“設備狀態(tài)良好，滅火功能可正常使用。”3月12日，在國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院電力科技園內(nèi)，技術(shù)人員查看了鏈式分布式儲能系統(tǒng)配備的鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的運行狀態(tài)。
河北電科院技術(shù)人員對配置鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的鋰電池組開展狀態(tài)檢測。齊錦濤 攝
鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備是國網(wǎng)河北省電力有限公司科研項目“鋰離子電池儲能站電池預制艙火災液氮防控技術(shù)與裝置研發(fā)”的核心成果。該項目由河北電科院與中國礦業(yè)大學共同完成，可實現(xiàn)鋰電池儲能系統(tǒng)火災惰化防爆和快速滅火。鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備與傳統(tǒng)的鋰電池滅火設備相比，性能更好、成本更低且更環(huán)保。
探索鋰電池儲能系統(tǒng)滅火新思路
近年來，我國儲能電站規(guī)模不斷擴大，為電網(wǎng)“削峰填谷”發(fā)揮重要作用。鋰電池儲能具有能量密度大、效率高、壽命長等優(yōu)點，是目前我國電化學儲能的主要類型。然而，更大的能量密度意味著更高的安全風險。
“鋰電池在出現(xiàn)內(nèi)部故障、被猛烈撞擊或穿刺及受熱等情況下可能產(chǎn)生熱失控，釋放大量可燃、有毒的氣體。”多年研究電力設施消防安全技術(shù)的河北電科院正高級工程師賈伯巖介紹，尤其是在封閉的鋰電池儲能站電池預制艙內(nèi)，電池布置密度大，一旦發(fā)生熱失控，易引發(fā)大規(guī)模的連鎖反應，導致火災甚至爆炸。因此，鋰電池儲能系統(tǒng)需要配置滅火和抑制爆燃的裝置。
當前，鋰電池儲能站電池預制艙內(nèi)多使用以全氟己酮、七氟丙烷為主要成分的氣體滅火劑，或以細水霧滅火劑為代表的水基型滅火劑。但是，這兩種類型的滅火劑在阻斷連鎖反應和抑制爆燃等方面具有局限性：氣體滅火劑冷卻能力不足，無法有效阻斷鋰電池熱失控的連鎖反應;水基型滅火劑惰化能力不足，無法有效阻止鋰電池爆燃。因此，河北電科院電氣設備消防安全研究人員決定探索一種更適用于鋰電池的滅火抑爆方式。他們借鑒分析國內(nèi)外多種滅火、抑制爆燃的方案，討論具體技術(shù)路線。
“我們發(fā)現(xiàn)，鋰電池熱失控加上可燃氣體在艙室內(nèi)急劇累積是造成鋰電池爆燃的主要原因。因此，理想的滅火劑要同時具備良好的冷卻降溫和惰化窒息性能。”賈伯巖說。液氮釋放后能快速汽化并吸收大量熱量，實現(xiàn)惰化防爆且無污染。據(jù)此，他們初步選定液氮作為滅火劑。
2020年7月，河北電科院聯(lián)合中國礦業(yè)大學組建攻關團隊，啟動“鋰離子電池儲能站電池預制艙火災液氮防控技術(shù)與裝置研發(fā)”項目，開始開展鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火技術(shù)研究。
通過對比試驗選定滅火劑
雖說液氮的理論性能優(yōu)異，但在實際使用中表現(xiàn)如何仍待檢驗。攻關團隊首先搭建了鋰電池熱失控滅火試驗平臺，以容量為60安時的磷酸鐵鋰電池組為試驗對象，測試液氮、七氟丙烷、全氟己酮、干粉、細水霧、泡沫等10種滅火劑的性能。
試驗結(jié)果表明，相比其他滅火劑，液氮的滅火效果和降溫能力都更加出色。同時，攻關團隊從滅火效果、環(huán)保和經(jīng)濟三個維度，構(gòu)建了包含13個指標的鋰電池滅火劑綜合評價體系，計算得出10種滅火劑的綜合得分。結(jié)果顯示，液氮綜合得分為第一名。
“我們還發(fā)現(xiàn)，液氮噴放后，噴放口附近的環(huán)境溫度能降至零下100攝氏度，所產(chǎn)生的極低溫環(huán)境能阻斷鋰電池熱失控的傳播鏈條，保護尚未發(fā)生熱失控的鋰電池，且低溫環(huán)境不會損壞鋰電池性能。”攻關團隊成員、中國礦業(yè)大學教授張國維說，這些研究結(jié)果進一步堅定了攻關團隊采用液氮作為滅火劑的信心。
將液氮實際應用到鋰電池儲能系統(tǒng)火災防控中還有一些問題需要解決。“不同的液氮噴射工況，例如液氮注入時間、噴射時長、注氮位置等，都會影響液氮的滅火性能。”張國維介紹。掌握液氮滅火性能的影響機制是液氮滅火技術(shù)工程化應用的關鍵。
攻關團隊在大量試驗和理論研究的基礎上，初步完成了鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火技術(shù)研究。研究成果揭示了液氮滅火過程中的熱流衰退規(guī)律，明確了液氮滅火性能的關鍵影響機制，提出了液氮高效滅火方法，為鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的研發(fā)打下了基礎。
研發(fā)使用液氮滅火裝備
有了理論研究和技術(shù)支撐，攻關團隊進一步研發(fā)鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備，于2021年12月研制出了適用于鋰電池預制艙的液氮滅火系統(tǒng)樣機。2023年5月，在相關技術(shù)與裝備經(jīng)過長期系統(tǒng)性檢驗后，鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備在河北電科院10千伏/100千瓦/100千瓦時鏈式分布式儲能系統(tǒng)正式投入使用。這是該裝備首次應用于真實場景下的電化學儲能裝置中。
“鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備能夠根據(jù)需求通過管線連入鋰電池簇內(nèi)或電池組模組內(nèi)部，由內(nèi)置驅(qū)動裝置提供動力，高效、精準地噴放液氮。”國網(wǎng)河北電力設備部技術(shù)處副處長何瑞東說。
液氮滅火技術(shù)及裝備的投入使用降低了鋰電池儲能系統(tǒng)大規(guī)模火災爆炸事故發(fā)生的可能性。河北電科院計劃在鋰電池儲能系統(tǒng)液氮滅火裝備的基礎上，研制“監(jiān)測-干預-處置”防控一體化成套裝置，將鋰電池熱失控遏制在“未燃”狀態(tài)，進一步提升鋰電池儲能行業(yè)安全水平。（張明昊 齊錦濤）
作者：張明昊 齊錦濤
評論