)水霧滅火機(jī)理

添加劑的主要作用是改變水的性質(zhì)，從理化性質(zhì)方面可以分為物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)[25]。通常將能改變水物理性質(zhì)的添加劑稱為物理添加劑(主要為表面活性劑)，物理添加劑具有增加水的汽化吸熱、潤(rùn)濕能力，水可以通過自身的汽化反應(yīng)吸收更多熱失控電池火焰放出的熱量，從而降低熱失控電池以及鄰近電池組的溫度。降低水霧的附著力、表面張力可以減小水霧顆粒之間的相互作用，使細(xì)水霧顆粒表面積更大，分布更加均勻，提高吸熱能力。

能改變水化學(xué)性質(zhì)的添加劑稱為化學(xué)添加劑(主要為化學(xué)鹽類物質(zhì))。化學(xué)添加劑反應(yīng)可以在一定溫度下發(fā)生分解反應(yīng)釋放含氮化合物。惰性氣體含量的突然增加可以降低反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧氣的體積分?jǐn)?shù)，使可燃物與氧氣隔離，達(dá)到窒息滅火的效果。添加劑終止燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)主要是離子型化合物，它分解出的金屬離子能在火焰中吸收鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)生的自由基，使自由基的數(shù)目減少。因?yàn)樽杂苫鶖?shù)量的大量減少，導(dǎo)致分子間反應(yīng)變?nèi)酰準(zhǔn)椒磻?yīng)最終停止，火焰熄滅，達(dá)到滅火的效果。含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)滅火機(jī)理如圖3所示。

圖3 含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)滅火機(jī)理Fig.3 Mechanism of suppressing lithium battery fire extinguishing by water mist containing additives

2.4 鋰電池火災(zāi)氣體滅火劑應(yīng)用研究

氣體滅火劑憑借其高效清潔等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，目前研究較多的是七氟丙烷以及全氟己酮?dú)怏w滅火劑[26-27]。

（1）全氟己酮能夠快速滅火，但鋰電池易復(fù)燃，細(xì)水霧滅火裝置滅火效果顯著，但用水量大。謝卓衡等[28]搭建了可以一個(gè)觀測(cè)鋰電池燃燒及抑制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用電加熱的方法使其發(fā)生熱失控。比較了全氟己酮和細(xì)水霧滅火設(shè)備在冷卻和撲滅鋰電池火焰上的效果，并在各種工況下記錄了滅火所需的時(shí)間、最高溫度、質(zhì)量損耗和滅火速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)的全氟己酮滅火設(shè)備能夠快速撲滅鋰電池火焰，但是隨著滅火劑在箱體內(nèi)濃度降低，熄滅火源后的60 秒內(nèi)，鋰電池會(huì)再次燃燒；盡管細(xì)水霧滅火設(shè)備在撲滅火源上表現(xiàn)良好，且沒有發(fā)生再燃，但是其所需水量太大。

（2）全氟己酮可快速滅火，但存在一定的抑制作用。趙光金等[29]選取了磷酸鐵鋰電池模組作為研究對(duì)象，搭建了艙級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并用1 C的電流使電池模組過度充電，使其熱失控并引發(fā)火災(zāi)。簇級(jí)和艙級(jí)釋放全氟己酮的滅火實(shí)驗(yàn)。然后對(duì)抽取的氣體及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比了簇級(jí)和艙級(jí)釋放的全氟己酮在抑制磷酸鐵鋰電池模組火災(zāi)方面的效果，并在此基礎(chǔ)上提出了如何高效地使用滅火劑；蔡興初等[30]則是通過優(yōu)化全氟己酮?dú)怏w在磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能電池艙的滅火方式，結(jié)合了“局部應(yīng)用”和“全覆蓋應(yīng)用”的滅火方式，并通過模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其滅火效果。Liu 等[31]研究了在大容量鋰電池發(fā)生火災(zāi)時(shí)，全氟己酮的抑制效果，采用0、0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg、2 kg五種劑量的全氟己酮滅火劑。研究表明，隨著全氟己酮藥劑劑量的增加，電池上表面和底部的峰值溫度先緩慢升高后迅速下降。全氟己酮藥劑首先表現(xiàn)出負(fù)抑制作用，然后隨著劑量的增加轉(zhuǎn)化為抑制作用，這種抑制作用隨著劑量的增加而逐漸明顯。

