作者：陶致格1,朱順兵1,2,侯雙平1,李可1,王赫1

單位：1.南京工業(yè)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院；2.江蘇省危險化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點實驗室

引用：陶致格,朱順兵,侯雙平,等.鋰電池儲能電站火災(zāi)與消防安全防護技術(shù)綜合研究[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2024,13(2):536-545.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0551

本文亮點：本文綜述了傳統(tǒng)鋰電池儲能電站火災(zāi)探測以及滅火劑的不足之處，分析了目前最適合鋰電池儲能電站的氣體-細水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)，指出未來理想高效滅火劑的發(fā)展方向、適用的中低壓細水霧添加劑開發(fā)、專用滅火系統(tǒng)設(shè)計等。

摘要 近年來國內(nèi)外鋰電池儲能電站的增量十分可觀，用戶側(cè)潛力巨大，遂對鋰電池儲能電站的安全防護提出了更高的要求?，F(xiàn)如今鋰電池儲能艙傳統(tǒng)火災(zāi)探測器的預(yù)警方式存在不足，同時國內(nèi)外大量應(yīng)用研究也表明七氟丙烷和全氟己酮是目前較適用于鋰電池儲能電站火災(zāi)的氣體滅火劑，但任何單一滅火劑均無法同時起到撲滅明火和抑制大容量鋰電池復(fù)燃的作用，鋰電池儲能電站目前缺乏明確有效的滅火技術(shù)、系統(tǒng)性的解決方案。本文從極早期火災(zāi)探測對儲能艙火災(zāi)預(yù)警的重要性出發(fā)，綜述了含不同種類添加劑的細水霧對鋰電池儲能電站火災(zāi)的滅火效果，突出了氣體滅火劑-細水霧聯(lián)合應(yīng)用消防策略的重要性，并提出了清潔高效滅火技術(shù)開發(fā)的重點和下一步發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞  鋰電池；儲能電站；滅火劑；添加劑；高效滅火

　　自“十三五”計劃執(zhí)行開始，我國新能源儲能領(lǐng)域全面進入從研發(fā)示范到初步商業(yè)化的變革階段。在技術(shù)裝備研發(fā)和示范項目建設(shè)等層面，我國已經(jīng)取得了具有實質(zhì)意義的進步，并且市場應(yīng)用規(guī)模也在穩(wěn)定增長。由于電化學(xué)儲能技術(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)都可以用來實現(xiàn)能源的可控調(diào)度，我國已經(jīng)開始了大規(guī)模鋰電池儲能電站的建設(shè)。據(jù)國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)儲能投運項目共73個，裝機規(guī)模為2.523 GW/5.037 GWh，裝機功率較去年同期(374.4 MW)增長577.1%。其中磷酸鐵鋰儲能項目高達69個，裝機規(guī)模為2.52 GW/5.019 GWh。電化學(xué)儲能電站裝機容量在2023年上半年均大幅增長以滿足雙碳計劃的要求。因此，為保障大規(guī)模儲能電站更加安全穩(wěn)定運行，必須針對目前儲能電站最迫切解決的火災(zāi)消防問題開展研究。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)鋰電池安全防護技術(shù)方面，水有著優(yōu)異的滅火性能和環(huán)保特性，含添加劑細水霧也可以對滅火效果起到顯著的提升。用于儲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也常被詬病，所以科技工作者開始探究氣體-細水霧協(xié)同滅火的有效性，并總結(jié)出協(xié)同滅火在撲滅儲能電站火災(zāi)的相關(guān)策略。

　　本文基于鋰電池儲能系統(tǒng)的特點，從火災(zāi)探測預(yù)警系統(tǒng)出發(fā)，分析鋰電池儲能電站火災(zāi)常用滅火劑與滅火機制，最后選用氣體-細水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)，構(gòu)建多層協(xié)同預(yù)警滅火系統(tǒng)，實現(xiàn)對儲能電站火災(zāi)的精準預(yù)警和快速滅火，探究一種高效率的儲能電站火災(zāi)消防系統(tǒng)。

1 鋰電池儲能艙消防預(yù)警策略

1.1 火災(zāi)探測系統(tǒng)

