高压级联储能系统舱体消防方案.docx
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高压级联储能系统舱体消防方案
高压级联储能舱体消防方案
1.参考标准和规范
主要引用标准如下：
GB50016-2014建筑设计防火规范
GB50116-2013火灾自动报警系统设计规范
GB50370-2005气体灭火系统设计规范
GB50140-2005建筑灭火器配置设计规范
GB2894安全标志及其使用导则
GB50235-2010工业金属管道工程施工规范
DB37/T3642-2019全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范
GB50016-2018建筑设计防火规范
GB50222-95-2001建筑内部装修设计防火规范
GB50354-2005建筑内部装修防火施工及验收规范
GB50877-2014防火卷帘、防火门、防火窗施工及验收规范
GB4717-84火灾报警控制通用技术条件
GB50166-2007火灾自动报警系统施工验收规范
GB4715-2005点型感烟火灾探测器
GB50263-2007气体灭火系统施工及验收规范
GB50058-92爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
DB51/T2049-2015建筑消防设施检测规范
GB17945-2010消防应急照明和疏散指示系统
GB50140-2005建筑灭火器配置设计规范
GB50444-2008建筑灭火器配置验收及检查规范
IEC60255-21-1:
1998《继电器.第21部分:
继电器和保护设备上振动、冲击、碰撞和地震的测试.第1节:
振动试验（正弦波）》
GB/T14537-1993《量度继电器和保护装置的冲击与碰撞试验》
GB/T2423.1-2008《电工电子产品环境试验第1部分》
GB/T2423.2-2008《电工电子产品环境试验第2部分》
GB/T2423.3-2006《电工电子产品基本环境试验规程》
GB/T17626.3-2016《电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验》
GB/T17626.2-2006《静电放电抗扰度试验标准》
GB/T17626.4-2008《电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》
GB/T17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》
GB/T17626.8-2006《电磁兼容试验和测量技术工频磁场抗扰度试验》
GB17429-2011《火灾显示盘》
GB25972-2010《气体灭火系统及部件》GA400-2002《气体灭火系统及零部件性能要求和试验方法》中华人民共和国公共安全行业标准；
NFPA-2001《清洁气体灭火系统》；
DB37/T-2018《全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范》
2.消防系统技术要求
集装箱消防策略采用分块布局+集中控制的消防控制方式，方案安装均需要提供相应的三维模型图以及消防系统安装和布局的二维图纸。
2.1消防方案原理
项目通过CAN通讯方式采集监测模块信息，再转成光纤信号传至灭火主机前端，前端再转回CAN通讯连接至站级消防控制主机。
预制舱储能消防系统需有完整的安全解决方案，包含预警系统、灭火系统、通讯传输系统功能，各系统间具备通讯功能和联动控制功能。
图1消防系统联动流程图
火灾预警等级划分及相应动作：
当发生火灾时，系统会对火灾信息进行处理，并对火情进行分级报警，给予不同程度的应对策略，具体分级报警策略如下：
一级报警：
