一种基于液氮的预制舱式电化学储能站的灭火降温系统的制作方法

本发明属安全技术领域，涉及锂离子电池火灾抑制领域，特别的，包含一种基于液氮的预制舱式电化学储能站的灭火降温系统。

背景技术：

近年来，由于空气污染和温室效应，人们开始减少化石能源的使用，倾向于能量密度高、循环寿命长、自放电小的锂离子电池。越来越多的电化学储能电站使用锂离子电池作为储能载体。在未来一段时间内，预制舱式电化学储能站的规模将进一步扩大。虽然锂离子电池作为一种新能源具有很多优点，但是其仍存在一些危险性，尤其是在滥用情况下，易发生热失控、引发火灾。预制舱内电池紧密排列在一起，若其中一节电池发生热失控，没有很好的降温措施，即使将明火熄灭，电池残余的温度仍很高，易发生复燃，同时高温可能引起相邻电池发生热失控，进而导致预制舱内电池热失控传播，引发大规模的火灾或爆炸事故，造成经济损失和人员伤亡。

目前，现存的电化学储能站预制舱内的消防系统仅搭载气体灭火系统，存在着严重的不足和缺陷。气体灭火系统虽能有效熄灭电池火灾，但是降温效果差，电池灭火后的温度仍很高，且电池内部的放热反应由于未及时散去的高温仍在继续进行，热量通过热传导等方式传给相邻的电池，这将可能诱发相邻电池发生热失控，进而发生热失控传播，造成大规模的火灾，且由于电池热失控时和后续内部反应的进行，电池产生的大量高温可燃气体未能得到有效的处理，增加了电池复燃的危险。然而，适用于电化学储能站预制舱灭火降温系统还很少见，无法满足预制舱式储能站的安全需求。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，弥补气体灭火系统降温效果差等不足和缺陷，本发明针对电化学储能站预制舱中电池火灾的特点，提出了一种更为高效的灭火降温系统，即一种基于液氮的预制舱式电化学储能站的灭火降温系统。本发明的灭火降温系统具备了熄灭明火，冷却降温的功能，在电池热失控发生火灾后迅速熄灭明火，降低电池和高温可燃性气体的温度，稀释高温可燃烟气的浓度，防止电池组内发生热失控传播和电池复燃，防止电池火灾的进一步扩大。

本发明的灭火系统，直接作用于电池热失控发生火灾后，通过液氮汽化体积膨胀，降低电池周围氧气浓度，使火焰无法维持，实现快速灭火。同时，汽化吸收大量的热量，有效降低电池表面温度，冷却电池，从而防止电池之间热失控传播的发生。由于大量的氮气聚集在预制舱内，降低了由于电池热失控产生的可燃气体的浓度和温度，阻止了电池发生复燃，控制了电池火灾的进一步扩大，有效降低了财产损失和人员伤亡，保障储能系统的安全性。

本发明的技术方案为：一种基于液氮的预制舱式电化学储能站的灭火降温系统，包括：

液氮泵、液氮储罐、液氮真空管、超低温电磁阀、远程控制器和喷头、压力表、软管，预制舱内还陈列有电池架；液氮泵通过软管连接到液氮储罐中，为液氮储罐提供压力，所述液氮泵连接有压力表，用于实时指示压力情况；所述液氮储罐顶部的液氮出口管通过超低温电磁阀连接到液氮真空管，所述超低温电磁阀安装在靠近液氮储罐出口管一端的液氮真空管上；所述液氮泵和液氮储罐安装在预制舱角落处，喷头安装在预制舱内两侧电池架上方，喷头作用范围覆盖整个电池架。

进一步的，所述液氮泵和液氮储罐安装于预制舱的角落处，液氮泵连接液氮储罐为液氮提供压力驱动，喷头位于预制舱内两侧电池架上方，喷头数量为多个。

进一步的，所述超低温电磁阀位于靠近液氮储罐一端的液氮真空管上，通过远程控制器进行控制；当压力达到预设要求时，超低温电磁阀开启，管路连通，液氮得以从喷头释放，所述超低温是指电磁阀适用的介质温度范围为-196℃-60℃。

