中國儲能網(wǎng)訊：今年10月12日-13日，主題報告環(huán)節(jié)，應(yīng)急管理部天津消防研究所副研究員 許曉元博士發(fā)表主題演講《儲能系統(tǒng)液氮滅火及全浸沒抑制技術(shù)》。
應(yīng)急管理部天津消防研究所副研究員 許曉元博士
【以下為演講實錄】：
大家好！我是來自應(yīng)急管理部天津消防研究所的許曉元，今天給大家匯報的題目是《儲能系統(tǒng)液氮滅火及全浸沒抑制技術(shù)》，將從四個方面來進行匯報：
壹
研究背景
2023年：全球新型儲能累計裝機規(guī)模達91.3GW，是2022年同期的近兩倍。其中，鋰電池繼續(xù)高速增長，年增長率超過100%；我國新型儲能累計裝機規(guī)模達到34.5GW，近似呈指數(shù)增長。電化學(xué)儲能是實現(xiàn)能源革命的重要支撐技術(shù)，但近年來頻頻發(fā)生儲能電站火災(zāi)，這也提醒我們消防安全是行業(yè)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
據(jù)不完全統(tǒng)計，全球共發(fā)生近100起儲能電站的火災(zāi)事故，由于電池?zé)崾Э匕l(fā)生的氣體是易燃易爆的，所以在救援過程當(dāng)中爆炸造成了救援人員的傷亡，并且因為電池燃燒是內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，不易被阻止，因此，在撲救的過程當(dāng)中是極其困難的，很多起事故都是長達十天以上，非常容易發(fā)生復(fù)燃。比如今年5月份美國儲能電站發(fā)生火災(zāi)，從分析來看，它中間復(fù)燃了近三次，連續(xù)撲救將近15天，最終火災(zāi)控制是因為撲滅救援、還是自然燃燒結(jié)束也不盡知道。
鋰電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)抑制的難點是，不僅要滅火，還要防止復(fù)燃、抑制爆炸。正是因為儲能系統(tǒng)，它是由上萬塊電池這種高能量聚集體組合而成，火災(zāi)的負荷是很大的，而且它燃燒時呈噴射的射流狀，滅火并不容易。同時，電池燃燒是內(nèi)產(chǎn)熱、內(nèi)蓄熱，滅火劑降溫是比較困難的，所以它非常容易復(fù)燃。而且熱失控氣體產(chǎn)生大量的易燃易爆的、含氫氣的混合氣體，它的爆炸極限范圍是非常寬的，非常容易爆炸。
目前，我們?nèi)狈m用鋰電池火災(zāi)特性的滅火、降溫和抑爆協(xié)同技術(shù)。對于主要的傳統(tǒng)滅火技術(shù)的滅火性能，我們進行了一個對比試驗，其中包括七氟丙烷、全氟己酮、細水霧和F-500。結(jié)果表明，現(xiàn)有的技術(shù)基本能夠撲滅明火的，但是對熱失控的電池和模組，它的降溫效果是顯著不足，因此它是非常容易發(fā)生復(fù)燃，而且?guī)缀跏菦]有抑制爆炸的效能。
貳
液氮滅火技術(shù)
介紹一下應(yīng)急管理部天津消防研究所在液氮滅火技術(shù)開展的各項研究。液氮分離于空氣之中，因此它是具備本質(zhì)上的清潔環(huán)保，即GWP、ODS值為零。液氮的沸點非常低-196.56℃，氣液比則高達696（21℃），而且氣化潛熱也比較高。目前液氮在電子、冶金等工業(yè)領(lǐng)域都是應(yīng)用廣泛。
在滅儲能系統(tǒng)火災(zāi)時，液氮有滅火、冷卻、抑爆協(xié)同的作用。首先在滅火的機理上，因為液氮釋放后會形成大量的氮氣充滿整個空間，降低氧氣的濃度，因此它有隔氧窒息的作用。在汽化過程中，液氮會吸收大量的熱，有持續(xù)降溫的作用。同時，氮氣是惰性氣體，大量氮氣會稀釋空間當(dāng)中的可燃氣體的濃度，最后使得熱失控氣體，比如氫氣、一氧化碳等混合氣體的爆炸極限變窄，不容易被點爆。
