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全氟己酮气体灭火系统在磷酸铁锂电池储能预制舱的应用

作者:蔡兴初 朱一鸣等 来源:储能科学与技术 发布时间:2022-08-20 浏览:

中国储能网讯:

作者:蔡兴初 1 朱一鸣 1姜可尚 2席旭峰 1张艺超 2林惟实 1

单位:1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司;2. 安徽中科久安新能源 有限公司

引用: 蔡兴初,朱一鸣,姜可尚等.全氟己酮气体灭火系统在磷酸铁锂电池储能预制舱的应用[J].储能科学与技术,2022,11(08):2497-2504.

DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0252

摘 要 “双碳”目标下,需要建设大量与“风”“光”等新能源配套的磷酸铁锂电池储能电站,但磷酸铁锂电池具有较大火灾危险性,其灭火措施研究尚不完善。全氟己酮灭火剂是一种新型哈龙和氢氟烃类灭火剂的优良替代品,对其是否适用于扑灭储能锂电池火灾并抑制其热失控存有争议。基于全氟己酮应用于磷酸铁锂电池火灾的既往研究成果,优化了全氟己酮气体应用于磷酸铁锂电池储能电池舱的灭火方式,采用“局部应用”与“全淹没”灭火方式相结合,通过模型试验验证了灭火效果并得出了相关设计参数,以工程案例详细论述了全氟己酮气体灭火系统在储能电池舱的应用方案。

碳达峰、碳中和背景下,与“风”“光”等新能源配套的储能电站建设需求猛增,市场上又多以磷酸铁锂电池储能预制舱(以下简称储能电池舱)为主要储能设备。储能电池舱内的磷酸铁锂电池具有较大火灾危险性,国内外已发生多起储能电池舱起火并烧毁的事故,其中2021年4月16日北京丰台储能电站起火爆炸致2名消防人员牺牲,经济损失和社会影响均较大。全氟己酮灭火剂是一种新型哈龙和HFCs类灭火剂的优良替代品,具备良好的火灾抑制能力,保护对象不会产生次生灾害,本文结合模型试验和工程案例研究全氟己酮气体灭火系统在储能电池舱的应用。

1 储能电池舱火灾危险性及灭火介质特征

储能电池舱是化学储能电站主要设备,一般利用标准集装箱建造,箱内设置数百块磷酸铁锂电池模组;每块电池模组由几十只单体电池组成(图1);按电气接线,数十块电池模组组成一个电池簇。储能电池舱内的磷酸铁锂电池在过充、过载等条件下,电池内部发生化学反应而不断产热,热量聚集致热失控引起火灾甚至爆炸,具有较大的火灾危险性。研究成果表明磷酸铁锂电池的火灾危险性主要体现在:①发生热失控的温度较低(约140 ℃);②在热失控过程产生大量可燃气体,在储能电池舱(密闭空间)内具有爆炸风险;③电池燃烧温度较高,电池模组燃烧时最高温度可达700 ℃以上,而簇级电池燃烧时最高温度则超过1000 ℃;④储能电池舱布置了数量众多的单体电池(1座储能电池舱最多可放置约1万只单体电池),其火灾隐患与单体电池数量成正比。总结各方研究成果:适用于扑灭磷酸铁锂电池火灾的灭火剂最重要的特征是其在迅速灭火的同时还具有较强的持续冷却能力,水基灭火剂具有良好的冷却效能,可有效抑制锂电池热失控,是较好的灭火介质,也是一般采用的终极灭火措施。但水基灭火剂可能存在水渍影响引起磷酸铁锂电池发生次生危害,且水基灭火系统(如细水雾灭火系统)在高寒地区平时的防冻压力较大。全氟己酮灭火剂具备良好的火灾抑制能力,不会对保护对象产生危害、损害作用,优点较为突出,但对其是否适用于扑灭储能锂电池火灾并抑制其热失控尚有争议,且相关设计规范缺乏。

