CN109432634B - 一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法，该方法利用自动灭火***和预警***。本发明可在单体电池火灾、电池模块火灾及储能***火灾等储能集装箱内火灾发生、蔓延的不同阶段分别启动三级灭火响应，并发出三级预警信号，即通过火探灭火***、细水雾灭火***、水喷淋及水幕***对单体电池火灾以及电池柜乃至集装箱间的火灾蔓延进行有效的抑制和阻隔，同时通过不同的预警信号使终端监控人员采取不同的应急措施，从而保障集装箱式储能***安全、高效的运行。

Description

一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法
技术领域
本发明属于安全技术领域，涉及消防***，特别地，涉及一种可对集装箱式锂离子电池储能***火灾实现三级灭火响应并兼具预警功能的消防方法。
背景技术
近年来，随着智能电网建设的发展，电池储能的需求不断增大。电池储能***具有削峰填谷、应急备用、改善电能质量等优点。锂离子电池由于其能量密度大、输出功率高、充放电寿命长、工作温度范围宽、自放电小等诸多优点，逐渐成为电池储能***中应用最为广泛的电池。同时，随着电池储能应用需求的不断增加，建设快，可移动等特点成为需求方对储能***的新要求，集装箱式锂离子电池储能***应运而生。集装箱式电池储能***主要包括电池柜、储能双向变流器以及控制***、后台监控管理***等。集装箱式电池储能***的核心组成部分为电池柜，其子单元为电池模块。锂离子电池虽然拥有优良的性能，但其处于过热、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，进而引起火灾***事故。由于能量密度和空间的限制，储能集装箱一般排布相对紧密，且无工作人员对集装箱内的工作状态进行实时监控。因此，如果电池柜内电池发生热失控引发火灾后没有及时进行灭火降温，则火灾极易在电池模块间、电池柜间甚至是储能集装箱之间传播蔓延，从而造成大规模的火灾***事故，对人员和财产安全造成了极大的威胁。因此，发展适用于集装箱式锂离子电池储能***火灾的消防应对策略对保障储能***的安全运行具有重大意义。
现阶段，针对集装箱式锂离子电池储能***的消防策略较少，且多数已装机的集装箱式电池储能***装载的消防***为单一的气体灭火***。现有的针对集装箱式电池储能***的消防策略存在很大的不足与缺陷：(1)现有的消防策略多为一级或二级响应，多数消防***只针对电池易复燃的特性，但未考虑电池热失控后在模块间蔓延以及火灾在储能柜间蔓延的情况。(2)现有的消防策略中灭火剂多采用CO2或七氟丙烷等单一的气体灭火剂，而电池热失控为一个复杂的过程，单一的灭火剂对电池火的抑制效率较低。(3)现有的消防策略多以扑灭明火为目标，未考虑虽将明火扑灭但电池表面温度仍然很高的特点。(4)由于电池模块是相对密封的体系，传统的灭火策略中的灭火方式无法渗透到电池模块内部，无法实现精准的点对点灭火，因此灭火效率低，降温效果差。
本发明针对集装箱式锂离子电池储能***火灾的特点，提出了一种更为智能化、***化、高效化的消防策略，即本消防策略具备三级灭火响应和三级预警的功能，实现在锂离子电池火灾初期就可迅速动作，并在电池火灾蔓延的各个阶段进行预警、灭火和防护阻隔。
发明内容
本发明的目的在于：填补目前集装箱式储能单元中消防***的缺陷和不足，提供一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法，保障集装箱式储能***的安全运行。本发明要解决的问题是：提出一种消防策略，通过三级预警和三级响应，在集装箱内储能单元中锂离子电池发生热失控的初期就迅速点对点灭火，并通过液冷与细水雾等多种方式防止热失控的传播，进一步的，通过增大安全距离，使用水幕、水喷淋灭火等方式有效的阻碍火焰和热量在储能集装箱间传播，有效降低人员伤亡和财产损失，为储能***的安全运营保驾护航。