對液氮滅火，我們開展了很多不同層級的實體實驗。首先介紹液氮在滅火和冷卻方面的一些實驗研究。
01
液氮滅火特性研究
針對IP67液冷機箱的電池模組，我們開展了多次實驗。滅火時間大約是4秒到27秒，模組內(nèi)部的最低溫度可以達到 -99.3℃?？梢钥闯鰜恚旱梢杂行У負錅缫蛲獠坑|發(fā)主動點火引起來的電池火焰，并且沒有發(fā)生電池的熱擴展，也就是說，其他沒有被觸發(fā)的電池是沒有發(fā)生熱失控的。
除了針對液冷機箱，我們還對風(fēng)冷機箱的電池模組的滅火開展了研究，滅火時間大約是3秒鐘。我們知道，熱失控的電池如果不被抑制的話，它的表面溫度能達到幾百度，但是我們在滅火的過程當(dāng)中，熱失控電池的最高溫度僅僅達到了70.6℃，而且電池的平均溫度是39.2℃。通過結(jié)果可以看出，液氮是可以高效撲滅因為過充觸發(fā)主動點火引燃的電池的火焰，并且也沒有發(fā)生熱失控的擴展。
除了對模組的研究，我們還對電池簇滅火進行了實驗研究?？梢钥吹?，在滅火的過程當(dāng)中，滅火的時間僅僅是4秒，并且電池簇電池所觸發(fā)的Pack最低溫度在30分鐘的時候達到-53℃。
除了模組層級和簇層級，我們還針對20尺儲能倉實體滅火實驗開展了研究，采用的電池是280Ah的磷酸鐵鋰的電池，滅火的時間大約也是3秒鐘。我們通過探測電池箱里面的電池溫度達到了-146℃。并且還探測了兩種指標(biāo)：首先是氧氣的濃度低于14%的時間達到了40分鐘以上，這是因為氧氣的濃度越低，它幾乎就不會被點燃、點爆，這是它的燃燒機理，而氮氣的濃度高于90%的時間是達到了23分鐘以上。
因為的電池越來越大，可能第三代的儲能電池能達到625Ah，而目前市場上是280Ah、314Ah，包括有個別廠家的320Ah的。對放在20尺集裝箱內(nèi)部的320Ah大容量電池組成的液冷機箱，我們開展了一個實體的火災(zāi)實驗，實驗表明，它的滅火時間非常短，僅僅是3秒，而且箱內(nèi)最高的溫度是-15.6℃，最低的溫度達到-184℃。氧氣濃度低于14%的時間、氮氣濃度高于90%的時間也都是均大于100分鐘，可以保證它完全不復(fù)燃，不會被點爆。除了對正常的電池研究之外，我們還對梯次利用的電池也開展了大量研究。
02
氮氣惰化抑爆特性研究
前面講到液氮在滅火和冷卻降溫方面的作用，下面講一下液氮在惰化抑爆方面的特性。電池PACK爆炸現(xiàn)象及危害實驗中，僅僅是觸發(fā)了一塊280Ah的磷酸鐵鋰電池，就會發(fā)生強烈的爆炸把完好的集裝箱就給炸開。
在一個關(guān)于模擬儲能倉內(nèi)爆炸現(xiàn)象及危害的實驗中，這四個視頻幾乎都是同一個工況，均在27m3、模擬20尺集裝箱、專門做爆炸的實驗平臺里面，我們觸發(fā)了3塊280Ah電池，僅僅是3塊，我們給它一個點火源發(fā)生的爆炸。同時我們做了一個對比實驗（抑爆濃度和抑爆時間），也是觸發(fā)3塊280Ah的電池，讓它產(chǎn)生易燃易爆的氣體，我們同時給它充液氮，不斷地點火，結(jié)果沒有發(fā)生被點爆的情況。這說明氮氣已經(jīng)把可燃可爆氣體的濃度大大降低，消除了爆炸的風(fēng)險。
基于一個國家重點專項，以應(yīng)急管理部天津消防研究所為主，聯(lián)合科大、南方電網(wǎng)等多個單位，研發(fā)了單元式液氮滅火抑爆裝置。目前，該裝置已經(jīng)發(fā)展到了第四代機，并研發(fā)了一些關(guān)鍵的構(gòu)件，比如高效低耗制冷的組件、承壓液氮儲存裝置、系列液氮專用的噴嘴、控制的聯(lián)動系統(tǒng)等。除了這些系統(tǒng)的研發(fā)之外，我們還做了很多關(guān)于液氮管道輸送的實驗研究，建立了水力計算模型公式，解決了工程應(yīng)用的一些難題。
03
液氮滅火冷傷害研究
