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鋰離子電池?zé)崾Э靥匦栽囼?yàn)
目前絕大多數(shù)儲(chǔ)能電站都采用鋰離子電池為儲(chǔ)能部件，所以首先需要模擬并構(gòu)建鋰離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的工作特性和產(chǎn)生熱失控的條件，進(jìn)而研究鋰離子電池?zé)崾Э靥匦裕@取可以用于火災(zāi)預(yù)警探測(cè)的參數(shù)信息。
試驗(yàn)采用以過(guò)充方式使鋰離子電池產(chǎn)生熱失控的試驗(yàn)方法。圖1給出了某規(guī)格鋰離子電池由于過(guò)充而產(chǎn)生熱失控過(guò)程中溫度與電壓的關(guān)系曲線示例。
該試驗(yàn)采用特制的試驗(yàn)裝置，對(duì)不同電池表面溫度下釋放出的氣體特性進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲取的相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。
熱失控過(guò)程劃分與探測(cè)
根據(jù)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э卦囼?yàn)結(jié)果和可用于熱失控預(yù)警探測(cè)的參數(shù)特征，將鋰離子電池?zé)崾Э貏澐譃槿鐖D3所示的4個(gè)階段。
圖3所示的4個(gè)階段都有其明顯的特征，由這些特征可以總結(jié)出如下結(jié)論：
a. 熱失控初期：可以根據(jù)電量和溫度變化初步判斷電池開始出現(xiàn)熱失控跡象。但由于儲(chǔ)能電站中電池是分組方式工作的，且不存在全充全放工況，故根據(jù)電量變化預(yù)判電池?zé)崾Э鼗緵](méi)法實(shí)現(xiàn)。此階段電池電極溫度變化有別于日常運(yùn)行時(shí)的溫度變化，可以做預(yù)警參考。
b. 熱失控早期：該階段電池電極溫度明顯變化，而且已經(jīng)有熱解氣體釋放。合理設(shè)置電池表面溫度探測(cè)器和氣體探測(cè)器均能有效探測(cè)電池?zé)崾Э靥卣?，及時(shí)采取處置措施。該階段是對(duì)鋰電池?zé)崾Э剡M(jìn)行熱失控探測(cè)預(yù)警的最佳階段。
c. 熱失控中期：電池表面溫度明顯升高，泄壓閥打開，同時(shí)熱解出含有大量可燃性氣體的氣溶膠。在該階段無(wú)論是對(duì)溫度進(jìn)行探測(cè)還是對(duì)熱解氣體探測(cè)，都十分容易實(shí)現(xiàn)，但該階段熱失控發(fā)展過(guò)程的不確定性給處置危險(xiǎn)也帶來(lái)了極大的不確定性。
d. 熱失控后期：即進(jìn)入了完全的失控狀態(tài)，一旦進(jìn)入該階段，大量的濃煙產(chǎn)生，部分電池也會(huì)產(chǎn)生火焰、轟燃。應(yīng)該說(shuō)災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生，需要考慮的就只剩下如何防止災(zāi)害擴(kuò)大了。
上述試驗(yàn)結(jié)果和特征為消防系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行安全運(yùn)行保障提供了必不可少的依據(jù)。這些試驗(yàn)也是合理設(shè)置消防系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行保障的前提條件。
從上述試驗(yàn)結(jié)果，并本著越早發(fā)現(xiàn)電池?zé)崾Э仉[患越有利于進(jìn)行應(yīng)急處置的原則，也可以看出：對(duì)鋰離子電池電極溫度探測(cè)是最佳選擇，對(duì)鋰離子電池表面溫度探測(cè)次之，然后才是對(duì)電池?zé)峤獬鰜?lái)的氣體進(jìn)行探測(cè)。
根據(jù)隱患預(yù)警為主、滅火救援為輔的火災(zāi)防控理念，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡M(jìn)行火災(zāi)預(yù)警探測(cè)應(yīng)遵循以下基本準(zhǔn)則：
a. 在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患。即在鋰離子電池?zé)崾Э爻跗诨蛟缙陔A段完成隱患預(yù)警探測(cè)。
根據(jù)鋰離子電池?zé)崾Э馗麟A段可探測(cè)特征，對(duì)電極溫度或電池?zé)峤獬龅奈⒘繗怏w進(jìn)行探測(cè)，并設(shè)置合適的報(bào)警設(shè)定值，均可在電池?zé)崾Э卦缙诎l(fā)現(xiàn)鋰離子電池?zé)崾Э仉[患，這是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行保障防護(hù)的最佳方案，也是對(duì)應(yīng)急處置最有利的探測(cè)階段。該方案需要采集所有電池的電極溫度，因此需要合適的溫度傳感器。對(duì)熱解出的微量氣體探測(cè)，則需要靈敏度較高且可靠性高的氣體傳感器，同時(shí)對(duì)氣體探測(cè)器的設(shè)置也有較高要求。
b. 不求最早，但求及時(shí)。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋰離子電池表面溫度進(jìn)行探測(cè)，并設(shè)置合適的報(bào)警條件，可以在熱失控早期偏后階段完成對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э仉[患探測(cè)，并在發(fā)出報(bào)警信號(hào)后為應(yīng)急處置提供足夠的應(yīng)急處置時(shí)間。該報(bào)警時(shí)間雖然滯后于對(duì)電極溫度探測(cè)報(bào)警時(shí)間，但此時(shí)泄壓閥尚未打開，仍處于熱失控早期階段。比對(duì)熱失控中期氣體探測(cè)報(bào)警時(shí)間提前很多，適用于對(duì)所有類型的鋰離子電池?zé)崾Э仉[患預(yù)警探測(cè)。
