针对电化学储能的“浸默式”消防系统研究.pdf
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1、消防设备研究Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8针对电化学储能的“浸默式”消防系统研究陈先斌1,王云霞2,尹飞2,李国强2(1.湖北省消防救援总队,湖北 武汉 430071;2.楚能新能源股份有限公司,湖北 武汉 430050)摘要:为保证电化学储能行业的安全发展,针对磷酸铁锂电池系统,提出一种“浸默式”电池消防系统解决方案。试验采用过充方式触发电池热失控,伴随明火燃烧,研究电池包在火灾场景下,“浸默式”消防系统的抑火效果。结果表明,针对磷酸铁锂电池热失控引发的消防安全事故,“浸默式”消防系统不仅能够快速灭火,还能有效抑制热蔓延
2、,保证了磷酸铁锂电池系统的安全性。关键词:电化学储能;磷酸铁锂电池;消防系统;“浸默式”系统中图分类号:TU998.1;TM912 文献标志码:A 文章编号:1009-0029(2023)08-1108-05储能电站作为近年来发展较快的新能源技术之一,可以有效满足电力系统的新能源大规模接入需求,拥有灵活调节的优势,其中,电化学储能电站比较常见1。随着储能电站项目的建设和应用,其火灾危险性也逐渐显现2。因此,储能电站应配备相应的灭火系统3。目前,市面上常规的消防系统解决方案是采用全氟己酮4或七氟丙烷作为灭火抑制剂5,在电池包出现火灾时通过喷洒全氟己酮或七氟丙烷来灭火和抑制。在密闭空间内,一定浓度
3、的全氟己酮或七氟丙烷具有优良的降温、灭火效果。但是,全氟己酮的沸点为 49,喷到着火点时会立即汽化,而七氟丙烷常温下为气态,两者均易挥发,在给热失控电池包灭火和降温过程中,电池包内气体不断增多、压强增大,当超过电池包泄压阀的临界压力(一般为1530 kPa)时,大量灭火药剂会喷涌而出,当灭火药剂浓度降低时,就无法控制电池包内电芯的热蔓延,说明它们都无法阻止已经发生热失控电池的内部反应。换言之,传统气态抑制剂难以抑制热失控电池的热蔓延,电池包常常出现复燃现象6。本文研究了一种“浸默式”电池系统解决方案,不仅能有效灭火,还能有效解决电池的热蔓延问题7。系统的灭火介质采用的不是全氟己酮、七氟丙烷等传
4、统灭火介质,而是一种新的液态灭火介质 YEC-1。YEC-1 的灭火原理与主流的灭火介质相同,主要从降温和隔绝氧气两方面进行灭火。而其优于全氟己酮的特点是成本低、易制备且能有效抑制电池内部反应、阻止电池防护单元的复燃。另外,YEC-1具备优异的防冷冻效果,可以根据不同低温需求做出调整,最低可耐-30 的低温,也为电化学储能消防系统在东北、西北地区等低温环境下的正常工作奠定了基础,说明它具有能在北方大部分地区适用的宽温度范围。YEC-1的优异防冻性是和液态水对比11 孙靖.定流量消防水炮射流流场数值模拟与轨迹研究D.秦皇岛:燕山大学,2018.12 杨光辉.石化安全虚拟现实平台的研究与实现D.青
5、岛:中国海洋大学,2014.13 蔡昕,王喜世,李权威,等.低气压环境下正庚烷及汽油池火的燃烧特性J.燃烧科学与技术,2010,16(4):341-346.14 苏琳,王丽晶,张杰.压缩空气泡沫灭油盘火的灭火模型研究C/中国消防协会科学技术年会论文集(上),2012.Research and design of multifunctional fire gun virtualreal integration training systemXu Xiaoyuan1,2,3,Chen Hongguang1,2,3,Li Jingjing1,2,3,Zhu Hongya1,2,3(1.Tianjin
6、 Fire Science and Technology Research Institute of MEM,Tianjin 300381,China;2.Laboratory of Fire Protection;Technology for Industry and Public Building,Ministry of Emergency Management,Tianjin 300381,China;3.Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology,Tianjin 300381,China)Abstract:Based on tech
7、nologies such as humanmachine interaction,virtual-real integration,precise fire extinguishing agent spray trajectory,and fire attenuation model,a multi functional fire water gun virtual-real integration system is developed and designed,which can achieve simulation training of multifunctional fire wa
