2023预制舱式储能电站智慧消防系统设计与应用

预制舱式储能电站多级消防系统设计与应用目录CONTENTS01储能消防项目02储能消防研究03多级消防设计04创为科技01储能消防项目02储能消防研究03多级消防设计04创为科技2目录CONTENTS储能消防项目储能消防研究多级消防设计3储能消防现状储能消防现状储能事故频发146起发生在充放电过程中，3件是在安装和施工途中发生火灾。2917年9月24日上午11点29分左右，韩国江原平昌郡美炭面平安里（音译）风力发电站的储能系统发生未知原因的火灾，时隔2小时30分钟后熄灭。2021年5月17日，北京集美家居大红门储能电站发生爆炸，该起事故很可能因储能电池安全质量、电池管理系统和气象环境等因素导致。据不完全统计，全世界范围内锂电池储能火灾安全事故在过去的一年内发生超过30起，造成了重大的财产损失。因此，在锂离子电池成本降低到商业化的拐点后，储能系统的消防安全问题就成为制约锂离子电池电力储能大规模推广的关键瓶颈。44电动汽车自燃事故电动汽车自燃事故应急管理部公布了2022年一季度新能源汽车火灾数据：共计640起，比去年同期上升32%，平均每日超7截止今年一季度，我国的新能源汽车保有量为891.5万辆，如此换算下来，新能源汽车的自燃率约等于万分之0.72（燃油车的平均自燃概率万分之1-2之间）。数据来源：网易首页网易号PAGEPAGE6储能消防项目-储能消防现状防设施来确定。商业模式：储能电站建设发包方和承包方存在多层关系。管理因素：储能电站运营中，不能全面发挥防护作用，影响使用效果。各样，消防设施针对性不强，造成无效配置，不能达到绝对安全的防护效果。验收规范：无统一标准。储能消防现状储能消防现状PAGEPAGE7储能法规现状—国内标准国家GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》国家上半年刚发布了新的征求意见稿 标准T/CEC373-2020预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范 团标T/CECS10171-2022《预制式全氟己酮灭火装置》《锂离子电池储能系统防火技术规程》《锂离子储能电站火灾预警防控系统要求》-

