CN110101993A - 一种锂离子电池储能柜的火灾防控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种锂离子电池储能柜的火灾防控方法，采用低温液化气体进行两阶段降温，第一阶段输出完全汽化的气体实现扑灭明火，第二阶段输出气液两相流实现降温抑制。本发明能够克服现有技术的不足，实现对锂离子电池储能柜快速灭火和持续降温的有效火灾防控。

Description

一种锂离子电池储能柜的火灾防控方法
技术领域
本发明涉及消防系统的安全技术领域，特别涉及一种基于低温液化气体的锂离子电池储能柜火灾防控方法。
背景技术
近年来，我国储能产业的发展速度越来越快，不仅在大电网的发电侧、输配电侧和负荷侧起着削峰填谷、改善电能质量等重要作用，而且在用户侧微电网的分布式能源中的应用也越来越广泛，电网储能日益成为我国能源消费的重要环节，储能市场需求巨大。而我国目前新兴的锂离子电池储能方式主要是将大量锂离子电池以储能柜的形式集中放置。
由于锂离子电池本身就是含能物质(磷酸铁和三元锂离子电池)，热失控后温度骤然升高，极易发生火灾，且由于其内部持续短路，在能量完全释放前，会出现持续高温的情况，导致火灾极易复燃，故锂离子电池储能柜火灾具有易发生、发生速度快、蔓延速度快、易爆炸、易复燃等特点。在储能柜中集中放置后，能量密度大、能量高，火灾或爆炸释放的能量高。面临如此严峻的火灾隐患，目前仍缺乏有效的火灾防控方案或技术，缺乏高效可靠的火灾防控装置，也尚无消防灭火装置工程化应用理论与实践经验。一旦发生火灾，将对社会安全及生命财产安全都极易造成巨大的损失。
针对该类场所的火灾特点，其防控有特殊需求：①迅速控制火势，防止相邻电池温度过高导致火灾蔓延；②快速降温，长期抑制锂离子电池热失控，降低复燃风险。
目前，国内外对锂离子电池储能柜火灾防控技术研究尚处于初始阶段，虽然很多机构进行了相关研究，但使用的都是单一的传统灭火剂及灭火系统设计方式，针对电池热失控火灾后其表面温度不低于900℃的情况，都不能同时实现快速扑灭明火及后期快速降温及长期抑制的火灾防控要求，达到理想的火灾防控效果，具体分析如下：
(1)卤代烷(七氟丙烷等)、全氟己酮等化学气体灭火设备
应用方式主要是管网式灭火系统及柜式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，其灭火机理是切断燃烧链，并无冷却和降温的效果，扑灭明火30min后降温不超过50℃，易复燃。
(2)惰性气体灭火设备
应用方式主要是管网式灭火系统，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但主要有以下不足：在灭火方面，气体灭火系统启动时会向防护区喷放大量灭火气体，引起防护区空气压力瞬间升高；在应用方面，火灾燃烧产生的热量也会使室内空气压力有所升高，喷放时火势越大，时间越长，空气压力升离值就越大，因此防护区围护结构应考虑承受内压的允许压强、泄压口与自动泄压阀；在设备方面，由于惰性气体灭火剂灭火浓度高，故在储能电站的防火设计中，设计用量大，占地面积广，且工作压力高(最高达到23.2MPa)，有发生安全隐患的风险；在冷却降温方面，高压气体的喷放降温效果很小，扑灭明火30min后降温不超过100℃，易复燃。
(3)干粉灭火设备
应用方式主要是管网式灭火系统及悬挂式灭火装置，通过感温、感烟或气体探测器进行火灾报警，接收到报警信号后启动装置进行灭火，但由于干粉流通性能较差，所以在储能电站设计时不仅需要预留一定空间用于药剂的流通，而且由于干粉灭火剂无冷却降温作用，导致火灾扑灭后极易复燃，导致大规模的火灾失控。
(4)气溶胶灭火设备
应用方式主要是柜式灭火装置，靠产生化学气体烟雾进行灭火，灭火效率低，而且不仅没有降温效果，还会自体产热，加速储能电站温度的升高，导致火势进一步增大，效果非常不理想。
(5)水喷淋灭火设备
