锂电池储能电站消防灭火系统设计.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-143-生 产 与 安 全 技 术锂电池储能电站可用于存储电力能源，从而促进新能源发电方式的大规模接入，同时保证电网的稳定性。但锂电池的反应介质属于易燃性物质，受到高温、过度充电以及撞击等因素的影响，有可能引发火灾。鉴于此，结合实际案例研究此类电站的消防系统设计方法具有重要的工程应用价值。1 项目概况国内某电网侧储能电站项目采用磷酸铁锂电池作为储能设备，其容量达到101MW/202MWh。项目占地面积为3.2103m2，主体设施包括配电控制楼 1 座、电池储能预制舱 22 个。其中，配电控制楼属于丙类建筑，耐火等级为一级，楼高 22.3m，占地面积为 522m2，该楼共计 4 层，地上部分为 3 层，地下部分为1 层。电池储能预制舱采用完全一致的设计规格，长度、宽度、高度分别为 12.2 m、2.4m 和 2.8m，每座预制舱内安装了数百块磷酸铁锂电池模组，每个预制舱的电池容量均为 2.2MWh。2 电池火灾风险及灭火技术分析2.1 磷酸铁锂电池火灾风险分析国内科研人员对 326Ah 的大型磷酸铁锂电池进行燃烧试验，发现当此类电池受到外部因素的刺激时，有可能释放大量的热能，同时随着氢气、一氧化碳以及甲烷等可燃气体排出，进而产生明火，严重时可引起热失控，甚至爆炸。常见的刺激因素包括电池短路、过度充电、工作温度或环境温度过高、过度放电、挤压或者撞击等。在相关试验中，研究人员使用的电池模组容量为 1.3Ah326Ah，当温度接近140时，电池进入热失控状态，随着热量释放，产生明火后，电池温度快速升高，可形成热射流，最高的燃烧温度约为700。燃烧过程中释放的可燃气体进一步加剧了火灾风险，如果在较为狭小密闭的空间内，电池组有可能引起爆炸1。另外，火灾危险系数与电池的容量存在直接关联，因为容量较大的电池组可提供更多的可燃物。表1为电池燃烧试验的部分数据，从中可知，当电池容量较大时，其热释放速率通常也更大，燃烧后的质量损失占比均高于 20%。2.2 针对锂电池火灾的灭火介质分析在磷酸铁锂电池火灾中，可用的灭火介质包括气体、固体以及液体。在气体灭火介质方面，六氟丙烷、七氟丙烷、全氟已酮可用于抑制和扑灭锂电池火灾；在固体灭火介质方面，干粉灭火器具有一定的效果；液体灭火介质包括水和泡沫灭火器。经过灭火试验，各类灭火介质在锂电池火灾灭火中的应用效果见表 2。在实际应用中，全氟乙酮成为当前扑灭锂电池火灾的主要介质，其优势体现在 5 个方面，分别为效率高、洁净、安全以及无毒无害。全氟乙酮具有吸热和隔离氧气的双重作用，氧气的隔离能够阻断火灾，吸热可避免火灾复燃。对比全氟乙酮、CO2、惰性气体灭火介质，其灭火效率约为 CO2的 4 倍、惰性气体的 8 倍。虽然全氟乙酮灭火介质性能优异，但其采购价格较高，根据调查，一支 2kg 含量的全氟乙酮灭火器价格约为 800 元。该项目为锂电池储能电站，每个预制舱内的电池数量多达 210 块，灭火系统设计应该综合考虑成本和效果，因此全氟乙酮不适宜大规模部署和应用。另外，当锂电池进入热失控状态后，全氟乙酮的火灾抑制效果也存在一定的局限性。通过对比可知，水不仅能够快速扑灭明火，还能降低锂电池的温度，阻止可燃烧介质复燃。从灭火机理来看，水的渗透性较强，能够全面覆盖失火的电池，从使用成本来看，水的灭火成本远低于其他各类灭火介质。因此在锂电池储能电站消防灭火中，可将水作为最主要的灭火介质。