VOC浓度超标。
一级不发出声光报警。
二级报警：
VOC、CO浓度超标。
发出声光报警器报警。
三级报警：
VOC、CO、温度超标。
发出声光报警器报警，可视化管理平台发声频率较二级报警更为急促，并按照策略喷射灭火剂。
本系统的消防各部分功能如下：
监测模块：
监测到报警信息（温度、CO、烟雾、VOC）并进行危险等级判定并输出can信号至中继模块；
中继模块：
接到报警信息，上传can信息给消防主机和显控主机，并根据报警等级，当达到3级报警信息时联动控制分区球阀动作；
CAN-光纤转换模块：
接在中继模块和消防主机之间，每个中继模块通过转换模块将光纤信号上传，再由转换模块把光纤信号转成CAN信号进灭火主机；
消防主机：
接到报警信息，根据报警等级做出相应判断并做出联动控制，当报警等级达到3级时，启动泵组开始喷洒药剂；
显控主机：
实时显示报警信息（温度、CO、烟雾、VOC）、主机电量、药剂量、显控电量，并可实现手动控制主机动作。
2.2项目整体方案
采用全氟己酮灭火装置对热失控电池簇进行针对性整簇PACK喷洒，每台集装箱内应布置一套全氟己酮灭火装置，其中监测方面应以电池簇为防护单位布置复合探测模块，每个电池舱18个电池簇，每个簇对应2-6个复合探测模块，在每个电池簇顶部安装2个雾化喷头，共计36个雾化喷头。
手动启动下每簇顶部喷头实施单簇全浸没处理。
系统具有自动控制、本地手动等功能。
自动控制：
当VOC、CO、温度超标同时超标，系统达到三级报警，监测模块给出定位信号给中继模块，中继模块输出三级报警信号给消防主机和显控主机，同时启动故障电池簇球阀常开，30s后消防主机泵组自动启动，释放灭火剂，进行目标电池簇级灭火。
本地手动：
人工根据现场情况通过显控主机手动启动灭火系统，对储能方舱进行对应区域喷淋；
（1）当监测模块监测到环境VOC指标达到阈值时，灭火系统达到一级报警，此时显控主机发出报警界面提示；
（2）当锂离子电池内部热反应进一步加剧，释放VOC与CO浓度进一步升高，当二者浓度达到达到二级报警阈值时（CO阈值为190±50ppm），中继模块输出二级报警信号给消防主机和显控主机，并发出声光报警，此时可人工根据现场情况通过显控主机手动启动灭火系统，对储能方舱进行全浸没处置（顶部喷头喷射药剂，进行方舱级灭火）；
（3）当VOC、CO、温度超标同时超标，系统达到三级报警，监测模块给出定位信号给中继模块，中继模块输出三级报警信号给消防主机和显控主机，同时启动故障电池簇球阀常开，30s后消防主机泵组自动启动，释放灭火剂，进行目标电池簇级灭火。
具体方案如下：
A.每个电池预制舱内应以电池簇为单位设置复合型火灾预警探测器（包含CO、VOC气体、烟雾、温度传感器），每舱的复合型火灾预警探测器数量54个，复合型探测器利用多传感器数据冗合，通过相应阈值区间与特征值的变化趋势来判定热失控发生程度，同时探测器必须具备实时主动上传报警数据的功能。
图5锂离子电池热失控特征气体与温度曲线
B.系统具备预制舱内、外声光报警装置，当气体灭火装置动作时，应有“放气勿入”的警示。
C.在紧急逃生通道门口处安装紧急启停装置。
D.每个电池预制舱设置一个消防控制主机。
消防控制主机应支持CAN/干接点等通信方式，可上传站内探测器工作及预警状态；消防控制主机具有图形显示屏，可设置消防预警系统参数。
E.通过多参数实时监测，软件复合判断,及时发现电池工作中的异常状况，实现火灾预警。
根据监测到的数据，判断热失控阶段，实现分级报警。
F.火灾抑制功能：
火灾抑制装置启动后，能够持续抑制热失控扩散至少半小时；火灾抑制装置支持通过配套的数据处理模块进行控制，对火源进行编程式点动喷射。
药剂量计算思路：
设计遵循美国消防规范NFPA（NationalFireProtectionAssociation）以及DB37/T000—2018（全氟己酮灭火系统设计、施工及验收规范）。
