一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法与流程

1.本发明涉及一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法，属于公共消防技术领域。


背景技术：

2.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非常大，以磷酸铁锂电池储能预制舱(以下称储能电池舱)为主要储能设备的锂电池储能市场迎来了爆发式增长。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。磷酸铁锂电池火灾的灭火措施研究是世界性难题，全世界都在寻找合适的灭火方案。
3.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，每块电池模组又由几十只单体电池组成(见图1)。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
电池燃烧温度高，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℃；
③
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；
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。
4.适用于扑灭磷酸铁锂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。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)在高寒地区使用时防冻压力较大，此外水基系统存在误动作导致次生灾害的风险。
5.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，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：研究表明，全氟己酮具有快速扑灭磷酸铁锂电池明火能力，并具有一定的冷却效能；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；目前全氟己酮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》(db37/t3642-2019，以下称《山东地标》)，但《山东地标》中并没有给出锂电池类火灾的相关设计参数。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法，能够解决磷酸铁锂储能电池预制舱的消防问题，促进磷酸铁锂
储能电池预制舱的大规模应用。
7.为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
8.本发明提供一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法，采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭出现于以电池簇为局部应用防护单元、以整个储能电池预制舱为全淹没灭火对象中磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控。
9.在一些实施例中，所述方法包括如下步骤：
10.储能电池预制舱出现着火点后，灭火系统快速探测并定位电池簇的着火点；
11.灭火系统释放全氟己酮，在着火电池簇区域以局部应用方式扑灭磷酸铁锂电池明火；
12.当全氟己酮弥漫到整个储能电池预制舱后，整个储能电池预制舱被构造为全淹没灭火对象，以冷却未着火电池；
13.此后，灭火系统采用间歇式点喷全氟己酮的方式，通过维持局部应用及全淹没时全氟己酮的浓度，从而抑制磷酸铁锂电池热失控。在一些实施例中，所述灭火系统包括全氟己酮主机、管网、雾化喷头和探测系统；
14.所述全氟己酮主机通过管网输送全氟己酮，所述管网与雾化喷头连接；
15.所述探测系统用以快速探测并定位电池簇的着火点；
16.所述全氟己酮主机用以向着火点输送全氟己酮，以灭掉磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控。
17.在一些实施例中，所述探测系统包括多个与全氟己酮主机联动的探测头，所述探测头均匀布设于电池簇上。
18.在一些实施例中，所述雾化喷头用于布设于电池簇旁，当某个电池模组着火时，整个电池簇的雾化喷头同时动作，向整个电池簇的外部喷放全氟己酮。
19.在一些实施例中，所述管网包括依次连接的主管、分管和支管，所述主管和分管为镀锌钢管，所述支管为软管，所述软管用以与雾化喷头连接，所述主管用以与全氟己酮主机连接，所述分管上设有电动球阀，当探测系统探测到火灾时，对应起火的电池簇上的分管上的电动球阀联动打开，灭火系统通过该分管上的雾化喷头向着火的电池簇或电池模组喷射全氟己酮灭火，此时，其他分管上的电动球阀处于关闭状态。
20.在一些实施例中，所述灭火方法包括第一灭火阶段和第二灭火阶段，所述灭火系统在第一灭火阶段时，采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭明火，并抑制其热失控，所述灭火系统在第二灭火阶段时，通过有规则的间歇式点喷全氟己酮，用以保持电池簇局部及整舱的全氟己酮浓度，实现抑制磷酸铁锂电池热失控。
