儲能電池艙防控滅一體化消防系統研究

■ 陳愛萍 南京南瑞繼保電氣有限公司

一、電池艙的構造及儲能站布局

電池艙通過預制艙外體與其內部的電池系統、熱管理系統、控制系統、消防系統等由專業生產商統一集成，形成一種緊湊型的小型化儲能裝置。繼而根據項目的需求，成套整體發往儲能電站現場，直接進行基礎的安裝以及系統的調試即可。安裝施工中無需太多的土建濕作業，從而較大提高效率。

一個儲能站一般由幾個，甚至幾十個儲能艙陣列布置，形成一個龐大的能量中心。由于能量密度和空間的限制，一個儲能艙內電池排布較為緊密，且無工作人員對電池艙內的工作狀態進行實時監控。因此電池儲能艙本體自身的安全以及智能化要求極高。

二、電池艙火災特點及形勢

儲能電池艙內鋰離子電池雖然優勢顯著，但若處于過熱、過充、短路等濫用條件下，電池內部會因熱量積聚而發生熱失控，從而引起火災甚至發生爆炸事故。通常單個電池模組發生，若得不到有效控制，則極易引發火災，繼而在電池模塊間、電池柜間甚至是整個儲能電池艙之間傳播蔓延，且鋰離子電池在自燃同時會釋放氧氣，從而出現復燃現象，造成大規模的火災甚至爆炸。綜上可以得出，鋰電池火災具有溫度高、蔓延快、復燃性等特點。

三、目前儲能電池艙消防設施及存在問題

（一）缺乏適用的相關規范

目前國內關于電池艙的消防設計沒有明確的依據，主要參考以下幾個規范《電化學儲能電站設計規范化學儲能》（GB51048-2014）、《電力設備典型消防規程》（DL5027-2015）、《小型電化學儲能電站消防安全技術要求》（T/CSAE88-2018）。前兩者沒有明確的消防設計要求，一般按照工業建筑進行消防設計。后者規定了一些主動滅火設施的要求。

（二）消防設施配置

目前我國用于儲能電池艙的消防設施一般如下：一是通風裝置；二是可燃氣體探測器；三是滅火器；四是消防砂箱；五是消防報警系統；六是氣體自動滅火系統。以上設施，各儲能站由電池廠家結合自身經驗，自行組合。由于儲能站一般地理位置偏僻，周邊沒有市政供水管網，因而絕大部分站區沒有設置室外消火栓系統。

（三）存在問題

儲能電池艙由于電池的特殊性，通常由電池廠家配套集成供給，電池艙作為設備直接發貨，因而其內部消防設施的配置，沒有統一的機構對其進行驗收，從而消防配置參差不齊。目前國內電池艙大多集成了氣體自動滅火系統，其對撲滅電氣明火具備一定的作用，但對于電池艙火災還有明顯的短板。

四、防控滅火一體化消防系統的提出

根據鋰電池火災的特殊性，通過分析和研究，單一的消防系統顯然無法有效預防和控制電池艙火災，需要具備多功能的多級消防系統聯合起來發揮作用。因此本文提出一種防控滅一體化的消防系統，即集高效熱管理、火災報警、全淹沒式與局部應用滅火系統、災后防復燃系統為一體。

五、防控滅火一體化消防系統的組成

（一）火災預防——熱管理系統

防消結合，防患于未然，任何情況下，預防火災的發生都是消防中的重要環節。針對電池火災的原因，熱管理失控是火災的直接導火索。因此熱管理是儲能項目火災預防中的一個重要環節。儲能艙熱管理系統主要由空調系統和BMS 溫控系統組成。

熱管理的目的在于讓高能量電池工作在合適的溫度區間內，并且溫度分布較為均勻，從而提升電池的使用效率和壽命，同時兼顧安全，防止電池異常升溫導致安全火災。因此熱管理的第一步就是設計良好的空調通風系統，設計中根據電池艙內的布置，借助熱仿真軟件，設計高效的氣流組織，保障電池的安全穩定運行。

電池艙一般采用空調頂部出風，通過風道將冷（熱）風通過電池與艙壁形成的風墻均勻的送至每個電池柜，同時電池柜設計導熱孔，保證冷（熱）量能順利地到達每個電池PACK、每個模組。同時空調設置上部回風口，出風及回風在電池艙內形成風路循環。同時借助熱仿真軟件進行修正和驗證，保證電池之間的溫差也能控制在5℃以內。