按规范全氟己酮（5112）灭火浓度为8%
计算灭火剂用量所需要的参数：
1-灭火浓度；2-保护区体积；3-比容（由温度确定）、4-设计因子（消防管路残余量、设计余量）
具体计算方法如下：
图5药剂计算公式
3.产品配置
磷酸铁锂电池在热失控发生过程中，随着各内部材料高温分解会释放大量气体。
通过对复合气体监测可及时发现早期锂电池的热失控。
在锂电池泄压阀打开的一瞬间，大量的可燃性高温气体被监测模块捕捉到并发出告警，直到消防措施启动。
3.1主要设备及功能技术要求
主要设备：
监测模块、抑制主机、显控主机、顶喷头、电动球阀、中继模块CAN-光纤转换模块、防爆风机等。
3.1.1监测模块
序号
功能
内容
1
多参数
监测
通过集成温度、烟雾、CO、VOC多种传感器，实现对电池热失控多种状况的实时探测；
2
分级预警
通过多参数实时监测，软件复合判断,及时发现电池工作中的异常状况，实现火灾预警。
初级报警：
VOC、CO浓度超标。
发出声光报警器报警。
高级报警：
VOC、CO、温度超标。
发出声光报警器报警，可视化管理平台发声频率较初级报警更为急促，并按照策略喷射灭火剂。
3
故障报警
双路通讯模式,对监测模块传感器故障、数据采集异常、CAN通讯掉线故障、防护装置系统故障等及时发出故障报警信息，确保系统运行的可靠性；
4
程序和数据存储
数据模块将各监测模块发送的异常数据和报警信息，按照时间进行存储和记录。
存储空间128M-BIT，16M字节，自带存储芯片和时钟芯片，针对电池箱内异常数据，按照年、月、日进行记录，周期不大于1S，总时间大于30min，且异常数据永不擦除。
3.1.2全氟己酮灭火剂
本次项目拟采用FK5112全氟己酮灭火药剂，药剂本身应具备安全无污染特性、高绝缘性，且采用非储压式喷淋方案。
针对每个簇均设有独立的雾化喷头，接到启动信号后通过泵组增加方式提供持续稳定的压力，通过雾化喷头，使整个电池簇充满雾化全氟己酮。
由于药剂本身的吸热作用，能为整簇实施降温，高温下全氟己酮分解，实现化学灭火。
全氟己酮（FK5112）灭火药剂是透明、无色、无臭、绝缘的液态环保洁净灭火药剂。
FK5112的降温效果主要存在以下三个吸热过程：
（1）液态温升吸热
室温下的FK5112在达到沸点温度49℃之前，首先将通过这一过程吸收环境中的热量，经试验测定，FK5112的比热容约为2.1×103J/（kg•℃）。
（2）汽化热
汽化热是指单位质量的液体在温度保持不变的情况下转化为气体时所吸收的热量，即在温度保持不变的情况下的相变吸热能力，FK5112的汽化热参数约为88kJ/kg。
（3）蒸汽载热
经试验测定，FK5112蒸汽在常压268℃时的载热能力为272kJ/kg。
由于FK5112具有以上三个吸热特性，似的其具有良好的降温灭火效果，在大多数情况下，灭火设计浓度均在所保护空间的4-6vol%。
全氟己酮粘度低，易于操作，其臭氧层破坏值为零（ODP=0），大气残存时间3-5天，所以温室效应值低（GWP<1），灭火浓度值低（3.5-4%）,低于NOAEL（NoObserveAdverseEffectLevel）10%，故安全性大，而且毒性低，美国3M公司的同类产品已通过美国环保署毒物管制中心注册登录（USE.P.A.T.S.C.A）。
该灭火药剂拥有绝佳的环保以及低毒性特质，此外也无CO2灭火剂热休克效应（ThermalShock），不会造成精密设备的损伤，是为哈龙替代品的最好选择。
FK5112对常用的金属，如碳钢、铜、铝、不锈钢等材料无腐蚀，不会损害电子部件和线路，不会造成二次损害。
最主要的是，FK5112可以在有人场所使用。
（1）产品成分
成分
全氟己酮环保灭火剂
活性成分
≥99.9mole%
酸性
≤3ppm（以HCl等重计算）
水含量
≤0.001%（以重量计算）
非挥发性残留物
≤0.05g/100ml
（2）一般物理特征
性质
全氟己酮环保灭火药剂
