CN109939390B - 一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统及方法，该系统包括气体自动灭火系统、泄压系统和机械通风散热系统。气体自动灭火系统分别位于两列电池柜的两边，可在锂离子电池发生热失控时，实现精准自动灭火；泄压系统位于预制舱短边的上方，可在预制舱内部压力过高时自动打开泄压；机械通风散热系统由位于预制舱两短边呈对角分布的进、排气扇和水雾喷头组成，通过烟雾传感器和压力传感器控制机械通风散热系统，实现排烟、降温功能。本发明灭火系统及方法能迅速熄灭电池火灾并及时排走高温烟气，降低电池温度，保证预制舱内储能系统的高效安全运行。

Description

一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内 灭火系统及方法

技术领域

本发明属于安全技术领域，涉及消防系统，特别涉及一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统及方法。

背景技术

近年来，锂离子电池凭借其高能量密度、循环寿命长、响应时间快、自放电小等优点，被广泛应用于电化学储能系统。另一方面，随着电池储能需求的不断增加，电化学储能系统开始向易建设、便移动、低造价等方向上发展，由此电化学储能站预制舱进入了人们的视线。预制舱主要包括预制舱体、二次设备屏柜(或机架)、舱体辅助设施等组成，具有标准化、模块化、预制化的技术特点。预制舱内布满了排列紧密的锂离子电池。锂离子电池虽具有众多的优点，但是其在短路、过充放电、机械滥用、热滥用等情况下，极易发生热失控。由于预制舱内电池分布紧密，空间相对封闭，且无人值守，所以预制舱内的电池发生热失控后，在灭火降温、泄压排烟低效的情况下，事故电池极易将火灾传播至周围电池模组、整个预制舱、甚至相邻的预制舱，进而发生大规模的火灾或爆炸事故，造成巨大的人员和财产损失。因此，发展适用于储能站预制舱中的锂离子电池火灾的消防技术具有重要意义。

现阶段，对于储能站预制舱中的锂离子电池火灾的消防技术较少。目前现存的储能站预制舱所装载的消防系统仅为单一的气体灭火系统。现有的针对储能站预制舱中的锂离子电池火灾的消防技术存在很大的不足与缺陷：(1)由于预制舱内的电池排列紧密，传统的消防技术中灭火剂无法渗透进电池模块，从而无法实现精准的点对点灭火，因此灭火效率低。(2)现有的消防技术中灭火剂灭火后，电池内部反应仍在继续，产生大量的高温烟雾，使得相对密闭的集装箱压力逐渐增大，危害也相应的增加。(3)现有的消防技术中预制舱内的泄压孔为单铰链式，泄压时集装箱内部的火焰可能从泄压孔中喷射而出，从而危害毗邻的集装箱。(4)现有的消防技术中气体灭火剂虽能扑灭明火，但是灭火后的电池温度依旧很高，降温效果差。(5)现有的预制舱通风系统多数由空调系统控制，通风能力小，当发生电池火灾，集装箱内部烟气较大时，仅通过通风系统无法有效排出烟雾。

本发明针对储能站预制舱中锂离子电池火灾的特点，提出了一种更为清洁高效的灭火系统及方法，即本系统具备自动灭火、泄压和机械通风的功能，实现在锂离子电池火灾初期就可迅速动作，灭火后快速泄压、排烟、降温的功能，有效防止电池火灾的进一步危害。

发明内容

本发明的目的在于：填补目前储能站预制舱中的消防技术的不足和缺陷，提供一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统及方法，保障预制舱储能系统的安全正常运行。本发明要解决的问题是：提出一种灭火系统及方法，通过气体自动灭火系统、泄压系统和机械通风散热系统，在预制舱内锂离子电池发生热失控的初期实现点对点的精准灭火，并通过排风扇、卸压孔等多种方式进行有效排烟、降温和泄压，进一步的，通过进气扇，将外部新鲜干净的空气吸入预制舱内，完成换气，将电池热失控的高温烟雾及热量及时排放至预制舱外，防止电池火灾的进一步蔓延，降低人员和财产的损失，提高电池储能系统的安全性。