（二）火災監控——火災報警

BMS 電池管理系統進行預警管理，一旦電池模組內熱管理失控，及時聯動電池運行系統關閉，進行事故診斷?；馂膱缶詣訂?，一旦發現發生火災，后臺將自動按照既定控制策略，啟動固定式滅火裝置，進行火災撲滅。每個電池艙為一個報警區域，配備區域火災自動報警系統。每個集裝箱內設置一定數量的點型火災探測器，在此基礎上，增加可燃氣體探測器，能夠實現早期報警并將該區域的報警信號統一發送至消防控制中心。

（三）全淹沒式——氣體滅火系統

氣體自動滅火系統中氣體主要采用七氟丙烷（HFC-227ea/FM200），由于其在實現窒息滅火的同時吸收熱量，電絕緣性好等優點，對于撲滅電池艙初期火災具有很好的效果。

氣體自動滅火系統由氣體柜、管道、噴頭、泄壓裝置、消防報警等設施組成。柜體通常設置于艙體的一端，通過管網連接至所有艙體頂部安裝的氣體噴頭，從而形成自動氣體滅火系統。同時七氟丙烷在噴射完后，由液態轉換成了氣態，艙內壓強迅速變大，電池艙作為一個密閉的空間，因此需設置相應的泄壓口。該裝置應根據電池艙結構所能承受的壓強進行具體的設計，防止電池艙出現裂縫。

當電池預制艙任意電氣發生火災后，氣體滅火系統首先開啟，所有氣體噴頭均噴放滅火劑，以全淹沒應用滅火方式進行初期火災的撲滅。

氣體滅火系統平面布置圖

（四）局部應用——高壓細水霧滅火系統

高壓細水霧由于其霧滴較小，電絕緣性好，穿透能力強，能有效解決障礙物的遮擋等問題，因此對于解決電池模組內的火災具有很強的針對性，從而用其作為局部應用滅火系統。

該滅火系統由高壓細水霧滅火裝置（水箱、增壓泵、高壓細水霧泵）和管道、閥組、噴頭、消防報警等設施組成。高壓細水霧滅火裝置設在站區專門的建筑物內，分區閥組可安裝在每個電池艙外壁，電池預制艙內每一個電池模組內均安裝有一個以上高壓細水霧噴頭，所有細水霧噴頭通過管網連接至細水霧滅火裝置，從而形成細水霧滅火系統。電池模組外殼在裝有細水霧噴頭的一側開口，以便于噴頭伸入，其噴放方向朝向電池上表面和電池模組外殼頂板內表面之間的區域。在電池模組外殼的其他側開設網孔，便于水霧溢出。網孔區的開孔率為20%—30%。

初期火災撲滅后，高壓細水霧滅火系統開啟，整個電池預制艙內所有電池模組內的細水霧噴頭均噴放高壓細水霧，以局部應用滅火方式，對電池模組內的火災進行撲滅，持續抑制熱失控，同時高壓細水霧會通過電池孔在電池預制艙內彌漫，抑制整個電池預制艙內其他區域發生熱失控。

（五）災后防復燃——噴霧水槍

火災控制后，電池艙內依然溫度很高，釋放大量的熱量，因此災后進行防復燃也是一個很重要的環節。盡管氣體滅火系統以及高壓細水霧系統都具備一定的降溫和冷卻效果，但是對于電池火災釋放的巨大能量還是不夠的，因此采用噴霧水槍進行補充和持續降溫，災后至少噴霧降溫2h，噴霧水槍用水一般取自室外消火栓，從而在儲能電池艙室外設置室外消火栓系統是必需的，并且就近設置消防箱，內置噴霧水槍。

六、防控滅火一體化消防系統啟動策略

防控滅火一體化的消防系統啟動均由消防報警和消防聯動實現自動運行，由電氣專業實現。電池正常運行時，由BMS 電池管理系統，在線監測各電池模組的運行情況，一旦發現異常，及時切斷回路。消防報警自動啟動，判斷火災發生，自動啟動固定滅火設施。固定滅火系統的啟動必須符合“先斷電后滅火”的要求。滅火系統控制組件在接收到預警信號或火災信號后后，根據既定滅火策略，自動啟動滅火系統。

七、結語

本文通過對鋰電池艙火災成因及火災特點的分析，提出從火災預防、火災報警、撲滅火災、災后降溫等組合式多級防控滅火一體化消防系統，為電池儲能艙安全穩定的運行增設了一道有力屏障，從而能進一步助力儲能行業的發展。