AB 地方标准CD 部门要求

DB11T1893-2021《北京市储能电站建设及运行规范》江苏省电网《关于印发预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术措施（试行）》多省编制储能电站消防验收标准DB37/T3642—2019《全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范》-山东省地标国家能源局《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（意见稿）》措施传统的消防方案已很难满足储能安全的需求主要存在以下几点问题：探测部分。空间消防探测预警，一般配置点型感温和点型感烟探测器，只有在烟气和温度已经蔓延到舱室后才能起到报警作用。火灾抑制部分。区域做淹没式的灭火药剂喷放，灭火药剂无法作用于发生热失控的电池箱内部，不能起到定向扑灭火灾的作用。联动部分。传统消防作为独立运行的系统，无法与电池管理系统等设备形成有效联动。目前国内储能应用的电池多为磷酸铁锂电芯，安全性相对来说比较高。多数储能（舱）没灭火装置的传统消防方案。烟气和温度已经蔓延到舱室后才能起作用。与电池管理系统等运行参数无法有效联动。储能消防项目-APS事故报告分析储能消防项目-APS事故报告分析PAGEPAGE92019年4月19日，位于亚利桑那州Surprise市，APS公司下属McMicken变电站的2MW/2.47MWh锂电储能系统发生着火爆炸事故，并造成多名消防人员受伤，引起了多方关注。2020年7月18日，亚利桑那公共服务部门发布了一份名为《麦克米肯电池储能系统事件的技术分析及建议》的报告（《McMickenBatteryEnergyStorageSystemEventTechnicalAnalysisandRecommendations》），对2019年4月19日发生的麦克米肯电池储能系统热失控爆炸事件进行了分析，得出的主要结论如下：1、一次广泛的级联热失控事件，由一个电池单元内的内部电池故障引发（cellpair7,module2,rack15）。2、电池储能系统中安装的清洁剂灭火系统（Novec1230）在事故发生时早期按照设计运行。但是，清洁剂灭火系统的设计是为了扑灭普通可燃物中的初期火灾。此类系统无法防止或阻止电池储能系统中的级联热失控。储能消防项目-APS事故报告储能消防项目-APS事故报告113、电池单元之间缺乏足够的隔热层保护，促进了热失控通过热传递在rack15中传播，隔热层保护可能会阻止或减慢热失控的传播。4、在Rack15在热失控开始后大约三个小时，消防员打开了电池储能系统的大门，导致爆炸。储能电站的火灾事故主要有两大类：一类是电气类火灾；一类是电池热失控引发的火灾。电气类引发的火灾（短路、过载、老化等）；热失控引发的火灾，靶向防护十分重要（分不同防护区针对热失控早期预警+灭火介质定点喷放）；1、锂离子电池热失控是一个过程，有一个比较长的时间段，在这个过程前期会释放大量的CO、H2、烷烃类气体，通过气体探测器探测，可以及早的发现故障电池，进行处理和更换；2、如果热失控已经发生，不对电池降温，热失控将不会停止，因此需要配套到电池组或电池箱定向灭火系统，热失控发生时,其作用，一方面扑灭火灾，另一方面持续不断的对电池进行降温，以达到中止热失控的目的。储能消防项目-4.16事故报告储能消防项目-4.16事故报告内，排除人员活动产生火源、电池热失控点火的因素，认定点火源为储能室内产生的电气火花内，排除人员活动产生火源、电池热失控点火的因素，认定点火源为储能室内产生的电气火花。PAGE114.专家论证分析情况