　　煙感/溫感探測器。煙感探測器內(nèi)部運用了離子式煙霧感測技術(shù)，其功能表現(xiàn)優(yōu)于氣敏電阻形式的火警報警器。另外，溫感探測器采用熱敏元件進行物理性質(zhì)的轉(zhuǎn)換，能對異常溫度以及溫度速率等變化進行響應(yīng)，然后把溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子信號，進一步通過報警設(shè)備發(fā)出警告。針對傳統(tǒng)艙級電氣火災(zāi)，在集裝箱頂部及內(nèi)部空間可選擇性地安裝部分煙感/溫感探測器，通過監(jiān)測煙霧濃度和溫度來實現(xiàn)艙級電氣火災(zāi)的防范。

　　在儲能系統(tǒng)中如果鋰電池使用不恰當會發(fā)生熱失控，隨著熱失控進一步惡化，可燃氣體會逐漸加速溢出，且在鋰電池發(fā)生爆破時，可燃氣體瞬間大量噴出，并伴有大量煙霧產(chǎn)生。當某一種可燃性氣體的體積分數(shù)發(fā)生變化時，該數(shù)據(jù)會被可燃氣體傳感器轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電信號并進行報警處理。可燃氣體傳感器用于艙級布置，當檢測到一定濃度的可燃氣體時，聯(lián)動預(yù)制艙排煙風(fēng)機進行排風(fēng)，從而降低艙內(nèi)爆炸濃度。

　　可燃氣體探測器具備硬接點和RS485等不少于兩種通信接口，其一路信號會被發(fā)送至BMS進行解析，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，另一路信號會傳給火災(zāi)報警控制器，并觸發(fā)滅火系統(tǒng)?？扇細怏w探測器能在鋰電池發(fā)生明火之前探測到電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，但依然滯后于電池溫度。

　　傳統(tǒng)的感溫探測器、感煙探測器和可燃氣體探測器在極早期檢測火災(zāi)隱患方面存在困難，只有在火勢達到一定程度且生產(chǎn)出大量濃煙時才能探測到。這種延遲探測通常會錯過處理火災(zāi)的最佳時間，對設(shè)備產(chǎn)生無法彌補的損害。

1.2 極早期火災(zāi)探測

　　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)，將鋰電池儲能火災(zāi)控制在電池箱(Pack)級別是保障整個儲能系統(tǒng)安全的重要一環(huán)。要想實現(xiàn)Pack級火災(zāi)安全防控，首先需要利用傳感器精準識別鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生情況。溫度傳感器成本低、維護簡單，因此選擇合適的溫度傳感器進行Pack級布置，能實現(xiàn)發(fā)生熱失控鋰電池的精準定位，以及鋰電池儲能系統(tǒng)Pack預(yù)警效果。

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

2 鋰電池儲能電站滅火劑及有效性研究

　　滅火劑的作用機理主要有隔離、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)計理想的鋰電池火災(zāi)滅火劑是一項艱巨的任務(wù)。

圖1 鋰電池火災(zāi)三角形

圖2 F-500分子結(jié)構(gòu)、球形微胞圖

　　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

　　在國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量針對鋰電池火災(zāi)的滅火實驗，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)致的火勢蔓延和復(fù)燃的關(guān)鍵。在各類滅火劑中，細水霧的效果尤為突出，對環(huán)境的破壞較輕，但是其缺點是需要大量的水源以及較長的滅火時間。而純水細水霧滅火在滅火機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)與細水霧協(xié)同滅火的效果，進而彌補純水細水霧的不足。研究結(jié)果均表明，含添加劑的細水霧對鋰電池火災(zāi)的抑制效果明顯較好。

　?。?）協(xié)同滅火作用。張博、朱明星等開展了在受限空間內(nèi)含添加劑細水霧的滅火實驗。經(jīng)實驗證實，使用加入堿金屬鹽和表面活性劑的高壓細水霧進行滅火，其比純水細水霧滅火效率更高，滅火時間大大縮短。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。

　?。?）最佳質(zhì)量分數(shù)。張青松等人提出的鋰電池火災(zāi)降溫指數(shù)模型，利用鋰電池?zé)崾Э匦袨槠脚_進行了不同添加劑細水霧對鋰電池?zé)崾Э氐囊种茖嶒?。研究分析了溫度變化趨勢、最大溫度及最大冷卻速率三個因素，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，加入添加劑的細水霧對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，為了使滅火效果達到最好，添加劑存在最佳質(zhì)量分數(shù)。