为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的技术方案为：一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法。本消防方法主要包括三级响应机制，分别为一级响应：电池模块内的热失控预警、点对点灭火及快速降温；二级响应：储能柜内的热失控预警及快速灭火降温；三级响应：储能集装箱间火焰传播抑制。三级响应机制主要依托于自动灭火***和预警***。
预警***主要包括电池模块内热失控预警模块，电池柜火灾预警模块和集装箱储能***火灾预警模块。
其中，不同部位的预警模块使用不同的预警因子并集成不同的现有商用传感器。电池模块内与电池柜的预警模块的预警因子类似，为挥发性有机物含量、烟气量和CO量，其采用VOC传感器、烟雾传感器、CO传感器等；储能式集装箱箱体的预警模块的预警因子为温度、烟气量和形变量，其采用温度传感器、烟雾传感器、应力传感器。
进一步的，多种传感器、微控制器与通讯线路集成于预警模块，当各个传感器检测到的特征值均超过设置阈值时，预警模块动作，发出预警信号并向下一级发出控制信号。
进一步的，预警信号有一级预警信号、二级预警信号和三级预警信号。预警信号由无线发射器发出，位于控制终端的监控人员可以根据接收到的不同预警信号采取不同的抢救措施。
进一步的，储能集装箱箱体外侧有无线信号接收器与PLC集成的应急控制模块，当其接收到预警控制器发出的三级预警信号时，其将启动控制导轨***，使未受灾集装箱向远火源的方向平移，从而防止火灾在储能集装箱间传播。
自动灭火***包括火探灭火***、细水雾灭火***、自动喷淋灭火***、水幕灭火***等多种灭火、阻火***。
其中，火探灭火***主要包括：火探管，储罐，微型压力传感器、电磁阀、耐高温消防管路等；细水雾灭火***：管路、增压泵、储水箱等；水幕灭火***主要由水幕喷头、供水配水管道、控制阀等组成。
进一步的，火探管管体为热敏材料，当外界温度大于预设温度时，管体表面受热集中处会熔融形成喷口，实现点对点灭火，可在电池热失控初期迅速动作，熄灭火灾或是及时进行降温冷却；火探管应有一定的耐压能力。火探管的预设温度为电池火灾发生时安全阀上方2-3cm处火焰区的温度，为170±10℃。火探管的最大耐压压力约为3.0-5.0MPa。
进一步的，火探灭火***的储罐为新型一体化设计，即储罐分为上下两部分，中间由钢制耐压管路与电磁阀隔开。储罐的上下两部分可同时填充不同的灭火介质与压力。储罐的材质为碳纤维复合材料，其轻质耐压，在减少对能量密度影响的同时提高了安全性。
更进一步的，储罐的上下部分由钢制管路贯通，受电磁阀控制。电磁阀与微控制器连接，微控制器分别接受预警模块及微型压力传感器的信号，当压力传感器压力小于预设值且预警模块中各传感器检测到特征因子含量超过阈值时，电磁阀启动，灭火剂通过钢制管路进入上半部分储罐，由火探管的熔融喷口释放到火区。储罐与底面间有固定装置，防止储罐滑倒。同时储罐的尺寸应取决于灭火剂的用量。如对于159.6Wh的单体电池，全氟己酮灭火剂的用量约为1.6-1.7kg，即1.0～1.06L，可根据电池总量粗略估算灭火剂用量。
进一步的，火探灭火***填充的灭火介质为高效清洁的气体灭火介质，主要为灭火效率较高的七氟丙烷灭火剂以及降温效果较好的全氟己酮灭火剂等。气体灭火剂需要用惰性气体驱动，本发明中火探灭火***使用氮气作为驱动气体，按NFPA2001标准，根据不同的使用工况在储罐中填充2.0-3.0MPa的压力。
其中，为了使灭火后电池更快的降温，电池模块底部装有应急液冷***。其受电池管理单元(BMU)***控制，BUM接收预警模块的动作信号。应急液冷***的液冷板厚约10mm，冷却介质主要为乙二醇与水的混合液。
