鋰電池儲能電站消防滅火系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：磷酸鐵鋰電池儲能電站存在一定的火災(zāi)安全風(fēng)險，研究過程旨在針對此類電站設(shè)計可行的消防滅火系統(tǒng)。通過分析磷酸鐵鋰電池的燃燒過程，發(fā)現(xiàn)其在140℃即可進(jìn)入熱失控狀態(tài)，在撲滅明火后容易出現(xiàn)復(fù)燃。對比干粉滅火器、六氟丙烷滅火器、七氟丙烷滅火器以及水的滅火效果，發(fā)現(xiàn)只有水能夠?qū)崿F(xiàn)快速降溫和滅火。因此，該電站消防系統(tǒng)以高壓細(xì)噴霧滅火裝置為核心，同時配套設(shè)計消火栓以及室內(nèi)外移動式滅火器材，重點(diǎn)消防位置是電池儲能預(yù)制艙。

關(guān)鍵詞：鋰電池儲能電站；火災(zāi)風(fēng)險；滅火技術(shù)；消防滅火設(shè)施

中圖分類號：TU 892" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋰電池儲能電站可用于存儲電力能源，從而促進(jìn)新能源發(fā)電方式的大規(guī)模接入，同時保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性。但鋰電池的反應(yīng)介質(zhì)屬于易燃性物質(zhì)，受到高溫、過度充電以及撞擊等因素的影響，有可能引發(fā)火災(zāi)。鑒于此，結(jié)合實(shí)際案例研究此類電站的消防系統(tǒng)設(shè)計方法具有重要的工程應(yīng)用價值。

1 項目概況

國內(nèi)某電網(wǎng)側(cè)儲能電站項目采用磷酸鐵鋰電池作為儲能設(shè)備，其容量達(dá)到101MW/202MWh。項目占地面積為3.2×103m2，

主體設(shè)施包括配電控制樓1座、電池儲能預(yù)制艙22個。其中，配電控制樓屬于丙類建筑，耐火等級為一級，樓高22.3m，占地面積為522m2，該樓共計4層，地上部分為3層，地下部分為1層。電池儲能預(yù)制艙采用完全一致的設(shè)計規(guī)格，長度、寬度、高度分別為12.2 m、2.4m和2.8m，每座預(yù)制艙內(nèi)安裝了數(shù)百塊磷酸鐵鋰電池模組，每個預(yù)制艙的電池容量均為2.2MW·h。

2 電池火災(zāi)風(fēng)險及滅火技術(shù)分析

2.1 磷酸鐵鋰電池火災(zāi)風(fēng)險分析

國內(nèi)科研人員對326Ah的大型磷酸鐵鋰電池進(jìn)行燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)此類電池受到外部因素的刺激時，有可能釋放大量的熱能，同時隨著氫氣、一氧化碳以及甲烷等可燃?xì)怏w排出，進(jìn)而產(chǎn)生明火，嚴(yán)重時可引起熱失控，甚至爆炸。常見的刺激因素包括電池短路、過度充電、工作溫度或環(huán)境溫度過高、過度放電、擠壓或者撞擊等。在相關(guān)試驗中，研究人員使用的電池模組容量為1.3Ah～326Ah，當(dāng)溫度接近140℃時，電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)，隨著熱量釋放，產(chǎn)生明火后，電池溫度快速升高，可形成熱射流，最高的燃燒溫度約為700℃。燃燒過程中釋放的可燃?xì)怏w進(jìn)一步加劇了火災(zāi)風(fēng)險，如果在較為狹小密閉的空間內(nèi)，電池組有可能引起爆炸[1]。另外，火災(zāi)危險系數(shù)與電池的容量存在直接關(guān)聯(lián)，因為容量較大的電池組可提供更多的可燃物。表1為電池燃燒試驗的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從中可知，當(dāng)電池容量較大時，其熱釋放速率通常也更大，燃燒后的質(zhì)量損失占比均高于20%。

2.2 針對鋰電池火災(zāi)的滅火介質(zhì)分析

在磷酸鐵鋰電池火災(zāi)中，可用的滅火介質(zhì)包括氣體、固體以及液體。在氣體滅火介質(zhì)方面，六氟丙烷、七氟丙烷、全氟已酮可用于抑制和撲滅鋰電池火災(zāi)；在固體滅火介質(zhì)方面，干粉滅火器具有一定的效果；液體滅火介質(zhì)包括水和泡沫滅火器。經(jīng)過滅火試驗，各類滅火介質(zhì)在鋰電池火災(zāi)滅火中的應(yīng)用效果見表2。