　?。?）噴灑時機。抑制鋰電池火災(zāi)不僅要選擇合適的滅火劑，噴灑時機也需考慮其中，Liu等研究了細水霧對磷酸鐵鋰、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的細水霧比純水細水霧具有更好的熱失控抑制作用，且提出了噴灑時機影響因素。

2.2 細水霧添加劑應(yīng)用研究

　　純水細水霧滅火的滅火機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)特性能提升細水霧滅火性能的理論，對各類添加劑在配方、工藝、使用方法等方面影響細水霧協(xié)同滅火的效果進行了研究。而對滅火劑的研究不僅僅局限于提升細水霧的基本滅火性能，同時也著重于提高環(huán)保特性，開發(fā)新型材料。

　　國內(nèi)外對于細水霧添加劑的研究，主要集中于鹽類物質(zhì)及表面活性劑，分析物質(zhì)對各類火災(zāi)的抑制作用。

　　（1）鹽類物質(zhì)。王青松等人通過對含有KHCO3和K2C2O4·H2O添加劑的細水霧進行火災(zāi)試驗得出含鹽添加劑的細水霧表現(xiàn)出更好的冷卻和抑制效果。

　?。?）表面活性劑。Mallick等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。程相靜等人分析了各類添加劑的作用機理，用傳熱學(xué)理論對電池?zé)崾Э睾蟮哪芰總鬟f進行定量計算，實驗結(jié)果表明對于FC-4(氟碳表面活性劑)而言，可以熱輻射和熱對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，在相同的實驗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而阻斷熱失控的傳播，達到持續(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熱傳導(dǎo)形式的能量傳遞，對熱輻射和熱對流這兩種形式的能量傳遞起到抑制作用。劉惠平[19]實驗結(jié)果表明濃度為1.5%的陰離子表面活性劑SDBS可以增強細水霧的吸熱性能，提升細水霧對老化的18650型鋰電池?zé)崾Э鼗鹧娴囊种菩Ч?/p>

　?。?）復(fù)合組分滅火劑。為了進一步提升滅火性能，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)者們對物質(zhì)進行復(fù)配，研究優(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。王赫等以三元鐵鋰電池火焰為研究對象，在受限空間內(nèi)對比了高壓細水霧與含添加劑的高壓細水霧滅火實驗，結(jié)果表明添加復(fù)合組分添加劑的高壓細水霧滅火時間明顯縮短，復(fù)合物質(zhì)存在協(xié)同滅火作用。Xu等、Wang等以18650型鋰電池為研究對象，開展細水霧滅火實驗，并測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)，提高細水霧滅火系統(tǒng)的滅火效率。程相靜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貙嶒?，得出NH4H2PO4、KHCO3主要影響電池間的熱對流，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)指出水基滅火劑抑制效果要優(yōu)于非水基滅火劑。由于細水霧粒子顆粒較小，火場中的細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火焰根部和燃燒物的表面，這就降低了細水霧對火焰的抑制效果。但是如果加入合適的滅火介質(zhì)，這個問題就能得到改善，并且可以使滅火效果得到進一步的提升。

　　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，快速吸收火場熱量，中斷自由基鏈式反應(yīng)，同時形成微胞囊包裹，起到隔絕氧氣作用。此外，F(xiàn)-500可以降低溶液的表面張力，增強霧滴的滲透力，實現(xiàn)快速降溫效果。Yuan等測試了3%F-500溶液與純水細水霧對磷酸鐵鋰電池的滅火效果和冷卻能力。實驗結(jié)果表明，根據(jù)降溫值計算，3%F-500溶液的冷卻能力是純水細水霧的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 含添加劑細水霧滅火機理

　　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)。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))?；瘜W(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)氧氣的體積分數(shù)，使可燃物與氧氣隔離，達到窒息滅火的效果。添加劑終止燃燒鏈式反應(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式反應(yīng)產(chǎn)生的自由基，使自由基的數(shù)目減少。因為自由基數(shù)量的大量減少，導(dǎo)致分子間反應(yīng)變?nèi)?，鏈式反?yīng)最終停止，火焰熄滅，達到滅火的效果。含添加劑細水霧抑制鋰電池火災(zāi)滅火機理如圖3所示。