其中，细水雾灭火***的管路布置在电池柜的柜体中，管路内径为4mm。液体在管体中流动时可带走部分热量，利于抑制热失控传播。细水雾灭火***的水泵受预警模块内部的微控制器控制。微控制器接受二级预警***的信号，当预警因子含量超过阈值时，细水雾水泵开启。
进一步的，细水雾灭火***的储水箱为耐腐蚀、耐压的阻燃材料。储水箱的放置位置为集装箱的外侧面或集装箱外底面，此设计可在不影响***安全性的同时提高储能集装箱的空间利用率。
进一步的，为了减少水渍对储能***的影响，本发明中的细水雾灭火***为高压细水雾灭火***，其启动时水雾释放压力可达到6-10MPa，其水雾直径在65um-100um。细水雾灭火***中填充的灭火介质为含有添加剂的水。为了减少对储水箱及管路的腐蚀，添加剂主要采用物理性添加剂，如表面活性剂、增稠剂、乳化剂等。
进一步的，细水雾喷头置于每个模块上方。预警模块发出动作信号后，同一分区内所有喷头释放出细水雾，这可减少***设计的复杂度，减少错误率，并显著提高灭火与降温效率。由于目前电池模块均符合IP67标准，因此短时间的水渍将不会对未失控的电池模块内部造成影响。
本发明的优点在于：1、本消防策略提出三级响应机制，可在电池热失控初期就做出响应，并通过细水雾、水喷淋和水幕等灭火隔火措施防止火灾在电池模块或是储能集装箱间传播。2、本消防策略包含三级预警机制，可在单电池火灾、电池模块火灾及储能集装箱火灾等储能集装箱内火灾发生、蔓延的不同阶段发出三级预警信号。3、本消防策略考虑到电池灭火后易复燃及表面仍保持高温的特性，使用液冷***及细水雾灭火***对电池进行快速降温，可有效阻断电池热失控的传播。4、本消防策略使用新型火探灭火***，通过两种灭火剂的协同作用快速扑灭明火并降低电池表面温度。5、本消防策略中使用的气体灭火剂为新一代哈龙替代品(如全氟己酮、七氟丙烷等)，相比其他灭火剂，此类灭火剂不仅清洁高效，且灭火后对电池模块的破坏较小。
附图说明
图1为火探灭火***在电池模块内的布置示意图；其中，1为微型压力传感器，2为火探管，8为电池模块内预警模块，10为电池管理单元BMU，11为单体电池，12为液冷***。
图2为电池柜中火探灭火***及细水雾灭火***的布置示意图，其中，1为微型压力传感器，2为火探管，3为储罐，4为压力表，5为耐压钢管，6为电磁阀，7为二级预警模块，8为一级预警模块，9为细水雾喷头，13为电池模块，14为细水雾管路，15为水泵。
图3为储能集装箱内消防***的示意图，其中，16为水箱。
图4为储能集装箱内细水雾灭火***的灭火分区示意图。
图5为建筑物内储能集装箱发生火灾后灭火示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为前视图。其中，17为三级预警模块，19为水幕灭火阻火***，20水喷淋灭火***，21储能集装箱，22阻火水幕，23水幕灭火***喷头，24水喷淋喷头。
图6为露天放置储能集装箱发生火灾后增大安全距离示意图，其中，17为三级预警模块，18为移动导轨，21为储能集装箱。
图7为消防策略控制流程图。
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。
本集装箱式锂离子电池储能***的消防方法主要包括：自动灭火***和预警***。
自动灭火***包括火探灭火***、喷头式自动灭火***、自动喷淋灭火***、水幕灭火***等多种灭火、阻火***。其中，火探灭火***的火探管安装在模块内电池安全阀上方2-3cm处，其主要作用为在电池热失控初期快速形成点对点灭火，通过不同灭火剂的协同作用快速熄灭明火并降低电池温度，其主要包括微型压力传感器1、火探管2、储罐3、压力表4、耐压钢管5、电磁阀6及通讯线路若干。细水雾灭火***安装在电池模块上方约6cm处，其主要作用为当火探灭火***未能抑制热失控的传播时，其通过水雾对电池模块进行快速降温，防止热失控进一步传播，其主要包括细水雾喷头9、细水雾管路14、水泵15、水箱16。