检测鉴定情况经应急管理部消防救援局天津火灾物证鉴定中心鉴定，南楼起火部位9层电池模组的负极接线柱向内数第五排最内侧路故障；该电池为方形电池，电极材料符合磷酸铁锂电池特征。实验分析与仿真模拟情况经清华大学车辆与运载学院电池安全实验室对南楼最先发生故障的方形电池进行实验分析，该电池失控会产生喷射物，主要为碳酸甲乙酯蒸汽和氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等。经中国建筑科学研究院建筑防火研究所进行烟雾仿真模拟：南楼起火后，现场产生的烟雾混合物（含未充分燃烧的磷酸铁锂电池热失控喷射产物）可通过室外地下电缆沟进入北楼室内电缆管沟。北楼爆炸前易燃易爆气体浓度约为31％，总量不少于280立方米。经北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室对爆炸过程进行仿真模拟：当北楼内易燃易爆组分（氢气、甲烷、一氧化碳、碳酸甲乙酯等）20026TNT。结合调查询问、现场勘验和物证鉴定等分析，南楼电池热失控起火系西电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障结合现场视频、现场勘验和物证鉴定等分析，北楼爆炸符合体积爆炸特征，认定爆炸性质为气体爆炸；北楼发生爆炸的物质为南楼磷酸铁锂电池热失控喷射产物中的易燃易爆成分与空气混合形成的爆炸性气体；起爆点位于北楼储能室储能电站安全思考储能电站安全思考PAGEPAGE12适用于电化学储能系统的消防系统主动防火设计主要有两方面考虑：一是通过电池管理系统实现电池日常运维的参数测量，实现异常电气参数识别；-热失控征兆控。其中适用于锂离子储能电站的消防系统应根据锂电池的火灾特性进行开发设计，另外与电池管理系统进行有效的联动控制。1、多级预警多级预警是指根据电池热失控、电解液泄漏、电气火灾初期、电池热蔓延等不同严重程度进行分级控制，方便运维操作。储能电站的消防系统需要实行分级预警机制，采用多级消防处理控制，降低储能系统大范围的起火风险，可有效保障储能系统的安全。2、安全联动一是如何快速有效的检测出电池的热事故隐患和热失控状态，采取不同的预警信息（声光信息）二是出现热失控的状态下如何快速启动消防设施，实现有效灭火；三是储能集装箱内部信号，报警、故障、动作信号联动，动作信号是在系统存在火灾确认信号或灭火装置处于异常状态时（延时、启动或放气），联动消防动作继电器，断路器动作，停止充放电，同EMS等管控系统联动。1、解决现有和运营系统中热失控级联，通风和抑制的联动控制；2、采用通风，灭火或冷却系统，以管理将来储能设施的热失控;3、采用可减慢，或停止热失控期间电池单元和模块间的级联或传播的电池及电池储能系统设计；PAGEPAGE13目录CONTENTS01 储能消防项目02储能消防研究03 多级消防设计01 储能消防项目02储能消防研究03 多级消防设计锂电池热失控机理研究锂电池热失控机理研究PAGEPAGE14锂离子电池的结构组成锂离子电池的结构组成锂离子电池的基本结构主要由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、电极引线以及壳体等组成。锂离子电池结构示意图锂离子电池结构示意图正极一般由LiFeO4、LiCoO2、LiMnO4、LiNixCoyMn1-x-yO2、LiNixCoyAl1-x-yO2等含锂的过渡金属化合物组成；负极一般由石墨、石墨烯等碳系负极、钛酸锂等钛系负极或者硅、锡等合金系负极组成；电解液为含有锂盐的有机溶液，是实现锂离子（Li+）流动的载体，一般采用含LiPF6的混合溶剂体系；隔膜通常由聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）膜构成，起到分隔正负极的作用，并在阻隔自由电子通过的同时提供Li+来回穿梭的通道；集流体有正负两种分别对应正负极，正极集流体通常为铝，负极集流体通常为铜或镍等。挤压、碰撞、针刺等

