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基于锂离子电池储能系统的消防设计

1、储能系统消防设计原则

1、消防设计应贯彻预防为主，防消结合的方针、防治和减少火灾危害，保障人身和财产安全

2、消防设计应根据电站的不同规模，各类电池不同特性采取相应的消防措施，从全局出发，统筹兼顾，做到安全适用，技术先进、经济合理。

3、电站内设备应满足耐火等级不低于二级，体积不超过3000立方米，且火灾危险性为戊类时，可不设消防给水。（锂电池为戊类火灾危险性）

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2、锂离子电池热失控特征

可燃气体的泄漏以及化学反应一直伴随着电池热失控的整个过程。储能系统中的电池所处的环境，在正常情况下都相对稳定，但是一旦电池产生热失控，储能系统中温度、气体、光强等参数一定会产生异常。电池热失控产生的背景如下图所示：

???图1电池热失控产生的背景

电池热失控早期有效的预警手段是对气体进行监控，准确地提取出热失控早期的气体数值，气体探测器的选择是研究的重点。气体火灾探测器选择下图所示：

????图2电池火灾探测过程

3、消防系统设计方案

为了能够在单个电池出现热失控时能够及时准确预警，在该消防安全系统中采用多级防护机制设计，即在电池内部、电池舱以及封闭式电池簇等各个部分进行分区探测防护。锂离子电池在发生热失控时，电解液的泄露可能会导致电网设备发生间接电击以及起火等危险事故。通过单体电池内的监测装置可以在电解液发生泄露早期实现对热失控的有效监测和预警，有效提升系统的预警功能。同时在单体电池发生热失控时可以通过电池包内的探测器有效联动灭火系统进行防护处理。对于磷酸铁锂电池来说，早期的单体火灾很容易被扑灭。

消防安全系统采用分级预警机制和多级安全防护机制，可以有效控制大范围的火灾风险，保障储能系统的安全。

3.1消防安全系统主要组成部件

大容量储能系统电池舱配置消防预警及灭火系统，每个电池舱配置可燃气体探测器及消防预警主机，提供消防预警功能；同时每个电池舱配置烟感、温感探测器、七氟丙烷灭火系统一套，提供消防灭火功能。

1、控制主机。控制主机是消防安全系统的核心组件之一，负责消防安全系统的联动，实时分析处理采集到的数据提供以太网、CAN、RS485通信网络、干接点等通信接口。

2、传感器。传感器负责收集电池温度、一氧化碳气体浓度、烟雾浓度等参数，并将数据传输给主机，对锂电池热失控及火灾状况做出综合判断。

3、报警设施。当出现电池热失控甚至火灾险情时，主机能够通过部署在站内和站外的声光报警器与气体喷洒指示灯，及时警示工作人员。

4、用户操作开关。用户操作开关包括了紧急启动/停止、自动手动状态切换开关。

电池储能系统的消防安全系统框架如下图所示：

3.2消防预警、报警及灭火控制策略

由于电池预制舱属于带电设备，火灾发生后储能电池在舱内燃烧，现阶段消防救援采取的策略为“先断电，后灭火”，因此电池预制舱在成组布置时，不仅要考虑最大限度避免预制舱之间的火灾蔓延，还要保留足够的消防空间。灭火系统控制组件在接收到预警信号或火灾信号后，根据既定灭火策略，自动启动灭火系统，同时关闭运行中的电气设备。

当参内巡视人员发现火情但灭火系统未自动启动，人员应手动启动灭火设备。

当舱内断路器拒跳时，经维护人员人工监视视频判断火灾，通过BMS系统给控制主机发生断路器以跳开的信号，控制主机启动对应瓶组容器阀及选择阀，实现远程启动灭火。消防系统灭火策略入下图所示：

???????????消防系统灭火策略

3.3储能舱消防系统具体措施

1、对电池系统、PCS系统、高压系统的运行温度实时监测，一旦出现温度严重异常，将提示报警甚至停止运行；

2、设备和电池舱体、柜体及线缆等设备的材质选用阻燃材料；

3、储能舱内壁选用阻燃金属岩棉夹芯板，厚度：50mm，耐火极限不小于1h；

4、储能舱内设置手动\自动一体化灭火系统，灭火介质采用七氟丙烷。

5、整个系统采取消防联动设计，当消防控制器发出报警信号时，PCS、电池、温控等系统都会停止运行，配合隔离措施降低风险以确保消防灭火系统能够正常灭火。

3.4七氟丙烷剂量计算

储能舱内安装七氟丙烷自动灭火系统，全淹没式。管道敷设于过顶部间隔分布，使气体喷放更快速和均匀。

七氟丙烷灭火设计用量计算公式如下：