隨著溫度和壓力升高，電池在其泄壓閥打開后直接進(jìn)入了熱失控中期階段，此時(shí)大量的氣體伴隨著熱氣流經(jīng)泄壓口涌出。此時(shí)非常適合采用氣體探測(cè)器對(duì)熱解出來(lái)的各類氣體進(jìn)行探測(cè)，并設(shè)置合適的報(bào)警設(shè)定值實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)預(yù)警探測(cè)。由于確定了合適的火災(zāi)隱患報(bào)警設(shè)定值，且某些原理和規(guī)格的鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)展相對(duì)較緩、熱失控中期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)部分類型的鋰離子電池在報(bào)警聯(lián)動(dòng)斷電后具有延緩或終止熱失控進(jìn)程特性，也能保證火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出火災(zāi)隱患預(yù)警信號(hào)后，應(yīng)急處置人員有充足的時(shí)間排除隱患。
由于不同原理的鋰離子電池的熱失控特性和相同原理、不同規(guī)格的鋰離子電池的熱失控特性差異都非常大，甚至相同原理、相同規(guī)格而不同生產(chǎn)企業(yè)的鋰離子電池的熱失控特性也有很大差別，同時(shí)由于電池組制冷方式不同也導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫懦龅臒峤饬Ｗ臃植疾町惡艽?，所以真正做好消防系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行保障防護(hù)前，必須先獲取該儲(chǔ)能系統(tǒng)選用的鋰離子電池特性和電池組安裝方式特性。
儲(chǔ)能電站火災(zāi)防控理念與消防系統(tǒng)防護(hù)設(shè)置的基本原則
儲(chǔ)能電站的火災(zāi)防控應(yīng)以本質(zhì)安全為主、消防保障為輔的基本防控理念
本質(zhì)安全是根本。儲(chǔ)能電站自身應(yīng)具備足夠的安全等級(jí)，在此基礎(chǔ)上輔以必要的消防保護(hù)手段。在二者都發(fā)揮相應(yīng)的安全作用條件下，使儲(chǔ)能電站達(dá)到安全運(yùn)行的基本條件。
儲(chǔ)能電站的本質(zhì)安全主要包括以下3個(gè)方面：
a. 電池本身安全：主要包括電池原理、使用材料、制造工藝、一致性篩選與組合、組合工藝等。
b. 充放電管理安全：主要包括電壓、電流、溫度與溫升控制等。
c. 電氣線路安全：主要包括使用線纜的連接可靠性與阻燃性、電氣保護(hù)裝置匹配性與動(dòng)作及時(shí)性、應(yīng)急處置便捷性等。電氣線路安全不但要考慮運(yùn)行安全，還需要考慮應(yīng)急處置所需的便捷性與安全性。
儲(chǔ)能電站火災(zāi)防控中消防系統(tǒng)設(shè)置的基本原則
消防系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能電站的火災(zāi)防控應(yīng)以立足于盡早發(fā)現(xiàn)隱患、及時(shí)排除隱患，防患于未“燃”為基本原則。根據(jù)現(xiàn)階段儲(chǔ)能電站的特點(diǎn)，可以分為以下2種防護(hù)：
a. 基本防護(hù)：為保障建筑物、運(yùn)維人員和應(yīng)急處置人員安全及必要的應(yīng)急處置而設(shè)置的防護(hù)。通常以一個(gè)報(bào)警區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)基本防護(hù)單元。預(yù)制艙式的儲(chǔ)能電站可以將每個(gè)預(yù)制艙都分別劃分為一個(gè)報(bào)警區(qū)域；在建筑內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)能裝置時(shí)，可以將每個(gè)防火分區(qū)都單獨(dú)劃分為一個(gè)報(bào)警區(qū)域。
b. 安全運(yùn)行保障防護(hù)：為保障電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行而設(shè)置的防護(hù)。通常應(yīng)以電池箱（包）為基本單元。原則上每個(gè)電池箱外應(yīng)設(shè)置一個(gè)火災(zāi)報(bào)警控制單元，用于采集該電池箱（包）內(nèi)的各種火災(zāi)探測(cè)參數(shù)，并將相應(yīng)信息傳輸給該區(qū)域的火災(zāi)報(bào)警控制器，同時(shí)接受該控制器的控制指令，完成預(yù)設(shè)的聯(lián)動(dòng)控制，保障儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行。
儲(chǔ)能電站專用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及設(shè)置