8、ter guns in different typical complex chain fire scenarios.Through experimental verification,the system can achieve accurate reproduction with an error of less than 2%for key parameters such as the height,distance and angle of the spray mode of fire extinguishing agents.It can also be closely relate
9、d to the feedback of actual fire extinguishing effects,effectively improve firefighters practical handling skills in typical complex fire scenarios.Key words:multifunctional fire water gun;combination of virtual and real;simulation training;trajectory algorithm;facticity作者简介:许晓元(1986-),女,河北石家庄人,应急管理
10、部天津消防研究所助理研究员,在读博士,主要从事工业消防安全技术研究,天津市南开区卫津南路 110号,300381。收稿日期:2023-02-05(责任编辑:董 里)得到的,虽然全氟己酮的冰点为-108,但是它的沸点为 49.2,常温极易挥发,无法长时间以液态形式保存。不同灭火介质的主要特性对比如表所示。1“浸默式”电池消防系统设计1.1“浸默式”电池系统消防策略复合型火灾探测器告警等级分为两级,一级为预警,通过氢气、一氧化碳、烟雾、挥发性有机化合物(VOC)的浓度和温度值判断,满足阈值即产生一级预警,同时联动声光报警器,对工作人员进行提醒;二级为火灾报警,通过氢气、一氧化碳浓度和温度值判断,满
11、足阈值即产生二级报警,联动声光报警器,延时 3 min 驱动火灾抑制装置开启。阈值及联动动作如表 2所示。表 2参数阈值及动作Table 2Parameter threshold and action阈值选取依据:一级报警阈值参考沈阳消防研究所给出的参数制定;二级报警阈值和三级报警阈值通过电芯喷放的物质和产气量,选取的特征参考量来制定。1.2消防系统硬件主要包括火灾抑制装置、火灾报警控制器、声光报警器、复合型探测器、电池箱喷头、消防软管。火灾抑制装置由箱体、控制器、驱动装置、信号反馈装置、主管路、灭火抑制剂储罐等部件组成。主要起控制中枢作用,可以监测系统的工作状态,收集探测器的信号,当探测到监
12、测区域内出现火情时,火灾抑制装置会自动启动,喷放灭火抑制剂灭火。火灾报警控制器主要用于预警火灾,实现消防系统的报警、喷洒、故障状态显示,同时具备信息上传、联动声光警报器和喷洒指示灯的功能。复合型探测器用于探测火灾数据,由外壳、电路板、传感器等组成,可监测因电池热失控产生的特征量变化(如:氢气、一氧化碳、VOC、烟雾、温度),通过计算分析,实现电池热失控早期预警和报警启动。电池箱喷头将灭火抑制剂雾化,快速喷射进电池箱。电池包为 1P52S 磷酸铁锂电池,容量为 280 Ah,标称电压 166.4 V,电池包充满后可以释放 46.59 kWh的电量。整个电池包的尺寸约为:1 151.2 mm811
13、 mm241.5 mm。电池包内净空间为 33 L。抑制装置容积为 100 L,装满灭火剂为 100 L。消防软管作为火灾抑制装置和电池包之间的连接桥梁,是灭火抑制剂的运输通道,包含主软管和次软管。2试验研究2.1现有消防系统应用方案在电化学储能领域,目前常用的电化学储能电站消防系统主要以全氟己酮、七氟丙烷、气溶胶作为灭火抑制介质。气溶胶灭火系统在触发时会释放大量的热,虽然有一定的灭火能力,但是降温效果差,不能持续抑制。七氟丙烷常温属于气态,需要进行高压处理,以液态形式存储在高压钢瓶中,且需要维持一定的浓度才能具备灭火和持续抑制火灾的能力,另外,七氟丙烷对环境的影响较大,能够在大气中残留长达
14、31 a,严重影响全球气候。目前市面上主推的全氟己酮在存储、降温和灭火效果、环保等方面均优于气溶胶/七氟丙烷,但是对于已经热失控的锂电池组,其无法阻止电池内部反应,同样需要达到并维持一定浓度才能具备灭火和持续抑制的能力。另外,全氟己酮在 550 以上高温时,受热裂解会产生有毒有害且具有腐蚀性8的氢氟酸。2.2“浸默式”消防系统安全性试验方案本试验参考 T/CEC 373-2020 预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范 中附录 A“电力储能用模块级磷酸铁锂电池实体火灾模拟试验”。按照标准搭建试验平台,主要由消防系统、1P52S 磷酸铁锂电池包、电池架、试验设备、辅助装置等组成。消防系统包括电
15、化学储能舱火灾抑制装置、灭火抑制剂、火灾报警控制器、声光报警器、复合型探测器、电池箱喷头、软管等。电池包由52只磷酸铁锂电池、BMS、采样线、壳体等组成,与实际应用完全相同。试验设备包括充电机、上位机电脑、日志数据仪、摄像设备等。辅助装置包括电打火装置、采样线(热电偶、电压采样)、灭火器、消防水枪等。试验运用恒流过充电的方式触发电池热失控9。过充充电电流为 160 A。试验前,将电池包预充电至 100%SOC(荷电状态),静置 30 min。试验连接示意如图 1所示,充电机给电池过充以触发电池热失控,使用点火装置主动引燃电池包,持续燃烧。试验中,复合探测器监测电池包内部氢气、一氧化碳、VOC、
