河北电科院技术人员对配置锂电池储能系统液氮灭火装备的锂电池组开展状态检测。齐锦涛 摄
“设备状态良好，灭火功能可正常使用。”3月12日，在国网河北省电力有限公司电力科学研究院电力科技园内，技术人员查看了链式分布式储能系统配备的锂电池储能系统液氮灭火装备的运行状态。
锂电池储能系统液氮灭火装备是国网河北省电力有限公司科研项目“锂离子电池储能站电池预制舱火灾液氮防控技术与装置研发”的核心成果。该项目由河北电科院与中国矿业大学共同完成，可实现锂电池储能系统火灾惰化防爆和快速灭火。锂电池储能系统液氮灭火装备与传统的锂电池灭火设备相比，性能更好、成本更低且更环保。
近年来，我国储能电站规模不断扩大，为电网“削峰填谷”发挥重要作用。锂电池储能具有能量密度大、效率高、寿命长等优点，是目前我国电化学储能的主要类型。然而，更大的能量密度意味着更高的安全风险。
“锂电池在出现内部故障、被猛烈撞击或穿刺及受热等情况下可能产生热失控，释放大量可燃、有毒的气体。”多年研究电力设施消防安全技术的河北电科院正高级工程师贾伯岩介绍，尤其是在封闭的锂电池储能站电池预制舱内，电池布置密度大，一旦发生热失控，易引发大规模的连锁反应，导致火灾甚至爆炸。因此，锂电池储能系统需要配置灭火和抑制爆燃的装置。
当前，锂电池储能站电池预制舱内多使用以全氟己酮、七氟丙烷为主要成分的气体灭火剂，或以细水雾灭火剂为代表的水基型灭火剂。但是，这两种类型的灭火剂在阻断连锁反应和抑制爆燃等方面具有局限性：气体灭火剂冷却能力不足，无法有效阻断锂电池热失控的连锁反应；水基型灭火剂惰化能力不足，无法有效阻止锂电池爆燃。因此，河北电科院电气设备消防安全研究人员决定探索一种更适用于锂电池的灭火抑爆方式。他们借鉴分析国内外多种灭火、抑制爆燃的方案，讨论具体技术路线。
“我们发现，锂电池热失控加上可燃气体在舱室内急剧累积是造成锂电池爆燃的主要原因。因此，理想的灭火剂要同时具备良好的冷却降温和惰化窒息性能。”贾伯岩说。液氮释放后能快速汽化并吸收大量热量，实现惰化防爆且无污染。据此，他们初步选定液氮作为灭火剂。
2020年7月，河北电科院联合中国矿业大学组建攻关团队，启动“锂离子电池储能站电池预制舱火灾液氮防控技术与装置研发”项目，开始开展锂电池储能系统液氮灭火技术研究。
虽说液氮的理论性能优异，但在实际使用中表现如何仍待检验。攻关团队首先搭建了锂电池热失控灭火试验平台，以容量为60安时的磷酸铁锂电池组为试验对象，测试液氮、七氟丙烷、全氟己酮、干粉、细水雾、泡沫等10种灭火剂的性能。
试验结果表明，相比其他灭火剂，液氮的灭火效果和降温能力都更加出色。同时，攻关团队从灭火效果、环保和经济三个维度，构建了包含13个指标的锂电池灭火剂综合评价体系，计算得出10种灭火剂的综合得分。结果显示，液氮综合得分为第一名。
“我们还发现，液氮喷放后，喷放口附近的环境温度能降至零下100摄氏度，所产生的极低温环境能阻断锂电池热失控的传播链条，保护尚未发生热失控的锂电池，且低温环境不会损坏锂电池性能。”攻关团队成员、中国矿业大学教授张国维说，这些研究结果进一步坚定了攻关团队采用液氮作为灭火剂的信心。
将液氮实际应用到锂电池储能系统火灾防控中还有一些问题需要解决。“不同的液氮喷射工况，例如液氮注入时间、喷射时长、注氮位置等，都会影响液氮的灭火性能。”张国维介绍。掌握液氮灭火性能的影响机制是液氮灭火技术工程化应用的关键。
攻关团队在大量试验和理论研究的基础上，初步完成了锂电池储能系统液氮灭火技术研究。研究成果揭示了液氮灭火过程中的热流衰退规律，明确了液氮灭火性能的关键影响机制，提出了液氮高效灭火方法，为锂电池储能系统液氮灭火装备的研发打下了基础。
有了理论研究和技术支撑，攻关团队进一步研发锂电池储能系统液氮灭火装备，于2021年12月研制出了适用于锂电池预制舱的液氮灭火系统样机。2023年5月，在相关技术与装备经过长期系统性检验后，锂电池储能系统液氮灭火装备在河北电科院10千伏/100千瓦/100千瓦时链式分布式储能系统正式投入使用。这是该装备首次应用于真实场景下的电化学储能装置中。
“锂电池储能系统液氮灭火装备能够根据需求通过管线连入锂电池簇内或电池组模组内部，由内置驱动装置提供动力，高效、精准地喷放液氮。”国网河北电力设备部技术处副处长何瑞东说。
液氮灭火技术及装备的投入使用降低了锂电池储能系统大规模火灾爆炸事故发生的可能性。河北电科院计划在锂电池储能系统液氮灭火装备的基础上，研制“监测-干预-处置”防控一体化成套装置，将锂电池热失控遏制在“未燃”状态，进一步提升锂电池储能行业安全水平。
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