锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能_管敏渊.pdf

第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能管敏渊1，沈建良1，徐国华1，汤舜2，张炜鑫2，曹元成2（1国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000；2华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430070）摘要：锂电池储能系统是构建新型电力系统，实现双碳战略目标的关键支撑，但锂离子电池储能系统的消防安全问题成为了制约储能系统大规模推广的关键瓶颈，现有基于固定建筑物式的传统气体灭火系统适用性不强，无法扑灭锂离子电池火灾及抑制复燃。本工作面向典型预制舱式锂离子电池储能系统，基于多层协同预警技术和不同防护灭火策略实现了对储能系统的靶向消防防控装备开发。首先，基于烟/温感探测器、可燃气体传感器、Pack温度传感器构建了多层协同的预警技术，实现对电气火灾、锂离子电池火灾的精准预警。其次，在现有七氟丙烷灭火系统基础上增加锂电池火灾专用抑制系统，满足国标电气场所消防设计要求的同时保障锂电池火灾抑制需求。通过主管道、应急管道、喷嘴的布局定位安装，所设计的抑制系统支持Pack级主动防护，能将锂离子电池抑制剂输送到Pack，实现对锂离子电池火灾的早期扑灭并能多次启动，抑制锂离子电池火灾复燃及蔓延。灭火系统和抑制系统协同作战，各自发挥优势，全方位保障锂离子电池储能系统的安全。关键词：储能系统；锂离子电池；预警；消防装备；精准定位doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0719 中图分类号：TM 911 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）04-1131-08Design and performance research of targeted-fire fighting equipment for lithium-ion battery energy storage systemGUAN Minyuan1,SHEN Jianliang1,XU Guohua1,TANG Shun2,ZHANG Weixin2,CAO Yuancheng2(1State Grid Huzhou Electric Power Supply Company,Huzhou 313000,Zhejiang,China;2School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430070,Hubei,China)Abstract:Lithium-ion battery energy storage system has a fire safety problem that has become a key bottleneck restricting its large-scale promotion.The existing traditional gas fire extinguishing system based on fixed buildings has low fire extinguishing efficiency.Thus,this research work aimed at developing a prefabricated cabin-type lithium-ion battery energy storage system.Here,a targeted fire prevention and control equipment for an energy storage system was developed based on multi-layer collaborative early warning technology and different protection and fire-extinguishing strategies.First,a combustible gas sensor and Pack temperature sensor,which is an accurate,reliable,economical and practical multi-layer early warning technology,were built based on smoke/temperature detector.Second,lithium-ion 储能系统与工程收稿日期：2022-12-02；修改稿日期：2022-12-14。基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（B311UZ220001）。第一作者：管敏渊（1987），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统，E-mail：；通讯作者：张炜鑫，副研究员，研究方向为高安全锂电池储能关键技术及储能安全，E-mail：。引用本文：管敏渊,沈建良,徐国华,等.锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能J.