细水雾喷头9在每个模块上方均有布置。自动喷淋与水幕灭火***主要依靠预警***与放置储能集装箱的建筑物内现有的消防***联动，自动喷淋灭火***主要包括开式喷淋喷头、消防管路等；水幕灭火***主要包括水幕喷头、供水配水管道等。预警***的预警模块主要包括电池模块内的预警(一级预警)模块8，电池柜预警(二级预警)模块7及储能集装箱预警(三级预警)模块17。三级预警的预警模块布置在储能集装箱的不同位置，且其内传感器种类不同。电池模块内部的预警模块8与电池柜预警模块7主要包括VOC传感器、烟雾传感器、CO传感器等；储能集装箱预警模块17主要包括温度传感器、烟雾传感器、应力传感器等。
本消防方法的主要实施过程如下：
当储能集装箱内部某模块内电池发生热失控时，电池表面温度快速上升，安全阀打开并发生火灾(以射流火形式)。火探管2受到射流火焰作用熔融破裂，释放出七氟丙烷灭火剂，单体电池11明火被扑灭，由于七氟丙烷降温效果较差，此时单体电池11表面温度仍然保持较高温度，且仍会释放出大量的烟雾、CO气体及未反应的电解液等。火探管2内灭火剂已释放完毕，微型压力传感器1检测到火探管内压力小于阈值，其将信号传输给电池预警模块8。预警模块8检测到VOC、烟雾及CO含量均超过预设值，且火探管2内压力小于预设值，则预警模块动作，通过无线发射器发射出一级预警信号并通过通讯线路向BMU10发出信号。这样设计的原因主要是防止预警***误报，给人员监控带来不必要的麻烦。同时，预警模块8向电磁阀6发出电平信号，电磁阀6打开，储罐3下半部分的全氟己酮灭火剂在高压N2的驱动下通过耐压钢管5进入上半部分储罐，并经由已经熔融破裂的火探管2释放到火区，对电池进行快速降温。为了使灭火后电池降温速度更快，BMU10在接收到预警模块8的信号时，向应急液冷***发出信号，电池模块底部的液冷***12启动，配合灭火剂作用快速带走电池热量，有效的预防电池模块内热失控的传播。
如若一级响应后电池柜中火焰未熄灭，即电池热火灾在模块间发生了传播，则此时发生热失控传播的电池柜中将产生大量的烟气、CO和未反应的挥发性有机物，当其各值超过预警模块7的阈值时，预警模块7启动，二级响应被触发。预警模块7与预警模块8中传感器种类相同，但由于电池柜中电池较多，为了避免因灵敏度过高而引起的误报，预警模块7中预警因子的阈值较大。预警模块7动作后，其通过无线信号发射器发出二级预警信号，并通过PLC控制器打开水泵15。水箱16中的水被水泵15加压后通过细水雾管路14进入电池柜中的细水雾管路，流动的水将带走部分热量。同时，高压水通过细水雾喷头释放，对电池柜火灾进行快速扑救，并对电池进行降温。特别的，由于电池模块均符合IP67标准，且细水雾灭火剂有一定的绝缘效果，因此细水雾灭火将不会使未发生热失控的电池因外部短路而产生热量。以图4为例，细水雾灭火***被划分为四个分区，四个区之间相互独立，分别使用各自的预警***、水箱与水泵。此举可以大大增加灭火效率，同时减少灭火剂的浪费。细水雾灭火分区可根据实际应用中集装箱剩余空间大小及防护等级进行灵活调整。
若经过前两级响应后电池火仍未被有效控制，由于储能集装箱内电池数目巨大，则此时储能集装箱的火势将变大，并可能致使储能集装箱烧毁破坏，集装箱产生严重形变，表面温度快速上升，且此过程将伴随着大量的烟雾。届时，位于集装箱表面的预警模块17将检测到各预警因子超过设定阈值，预警模块17动作。其将会通过无线信号发射器向外部发出三级预警信号。此时，若储能集装箱位于建筑物内，如图5所示，则预警模块17将与建筑物内的水喷淋与水幕***联动，阻止火灾向临近储能单元传播；若储能集装箱露天放置，如图6所示，则预警模块17将通过应急控制模块打开下部移动轨道18，将火灾集装箱临近的储能单元向背离火源的方向移动。
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)