化学式
Dodecafluoro-2-methylpentan-3-one
分子量
316.04
沸点1atm
48℃（118.4。
F）
凝固点
-108.0（-162.4。
F）
液态密度于室温25℃
1.6g/ml（99.9lbm/ft3）
液态密度于室温25℃，1atm下
0.0184g/ml（1.15lbm/ft3）
比容于室温25℃，1atm下
0.0543m3/kg（0.0870ft3/lb）
液态粘度，于室温25℃
0.41-0.56centistrokes
水溶解于全氟己酮FK5112的溶解度，于室温25℃
<0.001%重量百分比
水在FK5112中的溶解度@21℃
<0.001
蒸气压，于室温25℃
0.4bar（5.87psia）
介电强度
～110kv
3.1.3消防抑制主机性能要求
电化学储能系统火灾抑制装置
工作压力
0.4Mpa~1.5Mpa
灭火介质额定填充量
最大200KG
启动方式
自动/手动启动
响应时间
≤10s（20m管道）
火灾抑制剂类型
FK5112全氟己酮环保降温型火灾抑制剂
工作温度
-20℃~45℃
工作湿度
相对湿度≤95%
存储方式
非储压式
安全性
安全无毒
有效期
≥8年
3.1.4电化学储能系统可视化管理平台
（1）7寸彩色液晶显示屏，报警、联动、反馈、故障等工作状态彩色警示；
（2）具备良好的配套能力和兼容性；
（3）具备历史信息保存功能，查询方便；
（4）控制器通过CAN总线与监测、告警、抑制设备等形成组网，组成大型火灾自动报警抑制系统；
3.1.5通讯方式
通信方式采用CAN通讯和干接点通讯，消防主机通过CAN信号线将消防系统的工作状态上传至电气室内的EMS，并通过干接点向BMS反馈二级和三级预警联动控制信号。
3.1.6中继模块
电化学储能系统数据中继模块是应用于电化学储能系统火灾预警及消防防护系统中的，能够将监测模块的信息进行收集，打包发送给消防主机和显控主机的一种装置，同时，该装置兼具控制电动球阀开闭的功能，并可以输出联动信号。
（1）数据中继功能：
能够将监测模块的信息进行收集，打包发送给消防主机和显控主机。
（2）联动功能：
装置可以对外输出联动信号，同时结合监测模块信号控制故障电池簇球阀动作。
3.1.7电动球阀功能要求
电机类型
直流电机
公称压力
PN15
动作时间
10-18秒
连接方式
管螺纹G
关闭压差
≤0.4
介质温度
2-95℃
3.1.8管道功能要求
消防系统安装分为灭火系统设备和喷嘴管道安装，根据设计图纸及现场情况进行安装。
（1）管道采用G1/2消防软管，采用快插连接；
（2）灭火剂输送管道直接固定，保证管道在集装箱里固定平稳；
（3）管道末端喷嘴处采用支架固定，垂直方向和水平方向至少应各设置一个防晃支架；
（4）管网的支架和安装应为均衡布置。
系统中的管网分流，采用三通管件分流时，分流出口应水平布置；
（5）消防灭火系统固定框架，操作观察方便，外形美观。
3.1.9CAN-光纤转换模块
见CAN-光纤转换模块PDF
3.1.10机械泄压窗（防爆阀）
当防护区因灭火剂喷放，压力升高到一定值时，通过泄压口将空气和灭火剂同时向外排放，以保证防护区围护结构的安全。
泄压口外形尺寸：
300mm*300mm*130mm
开孔尺寸：
305mm*305mm
消防流程图
4．消防关键部件
4.1监测系统调试
所有监测设备通电后，使用上位机软件查看各模块通讯报文，确认无误后，登录系统监管平台，查看个监测设备的工作状态。
4.2消防系统调试
消防主机宜靠近防护区，且不可干涉应急通道与过道。
灭火剂输送喷淋管道使用消防无缝钢管，采用活接连接时须加垫片平面密封处理，穿墙套管的长度应和墙厚相等，管道与套管间的空隙应采用柔性不燃烧材料填充密实。
管道末端喷嘴处使用支架进行固定，支架与喷嘴间的管道长度不能多于500mm，为保证安全当管道穿过建筑物时，应该在建一个防晃支架。
