水噴霧系統(tǒng)在抑制站級充電車火災中的探索與實踐研究

引言

充電車以電力為能源，具有清潔、噪聲小、費用低等優(yōu)點，日益成為被大眾接受。然而，充電車因熱失控引發(fā)的火災猛烈。自貢公司對充電車火災進行研究并創(chuàng)新自制了水噴霧系統(tǒng)（由消防水泵、水噴霧推車和消防水槍等組成），對充電過程中的充電車火災進行抑制，降低對充電棚、充電機、加油機等熱輻射，進而將充電車火災危害降到最低。

一、抑制火災機理

(一)充電車火災機理

充電車主動力主要來源于鋰電池。鋰電池由正極材料、負極材料、電解液和隔膜四大主材組成。以鈷酸鋰（ LiCoO₂ )為正極、石墨為負極的鋰離子電池為例，鋰離子電池充電時， Li⁺ 從正極脫出，經(jīng)過電解液嵌入到負極，負極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，同時電子的補償電荷從外電路供給到碳負極，以確保電荷的平衡。放電時則相反， Li⁺ 從負極脫出，經(jīng)過電解液嵌入到正極材料中，正極處于富鋰狀態(tài)。在正常充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起材料的層面間距變化，不破壞其晶體結(jié)構(gòu)。從鋰離子電池工作原理示意圖可以看出，充電時，鋰離子從Li-CoO₂ 晶胞中脫出，其中的 Co³⁺ 氧化為 Co⁴⁺ ；放電時，鋰離子嵌人 Li_1-xCoO₂ 晶胞中，其中的 Co⁴⁺ 變成 Co³⁺

鋰離子電池電解液由溶劑和鋰鹽構(gòu)成。一般來說，鋰離子電池電解液中的溶劑分子在高溫下會發(fā)生分解，產(chǎn)生H·或HO·等。自由基通常活性較強，同溶劑或氣體分子等進一步發(fā)生反應，形成鏈式反應，最終導致電芯熱失控。常見的溶劑熱分解自由基鏈式反應如下：

HO?+H₂?H?+H₂O

就有機電解液體系而言，溶劑的沸點與氫含量在一定程度上決定了其易燃程度。鋰離子電池在充電過程中，如果電壓超過設定上限截止電壓，就會發(fā)生過充現(xiàn)象。首先，在過充時，正極材料發(fā)生大量脫鋰，導致晶格中鋰離子含量過低，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;其次，負極材料不斷嵌入鋰，存在鋰單質(zhì)結(jié)晶析出的風險，在電芯內(nèi)產(chǎn)生的鋰枝晶導致短路等安全隱患；最后，在過高的電壓下，部分電解液溶劑分子發(fā)生氧化分解，產(chǎn)生大量的氣體并伴隨熱量放出，導致電池內(nèi)壓與溫度升高，引發(fā)燃燒或爆炸等安全隱患。

(二)燃燒機理

燃燒是一類有氧氣（助燃物)參與的劇烈氧化反應，燃燒過程是鏈式反應，在高溫、氧氣(助燃物)參與下可燃物分子被激活，產(chǎn)生自由基，自由基能量很高，極其活潑，一旦生成，立刻引發(fā)下一步反應，生成更多的自由基。這些具有很高能量的眾多自由基再次引發(fā)更多數(shù)目的自由基，這樣依靠自由基傳播鏈反應，可燃物質(zhì)分子被逐步裂解，維持燃燒不斷進行。

(三)水噴霧系統(tǒng)抑制充電火災機理綜上所述，充電車在充放電過程中，在高溫作用下氣相中存在氫自由基或氫氧自由基，過充時會產(chǎn)生氧氣，這些自由基和助燃物滿足了燃燒機理條件。滅火有隔離法、室息法、冷卻法和抑制法四個基本方法[1]。水噴霧推車在消防水泵的作用下，通過噴頭在充電車底部（鋰電池安裝位置)形成強大立體水幕，阻斷或降低燃燒過程中需要的空氣，又稀釋了鋰電池釋放的氧氣，同時對著火部位進行強制冷卻。用消防水槍對著火車頂部噴淋消防水，對車體形成流淌水，使著火部位冷卻，也可以對周邊充電機（腳注）、充電棚等進行冷卻降溫，保護著火車輛鄰近資產(chǎn)免受熱輻射影響（烘烤），降低火災損失或影響。