过充、过放、 高温过内短路等

空气电池产氧高温短路 产热机械触发 电触发 热触发

电解液蒸汽其他可燃气体机械变形 枝晶生长 高温隔膜破裂 枝晶刺隔膜

隔膜崩溃

热失控诱因的共性环节-内短路内短路内短路热失控诱因热失控诱因锂离子电池热安全性问题也与其自身的特点有关:锂离子电池相较于其它类型电池，能量密度高，更易于发生热失控现象。锂离子电池的电解液生，极易导致电池着火等危险事故。锂离子电池在制造过程中，不可避免地会有少许粉尘等杂质，杂质易破坏隔膜，造成内短路，引发安全事故。对于三元电池来：组成锂离子电池的正极材料一般为过渡金属氧化物，一旦正极发生分解，便会伴随着氧气的释放氧气的作用下，电解液极易发生反应，增大了电池发生热失控的风险。常见有机溶剂及其物理性质溶剂分子量熔点/℃沸点/℃闪点/℃黏度/cP（25℃）介电常数（25℃）密度/gmL-1(25℃)碳酸乙烯酯（EC)8836.42481601.9（40℃）871.321碳酸丙烯酯（PC）102-48.82421322.53121.200碳酸二甲酯（DMC）904.691180.59（20℃）221.063碳酸二乙酯（DEC）118-74.3126310.7515.10.969碳酸甲乙酯（EMC）104-53110250.65321.006热失控三角模型热失控三角模型锂离子电池热失控甚至火灾发生必须满足点火源、燃料和氧化剂三要素，锂离子电池火灾只有在电池系统外部环境存在与内部反应产生的氧化剂、大量的燃料以及足够高的温度作点火源这三者同时具备的情况下发生。。Li+电池体系的高温来源也有２种：一种外界热源；另一种是电池内部反应产热。氧化剂、燃料和点火源是相互耦合、互相促进的，一旦在某一滥用条件下产生作用，就有可能促使电池内部反应发生多米诺效应，引发电池火灾甚至爆炸。热失控氧化剂热失控点火源(温度) 燃料滥用条件储能消防研究-现状储能消防研究-现状18图18图4典型40尺预置舱储能电站火灾探测报警系统目前储能电站中单预置舱系统火灾探测及消防报警设计参照GB50116《火灾自动报警系统设计规范》，配置使用典型感温和典型感烟探测器，消防预警系统采用独立的通讯方式，在本地集中控制，图4是一个典型40尺预置舱储能电站火灾探测报警系统设计。这种方式参考建筑类应用的火灾自动报警系统的设计方案，在储能电站安全消消防预警系统的适用方面，存在重要的两点不足：独立的系统通讯机制，缺少与BMS或EMS智慧联动的安全管理策略。储能消防研究-现状储能消防研究-现状PAGEPAGE19灭火方式预警方式探测方式……灭火方式预警方式探测方式……淹没式灭火器一般配置点型感温和点型感烟探测1）探测部分。空间消防探测预警，一般配置点型感温和点型感烟探测器，只有在烟气和温度已经蔓延到舱室后才能起到报警作用。2）火灾抑制部分。灭火药剂喷放，灭火药剂无法作用于发生热失控的电池箱内部，不能起到定向扑灭火灾的作用。3）联动部分。行的系统，无法与电池管理系统等设备形成有效联动。储能消防研究-热失控检测技术研究储能消防研究-热失控检测技术研究PAGEPAGE20锂离子电池的火灾特性有别于建筑物中传统火灾事故，主要表现为：锂离子电池火灾的发生是由单体电池热失控开始锂离子电池热失控识别可以通过基于气相分析的方式进行早期预警；锂离子电池因其自身和外部条件导致热失控并最终燃烧的整个过程，都伴随着产生烟雾、高热至火焰的产生。热失控产生的背景参考图1所示。近几年多个高校和研究机构通过研究电池热失控机理、提取电池热失控早期气体参数，并建立电池系统的热失控预警机制。该参数能够明确表征热失控隐患，如图2所示，气体探测可以进行早期预警，重点为如何选取气体探测器，并进行可行性和适用性研究。目前清华大学、沈阳消防研究所、天津消防研究所、烟台创为新能源科技股份有限公司、中国科技大学等机构对热失控初期和电池电解液泄漏事故进行了产气分析，确定了一氧化碳/氢气作为可进行热失控早预警的重要条件。可燃气体+VOC、烟气类+温度模拟实验视频模拟实验视频PAGEPAGE21模拟实验视频模拟实验视频PAGEPAGE22储能消防研究-热失控检测技术研究储能消防研究-热失控检测技术研究PAGEPAGE24锂电池热失控气体分析：苏玛罐采集的气体样品采用气相色谱仪和气相色谱质谱联用仪行成分定性和定量分析。热失控探测技术—CO和复合气体特征量探测热失控探测技术—CO和复合气体特征量探测PAGEPAGE25关于气体探测的一些不足国内外常见的探测器类型有半导体式、催化燃烧式、电化学式、NDIR非分散红外式。其优缺点如表1所述类型 优点 缺点半导体式 成本较低，响应快速，可探测的气种类多，寿命长。

对于单一气体的选择性差，难以用于单一气体检测的环境中。催化燃烧式 响应快速，寿命较长，量程大。 只能检测可燃气体，低氧浓度下传感器输出值误差大。电化学式 功耗低，线性度好，分辨率高，气选择性相对较好。NDIR式 温度范围宽，稳定性强，适合高浓测量。