为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统及方法。本系统及方法主要包括三部分，第一部分为预制舱内锂电池火灾的快速精准灭火；第二部分为预制舱内的安全泄压；第三部分为电池快速降温、预制舱内排烟和换气。三部分主要依托于气体自动灭火系统、泄压系统和机械通风散热系统。

气体自动灭火系统布置在预制舱内两列电池柜的两边，主要为火探灭火系统。主要包括：火探管、微型压力传感器、钢制管路、储罐、火焰传感器。

进一步的，火探管材料为热敏材料，当外界温度高于火探管预设温度时，预设温度为160±20℃，火探管局部高温区会发生熔融形成小孔，内部气体灭火剂从小孔喷射而出，实现快速精准灭火。火探管置于电池安全阀上方2～3cm处。火探管应具有一定的耐压能力，最大耐压能力约为1.5～5.0MPa。

进一步的，气体灭火剂主要为全氟己酮、七氟丙烷，因其能有效扑灭电池明火，灭火效果较好。气体灭火系统同时需要填充一定压力的惰性气体来驱动灭火剂。本发明中选取氮气。根据NFP2001标准，可根据工况的不同填充2.0～3.0MPa的压力的氮气。

进一步的，当气体自动灭火系统出现故障或者灭火失败时，机械通风散热系统中的水雾喷头打开，进行二次灭火。

泄压系统布置在预制舱短边一侧的上方，主要为卸压孔。

进一步的，卸压孔采用双铰链式结构。当预制舱内部发生电池火灾导致内部压力过高时，卸压孔因预制舱内外压力不同而被内部的高压顶开，从而泄压，双铰链式卸压孔可有效阻挡内部火焰喷出预制舱，从而防止电池火灾的进一步向毗邻预制舱蔓延，保证毗邻预制舱的安全运行。

机械排烟散热系统主要包括：排气扇、进气扇、电磁阀、水雾喷头、烟雾传感器和温度传感器。

排气扇和进气扇根据烟雾传感器和温度传感器所检测的值来进行开关，当预制舱内烟雾和温度超过所设阈值时，排气扇打开，排除高温烟气。排气扇布置在预制舱短边一侧的上方，与卸压孔在同一短边。

进一步的，为了增强降温效果，位于集装箱中间走道上方的水雾喷头打开。水雾喷头产生1～10μm直径的水雾，在排气扇的作用下，分布于预制舱内部。

进一步的，排烟系统运行一段时间后，所述传感器达到相应阈值，水雾喷头关闭，位于预制舱另一短边上方的进气扇打开，让外界新鲜空气进入。

进一步的，进气扇与排气扇呈对角分布，保证进气扇进入的空气能最大限度的流通至预制舱内。

进一步的，待预制舱内空气、温湿度恢复正常时，机械通风散热系统关闭。保证相关作业人员能安全进入预制舱内进行检修操作。

本发明的优点在于：1、本系统及方法采用气体自动灭火系统，能精准对故障电池进行灭火。2、本系统及方法采用双铰链式泄压孔，相比于传统的泄压孔，不仅能有效泄压，还能抑制火焰喷射，防止火灾对相邻预制舱的危害。3、本系统及方法采用机械通风的方式，将电池火灾后的高温烟气及时排除预制舱外，防止火灾的进一步发展。4、本系统及方法采用水雾喷头辅助排烟，大大提高了电池降温效果。同时，由水雾喷头出来的水雾仅为1～10μm，对电池的影响小。

附图说明

图1为气体自动灭火系统在电池模组内的布置示意图；其中，1为火探管，2为微型压力传感器，3为钢制管路，4为储罐。

图2为泄压系统和机械通风系统的布置示意图；其中，5为泄压孔，6为铰链，7为排气扇，8为进气扇，9为水雾喷头。

图3为整个灭火系统在预制舱内的布置示意图；其中4为储罐，5为泄压孔，7为排气扇，8为进气扇，9为水雾喷头，10为烟雾传感器，11为压力传感器。

图4为预制舱内各装置分布的俯视图。

图5为灭火方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本电化学储能站预制舱内灭火系统主要包括：气体自动灭火系统、泄压系统和机械通风散热系统。