21.在一些实施例中，所述灭火系统在第二灭火阶段灭火时，采用程序控制的方式，控制每次全氟己酮的喷放量，并控制全氟己酮的喷放时间、间隔和次数。
22.在一些实施例中，所述灭火系统在第二灭火阶段灭火时，每次全氟己酮的喷放量为2.88l，喷放时间为15s，喷放间隔为30s，喷放次数为20次。
23.在一些实施例中，所述灭火系统中全氟己酮的存储罐容量为90l。
24.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
25.本发明提供的一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法，采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭出现于以电池模组为局部应用防护
单元、以整个储能电池预制舱为全淹没灭火对象中磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控。本发明能够克服现有技术中存在的不足，解决磷酸铁锂储能电池预制舱的消防问题，能够促进磷酸铁锂储能电池预制舱的大规模应用。
26.本发明能有效扑灭储能电池舱内火灾并抑制热失控发展，不会对保护对象产生危害、损害作用，不会发生次生灾害；本发明采用一控一方式保护储能电池舱，其可靠性较高，造价较低，防冻性能好，适用范围广。
附图说明
27.图1是本发明实施例提供的适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法中储能电池预制舱的结构示意图；
28.图2是本发明实施例提供的适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法的工作原理图；
29.图中：1.1、储能电池预制舱；1.2、电池簇；1.3、电池模组；
30.2.1、全氟己酮主机；2.2、输送水泵；2.3、存储罐；2.4、主管；2.5、分管；2.6、支管；2.7、电动球阀；2.8、雾化喷头；2.9、探测头。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.为了克服现有技术中存在的不足，解决磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的消防问题，促进磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的大规模应用，本发明专利提供了采用“局部应用”与“全淹没”相结合，初期大剂量释放灭火剂与后期持续点喷补充灭火剂相结合的一种全氟己酮消防方法，该发明在扑灭磷酸铁锂电池明火的基础上可以实现抑制其热失控导致的复燃。
35.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
36.一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱的全氟己酮灭火方法，用于对磷酸铁锂储能电池预制舱1.1进行灭火，所述磷酸铁锂储能电池预制舱的结构示意图，请参见图1，包括储
能电池预制舱1.1、电池簇1.2和电池模组1.3。
37.所述磷酸铁锂储能电池预制舱1.1内布设有灭火系统，所述灭火系统包括全氟己酮主机2.1、管网、雾化喷头2.8和探测系统。
38.所述全氟己酮主机2.1通过管网输送全氟己酮，所述管网与雾化喷头2.8连接。
39.所述探测系统用以快速探测并定位电池簇1.2的着火点。
40.所述全氟己酮主机2.1用以向着火点输送全氟己酮，以灭掉磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控。
41.需要说明的是，所述探测系统包括多个与全氟己酮主机2.1联动的探测头 2.9，所述探测头2.9均匀布设于电池簇1.2上。
42.所述雾化喷头2.8布设于电池簇1.2上，当电池簇1.2出现着火点后，设于电池簇1.2上的雾化喷头2.8向着火的电池簇1.2喷放全氟己酮。
43.所述管网包括依次连接的主管2.4、分管2.5和支管2.6，所述主管2.4和分管2.5为镀锌钢管，所述支管2.6为软管，所述软管用以与雾化喷头2.8连接，所述主管2.4用以与全氟己酮主机2.1连接，所述分管2.5上设有电动球阀2.7，当探测系统探测到火灾时，对应起火的电池模组1.3上的分管2.5上的电动球阀 2.7联动打开。
44.具体地，所述全氟己酮灭火剂可以采用输送水泵2.2，也可采用氮气瓶压力进行输送，每个电池模组1.3上都设置一根分管2.5及若干根支管2.6，分管2.5上可以安装一只电动球阀2.7，每根支管2.6设置若干只雾化喷头2.8。
45.本发明中，所述灭火系统中全氟己酮的存储罐2.3容量为90l。本领域技术人员可以将全氟己酮的存储罐2.3容量设置为100l或者80l，本发明在此不做限制。
46.本发明提供的适用于磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的全氟己酮灭火方法，所述方法包括如下步骤：
47.采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭出现于以电电池簇1.2为局部应用防护单元、以整个储能电池预制舱1.1为全淹没灭火对象中磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控，所述适用于磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的全氟己酮灭火方法的工作原理图，请参见图2。