圖3 含添加劑細水霧抑制鋰電池火災(zāi)滅火機理

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氣體滅火劑。

　?。?）全氟己酮能夠快速滅火，但鋰電池易復(fù)燃，細水霧滅火裝置滅火效果顯著，但用水量大。謝卓衡等搭建了可以一個觀測鋰電池燃燒及抑制的實驗平臺，運用電加熱的方法使其發(fā)生熱失控。比較了全氟己酮和細水霧滅火設(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間、最高溫度、質(zhì)量損耗和滅火速率。實驗結(jié)果顯示，標準的全氟己酮滅火設(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)，鋰電池會再次燃燒；盡管細水霧滅火設(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。

　?。?）全氟己酮可快速滅火，但存在一定的抑制作用。趙光金等選取了磷酸鐵鋰電池模組作為研究對象，搭建了艙級實驗平臺，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)。簇級和艙級釋放全氟己酮的滅火實驗。然后對抽取的氣體及溫度數(shù)據(jù)進行分析，對比了簇級和艙級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；蔡興初等則是通過優(yōu)化全氟己酮氣體在磷酸鐵鋰電池儲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，并通過模型實驗驗證其滅火效果。Liu等研究了在大容量鋰電池發(fā)生火災(zāi)時，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 鋰電池儲能電站滅火系統(tǒng)研究

　　鋰電池儲能電站的火災(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)鏈式燃燒反應(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，避免進一步演變?yōu)榇蠓秶幕馂?zāi)。根據(jù)鋰電池儲能電站火災(zāi)事故的特點，需要滅火劑能夠應(yīng)對A、B、C類火源，即具備強大的冷卻降溫功能，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，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能電站火災(zāi)滅火。全氟己酮藥劑價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，仍然優(yōu)先推薦選擇全氟己酮氣體滅火。

　　高壓細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)過實驗驗證15分鐘內(nèi)的細水霧一般不會影響電池使用。雖然細水霧系統(tǒng)對電池模組的損害很低，但是高壓細水霧的成本比較高。

　　目前鋰電池儲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、全氟己酮和細水霧滅火系統(tǒng)，同時采用協(xié)同滅火、火災(zāi)探測管結(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-細水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)作為鋰電池儲能電站的消防控制方案，如圖4所示。

圖4 氣體-細水霧聯(lián)合滅火系統(tǒng)消防控制方案

3.1.1 全淹沒七氟丙烷聯(lián)合高壓細水霧滅火方案

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

　　每個電池箱內(nèi)安裝監(jiān)測模塊(包含感溫、感煙、可燃氣體探測各兩個)和霧化噴頭，能精準并且迅速地判斷火災(zāi)并傳遞火災(zāi)報警信號。柜式七氟丙烷氣體滅火裝置啟動，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，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行艙級全淹沒式保護。當七氟丙烷滅火劑全部噴完，火災(zāi)并未抑制住，高壓細水霧滅火主機再通過二次細水霧接口，對相應(yīng)電池簇里每個電池箱繼續(xù)進行細水霧淹沒式降溫滅火。七氟丙烷聯(lián)合高壓細水霧滅火系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 七氟丙烷聯(lián)合高壓細水霧滅火系統(tǒng)圖

3.1.2 全淹沒全氟己酮聯(lián)合高壓細水霧滅火方案

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

　　每個電池箱內(nèi)安裝監(jiān)測模塊(包含感溫、感煙、可燃氣體探測各2個)和霧化噴頭，能精準并且迅速地判斷火災(zāi)并傳遞火災(zāi)報警信號。柜式全氟己酮氣體滅火裝置啟動，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，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行艙級全淹沒式保護。當全氟己酮滅火劑全部噴完，火災(zāi)并未抑制住，高壓細水霧滅火主機再通過二次細水霧接口，對相應(yīng)電池簇里每個電池箱繼續(xù)進行細水霧淹沒式降溫滅火。全氟己酮聯(lián)合高壓細水霧滅火系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 全氟己酮聯(lián)合高壓細水霧滅火系統(tǒng)圖