3 鋰電池儲(chǔ)能電站滅火系統(tǒng)研究

鋰電池儲(chǔ)能電站的火災(zāi)，主要是由于鋰電池內(nèi)外溫度超出正常范圍，從而觸發(fā)鏈?zhǔn)饺紵磻?yīng)。所采用的滅火劑必須以熄滅火焰和降溫為目的，也就是要在鋰電池發(fā)生熱失控的初期，就控制火勢(shì)，避免進(jìn)一步演變?yōu)榇蠓秶幕馂?zāi)。根據(jù)鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)事故的特點(diǎn)，需要滅火劑能夠應(yīng)對(duì)A、B、C類火源，即具備強(qiáng)大的冷卻降溫功能，以防止持續(xù)發(fā)生鋰電池?zé)崾Э睾蛷?fù)燃，而且還要能抵擋三維立體噴射火的沖擊力?，F(xiàn)有的滅火劑還存在許多問題和不足，例如性能較差，冷卻效果有限，導(dǎo)電性強(qiáng)，需求量大，產(chǎn)生有毒有害氣體和易于復(fù)燃，這些問題目前仍沒有找到滿意的解決方法。

全氟己酮與七氟丙烷都比較適合用于鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)滅火。全氟己酮藥劑價(jià)格相比七氟丙烷較高，導(dǎo)致建設(shè)成本較高，但由于其滅火效果好，吸熱能力強(qiáng)，仍然優(yōu)先推薦選擇全氟己酮?dú)怏w滅火。

高壓細(xì)水霧能快速給燃燒模組降溫，極大程度上杜絕了模組之間的熱失控。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證15 分鐘內(nèi)的細(xì)水霧一般不會(huì)影響電池使用。雖然細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)電池模組的損害很低，但是高壓細(xì)水霧的成本比較高。

目前鋰電池儲(chǔ)能電站缺乏明確有效的滅火技術(shù)、合理可行的解決方案，為了提高滅火劑在火災(zāi)抑制和冷卻效率方面的能力，在現(xiàn)階段工程中推薦使用七氟丙烷、全氟己酮和細(xì)水霧滅火系統(tǒng)，同時(shí)采用協(xié)同滅火、火災(zāi)探測(cè)管結(jié)合通風(fēng)和防爆技術(shù)的手段。

3.1 消防滅火控制方案

傳統(tǒng)的消防方案、單一的氣體滅火很難抑制電池的復(fù)燃，建議采用氣體-細(xì)水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)作為鋰電池儲(chǔ)能電站的消防控制方案，如圖4所示。

圖4 氣體-細(xì)水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)消防控制方案Fig.4 Fire control scheme for gas water mist combined fire extinguishing system

3.1.1 全淹沒七氟丙烷聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火方案

系統(tǒng)布置：①每個(gè)電池箱內(nèi)都提前預(yù)留好孔和空間，以便于監(jiān)測(cè)模塊、霧化噴頭、線束、管道的布置。②電池箱(Pack)級(jí)保護(hù)，每個(gè)電池簇布置一個(gè)電磁閥，通過管道下接每個(gè)電池箱的霧化噴頭，各電磁閥上接一條管路接入消防滅火主機(jī)柜出來的主管路上。③電池艙級(jí)保護(hù)，消防主機(jī)除了接入每個(gè)電池箱的管路外，還有一路管路針對(duì)電池艙的全艙保護(hù)，每個(gè)電池艙上方另布置一個(gè)電磁閥，下接兩個(gè)霧化噴頭，進(jìn)行艙級(jí)全淹沒式保護(hù)噴放。④細(xì)水霧管路布置在電池艙壁兩側(cè)，細(xì)水霧泵組布置在電池艙外的泵艙內(nèi)或泵房?jī)?nèi)。

每個(gè)電池箱內(nèi)安裝監(jiān)測(cè)模塊(包含感溫、感煙、可燃?xì)怏w探測(cè)各兩個(gè))和霧化噴頭，能精準(zhǔn)并且迅速地判斷火災(zāi)并傳遞火災(zāi)報(bào)警信號(hào)[32-34]。柜式七氟丙烷氣體滅火裝置啟動(dòng)，通過電池箱上安裝的霧化噴頭把七氟丙烷滅火劑直接打入相應(yīng)電池簇的所有電池箱內(nèi)，抑制電池箱內(nèi)部發(fā)生的火災(zāi)。在此同時(shí)，電池艙頂部的管道電磁閥也打開，噴頭噴灑七氟丙烷滅火劑進(jìn)行艙級(jí)全淹沒式保護(hù)。當(dāng)七氟丙烷滅火劑全部噴完，火災(zāi)并未抑制住，高壓細(xì)水霧滅火主機(jī)再通過二次細(xì)水霧接口，對(duì)相應(yīng)電池簇里每個(gè)電池箱繼續(xù)進(jìn)行細(xì)水霧淹沒式降溫滅火。七氟丙烷聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 七氟丙烷聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)圖Fig.5 heptafluoropropane combined with high-pressure water mist fire extinguishing system diagram