图1   储能电池舱布置示意

2 针对锂电池火灾的全氟己酮灭火系统相关研究进展

2.1 全氟己酮灭火机理

全氟己酮灭火剂常温下是一种透明、无色、绝缘的液体,是哈龙和HFCs类灭火剂的优良替代品,最先由美国3M公司研制开发,商标为Novec1230,主要参数见表1。全氟己酮是以物理吸热为主的洁净气体灭火剂,具有较高热容量,在合适的浓度下,灭火剂释放后与空气形成气态混合物,吸收足够多热量,使环境温度降到熄灭温度点以下[9]。此外全氟己酮含氟灭火剂受热易发生脱HF反应、C—C键断裂反应,产生CF3、CF2、CFO等自由基可以捕捉、消耗火焰中的自由基,中断燃烧链式反应。

表1   全氟己酮灭火剂主要参数

刘昱君等研究了全氟己酮对38 Ah三元锂离子电池火灾的抑制效果,研究结果显示全氟己酮灭火剂能快速熄灭电池明火,其抑制温升效果仅次于水基灭火剂,优于HFC、ABC干粉。各类灭火剂对三元锂离子电池火灾的抑制能力见图2。张炜鑫等采用32650磷酸铁锂圆柱锂电池(3并2串)进行灭火及降温能力测试,以全氟己酮为核心,搭配降温剂和防腐材料开发出了一种锂离子电池专用灭火剂。实验结果表明,该灭火剂具有10 s扑灭明火能力,并可实现电池降到室温时间小于15 s,72 h无复燃。

图2   各类灭火剂对三元锂离子电池火灾的抑制能力

2.2 全氟己酮应用于储能电池舱的灭火方式研究进展

作为气体灭火剂,全氟己酮在储能电池舱的应用可采用全淹没灭火方式,即将喷头在舱内顶部均匀布置,将灭火剂均匀地充满整个电池舱。王铭民等搭建1∶1真实储能电池舱,将某一类储能用磷酸铁锂电池模组置于储能电池舱内,全氟己酮灭火剂通过储能电池舱顶部的喷头均匀注入舱内,以全淹没方式灭火,灭火浓度为6%。试验结果表明灭火剂喷放14 s后,电池明火熄灭,但静置3 min19 s后电池复燃(爆燃)。

全氟己酮灭火剂为高沸点气体灭火剂,喷放后不易迅速气化扩散,也可用于开放空间的局部应用灭火。需要说明的是,《气体灭火系统设计规范》(GB 50370—2005)并没有局部应用灭火的概念。黄强等选用某一类储能用磷酸铁锂电池模组(规格600 mm×420 mm×240 mm,由32块单体电池4并8串组成,模组容量344 Ah),将16 kg全氟己酮通过1只喷头在60 s内注入电池模组壳内,以局部应用方式灭火,试验结果表明:①灭火剂扑灭明火速度较快,对电池模组火灾有一定抑制作用,模组表面温度有所下降;②停止释放灭火剂后,随灭火剂浓度下降,模组温度再次上升,引起模组复燃。

王铭民等、黄强等的试验表明单独采用“全淹没”“局部应用”灭火模式均无法有效抑制磷酸铁锂电池的热失控。

2.3 全氟己酮灭火系统相关设计规范

前述研究表明,全氟己酮具有快速扑灭磷酸铁锂电池明火的能力,并具有一定的冷却效能。但是若不能保持一定灭火剂浓度和足够的浸渍时间,全氟己酮无法抑制磷酸铁锂电池的热失控。控制磷酸铁锂电池火灾的关键是抑制其热失控,全氟己酮的灭火浓度及浸渍时间等参数是其关键点。目前全氟己酮气体灭火系统作为新型灭火系统尚缺乏有指导意义的设计规范(标准),仅山东省发布了地方标准《全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范》(DB 37/T 3642—2019,以下称“山东地标”)[2],但“山东地标”中并没有给出锂电池类火灾的相关设计参数,因此需要通过模型试验确定相关数据。

