低溫環(huán)境儲能預制艙氣體消防工程應用探討

通過對比國內(nèi)外標準規(guī)范結(jié)合滅火劑特性、氣體消防管道材質(zhì)、運行控制等方面對儲能預制艙氣體消防工程在低溫環(huán)境下如何應用進行討論，在最低環(huán)境溫度不低-10 ℃時應用氣體消防是符合規(guī)范要求的，在低于-10 ℃的環(huán)境可采用外部聯(lián)鎖加熱的方式或采用全氟己酮滅火介質(zhì)進行應用，并需復核管道材料的應力和試驗要求。

低溫環(huán)境、儲能、氣體消防

TU998.13A

［定稿日期］2023-05-11

［作者簡介］陳樹屹（1986—），男，碩士，高級工程師，從事電力設計工作；鞏建宇（1975—），男，本科，高級工程師，從事電力建設管理工作；白波（1986—），男，碩士，高級工程師，從事電力施工工作；盧杰（1984—），男，本科，高級工程師，從事電力安全監(jiān)督工作；李敏（1985—），男，碩士，高級工程師，從事電力新能源工作。

［通信作者］劉婷（1985—），女，本科，高級工程師，從事電力設計工作。

0 引言

隨著新能源電源點特別是光伏電站的增加，配套儲能越來越多的建設在了高海拔低溫環(huán)境區(qū)域，例如西藏已成功實施了“西藏陽光計劃”“科學之光”“阿里光電計劃”等太陽能光伏計劃，已建設完成光伏電站14座［1］。但是儲能電站行業(yè)火災形勢嚴峻，根據(jù)CNESA不完全統(tǒng)計，近十年全球儲能安全事故發(fā)生60余起［2］。

目前對于儲能電站電池預制艙，多按照TCEC 373-2020《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》“4.8.1電池預制艙內(nèi)應設置細水霧、氣體等固定自動滅火系統(tǒng)［3］……”；GB/T 42288-2022《電化學儲能電站安全規(guī)程》“5.6.10電池室/艙應設置自動滅火系統(tǒng)［4］……”；以及參考《電化學儲能電站設計標準（征求意見稿）》“12.4.8鋰離子電池室應設置自動滅火系統(tǒng)……”的要求設置了固定自動滅火系統(tǒng)。在高海拔的低溫環(huán)境下考慮到細水霧介質(zhì)在管道內(nèi)輸送可能凍結(jié)的風險，一般選用更多的是氣體滅火系統(tǒng)，本文就低溫環(huán)境下的儲能預制艙氣體消防工程應用進行了探討。

1 從國內(nèi)外規(guī)范條文本身來分析

在氣體滅火系統(tǒng)設計的執(zhí)行過程中涉及到GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》條文：“3.2.10防護區(qū)的最低環(huán)境溫度不應低于-10 ℃［5］?！眱δ茈娬倦姵仡A制艙一般均是露天布置，在最低環(huán)境溫度不低于-10 ℃的區(qū)域設置氣體滅火系統(tǒng)是沒有問題的，但越來越多的儲能電站建設在了環(huán)境溫度低于-10 ℃的區(qū)域。雖然電池預制艙在充放電的過程中會釋放熱量，可能導致電池預制艙內(nèi)氣溫短時間的升高，但是當電池預制艙不進行充放電工作時候，艙內(nèi)溫度有降低至環(huán)境溫度的可能性。因此為了滿足GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》的要求，需在電池預制艙內(nèi)設置溫度探測裝置和加熱設施，當電池預制艙內(nèi)溫度過低時，自動啟動加熱設施，保證電池預制艙內(nèi)溫度不低于-10 ℃。

以上是響應國內(nèi)標準的工程應用情況，國外消防方面多執(zhí)行NFPA 2001《潔凈氣體滅火系統(tǒng)標準》，其與我國標準GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》對于氣體消防環(huán)境溫度設計對比如表1所示。

根據(jù)對比可知，我國標準要求防護區(qū)的最低環(huán)境溫度不應低于-10 ℃，國外的NFPA標準則沒有對保護區(qū)環(huán)境溫度做相關的要求，但是另外要求應考慮在環(huán)境溫度很高的區(qū)域使用時的影響。我國標準給定了儲瓶間的溫度范圍，NFPA標準中儲瓶的貯存溫度按廠家要求執(zhí)行，在無法滿足其要求的情況下，可采用外部加熱或冷卻的方式。