水喷淋系统技术非常成熟，且灭火后降温效果均较为理想，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统，但其不足也很明显。在灭火介质方面，由于采用水作为灭火介质，其导电的特性在扑灭火灾后，将导致储能电站内的电池短路损坏，从而无法使用；在用量方面，若要扑灭明火并保持后期抑制，需要大量的水，其用量可能成倍于被保护对象的体积；在占地方面，由于用量较大，须在储能电站就近修建消防水池，占地面积较大。
(6)细水雾灭火设备
应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理是大量吸热及隔绝空气实现灭火，易用于无遮挡的局部灭火。在储能柜中各个电池簇布置较紧密，且空间狭小，细水雾喷放后无法达到起火点，会倍隔板或各种障碍遮挡住，无法实现其降温隔绝的效果，无法有效扑灭火灾及降温抑制。
(7)泡沫灭火设备
应用方式主要是管网式灭火系统，其灭火机理隔绝可燃物与助燃物氧气，实现灭火，适用于由多个集装箱组合而成的储能系统。虽然可对于初期火灾进行控制，但由于无降温作用，电池温度持续升高发生热失控后，可自发产生氧气、氢气等可燃和助燃气体，无法实现有效隔绝，最终导致泡沫失效，无法有效扑灭火灾和后期抑制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池储能柜的火灾防控方法，能够克服现有技术的不足，实现对锂离子电池储能柜快速灭火和持续降温的有效火灾防控。
本发明的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，采用低温液化气体进行两阶段降温，第一阶段输出完全汽化的气体实现扑灭明火，第二阶段输出气液两相流实现降温抑制。
其中，所述低温液化气体优选为低压二氧化碳或液氮；二氧化碳贮存温度不高于-18℃，贮存压力不大于2.5MPa，液氮贮存温度不高于-196℃，贮存压力不大于0.1MPa。
其中，所述液氮的输送采用外贮压式输送方式。
其中，应用于储能柜构成的储能柜组的灭火系统管路为组合分配式管路，通过选择阀控制对应于每一储能柜的支路的开闭。
其中，所述降温的第一阶段时间不超过60s，该阶段后目标区域内无明火；第二阶段热失控电池表面温度降温幅度超过200℃，其余电池表面温度不超过100℃。
其中，储能柜内喷嘴的布置采用：全淹没灭火方式、局部应用灭火方式或电池箱组合分配式灭火方式。
进一步，所述低温液化气体的喷放方式选自下述其中一种：
(1)连续喷放
第一阶段喷放时间不超过60s，第二阶段喷放时间不低于60s，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s；
(2)分阶段喷放
第一阶段喷放时间不超过60s；第一阶段喷放结束5min后，第二阶段喷放时间不低于60s；
喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s；
(3)间歇喷放
第一阶段喷放时间不超过60s；第一阶段喷放结束5min后，第二阶段喷放次数≥2次，间隔时间≤5min；
喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s。
一般低温液化气体的火灾防控方式为将液化气体完全汽化后喷放实现灭火，本发明创新性的提出了同一套系统两阶段的相变喷放，集成了普通气体灭火系统的快速灭火和细水雾高效降温的优势，即利用喷放初期的汽化气体实现快速灭火，以及喷放后期低温液化气体气液两相流的雾化喷放，实现快速降温；同时本发明首次提出将低压二氧化碳灭火系统和液氮灭火系统应用于锂离子电池储能柜的火灾防控，同时还包含灭火系统及其管路的设计方式、喷头的布置及应用方法、灭火剂的类别及释放方法，解决了现有火灾防控技术无法针对锂离子电池储能柜的快速灭火、快速降温、低压储存、占地面积小、超远距离传输等火灾防控难题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1外贮压式输送管路结构示意图；
图2灭火系统的组合分配式管路；
图3全淹没灭火方式；