48.具体地，所述灭火方法包括如下步骤：
49.储能电池预制舱1.1出现着火点后，灭火系统快速探测并定位电池簇1.2的着火点；
50.灭火系统开启着火区域的阀门雾化喷头2.8等设备，快速释放全氟己酮，在着火电池簇1.2区域以灭火剂局部应用方式扑灭磷酸铁锂电池明火。
51.然后其灭火剂开始弥漫到整个储能电池预制舱1.1，当全氟己酮弥漫到整个储能电池预制舱1.1后，整个储能电池预制舱1.1被构造为全淹没灭火对象，以防护(冷却)未着火电池。
52.此后，灭火系统采用间歇式点喷全氟己酮的方式，通过维持局部应用及全淹没时全氟己酮的浓度，从而抑制磷酸铁锂电池热失控。
53.本领域技术人员应当理解，本发明可以以电池簇1.2为全氟己酮灭火系统局部应用单位，对于雾化喷头2.8的布置可以分为簇级和电池模组1.3级：当采用簇级方案时，若干的灭火剂雾化喷头2.8均匀布置在试验的电池簇旁；当采用电池模组1.3级方案时，每个电
池模组1.3均设置一只雾化喷头2.8。当某个电池簇起火后，相对应的雾化喷头2.8以向着火的电池簇1.2或电池模组1.3上喷放全氟己酮灭火剂，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引发的明火，此时其喷头布置及灭火方式为局部应用方式。
54.应当理解，本发明还可以以整个储能电池预制舱1.1为全氟己酮全淹没灭火系统对象，通过起火处电池簇的雾化喷头2.8将灭火剂扩散淹没整个试验方舱，形成了全淹没系统。
55.通过在每个电池簇1.2上设置若干探测头2.9，并探测头2.9均匀布置，且探测头2.9与主机控制系统联动，当探测系统到火灾时，对应起火电池簇1.2上的灭火剂输送分管2.5上的电动球阀2.7联动打开，以进行灭火。
56.需要说明的是，本发明中，所述灭火方法包括第一灭火阶段和第二灭火阶段，所述灭火系统在第一灭火阶段时，采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭明火，并抑制其热失控，所述灭火系统在第二灭火阶段时，后续通过有规则的断续点喷灭火剂，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。
57.具体地，当探测到某处电池起火后，该电池所处的电池簇1.2对应的电动球阀2.7联动打开，灭火系统主机启动，灭火剂通过主管2.4-分管2.5-电动球阀2.7
‑ꢀ
雾化喷头2.8向着火的电池簇1.2或电池模组1.3喷放一定剂量的全氟己酮灭火剂，通过迅速降低电池簇1.2周围温度，扑灭磷酸铁锂电池可燃气体引发的明火。后续通过有规则的断续点喷灭火剂，保持了电池簇1.2局部及整舱的灭火剂浓度，从而抑制磷酸铁锂电池热失控。
58.所述灭火系统在第二灭火阶段灭火时，采用程序控制的方式，控制每次全氟己酮的喷放量，并科学地控制全氟己酮的喷放时间、间隔和次数。
59.所述灭火系统在第二灭火阶段灭火时，每次全氟己酮的喷放量为2.88l(对于标准舱)，喷放时间为15s，喷放间隔为30s，喷放次数为20次。本领域技术人员应当理解，所述灭火系统在第二灭火阶段灭火时，每次全氟己酮的喷放量、喷放时间、喷放间隔和喷放次数，可以根据项目需要进行调整，本发明在此不做限制。
60.实施例：
61.为了更好地描述本发明灭火方法，本发明通过位于内蒙古境内的某“风光储”一体化项目，对本发明灭火方法进行详细描述。
62.其中，该项目的储能部分建设规模为14万kw
×
2h，布置88座储能电池舱，储能电池采用磷酸铁锂电池。储能电池预制舱1.1利用标准集装箱建造，规格为： l
×b×
h＝12.2m
×
2.4m
×
2.8m。每座储能电池预制舱1.1内置10个电池簇，每个电池簇由33块磷酸铁锂电池模组1.3组成，每块电池模组1.3则有3并8串单体电池24只，整个储能电池预制舱1.1布置有7920只单体电池，单体电池额定容量为150ah。考虑到当地的极端低温天气(极端低温近-40℃)，通过模型试验后拟采用全氟己酮灭火系统防护储能电池舱。
63.模型试验以电池簇为基本防护对象，采用比实际工程小的非标准舱作为试验方舱。试验用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150ah的方形磷酸铁锂电池(产品实体)，外形尺寸为l
×b×
h＝174mm
ꢀ×
170mm
×
48mm；试验用电池模组1.3(电池箱)模型尺寸：l
×b×
h＝655mm
ꢀ×
510mm
×
190mm，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：l
×b×
h＝1781mm
×
658mm
×
2369mm。电池簇中，除试验电池模组1.3外，实际工况摆放的其他电池模组1.3均为空箱。将电池簇模型置放于储能电
池预制舱1.1内，试验采用的储能电池预制舱1.1尺寸为l
×b×
h＝3500mm
ꢀ×
2450m
×
3200mm(非标准舱，比实际工程小)。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，监测与相邻位置处电池的温度和电池箱内温度。全氟己酮灭火剂通过6只雾化喷头2.8注入，雾化喷头2.8布置在电池簇后侧。