进一步的，所述电池架上放置有电池，当电池热失控发生火灾后，液氮灭火降温系统喷放液氮，通过液氮汽化为氮气，体积膨胀，降低电池周围氧气浓度，使火焰无法维持，实现灭火。

进一步的，所述液氮汽化时吸收火灾释放的热量，降低预制舱内高温烟气的温度以及电池表面温度。

进一步的，液氮的使用量根据所应用的电化学储能站预制舱内的电池数量而制定，确保液氮汽化吸热量大于降低电池温度所需要的热量。

进一步的，液氮的释放量与预制舱内电池容量的大小有关，即保证液氮冷却系统吸收的热量大于电池从高温降到室温所需热量，冷却每千克电池所需要的液氮量通过以下公式进行估算：

每千克液氮吸收的热量：qa＝q1+q2

其中q1为每千克液氮的汽化吸收的热量，其值为199kj，q2为氮气从-196℃到20℃吸收的热量，其计算公式为：q2＝c1m1δt1＝1.083×1×216＝233.93kj；c1为氮气的比热容，其值为1.083kj/(kg·℃)，m1为氮气的质量，δt1为氮气温度变化量。

因此得qa＝432.93kj；

每千克电池热失控产生的热量：qb＝c2m2δt2＝1.1×1×(600-20)＝638kj；

其中，c2为电池的比热容，其值为1.1kj/(kg·℃)，m2为电池的质量，δt2为电池温度变化量。

因此，冷却每千克电池所需要的液氮量为:m＝qb/qa；考虑到液氮在储存和运输、喷射过程中会有损耗，所以冷却每千克电池所需要的液氮质量应大于m。

进一步的，当预制舱内某单体电池发生热失控引发火灾后，液氮灭火降温系统启动，首先：液氮泵启动，开始给液氮储罐进行加压，当压力达到要求时，开启超低温电磁阀，阀门打开，液氮从液氮储罐中进入液氮真空管，最后由喷头喷出；液氮从喷头喷出后瞬间吸收热量汽化成氮气，体积膨胀的氮气作用在电池周围，降低氧气浓度，使火焰无法维持，实现灭火；低温氮气迅速作用于预制舱中，吸收电池表面和预制舱内火灾高温烟气的热量，降低电池和预制舱温度，致使相邻电池所吸收的热量减少，不足以发生热失控，从而，阻止电池之间热失控的传播；液氮汽化后体积迅速膨胀，预制舱大量的空间被难燃的氮气所占据，降低可燃性气体的浓度，减弱了电池发生复燃的危险性，阻止电池火灾进一步蔓延。

本发明的优点是：

1.本系统采用液氮灭火降温，弥补了使用单一灭火剂的不足，能够在对电池灭火的同时进行及时有效的降温，防止危害扩大或再次发生；

2.本系统使用的降温介质为液氮，不仅降温能力强，而且对电池无危害；

3.本系统利用氮气汽化体积膨胀的原理，降低氧气浓度，实现灭火；稀释可燃性气体浓度，抑制可燃气体的进一步反应，防止电池发生复燃等情况。

附图说明

图1为本发明液氮灭火降温系统示意图；

图2为本发明液氮灭火降温系统在预制舱内的布置示意图。

主要元件编号说明：

1：液氮泵

2：液氮储罐

3：液氮真空管

4：超低温电磁阀

5：压力表

6：软管

7：喷头

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的一个实施例，提出一种基于液氮的预制舱式电化学储能站的灭火降温系统，该系统在电池发生热失控引发火灾后启动。其主要作用为熄灭电池明火，对电池表面和预制舱内高温烟气进行快速降温，降低预制舱内由于电池热失控所产生的可燃性气体的浓度，防止电池发生复燃。