气体自动灭火系统主要为火探灭火系统。该系统中的火探管位于电池模块中电池安全阀上方2～3cm处，其主要作用为当模块内电池发生热失控时，对电池火进行精准灭火，在短时间内熄灭电池火灾。其主要包括火探管1、微型压力传感器2、钢制管路3和储罐4等部分。若气体灭火系统故障或灭火失败，则机械通风散热系统中的水雾喷头9打开，进行二次灭火。泄压系统主要由为双铰链式卸压孔，卸压孔安装在预制舱短边的一侧，其主要作用为对预制舱进行快速泄压防止火焰从卸压孔喷射出。其主要包括卸压孔5和铰链6。机械通风散热系统主要为排烟系统和降温系统。其主要作用为及时排出电池火灾熄灭后产生的高温烟雾，通过使用水雾增强电池的降温效果，防止电池灭火后的复燃和热失控的进一步传播。其主要包括排气扇7、进气扇8、水雾喷头9、烟雾传感器10、压力传感器11及其他通讯线路若干。其中排气扇7安装在预制舱短边一侧，与卸压孔在同一短边上；进气扇8安装在预制舱另一边的短边上，与排气扇7呈对角分布，增强空气的流通效果；水雾喷头9位于集装箱中间走道上方；烟雾传感器10和压力传感器11布置在电池柜的上方。

本灭火方法的主要实施过程如下：

当预制舱内某单体电池发生热失控时，电池温度急剧上升，内部产生大量气体，安全阀打开，喷出射流火，发生火灾。位于安全阀上方的火探管1受高温火焰的影响熔融破裂，储罐4内的灭火剂从破裂口释放出来，电池明火被熄灭，但是电池内部仍继续发生发应，放出大量的高温烟雾；若气体自动灭火系统出现故障或未将火熄灭，且火焰传感器数值达到阈值，则灭火失败，水雾喷头打开，进行二次灭火。若成功熄灭火灾，当储罐4内灭火剂释放完全时，微型压力传感器2检测到储罐压力小于阈值时；同时，烟雾传感器10和压力传感器11检测预制舱内的烟气量和压力值大于阈值时，三种传感器发出信号至中央控制系统，中央控制系统接收信号发出警报，通知监控人员，同时开启排气扇7进行排烟。多重传感器协同作用可以保证系统的稳定性，防止漏报和误报。其中，当预制舱内由于不断释放的高温烟雾导致压力增大至泄压孔5泄压阈值时，卸压孔受压力作用被顶开，进行泄压，双铰链式可有效防止预制舱内的高温烟雾或者电池明火从卸压孔释放出来，危害毗邻的预制舱。当烟雾传感器10和压力传感器11检测的烟雾量和压力值开始稳定减小时，中央控制系统收到信号并进行处理，利用控制继电器打开预制舱内的水雾喷头9，水雾喷头9将水进行精细雾化并释放到预制舱内，水雾迅速扩散至整个预制舱，包括电池表面，从而对电池进行降温，防止电池热失控的传播。当烟雾传感器10、压力传感器11和温度传感器检测到的烟雾量、压力值和电池温度开始恢复到正常水平时，中央控制系统关闭水雾喷头9并打开进气扇8，在排气的同时吸入新鲜空气，保持预制舱内外压力相同，同时对预制舱内部气体更换为新鲜空气，以便于后续工作人员进入预制舱内进行检修操作。若烟雾传感器10、压力传感器11和温度传感器未恢复正常值时，则灭火失败，进行外部灭火，防止火势进一步蔓延。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火方法，利用基于气体灭火与机械通风散热的电化学储能站预制舱内灭火系统包括：气体自动灭火系统、泄压系统和机械通风散热系统，气体自动灭火系统分别位于两列电池柜的两边，可在锂离子电池发生热失控时，实现精准自动灭火；泄压系统位于预制舱短边的上方，可在预制舱内部压力过高时自动打开泄压；机械通风散热系统由位于预制舱两短边呈对角分布的进、排气扇和水雾喷头组成，通过烟雾传感器和压力传感器控制机械通风散热系统，实现排烟、降温功能，其中，1)气体自动灭火系统为使用气体灭火剂对预制舱内发生火灾的锂离子电池进行灭火，短时间内抑制明火，防止电池热失控的进一步传播；电池发生热失控后，从安全阀喷出的火焰熔融火探管，气体自动灭火系统释放出气体灭火剂；2)泄压系统为设置卸压孔，当预制舱内压力过高时，由于内外气压的差异，卸压孔被内部高气压顶开，预制舱泄压；3)机械通风散热系统为使用排气扇、进气扇和水雾喷头将电池热失控后的高温烟气排出预制舱外，并对电池进行降温和更换预制舱内的空气；气体自动灭火系统由火探管、钢制管路、储罐和微型压力传感器、火焰传感器组成；所述泄压系统由双铰链式卸压孔组成；所述机械通风散热系统由排气扇、进气扇、水雾喷头、烟雾传感器、压力传感器、温度传感器、控制继电器组成；气体自动灭火系统中使用的灭火剂为全氟己酮或七氟丙烷，并用氮气进行加压，保证灭火剂的灭火效果；灭火剂存储在储罐中，灭火剂的用量根据不同的工况应不同；所述火探管预设温度为160±20℃，最大耐压能力为1.5～5.0MPa，并置于电池安全阀上方2～3cm处，具体的温度和压力根据不同的工况进行相应调整，从而保证灭火效果的最大化；气体自动灭火系统使用的储罐为钢制储罐，一个预制舱中使用四个气体自动灭火系统，四个储罐分别布置在两列电池柜的两边；卸压孔采用双铰链式，即在卸压盖中间加一个铰链，使得原来一个卸压盖分成两个卸压盖，卸压盖顶端用铰链与预制舱链接；卸压孔布置在预制舱的一侧短边上；排气扇布置在预制舱的短边的上方，与卸压孔布置在同一短边，卸压孔与排气扇分别位于短边的近左右顶角处；进气扇布置在预制舱的另一短边上，与排气扇呈对角式布置，保证进气扇、排气扇工作时，气流能最大限度的流经整个预制舱；机械通风散热系统中，使用水雾喷头对预制舱内进行辅助降温；所用水雾喷头能将水雾化并喷射在预制舱内；所述水雾喷头可将水雾化成1～10μm直径的水滴，其特征在于：该方法包括：