液氮是超低溫的環(huán)境，所以我們對液氮滅火冷傷害做了多次研究。這一組典型的實驗，應(yīng)用了計算機、UPS電源，含管理系統(tǒng)的儲能電源、電池單體等等，我們持續(xù)噴射了6分鐘的液氮，它的溫度最低達到了-63.5℃。實驗發(fā)現(xiàn)，這個臺式的計算機在-52℃的時候停止工作了，以后也沒有恢復(fù)工作。但是除了計算機之外，其他的電池或者電器元件都是正常工作，也是在模擬真實運行的環(huán)境。
下面這一組視頻是做的電池Pack里邊，我們給它充液氮去研究冷傷害對電池和里邊的電池管理系統(tǒng)的影響，箱內(nèi)溫度可以達到-188℃。研究發(fā)現(xiàn)，電池在被冷傷害了之后還能正常使用，電池管理系統(tǒng)的性能也沒有發(fā)生任何改變。
同時，我們也對液氮的經(jīng)濟性做了比較深入的比較和研究，包括四個方面：設(shè)備滅火劑的價格、工程材料、施工的價值以及運營的成本，對比對象是我們目前常用的傳統(tǒng)滅火系統(tǒng)，比如七氟丙烷、全氟己酮等。
設(shè)備和工程材料施工基本上是相同的，但是比較滅火劑的價格，液氮的價格就遠遠低于全氟己酮和七氟丙烷。運營的成本方面，因為液氮是超低溫的，它需要耗電的制冷的設(shè)備，但得益于現(xiàn)在制冷的技術(shù)已經(jīng)得到一個非常好的發(fā)展，在醫(yī)療行業(yè)也得到了常規(guī)的應(yīng)用，所以它每天耗電大約是5度電，而且液氮會有一個汽化的過程，但是它每一年液氮質(zhì)量損耗僅僅達到1%，是在我們工程可接受范圍之內(nèi)。
對液氮系統(tǒng)的正常運用，我們做了大量真實運行的測驗，有的是90天，有的是30天。30天的實驗結(jié)果表明，它的平均日消耗電度是4度電，因為制冷的機箱不是24小時都在運動的，它是間歇的，大約工作的時間是4.6小時，30天平均液氮質(zhì)量損失率是0.008%。液氮滅火系統(tǒng)在我們所的大力推崇之下也已經(jīng)進行了非常好的轉(zhuǎn)化，而且是多個項目進行了應(yīng)用，在廣東、惠州、南寧的儲能電站已經(jīng)工程應(yīng)用了。
近兩年，液氮滅火技術(shù)在各個大型的比賽上面也得到了非常好的評價，首先是工信部主辦的第二屆先進儲能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽得了一等獎，第八屆國際儲能創(chuàng)新大賽得了優(yōu)秀獎，第一屆新能源電子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新大賽得的是銀獎。
叁
全浸沒抑制技術(shù)
下面介紹一個市場上非?；鸬那把丶夹g(shù)，叫全浸沒抑制技術(shù)。全浸沒抑制技術(shù)的意思是我們把電池浸泡在一個絕緣的液體里面，不僅在冷卻和它發(fā)生熱失控的消防的抑制上面，有一個非常好的處置。
* 電池?zé)崾Э亟]液應(yīng)急處置技術(shù)
我們開發(fā)了一個平臺，這個平臺可以在熱失控發(fā)生后，我們緊急將這些液體注入到Pack箱里面，去看看它抑制的效果。首先開展的研究是模擬電池已經(jīng)發(fā)生熱失控了，我們40秒緊急注入，把它給注滿浸沒，大約在160秒的時候就已經(jīng)能夠遏制電池的產(chǎn)煙。它在浸沒40秒浸滿的時候，電池的溫度能夠瞬間下降200℃，最大的降溫速率也能達到將近80℃/秒，整個過程中電池的表面溫度小于300度。
剛才是電池已經(jīng)發(fā)生熱失控的情況，如果監(jiān)測到電池開閥就開始40秒注入，把浸沒液注滿浸泡電池，它又是一個什么情況？通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在這種緊急處置的情況下，后來電池是沒有發(fā)生熱失控，電壓維持比較正常的3.3V，而且它的降溫速率能達到將近18℃，電池表面的溫度持續(xù)保持在120℃以下。