3.1.2 全淹沒全氟己酮聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火方案

系統(tǒng)布置：①每個(gè)電池箱內(nèi)都提前預(yù)留好孔和空間，以便于監(jiān)測(cè)模塊、霧化噴頭、線束、管道的布置。②電池箱(Pack)級(jí)保護(hù)，每個(gè)電池簇布置一個(gè)電磁閥，通過管道下接每個(gè)電池箱的霧化噴頭，各電磁閥上接一條管路接入消防滅火主機(jī)柜出來的主管路上。③電池艙級(jí)保護(hù)，消防主機(jī)除了接入每個(gè)電池箱的管路外，還有一路管路針對(duì)電池艙的全艙保護(hù)，每個(gè)電池艙上方另布置一個(gè)電磁閥，下接兩個(gè)霧化噴頭，進(jìn)行艙級(jí)全淹沒式保護(hù)噴放。④細(xì)水霧管路布置在電池艙壁兩側(cè)，細(xì)水霧泵組布置在電池艙外的泵艙內(nèi)或泵房?jī)?nèi)。

每個(gè)電池箱內(nèi)安裝監(jiān)測(cè)模塊(包含感溫、感煙、可燃?xì)怏w探測(cè)各2個(gè))和霧化噴頭，能精準(zhǔn)并且迅速地判斷火災(zāi)并傳遞火災(zāi)報(bào)警信號(hào)。柜式全氟己酮?dú)怏w滅火裝置啟動(dòng)，通過電池箱上安裝的霧化噴頭把全氟己酮滅火劑直接打入相應(yīng)電池簇的所有電池箱內(nèi)，抑制電池箱內(nèi)部發(fā)生的火災(zāi)。與此同時(shí)，電池艙頂部的管道電磁閥也打開，噴頭噴灑全氟己酮滅火劑進(jìn)行艙級(jí)全淹沒式保護(hù)。當(dāng)全氟己酮滅火劑全部噴完，火災(zāi)并未抑制住，高壓細(xì)水霧滅火主機(jī)再通過二次細(xì)水霧接口，對(duì)相應(yīng)電池簇里每個(gè)電池箱繼續(xù)進(jìn)行細(xì)水霧淹沒式降溫滅火。全氟己酮聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 全氟己酮聯(lián)合高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)圖Fig.6 Perfluorohexane combined with high-pressure water mist fire extinguishing system diagram

3.2 鋰電池儲(chǔ)能電站清潔高效滅火技術(shù)開發(fā)

3.2.1 鋰電池儲(chǔ)能電站滅火劑研發(fā)

目前采用將細(xì)水霧和氣體復(fù)合的滅火技術(shù)，噴出的細(xì)水霧可以對(duì)空間進(jìn)行降溫，后又釋放氣體滅火劑，使HF 濃度降低。而在撲滅火焰的過程當(dāng)中，全氟己酮會(huì)在溫度擊破550 ℃的閾值后分解，釋放出C4F8劇毒氣體以及CO有毒氣體。全氟己酮消防滅火系統(tǒng)啟動(dòng)后，保護(hù)區(qū)域內(nèi)必須保證無人滯留。全氟己酮極易和水發(fā)生反應(yīng)，生成的酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)金屬部件及密封件有腐蝕性。在使用全氟己酮的各階段都須實(shí)施措施控制其中的水分比例，其對(duì)儲(chǔ)存環(huán)境有很高要求。為了保證當(dāng)前及未來能源技術(shù)的安全性，迫切需要研發(fā)一種用于鋰電池儲(chǔ)能電站消防的理想滅火劑。

（1）理想滅火劑的發(fā)展方向。

鋰電池儲(chǔ)能電站的理想滅火劑應(yīng)該是導(dǎo)熱、高度電絕緣和高效滅火，同時(shí)，理想的藥劑也應(yīng)該低成本、低殘留且無毒、吸收煙霧、HF 和CO 等有毒有害氣體，與滅火劑的釋放方式、釋放時(shí)機(jī)、釋放劑量等滅火策略相結(jié)合的理想滅火劑是鋰電池儲(chǔ)能電站滅火最優(yōu)發(fā)展方向。

（2）理想滅火劑研究中需要綜合考慮的功能及輔助性能。

滅火劑滅火功能具體包含了泡沫功能、乳化功能、阻燃功能[35]。泡沫功能主要是由發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑協(xié)同作用的結(jié)果，在產(chǎn)生大量的泡沫同時(shí)也能保證泡沫不會(huì)在火焰中快速消失，泡沫的含水量也大大增加，對(duì)可燃物釋放出來的熱量進(jìn)行吸收并且稀釋火焰區(qū)域的氧氣濃度。乳化功能主要是通過乳化劑“微包囊”對(duì)燃料進(jìn)行包裹，將可燃物隔離，阻止燃料的供給，使得燃燒無法持續(xù)，達(dá)到滅火的效果。阻燃功能，水系滅火劑中水溶性阻燃劑的用量較少，形成隔熱層的阻燃機(jī)理無法應(yīng)用到水系滅火劑，因此對(duì)阻燃功能組分選擇時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮產(chǎn)生阻燃?xì)怏w和中斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