3 模型试验及结论

3.1 火灾发生的逻辑分析

由于质量瑕疵或长期使用老化,储能电池舱内的磷酸铁锂电池在过充、过载等条件下发生热失控从而引起火灾,这里我们可以推导出最先着火的是那块质量最差或老化最严重的单体电池。而触发火灾报警后(通过烟感、温感、有害气体探测系统),储能电池管理系统(BMS)将储能舱内数千块单体电池全部切断电源,舱内后续火灾的扩大将由内部原因(过充、过载)转为电池燃烧所产生的热辐射导致的连锁反应。基于以上分析,可以认为内部原因导致热失控起火的单体电池只有1块,后续火灾的扩大是该燃烧电池周边的单体电池受热后触发热失控引起。

3.2 模型设计与灭火策略

基于火灾发生的逻辑分析,火灾模型设计储能电池预制舱内初期同一时间起火单元为1只单体电池,模型选定某块单体电池为试验电池致其热失控着火,一定反应时间后注入全氟己酮灭火剂灭火。待灭火后,观察试验电池引起的连锁反应范围,同时记录相关的全氟己酮灭火系统参数。

结合黄强等、王铭民等的试验经验,采用“局部应用”与“全淹没”相结合的灭火模式。考虑喷头、探测器布置的可行性及经济性,以1个电池簇为局部应用单位,整个储能电池舱为全淹没灭火系统对象。拟将1个磷酸铁锂电池簇模型放置于1个相对密闭的空间,引燃1块单体电池,初期通过快速注入全氟己酮灭火剂,以扑灭磷酸铁锂电池明火,后通过有规则地断续注入全氟己酮灭火剂以维持局部及整舱空间内一定的灭火剂浓度,抑制其热失控。

3.3 火灾试验模型参数

试验所用电池簇模型均采用全尺寸模型,包括:单体锂电池选用容量为150 Ah的方形磷酸铁锂电池(产品实体),外形尺寸为174 mm×170 mm×48 mm;试验用电池模组(电池箱)模型尺寸为655 mm×510 mm×190 mm,内部布置如图3所示,其中实体电池5块,其余位置为等尺寸模型替代;电池簇模型尺寸为1781 mm×658 mm×2369 mm。电池簇中,除试验电池模组外,实际工况摆放的其他电池模组均为空箱,见图4。将电池簇模型放置于储能电池试验方舱内,储能电池试验方舱尺寸为3500 mm×2450 mm×3200 mm,见图3~4。选定某块单体电池为试验电池,在其下部安装加热设备,并在试验电池周围布置多个测温装置,监测相邻位置处电池的温度和电池箱内温度,见图3。全氟己酮灭火剂通过6只雾化喷头注入,雾化喷头布置在电池簇后侧。

图3   电池模组(电池箱)模型示意

图4   试验舱及电池簇模型示意

3.4 火灾试验及结论

试验过程(以0 min0 s为相对计时点,过程节点位置见图5):①0 min0 s时启动加热装置对试验电池加热;②13 min23 s时探测装置发出声光报警;③25 min15 s时单体电池释放大量气体(图6),此时关闭加热装置电源;④25 min43 s时单体电池安全阀开启,采用明火引燃可燃气体,持续燃烧约3 min(图7),此时被加热电池背面温度为149 ℃;⑤28 min17 s手动启动火灾灭火装置;⑥28 min21 s明火扑灭;⑦约30 min后除试验电池两侧的测温点外(图3),电池模组(箱)内其他测温点的温度最高为89.8 ℃。电池模组(箱)内各测点温度变化见图5。灭火装置第一次喷射15 s,后续间隔固定时间点喷一定量的灭火剂,在灭火时间(从第一次喷放灭火剂到最后一次点喷结束,共20 min)内共喷射20次,灭火剂累计用量38.2 L。