* 全浸沒電池模組熱安全測試
我們也做了一些產(chǎn)品的性能測試研究。這個產(chǎn)品是某大型生產(chǎn)廠商委托我們做的測試，目標(biāo)就是想知道全浸沒液把這些電池浸沒的情況下，它的熱失控擴展抑制的能力。第一組是一個模組，串聯(lián)起15塊280Ah的電池，觸發(fā)最中間的那塊電池，并且根據(jù)36276最新的要求，我們是保持電池電器的連接。大約在1000秒的時候，觸發(fā)電池開閥了，在將近1200秒的時候，出現(xiàn)了少量的青煙，這和我們原來沒有浸泡的電池是有很大的區(qū)別。一般情況下，這個電池在未觸發(fā)熱失控之后，開閥之后就有大量的白煙。在1246秒的時候，出現(xiàn)了一些濃稠的煙霧，在3000秒它的煙氣完全結(jié)束。
分析結(jié)果還是非常好的，我們觸發(fā)的這塊電池全程溫度最高僅僅是105℃，而且它周圍的電池緊緊相連，沒有做任何蔓延阻隔的，溫度是68℃，浸沒液的溫度也是慢慢上升到了52℃，中間沒有發(fā)生任何起火爆炸的跡象和現(xiàn)象，24小時后去檢查，除了被觸發(fā)的那塊電池已經(jīng)開閥，其他的電池都是完好無損的。
* 全浸沒電池簇?zé)岚踩珳y試
這一次實驗也是用了相同的電池，只不過它的產(chǎn)品更加超過我們的想象，他把7個模組的1500V的電池串聯(lián)起來的，給它浸沒到浸沒油里面。為了加大對它考核的能力，我們同時觸發(fā)了3塊電池。實驗中，大約在1400秒的時候出現(xiàn)輕微冒泡，1537秒開始冒煙、開始積聚多上部的氣箱空間里邊，在1562秒慢慢蔓延到了儲能柜外部，1784秒的時候產(chǎn)煙完全結(jié)束。通過我們外部的觀測和數(shù)據(jù)的測量，這個產(chǎn)煙是非常少的。
這個結(jié)果比較良好，因為同時觸發(fā)了3塊電池，觸發(fā)電池最高的溫度達到190℃，遠遠低于我們沒有用抑制這種技術(shù)的溫度。周圍其他的電池達到72℃，浸沒液的最高溫度達到53℃。從外面來觀看這個儲能柜，它外部的溫度僅僅提高了7℃，也是沒有發(fā)生電池?zé)崾Э氐臄U展。
* 高壓拉弧浸沒液產(chǎn)氣特性研究
由于電池在高壓的環(huán)境里邊，它有可能因為極端的情況高壓拉弧，產(chǎn)生對浸沒液的一些分解產(chǎn)生氣體，我們專門做了一個高壓拉弧浸沒液產(chǎn)氣的平臺。這個平臺我們在這上面已經(jīng)開展了三類變壓器絕緣油的一些不同電壓下、不同溫度下產(chǎn)氣的特性。這個變壓器浸沒油被分解產(chǎn)生出來的氣體大約是氫氣、乙烯、甲烷、二氧化碳和乙烷。通過圖表可以看出來，氫氣的濃度大約占到了85%到90%之間。通過分析這些數(shù)據(jù)，氫氣所占的濃度隨著浸沒液油的溫度上升而下降，隨著電壓的上升，先下降后上升。
肆
資源與平臺
我們建立了一個國內(nèi)領(lǐng)先、國際知名的新能源火災(zāi)研究中心，它包括氫氣、動力電池、儲能、光伏、風(fēng)力發(fā)電等等，我們還聯(lián)合中國電力成功申報了電化學(xué)、能源、應(yīng)急管理部的重點實驗室。
我們從事鋰電池火災(zāi)的團隊一共有4個，分別是鋰電池火災(zāi)抑制團隊、鋰電池火災(zāi)分級和評價的團隊，還有專門的火災(zāi)調(diào)查團隊，滅火裝置、滅火系統(tǒng)有效性評價的研究團隊。
建立了非常完善的各種級別的平臺，針對電池?zé)崾Э靥匦裕姵責(zé)崾Э貧怏w的組分、氣體燃爆的特性，因為我們這個團組原來就是做氣體爆炸的以及大型量熱的儀器，針對這個模組簇的火災(zāi)熱失控速率演變的過程，都可以進行研究。除了這些，還對模組簇層級建立了儲能滅火系統(tǒng)研究的實驗平臺。
我的匯報到此結(jié)束，謝謝！