儲(chǔ)能電站專用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是指安裝在儲(chǔ)能電站的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，具備監(jiān)控、探測(cè)儲(chǔ)能電站中各類設(shè)備的火災(zāi)隱患、火災(zāi)征兆或火災(zāi)初期特征，輔助處置火災(zāi)隱患和初期火災(zāi)等功能。系統(tǒng)由儲(chǔ)能電站專用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作站、專用火災(zāi)報(bào)警控制器、火災(zāi)報(bào)警控制單元、電池表面溫度探測(cè)器、CO探測(cè)器及其他火災(zāi)探測(cè)器、電氣切斷裝置、火災(zāi)聲光警報(bào)器及疏散指示裝置等組件組成。系統(tǒng)內(nèi)各部件的性能與設(shè)置如下：
a. 儲(chǔ)能電站火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作站：能接收、顯示、查詢、儲(chǔ)存整個(gè)儲(chǔ)能電站火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)內(nèi)所有信息，并能提示各類信息含義、給出預(yù)判趨勢(shì)和處置建議的裝置。一般設(shè)置在消防控制室內(nèi)。
b. 儲(chǔ)能電站專用火災(zāi)報(bào)警控制器：分為集中控制器和區(qū)域控制器。
集中控制器用于收集所有區(qū)域控制器的相關(guān)信息，并將相應(yīng)信息傳輸給現(xiàn)場(chǎng)工作站，完成系統(tǒng)內(nèi)共用消防設(shè)施和特定公共功能的控制。一般設(shè)置在消防控制室內(nèi)。
區(qū)域控制器需要完成對(duì)所在報(bào)警區(qū)域內(nèi)所有消防設(shè)備的信息采集與控制，接收、處理來(lái)自電池管理系統(tǒng)與安全運(yùn)行相關(guān)的信息，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，完成本報(bào)警區(qū)域的基本防護(hù)和安全運(yùn)行保障防護(hù)功能。該控制器宜設(shè)置在自己的報(bào)警區(qū)域內(nèi)。
c. 火災(zāi)報(bào)警控制單元：實(shí)時(shí)接收、監(jiān)測(cè)、分析為儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行而設(shè)置的各種探測(cè)器的探測(cè)信號(hào)，將相關(guān)信息傳輸給火災(zāi)報(bào)警控制器，并在收到火災(zāi)報(bào)警控制器的指令后，聯(lián)動(dòng)控制本防區(qū)的相關(guān)電氣切斷裝置和自動(dòng)滅火設(shè)施，并有相應(yīng)的光指示。該火災(zāi)報(bào)警控制單元是各電池箱（包）安全運(yùn)行的核心控制單元，一般每個(gè)電池箱（包）都設(shè)置一個(gè)專有的火災(zāi)報(bào)警控制單元，通常設(shè)置在電池箱（包）附近。
d. 儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行保障專用探測(cè)器：包括電池表面溫度探測(cè)器（可對(duì)電池電極和電池表面溫度進(jìn)行探測(cè)）、CO探測(cè)器及其他氣體探測(cè)器應(yīng)接收?qǐng)?bào)警控制單元的控制，其結(jié)構(gòu)形式、報(bào)警設(shè)定值與安裝位置均需要與電池特性和電池箱特性相匹配，尤其保護(hù)風(fēng)冷的儲(chǔ)能裝置時(shí)，探測(cè)器的設(shè)置位置和報(bào)警設(shè)定值還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。
e. 電氣切斷裝置：受火災(zāi)報(bào)警控制單元控制，在收到切斷指令后能切斷電池箱（包）電氣回路，斷開有隱患的電池箱（包）與儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。是儲(chǔ)能系統(tǒng)安全運(yùn)行保障防護(hù)的重要部件，通常設(shè)置在電池箱（包）附近。
f. 基本防護(hù)用的火災(zāi)探測(cè)器：包括感煙探測(cè)器、感溫探測(cè)器、氣體探測(cè)器等各類火災(zāi)探測(cè)器，一般由該區(qū)域設(shè)置的區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器直接控制。
g. 火災(zāi)聲光警報(bào)器：儲(chǔ)能電站專用火災(zāi)聲光警報(bào)器可分為黃色光和紅色光兩種，均由該報(bào)警區(qū)域內(nèi)的區(qū)域火災(zāi)報(bào)警控制器直接控制。黃色光警報(bào)用于應(yīng)急處置人員快速識(shí)別有火災(zāi)隱患的報(bào)警區(qū)域；紅色光警報(bào)表示該區(qū)域內(nèi)有危險(xiǎn)，禁止人員進(jìn)入。這兩種火災(zāi)聲光警報(bào)器均應(yīng)設(shè)置在報(bào)警區(qū)域入口外明顯位置。
儲(chǔ)能電站專用火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)置還應(yīng)該與電池管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，合理地選擇獲取鋰電池?zé)崾Э馗麟A段的特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱失控隱患，并在隱患處置過(guò)程中為應(yīng)急處置人員提供鋰電池?zé)崾Э匚ｋU(xiǎn)來(lái)臨定時(shí)發(fā)出警告信息。