從規(guī)范條文上看，NFPA標準是可以突破-10 ℃的限制范圍，滅火劑貯存溫度最低可達到制造廠家給出的限定值。相比我國標準的要求，NFPA標準對氣體消防系統(tǒng)的應用環(huán)境溫度沒有那么嚴格的要求，在以往的工程應用中，氣體消防系統(tǒng)多應用在環(huán)境溫度較為穩(wěn)定的室內(nèi)，與國標要求氣體消防應用項目環(huán)境溫度高于-10 ℃的要求基本上沒有什么沖突，但是隨著我國儲能電站的發(fā)展，越來越多的儲能項目建設地的最低環(huán)境溫度低于-10 ℃，采用外部聯(lián)鎖加熱的方式能解決規(guī)范的執(zhí)行難題，但是勢必造成新的能源損耗點。

2 從滅火劑類型特性來分析

GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》［5］明確了規(guī)范適用于七氟丙烷、IG541混合氣體和熱氣溶膠全淹沒系統(tǒng)的設計。七氟丙烷滅火系統(tǒng)作為比較成熟的氣體滅火系統(tǒng)［7］，常常在儲能預制艙中運用，但是目前在儲能配套固定消防的配置上推出了新型的全氟己酮滅火劑。

2001年，美國3M公司推出全氟己酮滅火劑（商標名稱：Novec 1230），取得UL和FM認證，并被NFPA 2001版標準收錄為潔凈氣體滅火劑，國際標準化組織也制定了1230滅火劑的國際標準ISO 14520-5：2016。

我國目前沒有專門對應全氟己酮的國標標準，已有相關的地方標準正在執(zhí)行，例如安徽省地方標準《預制式全氟己酮智能滅火系統(tǒng)設計、施工及驗收規(guī)范》于2022年12月29日發(fā)布，2023年1月29日實施。

全氟己酮、七氟丙烷主要參數(shù)對照如表2所示。

從表2中可知全氟己酮在-108～49.2 ℃間高達157.2 ℃范圍內(nèi)為液態(tài)，容易儲存。全氟己酮在常溫常壓下為液態(tài)，無色無味，容易氣化，釋放后不留殘余物，具備高效滅火，環(huán)保、潔凈等優(yōu)良性能，不破壞大氣臭氧層，全球變暖潛能值低。目前作為高效潔凈的氣體滅火劑，已被國際消防界認可并廣泛使用，是目前公認的可替代七氟丙烷等氫氟碳化物滅火劑的物質(zhì)［8］。

全氟己酮滅火規(guī)范體系在我國還不太健全，由于不在國標GB 50370-2005《氣體滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》適用的滅火劑選擇范圍內(nèi)，目前可不執(zhí)行其“防護區(qū)的最低環(huán)境溫度不應低于-10" ℃”的規(guī)定要求，在安徽省地方標準中要求全氟己酮防護區(qū)的環(huán)境溫度應在-40～+70 ℃范圍內(nèi)，遠超-10 ℃以上的環(huán)境溫度范圍，極大拓寬了全氟己酮氣體滅火的應用環(huán)境溫度范圍。

3 從壓力管道輸送的材質(zhì)分析

在2014版《特種設備目錄》壓力管道的定義是這樣的：“壓力管道，是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1 MPa（表壓），介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體，且公稱直徑大于或者等于50 mm的管道。公稱直徑小于150 mm，且其最高工作壓力小于16 MPa（表壓）的輸送無毒、不可燃、無腐蝕性氣體的管道和設備本體所屬管道除外。

氣體消防的動作壓力遠超0.1 MPa的范圍，但是氣體滅火劑輸送管道公稱直徑不一定大于50 mm，因此按此定義，小于DN50的氣體滅火管道一般不為壓力管道，大于等于DN50的氣體滅火管道為壓力管道，具體細分一般為GC2級壓力管道。由于非壓力管道管道材質(zhì)無確切的標準，本文主要是從壓力管道的角度進行分析管道材質(zhì)。

根據(jù)GB/T 20801.2-2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》［9］，球墨鑄鐵管需在-20 ℃以上應用，額定壓力不大于5.0 Pa，且符合沖擊性能要求；灰鑄鐵管需在-10 ℃以上應用，額定壓力不大于1.0 MPa；可鍛鑄鐵管需在-20 ℃以上應用，額定壓力不大于1.0 MPa，可見球墨鑄鐵、灰鑄鐵與可鍛鑄鐵應用范圍有限，需慎重選用。對于應用較多的碳鋼符合低溫應力或低溫降應力工況時，低溫降應力工況的碳鋼免于沖擊試驗的材料最低使用溫度降低量為11 ℃，且最低使用溫度應不低于-30 ℃……，符合低溫應力工況的GC2級管道，最低使用溫度應不低于-104 ℃，且適用的碳鋼材料中部包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和螺栓材料，管道系統(tǒng)中不準許存在鐵素體與奧氏體的異種金屬焊接接頭。