当预制舱内某单体电池发生热失控时，电池温度急剧上升，内部产生大量气体，安全阀打开，喷出射流火，发生火灾；位于安全阀上方的火探管(1)受高温火焰的影响熔融破裂，储罐(4)内的灭火剂从破裂口释放出来，电池明火被熄灭，但是电池内部仍继续发生发应，放出大量的高温烟雾；若气体自动灭火系统出现故障或未将火熄灭，且火焰传感器数值达到阈值，则灭火失败，水雾喷头打开，进行二次灭火；若成功熄灭火灾，当储罐(4)内灭火剂释放完全时，微型压力传感器(2)检测到储罐压力小于阈值时；同时，烟雾传感器(10)和压力传感器(11)检测预制舱内的烟气量和压力值大于阈值时，三种传感器发出信号至中央控制系统，中央控制系统接收信号发出警报，通知监控人员，同时开启排气扇(7)进行排烟。多重传感器协同作用可以保证系统的稳定性，防止漏报和误报；其中，当预制舱内由于不断释放的高温烟雾导致压力增大至泄压孔(5)泄压阈值时，卸压孔受压力作用被顶开，进行泄压，双铰链式可有效防止预制舱内的高温烟雾或者电池明火从卸压孔释放出来，危害毗邻的预制舱；当烟雾传感器(10)和压力传感器(11)检测的烟雾量和压力值开始稳定减小时，中央控制系统收到信号并进行处理，利用控制继电器打开预制舱内的水雾喷头(9)，水雾喷头(9)将水进行精细雾化并释放到预制舱内，水雾迅速扩散至整个预制舱，包括电池表面，从而对电池进行降温，防止电池热失控的传播；当烟雾传感器(10)、压力传感器(11)和温度传感器检测到的烟雾量、压力值和电池温度开始恢复到正常水平时，中央控制系统关闭水雾喷头(9)并打开进气扇(8)，在排气的同时吸入新鲜空气，保持预制舱内外压力相同，同时对预制舱内部气体更换为新鲜空气，以便于后续工作人员进入预制舱内进行检修操作；若烟雾传感器(10)、压力传感器(11)和温度传感器未恢复正常值时，则灭火失败，进行外部灭火，防止火势进一步蔓延。

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