3 锂电池储能电站消防灭火系统设计3.1 电池储能预制舱灭火系统设计3.1.1 高压细水雾灭火装置设计3.1.1.1 高压细水雾灭火试验装置在该项目中，电池储能预制舱的几何尺寸与标准集装箱锂电池储能电站消防灭火系统设计屈阳欢（新源智储能源发展（北京）有限公司，北京 102402）摘 要：磷酸铁锂电池储能电站存在一定的火灾安全风险，研究过程旨在针对此类电站设计可行的消防灭火系统。通过分析磷酸铁锂电池的燃烧过程，发现其在140即可进入热失控状态，在扑灭明火后容易出现复燃。对比干粉灭火器、六氟丙烷灭火器、七氟丙烷灭火器以及水的灭火效果，发现只有水能够实现快速降温和灭火。因此，该电站消防系统以高压细喷雾灭火装置为核心，同时配套设计消火栓以及室内外移动式灭火器材，重点消防位置是电池储能预制舱。关键词：锂电池储能电站；火灾风险；灭火技术；消防灭火设施中图分类号：TU892文献标志码：A表 1 磷酸铁锂电池燃烧试验相关数据示例编号电池容量/Ah质量比容量/（Ahkg-1）质量损失比/%热释放速率峰值/kW标准化的总燃烧热除以容量/（kJAh-1）除以电池质量损失/（MJkg-1）132659.522.488.7949.813.2128043.820.842.552.611.0735029.924.249.4355.843.8443528.528.255220.922.3451.332.332.37.37174.211.3中国新技术新产品2024 NO.3（上）-144-生 产 与 安 全 技 术一致，一个预制舱内设计有 210 个磷酸铁锂电池模组，每个模组内涵盖几十块电池单体。电池模组的间距非常小，电池密集的堆砌在一起。对灭火介质到达发热、失火的部位造成了一定的干扰。鉴于此，拟采用高压细水雾灭火装置克服这一难题，相关的设计依据为吸水雾灭火系统设计规范（GB 508982013）。在具体实施前，结合该项目电池储能预制舱的实际尺寸，搭建了专门的试验模型，其长度、宽度、高度分别为 12.0m、2.4m、2.8m，除长度略小于实际尺寸，试验模型的宽度和高度与储能电站的电池储能预制舱保持一致。在试验过程中，主要任务是确定喷头的出口压力、设计流量、系统的设计供水压力和设计流量等关键指标。根据技术规范，系统设计供水压力的计算方法如公式（1）所示。Pt=Pf+Pe+Ps （1）式中：Pt为系统供水压力；Pf为管道的水头损失；Pe为最不利点处喷头与储水装置最低水位的高程差；Ps为最不利点处喷头的工作压力。将系统的设计流量记为 Qs，其计算过程如公式（2）所示。Qqsiin?1 （2）式中：Qs为系统的设计流量；qi为第 i 个喷头的设计流量；n为喷头的数量。喷头设计流量的计算方法如公式（3）所示。qKP=10 （3）式中：q 为喷头的设计流量；K 为喷头的流量系数；P 为喷头的设计工作压力。从以上参数的计算方法来看，喷头的设计工作压力成为决定喷头设计流量和系统设计流量的重要因素，同时，喷头工作压力还影响细水雾的灭火效果，以下重点讨论喷头工作压力的设计取值问题。3.1.1.2 高压细水雾灭火效果试验试验中将锂电池模组容量设计为344Ah，规格为 0.6m0.42m0.24m。在电池起火燃烧后，将高压细水雾注入其外壳内部，观察灭火效果，得到以下 3 个试验结论：当细水雾喷头的出口压力 1.2MPa 时，对电池模组热失控的抑制效果不佳。当细水雾喷头的出口压力 2.0MPa 时，其对电池模组热失控的控制效果明显提升，能够在较短的时间内扑灭明火，完全抑制电池热失控需要消耗约 15min。当细水雾喷头的出口压力6.0MPa 时，水雾的包络性不足，难以形成较大的灭火覆盖面。综合以上 3 点试验结果，高压细水雾灭火装置可有效扑灭磷酸铁锂电池火灾，为了达到快速灭火的目的，可将喷头的出口工作压力设计为 6MPa，使细水雾形成良好的包络性2。