储能科学与技术,2023,12(4):1131-1138.Citation：GUAN Minyuan,SHEN Jianliang,XU Guohua,et al.Design and performance research of targeted-fire fighting equipment for lithium-ion battery energy storage systemJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1131-1138.2023 年第 12 卷储能科学与技术battery fire-suppression system was added based on a heptafluoropropane fire-suppression system to meet the requirements of fire suppression of lithium batteries and the national standard electrical and fire protection design.The designed fire-fighting equipment supports multiple start of multi-point packs,which can effectively inhibit the re ignition of lithium battery fire.The combination of a fire-extinguishing system and a fire-suppression system ensure the safety of lithium battery energy storage system in all aspects.Keywords:energy storage system;lithium ion battery;early warning;fire-fighting equipment;precise positioning储能能够为电网运行提供调峰、调频、备用、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段1-2。加快储能技术与产业发展，对于构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源产业体系，推进我国能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义，同时还利于实现我国“力争2030年前实现碳达峰，努力争取 2060 年前实现碳中和”的伟大目标3-5。以锂离子电池为代表的电化学储能技术由于其循环性能好、无记忆效应、比能量高等优点，成为目前电力储能领域装机容量增长最快的储能技术6-9。但目前储能电池包括锂离子电池、铅酸电池等仍未达到本质安全，一旦电池处于短路、过热、挤压等滥用条件下，电池可能产生大量的热，从而引发内部电解液和电极材料的链式反应，进而发生热失控，并可能发展为大规模的爆炸、火灾事故10-12。电化学储能系统是以电池为基础的，具有发生火灾或爆炸的危险本质，特别是在密闭空间，一旦某一储能单元发生火灾，将会引起相邻多台储能单元的连锁火灾反应甚至箱体爆炸，火灾荷载大、危险性高且难于扑救。当前电化学储能系统的消防设计中的消防系统建设标准是基于固定建筑消防火灾，通过实施全淹没灭火方式进行灭火13。采用的灭火剂主要是以七氟丙烷为代表的卤代烷烃灭火剂，常温下为气态，其灭火机理主要是切断燃烧链，适用于扑灭表面火灾，可用于电气火灾。然而锂离子电池火灾是由内至外发热类型的深位火灾，采用七氟丙烷灭火剂往往扑灭明火后会复燃。同时，火灾预警系统采用的是烟感探测器和温感探测器。基于烟感和温感探测器的误报率非常高，火灾控制系统工作原理是只有当火灾预警系统同时接收到烟感报警信号和温感报警信号时，才能发出启动灭火系统的控制信号。锂离子电池着火部位基本在Pack(电池模组)内，当火灾预警系统探测到火灾信号时，锂离子电池火灾已经发展到一定规模了。在灭火装置方面，针对电化学储能系统火灾应用的灭火装置主要包括：悬挂式灭火装置、柜式灭火装置、探火管灭火装置。传统悬挂式灭火装置，保护范围有限，动作响应严重滞后，其一般吊装在集装箱的顶部，依靠感温玻璃泡探测周围环境达到68 则自行启动14。针对锂离子电池火灾，传统悬挂式灭火装置响应速度慢，且一套装置的灭火剂容量有限，装置保护的范围较小。柜式灭火装置，是目前储能系统中应用最多的灭火装置，其灭火装置布置在集装箱开门角落。柜式灭火装置存在的主要问题是保护的区域半径有限，针对集装箱狭长型的结构特点，存在保护死角，且灭火剂很难及时到达电池Pack箱内起火位置，不利于第一时间控制火灾。探火管灭火装置是通过探火管缠绕在火灾隐患附近，进而实现点对点喷射灭火，存在动作响应慢、灭火范围小的问题，并且经过工程应用发现，往往明火持续5 s以后，探火管灭火装置才会启动，因此其保护的范围相对有限，不能对整个集装箱储能系统实施防护。因此针对电化学储能系统，结合储能系统结构特点研发一种高效率且结构和布局设计合理的灭火装置迫在眉睫。本工作基于锂离子电池储能系统预制舱结构特点，构建了多层协同预警技术，实现对电气火灾、电池火灾的精准火灾预警。参考现有消防建设标准的基础上，在现有七氟丙烷灭火系统基础上增加锂离子电池火灾抑制系统，通过抑制系统中的Pack级释放管道布置及时将全氟己酮灭火剂输送至热失控Pack，实现对热失控电池的精准防控，防止电池火灾蔓延。灭火系统和抑制系统协同作战，发挥各自优势，全面保障电化学储能系统安全运行。1132第 4 期管敏渊等：锂离子电池储能系统靶向消防装备设计与性能1 多层系统预警技术目前，国内锂离子电池储能系统中的消防系统是参照固定建筑物式标准GB 501162013火灾自动报警系统设计规范进行设计和验收，采用的是标准的感烟/温感应器，系统为集中控制方式，如图1所示。基于烟感和温感探测器的误报率非常高，火灾控制系统工作原理是只有当火灾预警系统同时接收到烟感报警信号和温感报警信号时，才能发出启动灭火系统的控制信号。对于锂离子电池而言，锂离子电池着火部位基本在Pack内，当火灾预警系统探测到火灾信号时，储能系统中电池火灾已经发展到一定规模了。因此，目前电化学储能系统的火灾预警系统设置亟需改进。储能系统火灾除了锂离子电池因热失控引发的电池火灾外，还存在电气设备短路、老化所引起的电气火灾，电气火灾分为电气柜内部火灾和舱级电气火灾。因此，针对储能系统不同火灾类型，可选择不同的预警探测器，以实现对储能系统安全预警精准可靠和维护便捷等功能。1.1烟/温感探测器针对传统舱级电气火灾，选用烟/温感探测器来探测。烟/温感探测器具有成本低和维护简单等优势，以40尺(1尺=0.333 m)集装箱为例，在集装箱顶部