图5   电池模组(箱)火灾试验温度曲线

图6   试验对象释放大量气体

图7   试验对象燃烧

试验结果:①电池模组中仅试验电池发生了热失控,其他邻近电池均保持完整且电压正常,即火灾初期(3 min内)仅1只单体电池起火;②电池明火扑灭迅速,20 min的浸渍时间内无复燃,“局部应用”与“全淹没”相结合的模式适用于储能电池舱灭火。

试验表明:①加热装置上的单体电池以及通过电池壁面热传导的单体电池升温较为缓慢,说明电池在非明火的加热状态下升温速度较慢;②在明火直接热辐射下的单体电池升温较快,但明火扑灭后,在失去了火焰的热辐射后,试验电池(失控电池)降温明显;③全氟己酮灭火剂能快速熄灭电池明火,但释放完灭火剂后,模组温度会上升,故需要多次点喷抑制再次降温。

3.5 模型试验的灭火机制分析

模型试验采用“局部应用”与“全淹没”相结合的灭火模式:将磷酸铁锂电池放置于一个相对密闭的空间,初期通过快速注入全氟己酮灭火剂,实现扑灭磷酸铁锂电池明火,后通过有规则地断续注入全氟己酮灭火剂以维持空间内一定的灭火浓度,抑制其热失控。不同于全淹没灭火系统所要求的喷头在舱内均匀布置方式,模型试验中的灭火剂雾化喷头布置在试验电池簇侧,即着火点附近。火灾发生后,雾化喷头向着火的电池簇喷放15 s全氟己酮灭火剂,在电池簇附近形成封闭罩,此时灭火剂流量大于其扩散量时,在封闭罩内形成局部的较高浓度,通过迅速降低电池簇周围温度,扑灭磷酸铁锂电池可燃气体(甲烷等)引发的明火,其喷头布置及灭火方式为局部应用方式。此后灭火剂扩散淹没整个试验方舱,形成了全淹没系统。后续通过有规则地断续点喷灭火剂,保持了电池簇局部及整舱的灭火剂浓度,从而抑制磷酸铁锂电池热失控。经估算,15 s内喷射的全氟己酮灭火剂量对应整舱灭火浓度约为4.5%,灭火剂完全喷射后,整舱灭火浓度约为14%。

图8   火灾试验结束后的电池簇状态

总结模型试验成功灭火并抑制热失控经验,其关键点有:①灭火系统快速启动,此时发生火灾的单体电池仅1块,火灾未扩大;②采用“局部应用”与“全淹没”相结合的一种灭火方式,以1个电池簇为局部应用单位,整个储能电池舱为全淹没灭火系统对象,是一种灭火剂有效利用的较好方式;③扑灭明火后间歇喷射全氟己酮,通过灭火剂的持续补充,维持了局部及全淹没的浓度,利于抑制热失控;④需要强调的是,试验采用了较高的灭火浓度,包括局部应用灭火浓度和整舱全淹没灭火浓度。

4 工程应用

4.1 工程概况

某“风光储”一体化项目位于内蒙古自治区境内,其中储能部分由中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司EPC总承包,其建设规模为14万kW×2 h,布置88座储能电池舱,储能电池采用磷酸铁锂电池。储能电池舱利用标准集装箱建造,规格为12.2 m×2.4 m×2.8 m。每座储能电池舱内置10个电池簇,每个电池簇由33块磷酸铁锂电池模组组成,每块电池模组则有3并8串单体电池24只,整个储能电池舱布置有7920只单体电池,单体电池额定容量为150 Ah。考虑到当地的极端低温天气(极端低温近-40 ℃),通过模型试验后确定采用全氟己酮灭火系统防护储能电池舱。

