內(nèi)河電池動力船消防系統(tǒng)設(shè)計

李國剛，景彥銘，孫智，邱延

(1.中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，遼寧 大連 116001;2.中船重工船舶設(shè)計研究中心有限公司，北京 100861)

目前我國內(nèi)河船舶中有99%以上仍在采用傳統(tǒng)的柴油機(jī)直接推進(jìn)，排放出包括CO、NO、SO等大量的有毒有害氣體，大部分污染物直接被內(nèi)河水域吸收，給水域及周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重排放污染問題，內(nèi)河船舶的技術(shù)升級、節(jié)能減排需求迫在眉睫。相比于傳統(tǒng)采用內(nèi)燃機(jī)為動力的船舶，電池動力船舶不僅在整體舒適性獲得明顯改善、簡化了日常維護(hù)保養(yǎng)工作量，關(guān)鍵在節(jié)能環(huán)保上有著巨大優(yōu)勢，可實現(xiàn)真正意義上的“零排放”。

船舶電池動力具有特殊性，與電動汽車的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化的設(shè)計不同，船舶本身具有很強(qiáng)的訂制性，并且電池系統(tǒng)在船上的使用環(huán)境比汽車更復(fù)雜、更非標(biāo)。目前船用純電池動力推進(jìn)系統(tǒng)仍處于起步階段，關(guān)鍵技術(shù)不成熟，作為船用動力電池主推方向之一的鋰電池雖然具有能量密度高和可靠安全等特點，但易于熱失控，曾引發(fā)多起電池動力船舶著火事故。如何有效開展電池動力船消防系統(tǒng)設(shè)計，降低電池火災(zāi)風(fēng)險，是船廠、船舶設(shè)計院和電池動力系統(tǒng)集成商需重點關(guān)注和探討的問題。根據(jù)一艘已建造的內(nèi)河電池動力游覽船的電池動力系統(tǒng)配置情況開展消防系統(tǒng)設(shè)計，探討適用于內(nèi)河電池動力船的消防系統(tǒng)設(shè)計流程和計算方法。

1 電池動力船舶火災(zāi)原因及危害

電池?zé)崾Э鼗螂姎庠O(shè)備故障并失火是電池動力船舶發(fā)生火災(zāi)的主要原因，其中電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)是整個電池動力系統(tǒng)設(shè)計重點防范內(nèi)容。導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐脑蛑饕邢到y(tǒng)短路和高溫環(huán)境，但本質(zhì)是其熱量沒有按照原設(shè)計意圖進(jìn)行相關(guān)釋放。鋰電池?zé)崾Э乇砻娆F(xiàn)象有發(fā)熱、鼓包和電解液分解等，其中電解液的分解會產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，極易引發(fā)電池艙內(nèi)的火災(zāi)或爆炸。電池一旦發(fā)生燃燒或爆炸，不僅火勢迅猛不易撲滅，而且往往產(chǎn)生大量的煙霧，刺激人體呼吸道、眼睛和皮膚，妨礙救火工作和人員疏散，并可能對人員造成二次傷害。

2 消防系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

針對電池火災(zāi)的起因、特點及危害程度，內(nèi)河電池動力船消防系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)從火災(zāi)防治、抑制、滅火及監(jiān)測預(yù)警等方面出發(fā)，同時綜合考慮電池布置安裝、通風(fēng)、應(yīng)急脫險通道等因素，制訂設(shè)計流程見圖1。

圖1 消防系統(tǒng)設(shè)計流程

2.2 電池安全等級劃分

出于對船舶安全和消防系統(tǒng)設(shè)計的整體考慮，電池動力系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用發(fā)生燃燒、爆炸風(fēng)險性較低，安全等級為2的鋰電池。電池安全等級評估和等級劃分(見表1)主要依據(jù)其熱失控試驗數(shù)據(jù)，具體試驗內(nèi)容分為參照IEC62619—2017的安全性試驗和參照GD22—2015的環(huán)境適應(yīng)性試驗。

表1 電池安全分級表

目標(biāo)船電池動力系統(tǒng)采用的是磷酸鐵鋰電池，出廠前通過了安全性能和環(huán)境適應(yīng)性能檢驗。在規(guī)定的環(huán)境下，電池經(jīng)過過沖、過放、外部短路、熱濫用、跌落、重物沖擊和擠壓等試驗，未發(fā)生漏液、冒煙、起火和爆炸現(xiàn)象。根據(jù)電池出廠試驗報告和熱失控試驗數(shù)據(jù)判定其安全等級為2。