该系统主要包括液氮泵1、液氮储罐2、液氮真空管3、超低温电磁阀4、压力表5、软管6、喷头7等部分。液氮泵1通过软管6连接到液氮储罐2中，为液氮储罐2提供压力，所述液氮泵1连接有压力表5，用于实时指示压力情况；所述液氮储罐顶部的液氮出口管通过超低温电磁阀4连接到液氮真空管3，所述超低温电磁阀4安装在靠近液氮储罐2出口管一端的液氮真空管3上，以减少液氮在管道中的损耗；所述液氮泵1和液氮储罐2安装在预制舱角落处，喷头7安装在预制舱内两侧电池架上方，喷头7作用范围覆盖整个电池架。

进一步的，液氮冷却系统的冷却介质为液氮，液氮的温度为-196℃，液氮常温下汽化为无色、无腐蚀性、惰性的氮气。液氮汽化时，体积迅速膨胀，短时间内充满整个预制舱，降低氧气浓度，实现灭火。同时，液氮汽化吸收大量的热量，降低电池和高温烟气的温度，防止电池发生热失控传播。氮气也降低了预制舱内电池热失控产生的可燃性气体的浓度，降低电池复燃的危险性。

进一步的，液氮储存在液氮储罐中，由液氮泵1提供压力，经液氮真空管3，最后由喷头7喷出。液氮泵1和超低温电磁阀4均有远程控制器控制，当启动时，液氮泵1启动，当压力达到要求时，超低温电磁阀4打开，液氮释放。

进一步的，喷头7安装在在预制舱内两侧电池架上方，喷头7数量可根据实际工况调整，使得喷头7作用范围覆盖整个电池架，保证液氮可以短时间内作用到热失控的电池，对电池进行有效降温。

进一步的，液氮的释放量与预制舱内电池容量的大小有关，即保证液氮冷却系统吸收的热量大于电池从高温降到室温所需热量。冷却每千克电池所需要的液氮量可通过以下公式进行估算。

每千克液氮吸收的热量：qa＝q1+q2

其中q1为每千克液氮的汽化吸收的热量，其值为199kj，q2为氮气从-196℃到20℃吸收的热量，其计算公式为：q2＝c1m1δt1＝1.083×1×216＝233.93kj；c1为氮气的比热容，其值为1.083kj/(kg·℃)，m1为氮气的质量，δt1为氮气温度变化量。

因此可得qa＝432.93kj

每千克电池热失控产生的热量：qb＝c2m2δt2＝1.1×1×(600-20)＝638kj

其中，c2为电池的比热容，其值为1.1kj/(kg·℃)，m2为电池的质量，δt2为电池温度变化量。

因此，冷却每千克电池所需要的液氮量约:m＝qb/qb＝1.47kg。考虑到液氮在储存和运输、喷射过程中会有损耗，所以冷却每千克电池所需要的液氮质量应大于1.47kg，具体数值应结合实验和电池等实际情况确定。

本发明的系统，其工作过程如下：

当预制舱内某单体电池发生热失控引发火灾后，液氮灭火降温系统启动，液氮泵1启动，开始给液氮储罐2进行加压，当压力达到要求时，开启超低温电磁阀4，阀门打开，液氮从液氮储罐2中进入液氮真空管3，最后由喷头7喷出。液氮从喷头喷出后汽化成氮气，体积迅速膨胀，降低了电池周围氧气浓度，使火焰无法维持，实现灭火。同时，汽化吸收了大量的热量，降低预制舱内的高温烟气的温度，随后低温氮气迅速作用于电池表面，吸收电池表面的热量，降低电池温度，相邻电池所吸收的热量不足以发生热失控，进而，电池热失控传播被抑制。而且，由于液氮汽化后体积迅速膨胀，预制舱大量的空间被难燃的氮气所占据，电池热失控产生的可燃性气体的浓度下降，电池发生复燃的危险性降低，有效阻止了电池火灾进一步蔓延。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

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