图4局部应用灭火方式；
图5电池箱组合分配式灭火方式。
其中，11-灭火剂汇流管；12-灭火剂出口管路；21-支路；22-选择阀；31-储能柜；32-电池箱；33-内部灭火剂管路；34-喷头；35-防火阻隔板；36-控制阀。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行详细描述。
一、灭火剂
本发明的火灾防控采用低温液化气体灭火系统的灭火降温方式：灭火剂平时处于低温液化的待机状态，当系统启动后，灭火剂迅速经管路从喷头释放，此时由于管路及外界温度较高，输送过程中将实现完全汽化，故喷出的完全是惰性气体，起到迅速降低储能柜氧浓度，快速灭火的目的；在喷放一定时间后，由于气体减压的降温效应及管壁在长时间喷放后温度已经极低，导致低温液化气体在管路输送过程中吸收的热量不足以将被液化的气体完全汽化，此时从喷头喷出的灭火剂将是气液两相流，即出现低温液体的雾化喷放，实现快速降温的目的。这一特性不仅使该系统在喷放初期具备普通惰性气体灭火系统的快速灭火性能，后期喷放更是具备快速降温的性能，完全贴合锂离子电池储能柜的火灾防控需求，解决了一套系统同时具备快速灭火和快速降温的难题；同时由于液化气体比普通惰性气体密度高，在相同灭火剂量的情况下，低温液化气体的占地面积将远远小于普通的气体灭火系统，解决了灭火系统占地面积大的难题。
灭火系统可优选采用低压二氧化碳或液氮作为低温液化气体灭火剂。其中二氧化碳贮存温度不高于-18℃，贮存压力不大于2.5MPa；液氮贮存温度不高于-196℃，贮存压力不大于0.1MPa。灭火系统可采用通用的外贮压式输送方式，以液氮为例，输送管路结构如图1所示。储能柜内可以设置压力泄放口、喷放指示灯、及发声装置，当有灭火系统启动时，相对应的储能柜的喷放指示灯和/或发声装置启动，提示人员禁止进入。
由于灭火系统采用低温液化气体作为灭火剂，故在管路传输过程中具备气液两相特性，其摩阻损失极低。在输送起始端2.5MPa压力下，输送距离均能保证输送距离超过300m，且在输送起始端压力为2.5MPa时，为了保证前期的气体喷放及后期的气液两相流喷放，其输送量一般不小于5kg/s，此时喷头末端压力将不低于1.0MPa，在灭火降温的基础上实现了超远距离传输，克服了由于储能柜组放置场地大而导致的传输距离远的难题。
二、灭火系统管路
储能柜(也称电池柜)是锂离子电池的储能单元，多个储能柜集中存放形成储能柜组。储能柜中可以均布多个电池簇，每个电池簇由多个电池箱组成。为实现储能柜组中多个电池柜共用一套火灾防控设备，可以将灭火系统管路设计为组合分配式管路，如图2，即灭火剂出口管路将连接若干并联的支路21，每一支路21上均设置选择阀22并对应一个储能柜，当某个储能柜发出火灾警报后，与其对应支路21的选择阀22开启，将灭火剂输送到相应的储能柜中，进行火灾防控。
三、储能柜内管路布置：
储能柜内喷嘴的布置可采用以下几种方式：全淹没灭火方式、局部应用灭火方式及电池箱组合分配式灭火方式，其中局部应用灭火方式和电池箱组合分配式灭火方式特别适用于电池簇数量大于4的储能柜。
(1)全淹没灭火方式
如图3所示，储能柜中布置一个(图3A)或多个(图3B)喷头，形成均衡管网，即喷头在中心位置对称布置。系统启动后，灭火剂从所有的喷头喷放，均匀分布在储能柜中。
(2)局部应用灭火方式
如图4所示，储能柜内部由防火阻隔板35(材料具有防火性能)进行防火分隔，形成防火分区，每个分区各有一个喷头，由控制阀36控制，防火分区起火后，启动灭火系统，打开起火分区的控制阀后，灭火剂从打开的控制阀后的喷头喷放，均匀分布在起火分区内。
(3)电池箱组合分配式灭火方式
如图5所示，每个电池箱都配有控制阀36和喷头34，电池箱起火后，启动灭火系统，打开起火电池箱的控制阀后，灭火剂从打开的控制阀后的喷头喷放，均匀分布在电池箱内。
四、灭火剂的喷放方式