同样，当水平管道改变方向时，也应该设防晃支架。
4.3线路及敷设
1．采用阻燃电线电缆:
1）传输线路（信号线等）：
ZR-RVS2*1.5mm
2）气体灭火控制器供电线：
NH-RVS2*2.5mm
3）24V供电线路：
NH-RVS2*1.5mm
2．火灾自动报警系统用线一律穿金属管、金属线槽、桥架布线，线槽、桥架在穿越墙或板及防火分区时，在安装完毕后用防火材料进行封堵；凡穿管或在线槽内敷设的导线，在管内或在线槽内不得有接头；在线槽内敷设的导线应按回路扎绑成束。
金属管内穿线采用φ20焊接钢管，电线管的弯曲半径，不应小于其外径的6倍；
3．不同电压等级的线缆不应穿入同一根保护管内,当合用同一线槽时线槽应有隔板分隔；导线暗敷时应穿管敷设在不燃烧体结构层中且保护层厚度不应小于30mm。
当采用明敷设时，应穿金属管保护或在电缆桥架内敷设并采取刷防火涂料等防火保护措施；
4.所有配电线路在敷设时需避开潮湿环境。
5.同一工程中的导线，应根据不同用途选择不同颜色加以区分，相同用途的导线颜色应一致，电源线正极应为红色，负极应为黑色或蓝色。
5.安全防范和消防措施详细论证
1、一氧化碳监测
每个独立的电池簇配置综合监测模块，探测电池热失控早期的一氧化碳浓度的变化情况，在电芯热失控早期提前发出报警信息，指导FK5112全淹没灌入，为电池簇提供安全防护。
大量研究表明电芯在火灾发生初期，电池箱内环境温度和电芯表面温度呈阶梯式上升，同时伴随着CO、CO2、H2和C2H4等多种气体产生。
德国戴姆勒公司SaschaKoch等对51款不同电池通过加热触发热失控得到的气体分析结果如下图，（a）100%SOC电池热失控所释放气体各组分浓度，（b）各气体组分浓度释放气体量之间关系。
对不同电池通过加热触发热失控得到的气体分析结果
火灾发生初期，电池箱内CO浓度从环境的2.4ppm左右，迅速上升至190ppm左右。
通过加热触发电池热失控得到的气体分析结果
2、电解液泄露监测
电芯在充放电及热失控瞬间都会出现电解液（VOC气体）的微量泄漏及大量喷射。
大量可燃气体布满空间，通过综合监测模块探测保护空间内的VOC气体浓度及其变化率，提前发出预警信息。
且预警信息设置有多级报警，可根据气体浓度及上升速率多级报警。
3、舱内温度监测
综合监测模块可对舱内各电池簇的环境温度实时监测，包括绝对温度和温度变化率。
可对舱内温度场实现精细化监控。
在热失控时可迅速捕捉到温度变化，发出预警，联动FK5112灭火全淹没保护，防止热扩散的发生。
4、FK5112灭火剂的优势
使用FK5112灭火剂，有良好的灭火效能，灭火效能值可达到A-1、B-6，同时亦通过美国及英国海军机构（I.M.O-InternationalMaritimeOrganixation）认可，以及在UL和FM的认证。
FK5112粘度低，易于操作，其臭氧层破坏值为零（ODP=0），大气残存时间3-5天，所以温室效应值低（GWP<1），灭火浓度值低（3.5-4%）,低于NOAEL（NoObserveAdverseEffectLevel）10%，故安全性大，而且毒性低，美国3M公司的同类产品已通过美国环保署毒物管制中心注册登录（USE.P.A.T.S.C.A）。
该灭火药剂拥有绝佳的环保以及低毒性特质，此外也无CO2灭火剂热休克效应（ThermalShock），不会造成精密设备的损伤，是为哈龙替代品的最好选择。
FK5112与其他全氟化合物一样稳定，便于储存，并且由于其灭火系统充装N2后，压力随温度变化不大，在-40～80℃区间内，压力仅增加0.01MPa，十分适合高温或高寒区域使用。
本产品常温下是液态状态，因此，无需气态灭火剂在运输的安全性的限制和考虑，不需要高压钢瓶。
在灌填药剂时易于操作，也无高压泄漏之危险。
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