随着出口压力的确定，可以计算喷头设计流量、系统流量等参数。3.1.1.3 高压细水雾灭火系统结构及运行参数设计高压细水雾灭火系统由加压泵、细水雾输水管道、细水雾喷头以及分区控制阀组成。将每组电池储能预制舱作为一个灭火分区，共计形成 22 个分区，由设置在舱外的分区控制阀实现独立控制，22 个灭火分区共用一套泵组。该项目电池组模块的数量为 210 个，为确保灭火效果，每个电池模组均要设置一个喷头。整体的控制方式如图 1 所示。当细水雾喷头工作时，将出口压力设计为 6MPa，将喷头每分钟的出水量设计为 3L。在整个电池储能预制舱内，每分钟的出水量控制在 680L。为了形成较大的包络线，当设计喷头时，采取扁平的扇形结构，将喷嘴布置在扇形结构的弧线上，该方案在喷水时可形成较宽的覆盖面。喷水时需要直接覆盖电池，因此在模组内预留一定的空间，约为 0.05m，方便喷头进入。3.1.1.4 持续喷雾时长控制磷酸铁锂电池出现热失控或者明火后，其内部的化学物质在高温的作用下会持续发生反应，即使扑灭了表面的明火，如果电池内部温度没有下降，就仍然存在复燃的风险，这一点在燃烧试验中已经得到证明3。例如，在高压细水雾灭火系统试验中，当喷头设计压力为 6MPa 时，仅需要 30s 即可扑灭电池表面的明火，在这一基础上，继续降温 210s，在停止喷雾一段时间后，电池出现了复燃，说明初期设计的 240s 持续喷雾时长不足以彻底达到灭火目标。在灭火试验中，将持续喷雾时长延长至 15min 后，电池并未出现复燃的情况，因此持续喷雾时长至少要达到 15min。为了确保灭火效果的可靠性，在锂电池表 2 不同灭火介质对磷酸铁锂电池的灭火效果灭火介质分类优点缺点是否选用六氟丙烷（C3H2F6）可抑制明火短时间内难以扑灭明火否七氟丙烷（C3HF7）可快速扑灭明火降温效果差，具有复燃风险否干粉灭火器可快速扑灭明火无法阻止电池内的化学反应，可复燃否泡沫灭火器具有一定的抑制作用整体灭火效果较差否水能快速降温，并扑灭明火是全氟已酮（C6F12O）可快速降温，并扑灭明火与水相比，成本较高，对热失控的抑制效果不佳否图 1 高压细水雾灭火系统整体结构示意细水雾泵组分区控制阀1#电 池舱2#电 池舱22#电 池舱21#电 池舱分区控制阀分区控制阀分区控制阀管路系统中国新技术新产品2024 NO.3（上）-145-生 产 与 安 全 技 术储能电站消防系统设计中，将持续喷雾时长大幅提升至 2h。3.1.1.5 高压细水雾灭火装置运行控制方法磷酸铁锂电池的采购成本较高，在一个电池储能预制舱内，任意电池模组出现失火，都可能导致火灾蔓延至其他模组。因此，在高压细水雾灭火系统控制中，采取预防为主的设计思路，任意电池模组起火，整个舱室内的所有高压细水雾喷头全部启动，进入喷雾灭火模式。该设计方案的优点较为突出，一方面控制已经产生的明火，另一方面则是降低其他电池模组的温度4。电池模组遇水之后并不会影响后续的使用和运行，因此该控制模式具备可行性。在运行控制方面，火灾发生之后，应在第一时间内启动灭火装置。该项目以自动灭火为主要控制模式，配合火灾报警监测系统，在传感器检测到高温或者烟雾后，自动执行灭火操作。另外，在实际的工作场景中要采用人工控制模式，作为自动控制模式的备用方案。在该项目中，设计了三种人工控制方案，分别为远程手动操作、现场手动操作以及应急操作。显然，火灾报警系统是触发高压细水雾灭火装置的关键因素，除了温度传感器、烟雾传感器之外，还应设置可燃气体探测器，用于检测 CO、CH4等气体产物，进一步提高现场感知能力5。3.1.1.6 消防排水设计高压细水雾灭火装置在灭火过程中会产生较多的消防排水，必须设计专门的排水系统，防止消防水在舱室内聚集。