接收到火灾报警信号后，启动灭火系统及相应的选择阀实施火灾防控。锂离子电池储能柜在火灾防控中分为两个阶段，第一阶段是扑灭明火阶段，该阶段后电池箱内无明火；第二阶段是降温抑制阶段，该阶段后，热失控电池表面温度降温幅度超过200℃，其余电池表面温度不超过100℃。灭火剂喷放方式可以有以下几种类型。
(1)连续喷放
该方式将灭火阶段(第一阶段)和降温抑制阶段(第二阶段)同时进行，系统启动后，灭火剂从喷头完全喷放，喷放时间不低于120s，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s。
在连续喷放过程中，扑灭明火时间不超过60s；扑灭明火后，将出现低温液化气体的气液两相流实现快速降温，为实现降温要求，抑制复燃，气液两相流喷放时间不低于60s。
(2)分阶段喷放
灭火阶段：系统启动后，先扑灭明火，喷放时间不超过60s，喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s。
降温抑制阶段：喷放结束5min后，将剩余灭火剂继续喷放，喷放时间不低于60s，完成后期的降温抑制。
(3)间歇喷放
灭火阶段：系统启动后，先扑灭明火，喷放时间不超过60s，喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s。
降温抑制阶段：喷放结束5min后，将剩余灭火剂进行间歇喷放，喷放次数≥2次，间隔时间≤5min。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池储能柜的火灾防控方法，采用低温液化气体进行两阶段降温，第一阶段输出完全汽化的气体实现扑灭明火，第二阶段输出气液两相流实现降温抑制。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，所述低温液化气体为低压二氧化碳或液氮；二氧化碳贮存温度不高于-18℃，贮存压力不大于2.5MPa，液氮贮存温度不高于-196℃，贮存压力不大于0.1MPa。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，所述液氮的输送采用外贮压式输送方式。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，应用于储能柜构成的储能柜组的灭火系统管路为组合分配式管路，通过选择阀控制对应于每一储能柜的支路的开闭。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，所述降温的第一阶段时间不超过60s，该阶段后目标区域内无明火；第二阶段热失控电池表面温度降温幅度超过200℃，其余电池表面温度不超过100℃。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，储能柜内喷嘴的布置采用：全淹没灭火方式、局部应用灭火方式或电池箱组合分配式灭火方式。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池储能柜的火灾防控方法，其特征在于，所述低温液化气体的喷放方式选自下述其中一种：
(1)连续喷放
第一阶段喷放时间不超过60s，第二阶段喷放时间不低于60s，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s；
(2)分阶段喷放
第一阶段喷放时间不超过60s；第一阶段喷放结束5min后，第二阶段喷放时间不低于60s；
喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s；
(3)间歇喷放
第一阶段喷放时间不超过60s；第一阶段喷放结束5min后，第二阶段喷放次数≥2次，间隔时间≤5min；
喷嘴布置采用“电池箱组合分配式灭火方式”时，喷嘴前压力不低于0.5MPa，流量不低于1kg/s；喷嘴布置采用其余方式时，喷嘴前压力不低于1.0MPa，低温液化气体流量不低于5kg/s。
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