二、抑制充電車火災的工藝流程

以DN50自來水管向1立方米噸桶注水，用帶球閥的DN50消防水帶連通第二個1立方米的噸桶，形成噴淋水源。在距第二個噸桶底部 20cm 處（用于沉淀可能的雜質(zhì))設DN50剛性出水管，在剛性出水管上安裝 15cm 長、DN50軟性管后與每秒 4L 秒、揚程 30m 的消防水泵連接。在消防水泵出水口安裝總長 20cm 的DN50剛性出水管，在出水管中部安裝DN25泄壓回水管，在出水管口安裝DN50的快速接頭，。連接DN50消防水帶，分水器一端通過DN50消防水帶與DN50、噴嘴 13mm 消防水槍相連，用于對著火車頂部及周邊充電機、充電棚等進行噴淋，降低熱輻射[2]。另一端通過DN50 消防水帶與水噴霧推車相連，用于對著火車底部（鋰電池安裝部位）進行噴淋降溫，如圖3。

(一)水噴霧推車制作工藝

骨架制作：以 φ48×3 鋼管制作焊接制作長 1800mm （注：略大于車輛底盤 50mm 左右）、寬 1200mm （注：小于車輛前后輪距離）、四角做圓弧處理的框架，在長邊每40mm 處焊接等徑的鋼管，共三根，形成“目”字結(jié)構(gòu)。噴頭安裝：在 1200mm 寬邊的每邊等距安裝4顆向內(nèi)傾斜45^° 噴頭（注：流量 ，噴灑直徑 2.5-5.5m ，噴灑方向 360^° )，在車身與底盤交界面形成包裹水幕；在長1800mm 邊的每邊等距安裝3顆至4顆垂直向上的噴頭，在三根橫管每根上等距安裝3顆垂直向上的噴頭，在消防水泵的作用下形成對車輛底盤密集的水幕。萬向輪制作：在四個圓弧角內(nèi)側(cè)安裝4個 Φ50 的萬向輪，上面用6mm 鋼板覆蓋，保護控火中的高溫對萬向輪造成的傷害。推桿制作：在 1200mm 寬邊一側(cè)安裝能 360^° 旋轉(zhuǎn)的夾耳，在夾耳中部焊接一根 DN25×3 長 1600mm 鋼管，在鋼管端部焊接一能旋轉(zhuǎn) 180^° 的夾耳，在 180^° 夾耳上安裝一根DN25×3 長 1600mm 鋼管，在兩根鋼管端部安 40cm 橫管作推把，在兩根鋼管外套DN32絕緣塑料管，防止移動水噴霧推車過程被電擊。接水口制作：在推桿左側(cè)或右側(cè)安裝DN50快速接頭，引人來自消防水泵的水源。

(二)工藝效能計算

噴嘴流量以 200L/h 為例，換算為 0.06L/S，20 顆噴頭總流量約 1L/s 。《消防水槍》（GB8181-2005)5.1.3規(guī)定DN50、噴嘴 13mm 消防水槍額定流量為 3.5L/S 。20顆噴嘴和消防水槍總需要水量 4.5L/s ，與消防水泵4L/S基本相當， 4L/S 消防水泵基本滿足需求（注：加油站現(xiàn)場實際噴水揚程只需7至8米），在單獨使用消防水槍時需要打開泄壓閥，防止消防水帶被打爆。