3.2 鋰電池儲能電站清潔高效滅火技術(shù)開發(fā)

3.2.1 鋰電池儲能電站滅火劑研發(fā)

　　目前采用將細水霧和氣體復(fù)合的滅火技術(shù)，噴出的細水霧可以對空間進行降溫，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中，全氟己酮會在溫度擊破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)啟動后，保護區(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)會對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施措施控制其中的水分比例，其對儲存環(huán)境有很高要求。為了保證當前及未來能源技術(shù)的安全性，迫切需要研發(fā)一種用于鋰電池儲能電站消防的理想滅火劑。

　?。?）理想滅火劑的發(fā)展方向。

　　鋰電池儲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，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、釋放時機、釋放劑量等滅火策略相結(jié)合的理想滅火劑是鋰電池儲能電站滅火最優(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。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)生大量的泡沫同時也能保證泡沫不會在火焰中快速消失，泡沫的含水量也大大增加，對可燃物釋放出來的熱量進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”對燃料進行包裹，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理無法應(yīng)用到水系滅火劑，因此對阻燃功能組分選擇時應(yīng)重點考慮產(chǎn)生阻燃氣體和中斷燃燒鏈式反應(yīng)。

　　滅火劑輔助性能是滿足滅火劑在實際工程中的抗凍、防腐蝕等方面的要求。

　　對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)容易造成火勢加劇，為了避免這種情況的發(fā)生，選用少量的無機鹽和乙二醇進行復(fù)配使用可以提高滅火劑的抗凍性，但是無機鹽的加入會增強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 鋰電池儲能電站細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計

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

　　加入添加劑后細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，應(yīng)充分考慮各種添加劑的優(yōu)點。開展針對各種復(fù)合組分滅火劑對鋰電池組熱失控傳播的抑制以及滅火劑的抑制機理研究、進行滅火效果綜合評估。

　?。?）鋰電池?zé)崾Э睾突馂?zāi)過程中細水霧場的變化趨勢和規(guī)律研究。從動力學(xué)角度分析霧滴的空間運動軌跡，進一步探究細水霧在火場中的運動情況以及高溫環(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。

　?。?）設(shè)計儲能系統(tǒng)特定應(yīng)用場景中專用中低壓細水霧滅火系統(tǒng)。

　　在處理大型鋰電池儲能模組火災(zāi)時，使用1～2 MPa的低壓細水霧仍存在問題，那就是撲滅火焰所需要的時間過長，且無法有效撲滅表面之外的火焰。然而，當壓強增加，細水霧的覆蓋性和絕緣性都會有所提高，但這也會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，并充分利用細水霧滅火系統(tǒng)在儲能系統(tǒng)消防中的作用，我們應(yīng)當投入更多精力對含添加劑的中低壓細水霧專用滅火系統(tǒng)進行設(shè)計和研發(fā)。

4 結(jié)論

　?。?）火災(zāi)探測器可以對儲能電站電池艙火災(zāi)做出早期預(yù)警。然而，只有等到火勢達到某個程度，產(chǎn)生大量濃煙后，傳統(tǒng)的溫感、煙感和可燃氣體探測器才能發(fā)揮作用。因此，建立極早期火災(zāi)探測系統(tǒng)十分必要。

　?。?）現(xiàn)階段氣體-細水霧聯(lián)合滅火的方案比較適用于儲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)進行復(fù)配的復(fù)合組分滅火劑，含添加劑細水霧抑制鋰電池火災(zāi)，包括物理和化學(xué)抑制作用。

　?。?）鋰電池儲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，同時需要加大含添加劑中低壓細水霧專用滅火系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)，最大限度地發(fā)揮細水霧滅火系統(tǒng)在鋰電池儲能電站火災(zāi)消防方面的作用。

第一作者：陶致格（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為工業(yè)火災(zāi)與爆炸，E-mail：948108948@qq.com；

通訊作者：朱順兵，教授級高工，主要研究方向為工業(yè)火災(zāi)與爆炸，E-mail：13913399658@139.com。

本文轉(zhuǎn)載公眾號@儲能科學(xué)與技術(shù) 2024-03-23

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