4.2 工程设计方案

基于模型试验结论,结合本工程储能电池舱布置及实际净空间,每座储能电池预制舱设置1套全氟己酮气体灭火系统(图9),该系统由全氟己酮主机(包括存储装置、输送装置、控制系统等)、分区控制阀、管网和雾化喷头等组成。全氟己酮灭火剂采用泵组输送,主管为DN15的镀锌钢管,支管采用DN8软管,每个电池簇设置1只分区控制阀(电动球阀)及3根支管,每根支管设置4只喷头,每个电池簇共计12只喷头。经过温度、海拔修正后,灭火剂量设计取值90 L,其对应灭火浓度与模型试验相应浓度相当。

图9   全氟己酮气体灭火系统示意

每个电池簇设置8个监测模块,并设置一个中继模块,负责监测信号传输,并且联动分区电动球阀。当某单体电池发生热失控致火,安装在对应电池簇的监测模块探测到火情,并反馈到灭火装置主机启动系统,同时联动打开该区电动球阀,该电池簇的12只雾化喷头同时喷放灭火剂。雾化喷头采用多点间歇式点喷,第一次喷射以扑灭明火为主,后续点喷抑制热失控,其喷射程序同模型试验。系统具有自动控制、本地手动、远程手动控制和应急操作等功能。

4.3 备用及应急措施

4.3.1 灭火剂备用

《气体灭火系统设计规范》(GB 50370—2005)以及“山东地标”均要求:气体灭火系统的存储装置72 h内不能重新充装恢复工作的,应按系统原存储量的100%设置备用量。本工程设计同一时间火灾发生次数为1起,对全氟己酮灭火剂采用公共备用,即整个储能站备用1套全氟己酮灭火系统的灭火剂量(90 L)。

4.3.2 应急备用措施

工程设计中考虑储能电池预制舱内同一时间起火单元为1只单体电池,但储能电池舱电池堆积密集,锂电池热失控较为复杂,如果全氟己酮灭火系统未能及时扑灭初期火灾而大范围着火(多只单体电池,甚至多个电池模组、电池簇着火),将致使全氟己酮灭火剂量不足,从而使得储能电池舱火灾不可控。鉴于此,本工程在每个储能电池舱设置半固定开式水喷淋系统(图10):该半固定开式水喷淋系统由开式喷头、水泵接合器、管道等组成,在储能电池舱内顶部设置开式喷头,并在舱外设置水泵接合器,设计用水量为1个水泵接合器的流量,即15 L/s。平时该半固定开式水喷淋系统为空管状态,不存在管道冻胀、系统误喷等风险。一旦全氟己酮灭火系统失效时,外部消防用水则可通过半固定开式水喷淋系统注入舱内浸渍灭火,实现灭火控火,防止火灾事故进一步扩大。需要说明的是,采用该应急措施后,整个储能电池预制舱将基本报废。

图10   半固定开式水喷淋系统示意

5 结论

全氟己酮灭火剂具有快速扑灭磷酸铁锂电池明火的能力,具有一定的冷却效能。但对其是否适用于储能锂电池火灾并有效抑制其热失控尚有争议,且相关设计规范不完善。

采用“局部应用”与“全淹没”相结合的一种全氟己酮灭火方式可以在火灾初期快速扑灭储能电池舱内磷酸铁锂电池明火,并抑制其热失控。

该灭火方式以电池簇为局部应用防护单元,以整个储能电池舱为全淹没灭火对象;通过探测系统快速定位电池簇火灾,启动着火电池簇控制阀,该区域喷头快速释放灭火剂扑灭磷酸铁锂电池明火;此后通过间歇式点喷灭火剂,维持局部应用及全淹没的灭火浓度,抑制磷酸铁锂电池热失控;该灭火方式采用了较高的整舱灭火浓度。具体参数应结合工程条件开展模型试验后确定。

作为应急备用措施,建议设置全氟己酮灭火系统的储能电池舱设置半固定开式水喷淋系统。

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