兩個噸桶在消防水泵 4L/S 流量下，完全抽干時間T=2000L×(80cm/100cm)/4=400S≈6.7min DN50管徑的截面積 S=(50/2)²×3.14=1962.5mm² ，合0.1963dm² 。設管道壓力為0.5MPA時（注：城市供水壓力），管道流速 V=0.75m/s ，即 V=7.5dm/s，1L=1dm³ 管道的流量 Q=0.1963×7.5≈1.47L/S ，在完全抽干噸桶內(nèi)水的400S時間內(nèi)，能補充水量 Q=400S×1.47L/s≈ 588L，在消防水泵 4L/S 流量下，可持續(xù)時間 T=588L （20 (4L/s)≈147s≈2.45min 。完全抽干兩個噸桶時間 T≈ 6.7min+2.45min≈9.15min 。若以 40KM/h 車速計算，9.15min 車輛行駛距離約為6KM，以此距離計算加油站自主控火完全可以堅持到6KM范圍的消防專業(yè)隊伍到達著火點并實施專業(yè)滅火。若著火點離消防專業(yè)隊伍較遠，可以多串聯(lián)幾個噸桶，以堅持到專業(yè)隊伍到達后實施救援[3]。

(三)安全防護

噸桶多為塑料制品，通過鋼管與消防水泵連接，需要安裝軟性連接管，防止消防水泵運轉(zhuǎn)過程的震動損壞噸桶；當水噴霧推車與消防水槍不同時開時，應適度打開泄壓水管閥門，泄掉部分供水壓力，防止打爆消防水帶；消防水泵應設置一鍵啟動或停止按鈕和緊急停止按鈕；視火勢大小，使用 1.6m 和 3.2m 推桿將水噴霧推車從車輛側(cè)面推入車輛底部，防止熱輻射或爆燃傷人。

三、抑制火災的操作

當發(fā)現(xiàn)充電車發(fā)生火災時，立即對充電區(qū)域設施斷電，停正著火車輛半徑15米范圍的油氣作業(yè)，向消防部門和上級部門報警，并按應急預案進行以下應急處置。疏散著火充電車附近的充電車，記錄充電讀數(shù)止數(shù);封堵加油站進出站口；展開消防水帶，將水噴霧推車從著火車輛側(cè)面、前后輪間推入車輛底部；檢查消防水帶是否順暢，啟動消防水泵對水噴霧推車供水，向著火車底盤（鋰電池安裝部位)噴淋、冷卻;使用消防水槍對充電機、充電棚等設施進行冷卻；設置警戒區(qū)，疏散無關(guān)人群，禁止拍照或圍觀。

四、抑制火災措施的優(yōu)化

抑制火災措施以實踐為基礎，可以采取5L/s消防水泵，甚至更大流量的消防水泵，配置三條到四條分水器和消防水槍，擴大冷卻和滅火范圍；可以按泡沫液配比向噸桶加入消防泡沫液，經(jīng)攪拌后通過消防水泵和泡沫槍向加油站發(fā)生的流淌火進行泡沫滅火（注：消防水泵在使用泡沫液后應及時用清水清洗，防止腐蝕）。

結(jié)語

充電車火災頻發(fā)且猛烈，通過水噴霧推車對充電車鋰電安裝位置形成立體水幕，有效阻斷或降低燃燒需要的外界空氣，同時對著火部位進行強制冷卻，防止火災進一步擴大。特別是消防水槍的使用，使滅火操作更有針對性，在增強著火車輛噴淋的同時，對附近設施進行噴淋降溫，減少充電車燃燒或爆炸對操作人員的威脅。這一工藝還可以配合泡沫液使用，值得推廣和應用。

參考文獻

[1］羅大為，張健，程化.鋰離子電池材料與技術(shù)［M］．北京：化學工業(yè)出版社，2024.03：11.

[2]陳寶輝，吳傳平，周天念，等.特高壓換流變壓器含水系滅火劑的水噴霧系統(tǒng)滅火試驗研究［J].湖南電力，2024，44(02):44-49.

[3]張磊，姜洋彬，徐志，等.主變壓器水噴霧系統(tǒng)正向設計[J].電器工業(yè)，2024(01）：52-56.