温度敏感，寿命较短，成本较高。结构、软件、硬件较复杂，成本较高。测量低浓度气体较难。如上表所述，每种类型的气体传感器都有其特定的应用场景，在锂离子动力电池箱内，考虑多种气所以需要多种气体传感器组合使用才能达到其目的.多数情况下需要与烟雾、温度传感器配合使用。热失控探测技术—传感器热失控探测技术—传感器PAGEPAGE26半导体式气体传感器可依据气敏元件金属氧化物半导体材料的不同，而检测不同的气体种类和浓度范围。整体来说气体传感器由一个加热器和一个传感器表面敏感材料组成、其中敏感材料作为半导体式气体传感器的核心组件，其工作原理是在高温状态下，被测气体接触到敏感材料时，致使其电导率发生变化（电阻），产生可供检测的信号。催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。测量可燃气体爆炸下限的报警器的原理基本上都是催化燃烧式。气体通过多孔膜背面扩散入传感器的工作电极，在此气体被氧化或还原，这种电化学反应引起流经外部线路的电流。除测量外，还要放大和进行其它信号加工；外线路维持经过传感器的电压和一个二电极反向参考传感器的电压。在反向电极产生一相反的反应。这样，如工作电极是氧化，则相反电极就是还原。红外气体传感器是一种基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。NDIR(Non-dispersiveinfraredsensor)红外气体传感器用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）的气体传感装置。其主要由红外光源、光路、红外探测器、电路和软件算法组成的光学传感器，主要用于测化合物，常见的有：CH4、、SO2等。热失控探测技术—传感器热失控探测技术—传感器TDLAS可调谐半导体激光器成本昂贵免维护、长寿命PAGETDLAS可调谐半导体激光器成本昂贵免维护、长寿命PAGE30类型优点缺点备注半导体式成本较低，响应快速，可探测的气体种类多，寿命长。对于单一气体的选择性差，难以用于单一气体检测的环境中。1、多用于VOC类传感器。2、寿命5年以上催化燃烧式响应快速，寿命较长，量程大只能检测可燃气体，低氧浓度下传感。器输出值误差大。1、多用于H2\甲烷类传感器。2、寿命3年。电化学式功耗低，线性度好，分辨率高气体选择性相对较好。，温度敏感，寿命较短，成本较高。1、多用于H2\CO类传感器。2、CO寿命8-10年。3、H2寿命2-3年。NDIR式温度范围宽，稳定性强，适合高浓度测量。测量低浓度气体较难。1、多用CH4\CO2\SO2类传感器。热失控探测技术—烟雾探测热失控探测技术—烟雾探测PAGEPAGE31电池热失控反应过程中热分解生成的含有大量热量的气态、液态和固态物质与空气的混和物。它是由极小的炭黑粒子完全燃烧或者不完全燃烧的灰分及可燃物的其他燃烧分解产物所组成，其烟雾颗粒大小一般在100nm以上。试验方法：分别利用多种电池进行试验，通过加热/过充方式触发热失控，使用箱体尺寸为1060*640*250mm，加热片功率为300W，采集一氧化碳和烟雾的数据变化进行对比，判断烟雾是否可以用来检测热失控，试验模型如图3所示。电池类型试验种类单体电池规格触发条件磷酸铁锂/镍钴锰三元单体/模组/电池包85AH-271AH加热/过充磷酸铁锂单体/模组/电池包120AH加热/过充磷酸铁锂单体105AH/280AH加热/过充磷酸铁锂单体51AH过充磷酸铁锂单体80AH/120AH过充磷酸铁锂单体20AH加热/过充锰酸锂单体（软包）25AH加热/过充镍钴锰三元单体38AH加热/过充镍钴锰三元单体(软包）55AH加热总 结(电池模组/簇）①电池热失控伴随电解液的蒸汽烟雾出现，同时产生CO的上升。②一氧化碳急剧升高作为三复合探测器是可以直接报预警，但是我们目前烟雾探测也能够探测到单节电池热失控鼓包喷发电解液的液态、气态和固态的混合气体以及后续起火后的烟雾特征。③一氧化碳、烟雾、温度和VOC类复合探测作为预警信号会更可靠，后续的温度探测作为灭火喷射的启动信号，这样多复合的逻辑比原有的更科学。多级防护多级防护PAGEPAGE33锂电池热失控火灾的“4+3”在复燃阶段就进行彻底灭火，是当前行业急需解决的难题行业内各阶段的解决方案T3起火爆炸T2剧烈化学反应T1内部热失控

