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中科图灵储能柜防控灭火一体化消防系统

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一、建设背景

储能电池舱密度高、空间狭小,热管理一旦失控,危害性大,甚至有爆炸风险。储能设备利用电池作为主要电能存储元件,且为了应对电池起火燃烧的意外情况,现有的储能设备内部存储有气雾剂型灭火材料,如七氟丙烷、气溶胶等,气雾剂型灭火材料存储量有限,且容易挥发出储能设备外。由于电池着火是能量型的放电着火,具有一定的延时性或较长的放电发热时间,在存储有限的气雾剂型灭火材料喷射用完后,因电池的能量没有泄放完毕,故电池内部依然存在放电发热,只是在氧气被气雾剂型灭火材料隔离的情况下,电池外表没有明火燃烧。但随着气雾剂型灭火材料的挥发,氧气慢慢恢复,电池将会出现次燃烧,最后引起严重火灾。

二、电池舱的构造及储能站布局

电池舱通过预制舱外体与其内部的电池系统、热管理系统、控制系统、消防系统等,形成一种紧凑型的小型化储能装置。一个储能站一般由几个,甚至几十个储能舱阵列布置,形成一个庞大的能量中心。由于能量密度和空间的限制,一个储能舱内电池排布较为紧密,且无工作人员对电池舱内的工作状态进行实时监控。

三、储能柜火灾特点及形式

储能电池舱若处于过热、过充、短路等滥用条件下,电池内部会因热量积聚而发生热失控,从而引起火灾甚至发生爆炸事故。通常单个电池模组发生,若得不到有效控制,则极易引发火灾,继而在电池模块间、电池柜间甚至是整个储能电池舱之间传播蔓延,且电池在自燃同时会释放可燃气体,从而出现复燃现象,造成大规模的火灾甚至爆炸。综上可以得出,储能柜子火灾具有温度高、蔓延快、复燃性等特点。

四、电化学储能电站安全规程对储能消防的要求

2021年,随着国家“双碳”战略的稳步推行及相关政策的落地,储能行业站到了风口上, 国家标准《电化学储能电站安全规程》(以下简称“规程”)已完成公开征求意见,该规程拟规范储能的消防问题,规定了电化学储能电站设备设施消防安全要求,主要有以下几点内容:

4.1 储能消防要融入视频监控系统

在设备设施安全要求的一般规定中,规程要求“电化学储能电站应配置视频监控系统,并应全面覆盖安全重点部位。视频监控系统宜具备烟雾及火焰识别功能,并与火灾报警系统联动。”

4.2 储能消防需要系统性的解决方案

规程中“5.7消防设施”较为详细的规范了储能消防的具体内容,其中,规程5.7.7要求“电池室/舱外应设置手动火灾报警按钮,内部应设置可燃气体探测器、温感探测器、烟感探测器,火灾探测器、烟雾报警器指示灯及可燃气体探测器应指示正常。”;而规程5.7.15又要求“电池舱内应急电源配置应覆盖自动报警系统、应急照明、声音灯光疏散装置、可燃气体报警装置、火焰监测装置、门禁系统、自动灭火系统、泄压装置、排烟系统,容量应满足报警、人员疏散、灭火、抑制复燃的需求。”

换言之,单一的报警或者灭火功能不能满足储能行业的需求,储能行业的消防需要从“早期预警→报警→防火→疏散逃生→灭火”全阶段覆盖。

4.3 储能消防需要精细化、科技化

规程要求“自动灭火系统的最小保护单元应为电池模块……能扑灭电池火灾和电气设备火灾,且防止复燃。”

但目前,国内外现存方案精细度不高,同时对储能电站大型电池组灭火尚无明确有效的灭火技术,主流灭火系统如七氟丙烷等气体灭火系统只能灭初期明火,对电池复燃无能为力。

五、防控灭火一体化消防系统的组成

5.1 火灾预防——热管理系统

防消结合,防患于未然,任何情况下,预防火灾的发生都是消防中的重要环节。针对电池火灾的原因,热管理失控是火灾的直接导火索。因此热管理是储能项目火灾预防中的一个重要环节。储能舱热管理系统主要由空调系统和温控系统组成。

热管理的目的在于让高能量电池工作在合适的温度区间内,并且温度分布较为均匀,从而提升电池的使用效率和寿命,同时兼顾安全,防止电池异常升温导致安全火灾。电池舱一般采用空调顶部出风,通过风道将冷(热)风通过电池与舱壁形成的风墙均匀的送至每个电池柜,同时电池柜设计导热孔,保证冷(热)量能顺利地到达每个电池PACK、每个模组。同时空调设置上部回风口,出风及回风在电池舱内形成风路循环。同时借助热仿真软件进行修正和验证,保证电池之间的温差也能控制在5℃以内。