细水雾直接喷射至电池模组壳体与电池的间隙内，在电池侧面设计数量充足的小孔洞，其作用是排出电池过热、燃烧时产生的可燃气体，同时溢出模组内的消防水。孔洞内溢出的消防水直接达到舱室的地面，经过地漏排出舱室，地漏的排水流量为 15L/s。3.1.2 冷却水系统设计引发火灾的要素为点火源、空气以及可燃物，该锂电池储能电站共设计 22 个锂电池储能预制舱，并且各舱室的距离相对较近，当一个舱室起火时，有可能蔓延至临近的舱室，针对该情况，可设计冷却水系统，其作用是降低着火舱室的外表面温度，同时控制临近舱室的表面温度，达到隔离引火源的目的。在设计冷却水系统时，将电池预制舱视为甲类液体可燃储罐，根据消防给水及消火栓系统技术规范（GB 509742014）中的规定，设计用水量，结果见表 3。3.2 储能电站室内外消火栓系统设计除了电池储能预制舱外，站区内的其他建筑设施也需要设计灭火装置，主要的技术方案为设置消火栓系统，重点部位包括配电控制楼、站区室外空间、站区室内空间。其中，室内外消火栓的设计流量分别为 15L/s、25L/s。配电控制楼内部署带喷雾水枪的消火栓。消防用水系统的水源来自高位水箱，由市政自来水向水箱供水，配电控制楼的消防用水量为 432m3。3.3 移动式消防器材设置要求可移动式消防器材是消防灭火系统的重要组成部分，在储能电站消防设计中，必须重视对此类器材的应用和配置，根据 预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范（TCEC 3732020），典型储能电站消防器材的配置方法见表 4。4 结语综上所述，在锂电池储能电站消防系统设计中，将锂电池储能预制舱作为重点控制对象，可采用高压细水雾灭火装置实现火灾控制，同时设计配套的消防排水，设置合理的持续喷雾时间，以自动触发、自动控制的方式完成灭火。对于电站中的配电控制室和室内外空间，还应设计专门的消火栓系统，配置数量足够的可移动式灭火器材。根据该项目的特点，共设计 22 个防火分区，每个分区均配置高压细水雾灭火装置，出口压力为 6MPa，喷头设计流量为 3L/min，持续喷水时长为 2h。参考文献1 陈银，肖如，崔怡琳，等.储能电站锂离子电池火灾早期预警与抑制技术研究综述 J.电气工程学报，2022，17（4）：72-87.2 任晓勇.磷酸铁锂储能电站的火灾形成机制及防控策略 J.中国石油大学胜利学院学报，2022，36（2）：87-90.3 蔡晶菁.锂离子电池储能电站火灾防控技术研究综述 J.消防科学与技术，2022，41（4）：472-477.4 郭鹏宇，王智睿，钱磊.储能电站磷酸铁锂电池预制舱火灾事故分析 J.电力安全技术，2019，21（12）：26-30.5 蔡兴初，朱一鸣，陈彬，等.锂电池储能电站消防灭火设施研究与设计 J.给水排水，2021，57（6）：110-115.表 3 冷却水系统的用水量设计消防对象消防标准计算用水量/（Ls-1）设计用水量/（Ls-1）消防用水量合计/Ls-1）火灾延续时间/h灭火期间的用水量/m3电池舱着火舱冷却移动式冷却，水雾强度为0.1L/（sm2）11.2154临近舱冷却移动式冷却，水雾强度为0.1L/（sm2）11.220354504表 4 典型储能电站消防器材配置方案示例配置部位干粉灭火器数量/个六氟丙烷灭火器数量/个 喷雾水枪数量/个直流水枪数量/个 消防水带数量/条 火灾类别 危险等级保护面积/m2配电室5352-E(A)中100储能变流器室4-E(A)中100变压器室42-E(A)中100二次设备室4-E(A)中100消防设备室2-E(A)中50消防泵房2-E(A)轻-站内公用设施-44244混合-