2.3 電池艙耐熱和結(jié)構(gòu)性分隔

目前中國船級社相關(guān)規(guī)范中對內(nèi)河電池動力船電池艙的失火危險程度未明確進(jìn)行分類，按現(xiàn)有定義分類標(biāo)準(zhǔn)可暫歸為⑨類-較大失火危險的服務(wù)處所。根據(jù)客船的耐熱和結(jié)構(gòu)性分隔要求，電池艙與相鄰艙室的耐火完整性應(yīng)為A級分隔。對于失火風(fēng)險性較低的相鄰艙室，其共用限界面可采用“A-0”級防火分隔，典型艙室如衛(wèi)生間、空艙等，對于失火風(fēng)險性較高的相鄰艙室，其共用限界面應(yīng)采用“A-60”級防火分隔，典型艙室如起居處所、控制站等。

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

磷酸鐵鋰電池適宜長期工作溫度范圍為：-10 ℃～45 ℃。從動力電池使用安全和壽命角度考慮，為避免引起電池?zé)崾Э兀姵嘏搼?yīng)采用強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。采用機(jī)械通風(fēng)時，除考慮艙室的正常通風(fēng)外，尚應(yīng)按廠家提供的方法進(jìn)行電池?zé)峤粨Q的機(jī)械通風(fēng)計算，通風(fēng)計算時，散熱量按最多的艙室計算，電池艙容積選用最大的一個電池艙容積進(jìn)行計算。若廠家未提供計算方法，則按以下方法計算通風(fēng)量。

=(+)0335Δ

(1)

式中：為電池艙最小通風(fēng)量，m/h；為單個電池模塊發(fā)熱量，W；為其他熱源發(fā)熱量，W；為電池模塊總數(shù)；Δ為電池艙與外面空氣的最高溫度差，℃；為風(fēng)扇裕量常數(shù)，實際選取1.5～2.0。

電池艙一旦失火，熱失控電池可能釋放出有毒/可燃性氣體，為此需設(shè)置一個獨(dú)立的應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)，其風(fēng)機(jī)為非火花型。當(dāng)強(qiáng)制動力通風(fēng)系統(tǒng)的主通風(fēng)機(jī)同時具備抽風(fēng)能力時，應(yīng)急排風(fēng)系統(tǒng)的抽風(fēng)機(jī)可由主通風(fēng)機(jī)兼用。應(yīng)急排風(fēng)機(jī)自動啟動應(yīng)由可燃?xì)怏w探測器連鎖控制，當(dāng)檢測到電池艙內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度超過其爆炸極限時，探測器應(yīng)及時發(fā)出聲光報警并迅速啟動應(yīng)急排風(fēng)機(jī)。應(yīng)急排風(fēng)量應(yīng)根據(jù)評估確定，但不應(yīng)小于10次/h的換氣次數(shù)，按應(yīng)急排風(fēng)換氣次數(shù)計算通風(fēng)量。

′=·

(2)

式中：′為電池艙最小應(yīng)急排風(fēng)量，m/h；為每小時換氣次數(shù)，次/h(不小于10)；為電池艙艙容，m。

2.5 探火和報警設(shè)計

目前船舶電池艙探火和報警系統(tǒng)設(shè)計的主要難點在于如何提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和回饋速度。電池艙內(nèi)的環(huán)境非常復(fù)雜且多變，探火和報警探測器的選用和設(shè)計應(yīng)結(jié)合電池火災(zāi)的特性，在電池出現(xiàn)發(fā)熱、鼓包或電解液分解的情況下，能夠精準(zhǔn)定位并快速發(fā)出預(yù)警，為電池火災(zāi)的快速抑制和撲滅贏得寶貴時間。

目前常用設(shè)計手段為采用可燃?xì)怏w探測器、煙霧探測器和感溫探測器相互組合方式，通過合理的布置發(fā)揮探測器其各自的最佳性能。探測器的具體安裝要求主要依據(jù)其特性試驗數(shù)據(jù)，或參照表2中的相關(guān)數(shù)值。

表2 探測器安裝要求

2.6 水滅火系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)中國船級社《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》，對于船長≥50 m的客船重要機(jī)器處所應(yīng)配置水滅火系統(tǒng)。水滅火系統(tǒng)一般由泵組、消防管路、消防栓、水龍帶，以及消防水槍(水柱/水霧兩用型)組成，對于內(nèi)河電池動力船，應(yīng)至少配置1只消火栓位于電池艙出入口處。內(nèi)河電池動力客船水滅火系統(tǒng)配置依據(jù)可參照表3。

表3 客船水滅火系統(tǒng)配置表

目標(biāo)船水滅火系統(tǒng)由2臺總用泵兼作消防泵，獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動，通過海水總管吸水供至各消防栓，排量和壓頭滿足各項消防設(shè)備同時工作的需求。