5.2 火灾监控——火灾报警

电池管理系统进行预警管理,一旦电池模组内热管理失控,及时联动电池运行系统关闭,进行事故诊断。火灾报警自动启动,一旦发现发生火灾,后台将自动按照既定控制策略,启动固定式灭火装置,进行火灾扑灭。每个电池舱为一个报警区域,配备区域火灾自动报警系统。每个集装箱内设置一定数量的点型火灾探测器,在此基础上,增加可燃气体探测器,能够实现早期报警并将该区域的报警信号统一发送至消防控制中心。

5.3 全淹没式——气体灭火系统

气体自动灭火系统中气体主要采用七氟丙烷(HFC-227ea/FM200),由于其在实现窒息灭火的同时吸收热量,电绝缘性好等优点,对于扑灭电池舱初期火灾具有很好的效果。

气体自动灭火系统由气体柜、管道、喷头、泄压装置、消防报警等设施组成。柜体通常设置于舱体的一端,通过管网连接至所有舱体顶部安装的气体喷头,从而形成自动气体灭火系统。同时七氟丙烷在喷射完后,由液态转换成了气态,舱内压强迅速变大,电池舱作为一个密闭的空间,因此需设置相应的泄压口。该装置应根据电池舱结构所能承受的压强进行具体的设计,防止电池舱出现裂缝。

当电池预制舱任意电气发生火灾后,气体灭火系统首先开启,所有气体喷头均喷放灭火剂,以全淹没应用灭火方式进行初期火灾的扑灭。

5.4 局部应用——高压细水雾灭火系统

高压细水雾由于其雾滴较小,电绝缘性好,穿透能力强,能有效解决障碍物的遮挡等问题,因此对于解决电池模组内的火灾具有很强的针对性,从而用其作为局部应用灭火系统。

 

该灭火系统由高压细水雾灭火装置(水箱、增压泵、高压细水雾泵)和管道、阀组、喷头、消防报警等设施组成。高压细水雾灭火装置设在站区专门的建筑物内,分区阀组可安装在每个电池舱外壁,电池预制舱内每一个电池模组内均安装有一个以上高压细水雾喷头,所有细水雾喷头通过管网连接至细水雾灭火装置,从而形成细水雾灭火系统。电池模组外壳在装有细水雾喷头的一侧开口,以便于喷头伸入,其喷放方向朝向电池上表面和电池模组外壳顶板内表面之间的区域。在电池模组外壳的其他侧开设网孔,便于水雾溢出。网孔区的开孔率为20%—30%。

初期火灾扑灭后,高压细水雾灭火系统开启,整个电池预制舱内所有电池模组内的细水雾喷头均喷放高压细水雾,以局部应用灭火方式,对电池模组内的火灾进行扑灭,持续抑制热失控,同时高压细水雾会通过电池孔在电池预制舱内弥漫,抑制整个电池预制舱内其他区域发生热失控。

5.5 灾后防复燃——喷雾水枪

火灾控制后,电池舱内依然温度很高,释放大量的热量,因此灾后进行防复燃也是一个很重要的环节。尽管气体灭火系统以及高压细水雾系统都具备一定的降温和冷却效果,但是对于电池火灾释放的巨大能量还是不够的,因此采用喷雾水枪进行补充和持续降温,灾后至少喷雾降温2h,喷雾水枪用水一般取自室外消火栓,从而在储能电池舱室外设置室外消火栓系统是必需的,并且就近设置消防箱,内置喷雾水枪。

六、防控灭火一体化消防系统启动策略

防控灭火一体化的消防系统启动均由消防报警和消防联动实现自动运行。电池正常运行时,由电池管理系统,在线监测各电池模组的运行情况,一旦发现异常,及时切断回路。消防报警自动启动,判断火灾发生,自动启动固定灭火设施。固定灭火系统的启动必须符合“先断电后灭火”的要求。灭火系统控制组件在接收到预警信号或火灾信号后后,根据既定灭火策略,自动启动灭火系统。

七、总结

通过对储能舱火灾成因及火灾特点的分析,提出从火灾预防、火灾报警、扑灭火灾、灾后降温等组合式多级防控灭火一体化消防系统,为电池储能舱安全稳定的运行增设了一道有力屏障,从而能进一步助力储能行业的发展。

 

 


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