鋰電池儲能電站消防滅火系統設計

摘 要：磷酸鐵鋰電池儲能電站存在一定的火災安全風險，研究過程旨在針對此類電站設計可行的消防滅火系統。通過分析磷酸鐵鋰電池的燃燒過程，發現其在140℃即可進入熱失控狀態，在撲滅明火后容易出現復燃。對比干粉滅火器、六氟丙烷滅火器、七氟丙烷滅火器以及水的滅火效果，發現只有水能夠實現快速降溫和滅火。因此，該電站消防系統以高壓細噴霧滅火裝置為核心，同時配套設計消火栓以及室內外移動式滅火器材，重點消防位置是電池儲能預制艙。

關鍵詞：鋰電池儲能電站；火災風險；滅火技術；消防滅火設施

中圖分類號：TU 892" " " 文獻標志碼：A

鋰電池儲能電站可用于存儲電力能源，從而促進新能源發電方式的大規模接入，同時保證電網的穩定性。但鋰電池的反應介質屬于易燃性物質，受到高溫、過度充電以及撞擊等因素的影響，有可能引發火災。鑒于此，結合實際案例研究此類電站的消防系統設計方法具有重要的工程應用價值。

1 項目概況

國內某電網側儲能電站項目采用磷酸鐵鋰電池作為儲能設備，其容量達到101MW/202MWh。項目占地面積為3.2×103m2，

主體設施包括配電控制樓1座、電池儲能預制艙22個。其中，配電控制樓屬于丙類建筑，耐火等級為一級，樓高22.3m，占地面積為522m2，該樓共計4層，地上部分為3層，地下部分為1層。電池儲能預制艙采用完全一致的設計規格，長度、寬度、高度分別為12.2 m、2.4m和2.8m，每座預制艙內安裝了數百塊磷酸鐵鋰電池模組，每個預制艙的電池容量均為2.2MW·h。

2 電池火災風險及滅火技術分析

2.1 磷酸鐵鋰電池火災風險分析

國內科研人員對326Ah的大型磷酸鐵鋰電池進行燃燒試驗，發現當此類電池受到外部因素的刺激時，有可能釋放大量的熱能，同時隨著氫氣、一氧化碳以及甲烷等可燃氣體排出，進而產生明火，嚴重時可引起熱失控，甚至爆炸。常見的刺激因素包括電池短路、過度充電、工作溫度或環境溫度過高、過度放電、擠壓或者撞擊等。在相關試驗中，研究人員使用的電池模組容量為1.3Ah～326Ah，當溫度接近140℃時，電池進入熱失控狀態，隨著熱量釋放，產生明火后，電池溫度快速升高，可形成熱射流，最高的燃燒溫度約為700℃。燃燒過程中釋放的可燃氣體進一步加劇了火災風險，如果在較為狹小密閉的空間內，電池組有可能引起爆炸[1]。另外，火災危險系數與電池的容量存在直接關聯，因為容量較大的電池組可提供更多的可燃物。表1為電池燃燒試驗的部分數據，從中可知，當電池容量較大時，其熱釋放速率通常也更大，燃燒后的質量損失占比均高于20%。

2.2 針對鋰電池火災的滅火介質分析

在磷酸鐵鋰電池火災中，可用的滅火介質包括氣體、固體以及液體。在氣體滅火介質方面，六氟丙烷、七氟丙烷、全氟已酮可用于抑制和撲滅鋰電池火災；在固體滅火介質方面，干粉滅火器具有一定的效果；液體滅火介質包括水和泡沫滅火器。經過滅火試驗，各類滅火介質在鋰電池火災滅火中的應用效果見表2。

在實際應用中，全氟乙酮成為當前撲滅鋰電池火災的主要介質，其優勢體現在5個方面，分別為效率高、潔凈、安全以及無毒無害。全氟乙酮具有吸熱和隔離氧氣的雙重作用，氧氣的隔離能夠阻斷火災，吸熱可避免火災復燃。對比全氟乙酮、CO2、惰性氣體滅火介質，其滅火效率約為CO2的4倍、惰性氣體的8倍。雖然全氟乙酮滅火介質性能優異，但其采購價格較高，根據調查，一支2kg含量的全氟乙酮滅火器價格約為800元。該項目為鋰電池儲能電站，每個預制艙內的電池數量多達210塊，滅火系統設計應該綜合考慮成本和效果，因此全氟乙酮不適宜大規模部署和應用。另外，當鋰電池進入熱失控狀態后，全氟乙酮的火災抑制效果也存在一定的局限性。

通過對比可知，水不僅能夠快速撲滅明火，還能降低鋰電池的溫度，阻止可燃燒介質復燃。從滅火機理來看，水的滲透性較強，能夠全面覆蓋失火的電池，從使用成本來看，水的滅火成本遠低于其他各類滅火介質。因此在鋰電池儲能電站消防滅火中，可將水作為最主要的滅火介質。