2.7 七氟丙烷滅火系統(tǒng)設(shè)計

相比于二氧化碳滅火氣體，七氟丙烷(HFC-227ea) 兼具物理滅火和化學(xué)滅火作用，其所含F(xiàn)元素具有捕獲燃燒中活性基H、OH的能力，從而阻斷燃燒鏈。在設(shè)定實驗條件下，使用9%濃度的七氟丙烷，將發(fā)生電池火災(zāi)的空間完全浸漬20 min后，明火被有效撲滅，但電池?zé)崾Э匚吹玫接行Э刂疲嬖趶?fù)燃可能性。七氟丙烷系統(tǒng)設(shè)計用量按下式計算。

(3)

式中：為滅火劑設(shè)計用量，kg；；為海拔高度修正系數(shù)；為防護(hù)區(qū)域凈容積，m；為七氟丙烷蒸汽質(zhì)量體積，m/kg；為滅火劑設(shè)計濃度，%。

目標(biāo)船七氟丙烷滅火系統(tǒng)的設(shè)計用量計算結(jié)果見表4。

表4 七氟丙烷設(shè)計用量

2.8 壓力水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)定實驗條件下，對失火的鋰電池持續(xù)噴灑壓力水霧100 s后，電池組溫度迅速降低，明火完全撲滅且無復(fù)燃現(xiàn)象。對于內(nèi)河電池動力船，采用壓力水霧與七氟丙烷相互組合滅火系統(tǒng)，不但可以快速撲滅明火，還可以有效控制電池組溫度，避免發(fā)生二次復(fù)燃。壓力水霧滅火系統(tǒng)一般采用中壓細(xì)水霧型式，由中壓泵組單元、儲水柜、區(qū)域隔離閥、壓力開關(guān)、過濾器、細(xì)水霧噴頭等組成。系統(tǒng)水流量計算如下。

1)單個噴嘴流量。

(4)

式中：為噴頭的設(shè)計流量，L/min；為噴頭的流量系數(shù)，可取1.6；為噴頭的設(shè)計工作壓力，MPa。

2)系統(tǒng)設(shè)計流量。

(5)

式中：為系統(tǒng)的設(shè)計流量，L/min；為計算噴頭數(shù)；為計算噴頭的設(shè)計流量，L/min；

目標(biāo)船壓力水霧滅火系統(tǒng)噴頭選擇及相關(guān)的流量計算見表5。

表5 壓力水霧滅火系統(tǒng)噴頭型號的流量計算結(jié)果

2.9 手提式滅火器

手提式滅火器可作為固定式氣體滅火系統(tǒng)的替代或補(bǔ)充。當(dāng)電池艙的甲板面積<4m時，艙內(nèi)的固定式氣體滅火系統(tǒng)可由手提式滅火器替代，手提式滅火器數(shù)量可參照公式(3)計算。當(dāng)電池艙的甲板面積≥4m時，應(yīng)設(shè)一定數(shù)量的手提式滅火器作為固定式氣體滅火系統(tǒng)的補(bǔ)充。手提式滅火器在電池艙內(nèi)的布置應(yīng)合理且易于接近，在艙出入口處布置數(shù)量應(yīng)≥1具，全艙內(nèi)布置總數(shù)量應(yīng)≥4具。

根據(jù)目標(biāo)船電池艙甲板面積，手提式滅火器的配置清單見表6。

表6 手提式滅火器配置清單

2.10 脫險

為保證發(fā)生火災(zāi)時人員能迅速撤離，內(nèi)河電池動力船舶電池艙應(yīng)設(shè)有1條應(yīng)急脫險通道。脫險通道的設(shè)計不僅要保證人員能快速到達(dá)開敞甲板，還要與起居處所的人員脫險通道相互獨(dú)立。對于電池艙脫險通道一般采用傾斜角度≤65°的鋼制斜梯，當(dāng)艙內(nèi)高度<2 m時，也可用鋼制直梯進(jìn)行替代。

3 結(jié)論

隨著越來越多的內(nèi)河船舶采用電池動力系統(tǒng)，電池動力船舶消防安全問題越來越被關(guān)注。消防系統(tǒng)設(shè)計主要根據(jù)電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)特點出發(fā)，需要綜合考慮電池艙溫度控制、火災(zāi)的探測、火災(zāi)的撲滅、火災(zāi)的間隔以及如何去有效去除產(chǎn)生的煙霧、有害氣體等。鑒于船舶本身具有很強(qiáng)的訂制性，并且電池系統(tǒng)在船上的使用環(huán)境更復(fù)雜更非標(biāo)，電池動力船舶消防安全系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)當(dāng)按照船級社有關(guān)規(guī)定進(jìn)行安全條件論證和安全評價。