在實(shí)際應(yīng)用中，全氟乙酮成為當(dāng)前撲滅鋰電池火災(zāi)的主要介質(zhì)，其優(yōu)勢體現(xiàn)在5個方面，分別為效率高、潔凈、安全以及無毒無害。全氟乙酮具有吸熱和隔離氧氣的雙重作用，氧氣的隔離能夠阻斷火災(zāi)，吸熱可避免火災(zāi)復(fù)燃。對比全氟乙酮、CO2、惰性氣體滅火介質(zhì)，其滅火效率約為CO2的4倍、惰性氣體的8倍。雖然全氟乙酮滅火介質(zhì)性能優(yōu)異，但其采購價格較高，根據(jù)調(diào)查，一支2kg含量的全氟乙酮滅火器價格約為800元。該項目為鋰電池儲能電站，每個預(yù)制艙內(nèi)的電池數(shù)量多達(dá)210塊，滅火系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該綜合考慮成本和效果，因此全氟乙酮不適宜大規(guī)模部署和應(yīng)用。另外，當(dāng)鋰電池進(jìn)入熱失控狀態(tài)后，全氟乙酮的火災(zāi)抑制效果也存在一定的局限性。

通過對比可知，水不僅能夠快速撲滅明火，還能降低鋰電池的溫度，阻止可燃燒介質(zhì)復(fù)燃。從滅火機(jī)理來看，水的滲透性較強(qiáng)，能夠全面覆蓋失火的電池，從使用成本來看，水的滅火成本遠(yuǎn)低于其他各類滅火介質(zhì)。因此在鋰電池儲能電站消防滅火中，可將水作為最主要的滅火介質(zhì)。

3 鋰電池儲能電站消防滅火系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電池儲能預(yù)制艙滅火系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 高壓細(xì)水霧滅火裝置設(shè)計

3.1.1.1 高壓細(xì)水霧滅火試驗裝置

在該項目中，電池儲能預(yù)制艙的幾何尺寸與標(biāo)準(zhǔn)集裝箱一致，一個預(yù)制艙內(nèi)設(shè)計有210個磷酸鐵鋰電池模組，每個模組內(nèi)涵蓋幾十塊電池單體。電池模組的間距非常小，電池密集的堆砌在一起。對滅火介質(zhì)到達(dá)發(fā)熱、失火的部位造成了一定的干擾。鑒于此，擬采用高壓細(xì)水霧滅火裝置克服這一難題，相關(guān)的設(shè)計依據(jù)為《吸水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（GB 50898—2013）。

在具體實(shí)施前，結(jié)合該項目電池儲能預(yù)制艙的實(shí)際尺寸，搭建了專門的試驗?zāi)Ｐ?，其長度、寬度、高度分別為12.0m、2.4m、2.8m，除長度略小于實(shí)際尺寸，試驗?zāi)Ｐ偷膶挾群透叨扰c儲能電站的電池儲能預(yù)制艙保持一致。在試驗過程中，主要任務(wù)是確定噴頭的出口壓力、設(shè)計流量、系統(tǒng)的設(shè)計供水壓力和設(shè)計流量等關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)技術(shù)規(guī)范，系統(tǒng)設(shè)計供水壓力的計算方法如公式（1）所示。

Pt=∑Pf+Pe+Ps " " （1）

式中：Pt為系統(tǒng)供水壓力；Pf為管道的水頭損失；Pe為最不利點(diǎn)處噴頭與儲水裝置最低水位的高程差；Ps為最不利點(diǎn)處噴頭的工作壓力。將系統(tǒng)的設(shè)計流量記為Qs，其計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Qs為系統(tǒng)的設(shè)計流量；qi為第i個噴頭的設(shè)計流量；n為噴頭的數(shù)量。噴頭設(shè)計流量的計算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：q為噴頭的設(shè)計流量；K為噴頭的流量系數(shù)；P為噴頭的設(shè)計工作壓力。從以上參數(shù)的計算方法來看，噴頭的設(shè)計工作壓力成為決定噴頭設(shè)計流量和系統(tǒng)設(shè)計流量的重要因素，同時，噴頭工作壓力還影響細(xì)水霧的滅火效果，以下重點(diǎn)討論噴頭工作壓力的設(shè)計取值問題。