分类 F1 F2 F3/F4客车 √ √ X乘用车 √ √ X储能 √ √ XF1热失控预警 F2火灾抑

F3复燃爆炸

F4彻底灭火F4环境安全环境安全热失控预警电池箱火灾抑制电池箱火灾灭火电池安全的工作环境-使电池箱持续保持低氧环境，提前预防热失控的发生。

早期热失控探测-根据电池热失控前表征参数体系体系，进行早期的热失控探测。

迅速火灾抑制-PACK箱体的热扩展防护扑灭初期电池火灾，延迟热失控传播时间

外部消防接口-彻底抑制火灾火情，解决复燃后的外部消防接入困难，也从做到了彻底灭火 PAGEPAGE35目录CONTENTS01 储能消防项目02 储能消防研究03多级消防设计01 储能消防项目02 储能消防研究03多级消防设计全氟己酮灭火器消防站控后台电池舱空间用消防报警控制装置36全氟己酮灭火器消防站控后台电池舱空间用消防报警控制装置36储能主营产品储能电站智能安全消防系统储能电站智能安全消防系统CW1310系列 电池模组/簇用多级防护多级防护37374、外部消防3、电池室空间防护2、电池簇防护4、外部消防3、电池室空间防护2、电池簇防护1、电池箱内部防护多级防护（防护区）1、电池箱内部防护；单体电池热失控发生时析出的气体探测预警+灭火药剂抑制是防止热蔓延的关键点式摆放，实现对电池簇柜体内部的安全防护对与电池簇柜体（封型设计结构），电池柜子内部电池模组货架式摆放，实现对电池簇柜体内部的安全防护筑内部的电池室实施安全防护，主要解决因为电池包或电池簇内部火灾形成没有得到有效灭火，火焰在电池室内部形成扩大化灾情，或因为外部电气火灾导致的电池室空间火灾，在这种情况下需要通过气体灭火装置进行空间淹没消防，为火灾救援争取时间。续扩大化的情况，实施以大剂量雨淋式水消防4、外部消防；火灾蔓延已经形成或可能存在继续扩大化的情况，实施以大剂量雨淋式水消防方案，有效防止事故的进一步扩大化，同时为需要的消防救援争取时间。多级防护多级防护030:4136:216m/电池簇27:1038030:4136:216m/电池簇27:1038储能消防考虑1、模组内部防护设计说明：单体电池热失控发生时析出的气体探测预警+灭火药剂抑制是防止热蔓延的关键点防护措施：1）预警信息，运维检修。2）预警信息与BMS联动策略，内部断电。3）内部配置的灭火装置或通过管道输送到电池包内部的灭火装置防护。

1、模组内部防护多级防护多级防护储能消防考虑

1、模组内防护探测器数量、成本问题。考虑电池模组的箱体IP等级，如IP67以上电箱采用模组内部探测和靶向喷淋的方式。采用风冷循环式的电池模组，可以考虑以簇为单位安装探测器，管路输送灭火药剂到模组。39多级防护多级防护储能消防考虑电池簇：每个电池簇中放置一个探测控制器，簇体上方设有灭火药剂及消防水接口；簇体下方设有排水口；并在其中一个簇中设置一个灭火药剂罐体。管路：运输灭火药剂及消防水，布置方式如图所示。生热失控时候打开对应簇的电磁阀。现控制灭火装置启动，及转发数据。40多级防护多级防护储能消防考虑41多级防护多级防护PAGEPAGE42储能消防考虑电池簇电池簇采用半封闭结构，灭火装置安装在电池簇的顶部，电池箱之间设置疏水盖板，底部设置排水