滅火劑輔助性能是滿足滅火劑在實(shí)際工程中的抗凍、防腐蝕等方面的要求。

對(duì)于抗凍性的考慮主要選用目前抗凍性最佳的乙二醇，但是由于乙二醇的化學(xué)性質(zhì)容易造成火勢(shì)加劇，為了避免這種情況的發(fā)生，選用少量的無機(jī)鹽和乙二醇進(jìn)行復(fù)配使用可以提高滅火劑的抗凍性，但是無機(jī)鹽的加入會(huì)增強(qiáng)水系滅火劑的腐蝕性，所以需要按一定比例復(fù)配緩蝕劑來提升滅火劑的緩蝕效果。

3.2.2 鋰電池儲(chǔ)能電站細(xì)水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）細(xì)水霧對(duì)鋰電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)的控制能力、抑制機(jī)制研究。純水細(xì)水霧具有冷卻降溫、隔氧窒息、高速吹熄、穿透火焰、吸收和阻斷輻射熱的作用機(jī)理，含添加劑細(xì)水霧則具有降低細(xì)水霧中液滴的表面張力、泡沫滅火、阻斷燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的作用機(jī)理，其中，添加劑的物理滅火作用機(jī)理就包括使細(xì)水霧中液滴的表面張力降低以及泡沫滅火，而使燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)阻斷是添加劑的化學(xué)抑制機(jī)理。

加入添加劑后細(xì)水霧的滅火性能得到有效提高，考慮到化學(xué)物質(zhì)和添加劑的物理性能，有必要選擇具有最有效抑制作用的添加劑。此外在制備復(fù)合添加劑時(shí)，應(yīng)充分考慮各種添加劑的優(yōu)點(diǎn)。開展針對(duì)各種復(fù)合組分滅火劑對(duì)鋰電池組熱失控傳播的抑制以及滅火劑的抑制機(jī)理研究、進(jìn)行滅火效果綜合評(píng)估。

（2）鋰電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)過程中細(xì)水霧場(chǎng)的變化趨勢(shì)和規(guī)律研究[36]。從動(dòng)力學(xué)角度分析霧滴的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)一步探究細(xì)水霧在火場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況以及高溫環(huán)境下熱質(zhì)交換過程，從而充分發(fā)揮滅火劑與滅火系統(tǒng)的協(xié)同作用。

（3）細(xì)水霧在不同通風(fēng)條件、障礙物、電池容量尺寸下的作用規(guī)律和應(yīng)用方案。

（4）設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)特定應(yīng)用場(chǎng)景中專用中低壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。

在處理大型鋰電池儲(chǔ)能模組火災(zāi)時(shí)，使用1～2 MPa的低壓細(xì)水霧仍存在問題，那就是撲滅火焰所需要的時(shí)間過長(zhǎng)，且無法有效撲滅表面之外的火焰。然而，當(dāng)壓強(qiáng)增加，細(xì)水霧的覆蓋性和絕緣性都會(huì)有所提高，但這也會(huì)使得安裝成本快速上升。為了減少滅火設(shè)備的建設(shè)成本，并充分利用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在儲(chǔ)能系統(tǒng)消防中的作用，我們應(yīng)當(dāng)投入更多精力對(duì)含添加劑的中低壓細(xì)水霧專用滅火系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研發(fā)。

4 結(jié) 論

（1）火災(zāi)探測(cè)器可以對(duì)儲(chǔ)能電站電池艙火災(zāi)做出早期預(yù)警。然而，只有等到火勢(shì)達(dá)到某個(gè)程度，產(chǎn)生大量濃煙后，傳統(tǒng)的溫感、煙感和可燃?xì)怏w探測(cè)器才能發(fā)揮作用。因此，建立極早期火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)十分必要。

（2）現(xiàn)階段氣體-細(xì)水霧聯(lián)合滅火的方案比較適用于儲(chǔ)能電站的消防滅火系統(tǒng)，能夠有效撲滅鋰電池明火和持續(xù)降溫抑制復(fù)燃。

（3）細(xì)水霧添加劑的研究，目前主要集中于鹽類物質(zhì)、表面活性劑及物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配的復(fù)合組分滅火劑，含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)，包括物理和化學(xué)抑制作用。

（4）鋰電池儲(chǔ)能電站高效滅火劑的開發(fā)是現(xiàn)階段迫切需要解決的技術(shù)難題，同時(shí)需要加大含添加劑中低壓細(xì)水霧專用滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，最大限度地發(fā)揮細(xì)水霧滅火系統(tǒng)在鋰電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)消防方面的作用。