3.1.1.2 高壓細(xì)水霧滅火效果試驗

試驗中將鋰電池模組容量設(shè)計為344Ah，

規(guī)格為0.6m×0.42m×0.24m。在電池起火燃燒后，將高壓細(xì)水霧注入其外殼內(nèi)部，觀察滅火效果，得到以下3個試驗結(jié)論：①當(dāng)細(xì)水霧噴頭的出口壓力≤1.2MPa時，對電池模組熱失控的抑制效果不佳。②當(dāng)細(xì)水霧噴頭的出口壓力≥2.0MPa時，其對電池模組熱失控的控制效果明顯提升，能夠在較短的時間內(nèi)撲滅明火，完全抑制電池?zé)崾Э匦枰募s15min。③當(dāng)細(xì)水霧噴頭的出口壓力lt;6.0MPa時，水霧的包絡(luò)性不足，難以形成較大的滅火覆蓋面。綜合以上3點(diǎn)試驗結(jié)果，高壓細(xì)水霧滅火裝置可有效撲滅磷酸鐵鋰電池火災(zāi)，為了達(dá)到快速滅火的目的，可將噴頭的出口工作壓力設(shè)計為6MPa，使細(xì)水霧形成良好的包絡(luò)性[2]。隨著出口壓力的確定，可以計算噴頭設(shè)計流量、系統(tǒng)流量等參數(shù)。

3.1.1.3 高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)設(shè)計

高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)由加壓泵、細(xì)水霧輸水管道、細(xì)水霧噴頭以及分區(qū)控制閥組成。將每組電池儲能預(yù)制艙作為一個滅火分區(qū)，共計形成22個分區(qū)，由設(shè)置在艙外的分區(qū)控制閥實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，22個滅火分區(qū)共用一套泵組。該項目電池組模塊的數(shù)量為210個，為確保滅火效果，每個電池模組均要設(shè)置一個噴頭。整體的控制方式如圖1所示。

當(dāng)細(xì)水霧噴頭工作時，將出口壓力設(shè)計為6MPa，將噴頭每分鐘的出水量設(shè)計為3L。在整個電池儲能預(yù)制艙內(nèi)，每分鐘的出水量控制在680L。為了形成較大的包絡(luò)線，當(dāng)設(shè)計噴頭時，采取扁平的扇形結(jié)構(gòu)，將噴嘴布置在扇形結(jié)構(gòu)的弧線上，該方案在噴水時可形成較寬的覆蓋面。噴水時需要直接覆蓋電池，因此在模組內(nèi)預(yù)留一定的空間，約為0.05m，方便噴頭進(jìn)入。

3.1.1.4 持續(xù)噴霧時長控制

磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)熱失控或者明火后，其內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)在高溫的作用下會持續(xù)發(fā)生反應(yīng)，即使撲滅了表面的明火，如果電池內(nèi)部溫度沒有下降，就仍然存在復(fù)燃的風(fēng)險，這一點(diǎn)在燃燒試驗中已經(jīng)得到證明[3]。例如，在高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)試驗中，當(dāng)噴頭設(shè)計壓力為6MPa時，僅需要30s即可撲滅電池表面的明火，在這一基礎(chǔ)上，繼續(xù)降溫210s，在停止噴霧一段時間后，電池出現(xiàn)了復(fù)燃，說明初期設(shè)計的240s持續(xù)噴霧時長不足以徹底達(dá)到滅火目標(biāo)。在滅火試驗中，將持續(xù)噴霧時長延長至15min后，電池并未出現(xiàn)復(fù)燃的情況，因此持續(xù)噴霧時長至少要達(dá)到15min。為了確保滅火效果的可靠性，在鋰電池儲能電站消防系統(tǒng)設(shè)計中，將持續(xù)噴霧時長大幅提升至2h。

3.1.1.5 高壓細(xì)水霧滅火裝置運(yùn)行控制方法

磷酸鐵鋰電池的采購成本較高，在一個電池儲能預(yù)制艙內(nèi)，任意電池模組出現(xiàn)失火，都可能導(dǎo)致火災(zāi)蔓延至其他模組。因此，在高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)控制中，采取預(yù)防為主的設(shè)計思路，任意電池模組起火，整個艙室內(nèi)的所有高壓細(xì)水霧噴頭全部啟動，進(jìn)入噴霧滅火模式。該設(shè)計方案的優(yōu)點(diǎn)較為突出，一方面控制已經(jīng)產(chǎn)生的明火，另一方面則是降低其他電池模組的溫度[4]。電池模組遇水之后并不會影響后續(xù)的使用和運(yùn)行，因此該控制模式具備可行性。