3 鋰電池儲能電站消防滅火系統設計

3.1 電池儲能預制艙滅火系統設計

3.1.1 高壓細水霧滅火裝置設計

3.1.1.1 高壓細水霧滅火試驗裝置

在該項目中，電池儲能預制艙的幾何尺寸與標準集裝箱一致，一個預制艙內設計有210個磷酸鐵鋰電池模組，每個模組內涵蓋幾十塊電池單體。電池模組的間距非常小，電池密集的堆砌在一起。對滅火介質到達發熱、失火的部位造成了一定的干擾。鑒于此，擬采用高壓細水霧滅火裝置克服這一難題，相關的設計依據為《吸水霧滅火系統設計規范》（GB 50898—2013）。

在具體實施前，結合該項目電池儲能預制艙的實際尺寸，搭建了專門的試驗模型，其長度、寬度、高度分別為12.0m、2.4m、2.8m，除長度略小于實際尺寸，試驗模型的寬度和高度與儲能電站的電池儲能預制艙保持一致。在試驗過程中，主要任務是確定噴頭的出口壓力、設計流量、系統的設計供水壓力和設計流量等關鍵指標。根據技術規范，系統設計供水壓力的計算方法如公式（1）所示。

Pt=∑Pf+Pe+Ps " " （1）

式中：Pt為系統供水壓力；Pf為管道的水頭損失；Pe為最不利點處噴頭與儲水裝置最低水位的高程差；Ps為最不利點處噴頭的工作壓力。將系統的設計流量記為Qs，其計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Qs為系統的設計流量；qi為第i個噴頭的設計流量；n為噴頭的數量。噴頭設計流量的計算方法如公式（3）所示。

（3）

式中：q為噴頭的設計流量；K為噴頭的流量系數；P為噴頭的設計工作壓力。從以上參數的計算方法來看，噴頭的設計工作壓力成為決定噴頭設計流量和系統設計流量的重要因素，同時，噴頭工作壓力還影響細水霧的滅火效果，以下重點討論噴頭工作壓力的設計取值問題。

3.1.1.2 高壓細水霧滅火效果試驗

試驗中將鋰電池模組容量設計為344Ah，

規格為0.6m×0.42m×0.24m。在電池起火燃燒后，將高壓細水霧注入其外殼內部，觀察滅火效果，得到以下3個試驗結論：①當細水霧噴頭的出口壓力≤1.2MPa時，對電池模組熱失控的抑制效果不佳。②當細水霧噴頭的出口壓力≥2.0MPa時，其對電池模組熱失控的控制效果明顯提升，能夠在較短的時間內撲滅明火，完全抑制電池熱失控需要消耗約15min。③當細水霧噴頭的出口壓力lt;6.0MPa時，水霧的包絡性不足，難以形成較大的滅火覆蓋面。綜合以上3點試驗結果，高壓細水霧滅火裝置可有效撲滅磷酸鐵鋰電池火災，為了達到快速滅火的目的，可將噴頭的出口工作壓力設計為6MPa，使細水霧形成良好的包絡性[2]。隨著出口壓力的確定，可以計算噴頭設計流量、系統流量等參數。

3.1.1.3 高壓細水霧滅火系統結構及運行參數設計

高壓細水霧滅火系統由加壓泵、細水霧輸水管道、細水霧噴頭以及分區控制閥組成。將每組電池儲能預制艙作為一個滅火分區，共計形成22個分區，由設置在艙外的分區控制閥實現獨立控制，22個滅火分區共用一套泵組。該項目電池組模塊的數量為210個，為確保滅火效果，每個電池模組均要設置一個噴頭。整體的控制方式如圖1所示。

當細水霧噴頭工作時，將出口壓力設計為6MPa，將噴頭每分鐘的出水量設計為3L。在整個電池儲能預制艙內，每分鐘的出水量控制在680L。為了形成較大的包絡線，當設計噴頭時，采取扁平的扇形結構，將噴嘴布置在扇形結構的弧線上，該方案在噴水時可形成較寬的覆蓋面。噴水時需要直接覆蓋電池，因此在模組內預留一定的空間，約為0.05m，方便噴頭進入。

3.1.1.4 持續噴霧時長控制

磷酸鐵鋰電池出現熱失控或者明火后，其內部的化學物質在高溫的作用下會持續發生反應，即使撲滅了表面的明火，如果電池內部溫度沒有下降，就仍然存在復燃的風險，這一點在燃燒試驗中已經得到證明[3]。例如，在高壓細水霧滅火系統試驗中，當噴頭設計壓力為6MPa時，僅需要30s即可撲滅電池表面的明火，在這一基礎上，繼續降溫210s，在停止噴霧一段時間后，電池出現了復燃，說明初期設計的240s持續噴霧時長不足以徹底達到滅火目標。在滅火試驗中，將持續噴霧時長延長至15min后，電池并未出現復燃的情況，因此持續噴霧時長至少要達到15min。為了確保滅火效果的可靠性，在鋰電池儲能電站消防系統設計中，將持續噴霧時長大幅提升至2h。