由此可見在滿足低溫應力、低溫降應力以及沖擊試驗等對管道管件的材料要求后，可在極大的擴充管道的應用溫度范圍，甚至最低可達-104 ℃。

4 從運行控制方面分析

氣體滅火系統(tǒng)具有自動控制、手動控制和緊急機械啟動方式。運行控制包括兩大部分，即藥劑儲存和噴放設備、報警和控制設備。藥劑儲存和噴放設備主要包括氣體鋼瓶、電磁閥、釋放管路、壓力開關、噴頭等。報警及控制設備主要包括控制盤、探測器、緊急停止按鈕或手/自動轉(zhuǎn)換開關、報警器等。氣體保護區(qū)的煙感和溫感火災探測器由火災自動報警系統(tǒng)設置，并通過模塊將每個保護區(qū)的兩路火警信號送到氣體控制盤。

當防護區(qū)長期無人值班或很少有人出入時，應將火災報警控制器上的控制方式選擇鍵置于“自動”位置。此時控制系統(tǒng)處于自動工作狀態(tài)，當防護區(qū)發(fā)生火災時，氣體滅火系統(tǒng)自動完成防護區(qū)內(nèi)的火災報測、報警聯(lián)動控制及噴氣滅火整個過程。防護區(qū)內(nèi)的單一探測回路探測火災信號后，控制盤啟動設在該防護區(qū)內(nèi)外的警鈴。同時向系統(tǒng)提供火災預報警信號。同一防護區(qū)內(nèi)的兩個回路都探測到火災信號后，控制盤啟動設在該防護區(qū)域內(nèi)外的聲光報警器，經(jīng)過30 s延時后，火災報警控制器輸出24 V直流電，啟動滅火系統(tǒng)。滅火劑經(jīng)噴射短管和噴頭釋放到防護區(qū)，控制面板噴放指示燈亮，同時報警控制器接收壓力訊號器反饋信號，開啟防護區(qū)內(nèi)門燈，避免人員進入，直至確認火災已經(jīng)撲滅。

當防護區(qū)經(jīng)常有人工作時且有人值班的情況下，為了防止系統(tǒng)誤動作，應將火災報警控制器上的控制方式選擇鍵置于“手動”位置。此時系統(tǒng)處于手動控制狀態(tài)。當防護區(qū)發(fā)生火災時，火災探測器將探測到的火災信號輸送給控制器，控制器立即發(fā)出聲、光報警信號，同時發(fā)出聯(lián)動信號，但不會輸出啟動滅火系統(tǒng)信號，此時需要經(jīng)值班人員確認火災后，按下控制器上相對應防護區(qū)的緊急啟動按鈕，即可按預先設定的程序啟動滅火系統(tǒng)，釋放氣體進行滅火。這種手動控制，實際上還是通過電氣方式的手動控制。手動啟動后，系統(tǒng)將不經(jīng)過延時而被直接啟動，釋放滅火劑。

經(jīng)咨詢儲能預制艙生產(chǎn)廠家，為實現(xiàn)以上功能的探測控制電氣原件能夠在-35 ℃以上運行，另外橫向參照GB 50193-93（2010年版）《二氧化碳滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》“3.2.5當防護區(qū)的環(huán)境溫度低于-20 ℃時……5.1.1儲存裝置應遠離熱源，其位置應便于再充裝，其環(huán)境溫度宜為-23～+49 ℃［10］。”可看出，在-23 ℃的低溫環(huán)境下電氣控制系統(tǒng)也能夠安全運行。綜合以上分析，探測控制電氣原件能夠在-35 ℃以上正常安全的運行。

5 結(jié)論

隨著新能源電源點特別是光伏電站的增加，配套儲能預制艙越來越多的建設在了高海拔低溫環(huán)境區(qū)域。

在國內(nèi)，儲能預制艙氣體消防工程采用七氟丙烷作為滅火介質(zhì)時，在最低環(huán)境溫度高于等于-10 ℃時進行應用是符合規(guī)范要求的；在最低環(huán)境溫度低于-10 ℃的地區(qū)可采用外部聯(lián)鎖加熱或選用適用溫度范圍更寬的新型的滅火介質(zhì)全氟己酮進行應用（按相關地方標準其適用范圍為-40～+70 ℃）。

另外氣體消防滅火介質(zhì)輸送管道有可能屬于壓力管道，在低溫環(huán)境應用時候需注意復核管道、管件的材料滿足低溫應力、低溫降應力以及沖擊試驗等材料的要求。

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