16、温度、烟雾的变化,当达到一级报警条件时,会发出声光报警,当达到二级报警条件时,延时 3 min 驱动火灾抑制装置,自动喷放灭火抑制剂。试验中,日志数据记录仪实时记录电池的温度和电压,上位机记录 BMS 数据及电池热失控数据。表 1不同灭火介质物性Table 1Properties of various fire extinguishing agents1108消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期得到的,虽然全氟己酮的冰点为-108,但是它的沸点为 49.2,常温极易挥发,无法长时间以液态形式保存。不同灭火介质的主要特性对比如表所示。1“浸默式”电池消防系统设计1.1“浸默式”
17、电池系统消防策略复合型火灾探测器告警等级分为两级,一级为预警,通过氢气、一氧化碳、烟雾、挥发性有机化合物(VOC)的浓度和温度值判断,满足阈值即产生一级预警,同时联动声光报警器,对工作人员进行提醒;二级为火灾报警,通过氢气、一氧化碳浓度和温度值判断,满足阈值即产生二级报警,联动声光报警器,延时 3 min 驱动火灾抑制装置开启。阈值及联动动作如表 2所示。表 2参数阈值及动作Table 2Parameter threshold and action报警等级一级预警二级报警阈值或条件H2体积分数0.02%CO体积分数0.019%烟雾报警VOC体积分数0.1%温度大于 60 温度大于 80 H2体
18、积分数 0.06%CO体积分数0.06%联动动作打开声光报警器打开声光报警器;延时 3 min驱动火灾抑制装置开启消防动作阈值选取依据:一级报警阈值参考沈阳消防研究所给出的参数制定;二级报警阈值和三级报警阈值通过电芯喷放的物质和产气量,选取的特征参考量来制定。1.2消防系统硬件主要包括火灾抑制装置、火灾报警控制器、声光报警器、复合型探测器、电池箱喷头、消防软管。火灾抑制装置由箱体、控制器、驱动装置、信号反馈装置、主管路、灭火抑制剂储罐等部件组成。主要起控制中枢作用,可以监测系统的工作状态,收集探测器的信号,当探测到监测区域内出现火情时,火灾抑制装置会自动启动,喷放灭火抑制剂灭火。火灾报警控制器
19、主要用于预警火灾,实现消防系统的报警、喷洒、故障状态显示,同时具备信息上传、联动声光警报器和喷洒指示灯的功能。复合型探测器用于探测火灾数据,由外壳、电路板、传感器等组成,可监测因电池热失控产生的特征量变化(如:氢气、一氧化碳、VOC、烟雾、温度),通过计算分析,实现电池热失控早期预警和报警启动。电池箱喷头将灭火抑制剂雾化,快速喷射进电池箱。电池包为 1P52S 磷酸铁锂电池,容量为 280 Ah,标称电压 166.4 V,电池包充满后可以释放 46.59 kWh的电量。整个电池包的尺寸约为:1 151.2 mm811 mm241.5 mm。电池包内净空间为 33 L。抑制装置容积为 100 L
20、,装满灭火剂为 100 L。消防软管作为火灾抑制装置和电池包之间的连接桥梁,是灭火抑制剂的运输通道,包含主软管和次软管。2试验研究2.1现有消防系统应用方案在电化学储能领域,目前常用的电化学储能电站消防系统主要以全氟己酮、七氟丙烷、气溶胶作为灭火抑制介质。气溶胶灭火系统在触发时会释放大量的热,虽然有一定的灭火能力,但是降温效果差,不能持续抑制。七氟丙烷常温属于气态,需要进行高压处理,以液态形式存储在高压钢瓶中,且需要维持一定的浓度才能具备灭火和持续抑制火灾的能力,另外,七氟丙烷对环境的影响较大,能够在大气中残留长达 31 a,严重影响全球气候。目前市面上主推的全氟己酮在存储、降温和灭火效果、环
21、保等方面均优于气溶胶/七氟丙烷,但是对于已经热失控的锂电池组,其无法阻止电池内部反应,同样需要达到并维持一定浓度才能具备灭火和持续抑制的能力。另外,全氟己酮在 550 以上高温时,受热裂解会产生有毒有害且具有腐蚀性8的氢氟酸。2.2“浸默式”消防系统安全性试验方案本试验参考 T/CEC 373-2020 预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范 中附录 A“电力储能用模块级磷酸铁锂电池实体火灾模拟试验”。按照标准搭建试验平台,主要由消防系统、1P52S 磷酸铁锂电池包、电池架、试验设备、辅助装置等组成。消防系统包括电化学储能舱火灾抑制装置、灭火抑制剂、火灾报警控制器、声光报警器、复合型探测器、
22、电池箱喷头、软管等。电池包由52只磷酸铁锂电池、BMS、采样线、壳体等组成,与实际应用完全相同。试验设备包括充电机、上位机电脑、日志数据仪、摄像设备等。辅助装置包括电打火装置、采样线(热电偶、电压采样)、灭火器、消防水枪等。试验运用恒流过充电的方式触发电池热失控9。过充充电电流为 160 A。试验前,将电池包预充电至 100%SOC(荷电状态),静置 30 min。试验连接示意如图 1所示,充电机给电池过充以触发电池热失控,使用点火装置主动引燃电池包,持续燃烧。试验中,复合探测器监测电池包内部氢气、一氧化碳、VOC、温度、烟雾的变化,当达到一级报警条件时,会发出声光报警,当达到二级报警条件时,
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