3.1.1.5 高壓細水霧滅火裝置運行控制方法

磷酸鐵鋰電池的采購成本較高，在一個電池儲能預制艙內，任意電池模組出現失火，都可能導致火災蔓延至其他模組。因此，在高壓細水霧滅火系統控制中，采取預防為主的設計思路，任意電池模組起火，整個艙室內的所有高壓細水霧噴頭全部啟動，進入噴霧滅火模式。該設計方案的優點較為突出，一方面控制已經產生的明火，另一方面則是降低其他電池模組的溫度[4]。電池模組遇水之后并不會影響后續的使用和運行，因此該控制模式具備可行性。

在運行控制方面，火災發生之后，應在第一時間內啟動滅火裝置。該項目以自動滅火為主要控制模式，配合火災報警監測系統，在傳感器檢測到高溫或者煙霧后，自動執行滅火操作。另外，在實際的工作場景中要采用人工控制模式，作為自動控制模式的備用方案。在該項目中，設計了三種人工控制方案，分別為遠程手動操作、現場手動操作以及應急操作。顯然，火災報警系統是觸發高壓細水霧滅火裝置的關鍵因素，除了溫度傳感器、煙霧傳感器之外，還應設置可燃氣體探測器，用于檢測CO、CH4等氣體產物，進一步提高現場感知能力[5]。

3.1.1.6 消防排水設計

高壓細水霧滅火裝置在滅火過程中會產生較多的消防排水，必須設計專門的排水系統，防止消防水在艙室內聚集。細水霧直接噴射至電池模組殼體與電池的間隙內，在電池側面設計數量充足的小孔洞，其作用是排出電池過熱、燃燒時產生的可燃氣體，同時溢出模組內的消防水。孔洞內溢出的消防水直接達到艙室的地面，經過地漏排出艙室，地漏的排水流量為15L/s。

3.1.2 冷卻水系統設計

引發火災的要素為點火源、空氣以及可燃物，該鋰電池儲能電站共設計22個鋰電池儲能預制艙，并且各艙室的距離相對較近，當一個艙室起火時，有可能蔓延至臨近的艙室，針對該情況，可設計冷卻水系統，其作用是降低著火艙室的外表面溫度，同時控制臨近艙室的表面溫度，達到隔離引火源的目的。在設計冷卻水系統時，將電池預制艙視為甲類液體可燃儲罐，根據《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）中的規定，設計用水量，結果見表3。

3.2 儲能電站室內外消火栓系統設計

除了電池儲能預制艙外，站區內的其他建筑設施也需要設計滅火裝置，主要的技術方案為設置消火栓系統，重點部位包括配電控制樓、站區室外空間、站區室內空間。其中，室內外消火栓的設計流量分別為15L/s、25L/s。配電控制樓內部署帶噴霧水槍的消火栓。消防用水系統的水源來自高位水箱，由市政自來水向水箱供水，配電控制樓的消防用水量為432m3。

3.3 移動式消防器材設置要求

可移動式消防器材是消防滅火系統的重要組成部分，在儲能電站消防設計中，必須重視對此類器材的應用和配置，根據《預制艙式磷酸鐵鋰電池儲能電站消防技術規范》（TCEC 373—2020），典型儲能電站消防器材的配置方法見表4。

4 結語

綜上所述，在鋰電池儲能電站消防系統設計中，將鋰電池儲能預制艙作為重點控制對象，可采用高壓細水霧滅火裝置實現火災控制，同時設計配套的消防排水，設置合理的持續噴霧時間，以自動觸發、自動控制的方式完成滅火。對于電站中的配電控制室和室內外空間，還應設計專門的消火栓系統，配置數量足夠的可移動式滅火器材。根據該項目的特點，共設計22個防火分區，每個分區均配置高壓細水霧滅火裝置，出口壓力為6MPa，噴頭設計流量為3L/min，持續噴水時長為2h。

參考文獻

[1]陳銀，肖如，崔怡琳，等.儲能電站鋰離子電池火災早期預警與抑制技術研究綜述[J].電氣工程學報，2022，17（4）：72-87.

[2]任曉勇.磷酸鐵鋰儲能電站的火災形成機制及防控策略[J].中國石油大學勝利學院學報，2022，36（2）：87-90.

[3]蔡晶菁.鋰離子電池儲能電站火災防控技術研究綜述[J].消防科學與技術，2022，41（4）：472-477.

[4]郭鵬宇，王智睿，錢磊.儲能電站磷酸鐵鋰電池預制艙火災事故分析[J].電力安全技術，2019，21（12）：26-30.

[5]蔡興初，朱一鳴，陳彬，等.鋰電池儲能電站消防滅火設施研究與設計[J].給水排水，2021，57（6）：110-115.