在運(yùn)行控制方面，火災(zāi)發(fā)生之后，應(yīng)在第一時間內(nèi)啟動滅火裝置。該項目以自動滅火為主要控制模式，配合火災(zāi)報警監(jiān)測系統(tǒng)，在傳感器檢測到高溫或者煙霧后，自動執(zhí)行滅火操作。另外，在實(shí)際的工作場景中要采用人工控制模式，作為自動控制模式的備用方案。在該項目中，設(shè)計了三種人工控制方案，分別為遠(yuǎn)程手動操作、現(xiàn)場手動操作以及應(yīng)急操作。顯然，火災(zāi)報警系統(tǒng)是觸發(fā)高壓細(xì)水霧滅火裝置的關(guān)鍵因素，除了溫度傳感器、煙霧傳感器之外，還應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，用于檢測CO、CH4等氣體產(chǎn)物，進(jìn)一步提高現(xiàn)場感知能力[5]。

3.1.1.6 消防排水設(shè)計

高壓細(xì)水霧滅火裝置在滅火過程中會產(chǎn)生較多的消防排水，必須設(shè)計專門的排水系統(tǒng)，防止消防水在艙室內(nèi)聚集。細(xì)水霧直接噴射至電池模組殼體與電池的間隙內(nèi)，在電池側(cè)面設(shè)計數(shù)量充足的小孔洞，其作用是排出電池過熱、燃燒時產(chǎn)生的可燃?xì)怏w，同時溢出模組內(nèi)的消防水?？锥磧?nèi)溢出的消防水直接達(dá)到艙室的地面，經(jīng)過地漏排出艙室，地漏的排水流量為15L/s。

3.1.2 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

引發(fā)火災(zāi)的要素為點(diǎn)火源、空氣以及可燃物，該鋰電池儲能電站共設(shè)計22個鋰電池儲能預(yù)制艙，并且各艙室的距離相對較近，當(dāng)一個艙室起火時，有可能蔓延至臨近的艙室，針對該情況，可設(shè)計冷卻水系統(tǒng)，其作用是降低著火艙室的外表面溫度，同時控制臨近艙室的表面溫度，達(dá)到隔離引火源的目的。在設(shè)計冷卻水系統(tǒng)時，將電池預(yù)制艙視為甲類液體可燃儲罐，根據(jù)《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974—2014）中的規(guī)定，設(shè)計用水量，結(jié)果見表3。

3.2 儲能電站室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)設(shè)計

除了電池儲能預(yù)制艙外，站區(qū)內(nèi)的其他建筑設(shè)施也需要設(shè)計滅火裝置，主要的技術(shù)方案為設(shè)置消火栓系統(tǒng)，重點(diǎn)部位包括配電控制樓、站區(qū)室外空間、站區(qū)室內(nèi)空間。其中，室內(nèi)外消火栓的設(shè)計流量分別為15L/s、25L/s。配電控制樓內(nèi)部署帶噴霧水槍的消火栓。消防用水系統(tǒng)的水源來自高位水箱，由市政自來水向水箱供水，配電控制樓的消防用水量為432m3。

3.3 移動式消防器材設(shè)置要求

可移動式消防器材是消防滅火系統(tǒng)的重要組成部分，在儲能電站消防設(shè)計中，必須重視對此類器材的應(yīng)用和配置，根據(jù)《預(yù)制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術(shù)規(guī)范》（TCEC 373—2020），典型儲能電站消防器材的配置方法見表4。

4 結(jié)語

綜上所述，在鋰電池儲能電站消防系統(tǒng)設(shè)計中，將鋰電池儲能預(yù)制艙作為重點(diǎn)控制對象，可采用高壓細(xì)水霧滅火裝置實(shí)現(xiàn)火災(zāi)控制，同時設(shè)計配套的消防排水，設(shè)置合理的持續(xù)噴霧時間，以自動觸發(fā)、自動控制的方式完成滅火。對于電站中的配電控制室和室內(nèi)外空間，還應(yīng)設(shè)計專門的消火栓系統(tǒng)，配置數(shù)量足夠的可移動式滅火器材。根據(jù)該項目的特點(diǎn)，共設(shè)計22個防火分區(qū)，每個分區(qū)均配置高壓細(xì)水霧滅火裝置，出口壓力為6MPa，噴頭設(shè)計流量為3L/min，持續(xù)噴水時長為2h。

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