1.一种集装箱式锂离子电池储能***的消防方法，其特征在于：包括：
1）一级响应为电池模块内部的热失控预警，及对于单体电池火灾的扑救与快速降温；一级响应的主要作用为当电池模块内单体电池发生火灾时，快速释放灭火剂抑制电池明火，并通过灭火剂与应急液冷***的协同作用降低电池温度，防止热失控在电池模块内传播，一级响应主要由电池模块内预警***、火探灭火***、应急液冷***组成的装置实施；电池模块内电池发生热失控后，释放出的射流火熔断火探管，火探灭火***释放出预先填充的灭火剂，此时，电池模块内的预警模块接收到异常信号，其向微控制器发出信号，应急液冷***接收到微控制器的信号，液冷***内液体开始快速循环，带走电池热失控后的热量；
2）二级响应为储能柜内的火灾预警、灭火及对多块电池的快速降温；二级响应的主要作用为当一次响应未有效抑制火灾在模块中的传播，导致储能电池柜中发生大规模热失控，此时启动细水雾灭火***使电池柜内明火熄灭，并使电池快速降温；二级响应主要由预警***、细水雾灭火***组成的装置实施；当一级响应未有效抑制热失控传播时，电池柜中发生大规模的热失控；此时，位于电池柜中的二级预警模块检测到预警因子超过预设阈值，预警模块将信号发送到微控制器，微控制器接收到控制信号后打开水泵，细水雾灭火***开启，位于电池柜每层的细水雾喷头开启，对火区进行快速的灭火降温；
3）三级响应为储能集装箱间火灾蔓延的抑制；三级响应的主要作用为当一、二级响应都未有效抑制电池火灾时，三级响应可以避免火灾在储能集装箱之间的蔓延，尽可能减少财产损失；若储能集装箱位于建筑物内，则预警模块在检测到预警因子超过阈值后，发出信号启动建筑物内的水喷淋与水幕***，阻止火灾向临近储能单元传播；若集装箱露天放置，则预警模块在检测到预警因子超过阈值后，其将发出控制信号打开储能集装箱下部移动轨道，将火灾集装箱临近的储能单元向背离火源的方向移动；
该方法利用包括自动灭火***、预警***组成的消防***实施；
所述自动灭火***包括火探灭火***、细水雾灭火***、水喷淋灭火***及水幕灭火***多种灭火阻火***；其中，火探灭火***主要由微型压力传感器、火探管、电磁阀、钢制管路、储罐组成；水喷淋灭火***主要由开式喷淋喷头、消防管路组成；水幕灭火***主要由水幕喷头、供水配水管道组成；
所述预警***主要为三级消防预警***，分别为电池模块内热失控预警模块即一级预警模块，集装箱内电池柜火灾预警模块即二级预警模块和集装箱箱体火灾预警模块即三级预警模块；模块内电池热失控预警模块与集装箱内电池柜火灾预警模块包括挥发性有机物（VOC）检测模块、烟雾检测模块、CO检测模块；集装箱箱体火灾预警模块包括温度检测模块、形变检测模块、烟雾检测模块；三级响应机制层层递进，互为基础，确保灭火***根据储能***内火灾情况分别作出不同级别的响应，此设计可以使灭火***的灭火效率最大化，同时防止因灭火剂误喷而造成的财产损失；
所述应急液冷***主要由液冷板、液冷管路、水泵组成；应急液冷***通过电池管理单元（BMU）与预警***连接；应急液冷***的液冷板置于电池模块底部，且其厚度极小，可尽量减少液冷***对电池模块能量密度的影响；
电池模块内部使用的火探灭火***为可释放两种清洁高效的灭火剂，实现熄灭明火和控制电池温度的双重目的；
所述电池模块内部火探灭火***的灭火介质选用七氟丙烷、全氟己酮高效洁净的气体灭火剂；灭火剂储存在储罐部分；灭火剂用量应根据电池模块封闭空间的体积，以及灭火设计浓度进行计算；
在集装箱电池柜的每层设置细水雾喷头，当电池柜模块间发生热失控传播时，细水雾灭火***启动，对电池进行快速的灭火与降温；当火灾在储能集装箱间传播时，通过增大储能集装箱间距或开启水喷淋及水幕***抑制火灾在储能集装箱间的蔓延。
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