64.本发明的火灾试验结果如下：启动加热装置对试验电池加热，至电池发生热失控后关闭加热装置电源，采用明火引燃，起火后持续燃烧3min后手动启动火灾抑制装置(此时被加热电池背面温度为149℃)，灭火装置采用第一次喷射以大剂量灭火剂扑灭明火为主，后续点喷抑制热失控，其喷射动作程序见表1。灭火装置动作后约4s后明火得到扑灭，之后30min，除发生热失控电池两侧的测温点外，电池箱内其它测温点的温度最高为89.8℃。电池模组1.3中仅一只电池(试验电池)发生了热失控，其他电池均保持完整且电压正常，表明模型的灭火试验是成功的。
65.表1雾化喷头喷射动作程序
66.喷射次数间隔时间(s)喷放时间(s)灭火剂用量(l)第1次01510.8第2次6021.44第3次6021.44第4次6021.44第5次6021.44第6次6021.44第7次6021.44第8次6021.44第9次6021.44第10次6021.44第11次6021.44第12次6021.44第13次6021.44第14次6021.44第15次6021.44第16次6021.44第17次6021.44第18次6021.44第19次6021.44第20次6021.44合计11405338.16
67.需要说明的是，本次试验的试验时间为20min，其中灭火剂累计喷放时间为53s。
68.本发明模型试验的灭火机制如下：
69.不同于全淹没灭火系统所要求的雾化喷头2.8在舱内均匀布置方式，模型试验中的灭火剂雾化喷头2.8布置在试验的电池簇侧(着火点附近)。火灾发生后，雾化喷头2.8以向着火的电池簇喷放15s全氟己酮灭火剂，在电池簇1.2附近形成封闭罩，此时灭火剂补充
量大于其扩散量，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，此时其雾化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。后续通过有规则的断续点喷灭火剂，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， 15s内喷射的全氟己酮灭火剂量对应整舱灭火剂浓度约为4.5％，灭火剂完全喷射后，整舱灭火剂浓度约为14％。
70.应当理解，本发明模型试验成功灭火并抑制热失控经验，其关键点如下：(1) 采用“局部应用”与“全淹没”相结合的一种灭火方式,在着火的电池簇附近形成局部的浓度优势，而整舱又是一种全淹没的灭火形式，是一种灭火剂有效利用的较好方式。(2)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；(3)需要强调的是，试验采用了较高的整舱灭火浓度。
71.在实际工程应用时，考虑储能电池预制舱1.1内同一时间起火单元为一只单体电池，系统采用“局部应用+全淹没”方案，以一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。扣除储能电池舱内电池等实体体积后，本工程储能电池舱空间约为实体模型试验的2倍。基于模型试验结论及本工程储能电池舱布置及实际空间，储能电池舱全氟己酮灭火系统主要方案如下：每座储能电池预制舱1.1设置一套全氟己酮灭火系统，请参见图2，该系统由全氟己酮主机2.1(包括存储装置、输送装置、控制系统等)、管网和雾化喷头2.8，所述全氟己酮灭火剂采用泵组输送，主管2.4和分管2.5为dn15的镀锌钢管，支管2.6 采用dn8软管，每个电池簇设置一只分区控制阀(电动球阀2.7)及3根支管2.6，每根支管2.6设置4只喷头，每个电池簇共计12只雾化喷头2.8(数量为模型试验的2倍，与实际储能电池舱空间约为实体模型试验的2倍对应)，经过温度、海拔修正后，灭火剂量设计取值90l，其对应灭火浓度与模型试验相应浓度相当。
72.其中，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2.7。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2.7，该电池簇的12只雾化喷头2.8同时喷放灭火剂。雾化喷头2.8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。
73.需要说明的是，《气体灭火系统设计规范》(gb50370-2005)以及山东地标均要求：气体灭火系统的存储装置72h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。考虑本工程设计火灾次数为1次，对全氟己酮灭火剂采用公共备用方式，即整个储能站备用1套全氟己酮灭火系统的灭火剂量。
74.本发明提供的一种适用于磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的全氟己酮灭火方法，采用局部应用与全淹没相结合的全氟己酮灭火方式，快速扑灭出现于以电池模组1.3为局部应用防护单元、以整个储能电池预制舱1.1为全淹没灭火对象中磷酸铁锂电池中的明火，并抑制其热失控。本发明能够克服现有技术中存在的不足，解决磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的消防问题，能够促进磷酸铁锂储能电池预制舱1.1的大规模应用。
75.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。