内河电池动力船消防系统设计

李国刚，景彦铭，孙智，邱延

(1.中船重工船舶设计研究中心有限公司，辽宁 大连 116001;2.中船重工船舶设计研究中心有限公司，北京 100861)

目前我国内河船舶中有99%以上仍在采用传统的柴油机直接推进，排放出包括CO、NO、SO等大量的有毒有害气体，大部分污染物直接被内河水域吸收，给水域及周边环境带来严重排放污染问题，内河船舶的技术升级、节能减排需求迫在眉睫。相比于传统采用内燃机为动力的船舶，电池动力船舶不仅在整体舒适性获得明显改善、简化了日常维护保养工作量，关键在节能环保上有着巨大优势，可实现真正意义上的“零排放”。

船舶电池动力具有特殊性，与电动汽车的标准化、规模化的设计不同，船舶本身具有很强的订制性，并且电池系统在船上的使用环境比汽车更复杂、更非标。目前船用纯电池动力推进系统仍处于起步阶段，关键技术不成熟，作为船用动力电池主推方向之一的锂电池虽然具有能量密度高和可靠安全等特点，但易于热失控，曾引发多起电池动力船舶着火事故。如何有效开展电池动力船消防系统设计，降低电池火灾风险，是船厂、船舶设计院和电池动力系统集成商需重点关注和探讨的问题。根据一艘已建造的内河电池动力游览船的电池动力系统配置情况开展消防系统设计，探讨适用于内河电池动力船的消防系统设计流程和计算方法。

1 电池动力船舶火灾原因及危害

电池热失控或电气设备故障并失火是电池动力船舶发生火灾的主要原因，其中电池热失控引发的火灾是整个电池动力系统设计重点防范内容。导致电池热失控的原因主要有系统短路和高温环境，但本质是其热量没有按照原设计意图进行相关释放。锂电池热失控表面现象有发热、鼓包和电解液分解等，其中电解液的分解会产生大量可燃气体，极易引发电池舱内的火灾或爆炸。电池一旦发生燃烧或爆炸，不仅火势迅猛不易扑灭，而且往往产生大量的烟雾，刺激人体呼吸道、眼睛和皮肤，妨碍救火工作和人员疏散，并可能对人员造成二次伤害。

2 消防系统设计

2.1 设计流程

针对电池火灾的起因、特点及危害程度，内河电池动力船消防系统设计应从火灾防治、抑制、灭火及监测预警等方面出发，同时综合考虑电池布置安装、通风、应急脱险通道等因素，制订设计流程见图1。

图1 消防系统设计流程

2.2 电池安全等级划分

出于对船舶安全和消防系统设计的整体考虑，电池动力系统应优先选用发生燃烧、爆炸风险性较低，安全等级为2的锂电池。电池安全等级评估和等级划分(见表1)主要依据其热失控试验数据，具体试验内容分为参照IEC62619—2017的安全性试验和参照GD22—2015的环境适应性试验。

表1 电池安全分级表

目标船电池动力系统采用的是磷酸铁锂电池，出厂前通过了安全性能和环境适应性能检验。在规定的环境下，电池经过过冲、过放、外部短路、热滥用、跌落、重物冲击和挤压等试验，未发生漏液、冒烟、起火和爆炸现象。根据电池出厂试验报告和热失控试验数据判定其安全等级为2。

2.3 电池舱耐热和结构性分隔

目前中国船级社相关规范中对内河电池动力船电池舱的失火危险程度未明确进行分类，按现有定义分类标准可暂归为⑨类-较大失火危险的服务处所。根据客船的耐热和结构性分隔要求，电池舱与相邻舱室的耐火完整性应为A级分隔。对于失火风险性较低的相邻舱室，其共用限界面可采用“A-0”级防火分隔，典型舱室如卫生间、空舱等，对于失火风险性较高的相邻舱室，其共用限界面应采用“A-60”级防火分隔，典型舱室如起居处所、控制站等。

2.4 通风系统设计

磷酸铁锂电池适宜长期工作温度范围为：-10 ℃～45 ℃。从动力电池使用安全和寿命角度考虑，为避免引起电池热失控，电池舱应采用强制机械通风进行温度调节。采用机械通风时，除考虑舱室的正常通风外，尚应按厂家提供的方法进行电池热交换的机械通风计算，通风计算时，散热量按最多的舱室计算，电池舱容积选用最大的一个电池舱容积进行计算。若厂家未提供计算方法，则按以下方法计算通风量。

=(+)0335Δ

(1)

式中：为电池舱最小通风量，m/h；为单个电池模块发热量，W；为其他热源发热量，W；为电池模块总数；Δ为电池舱与外面空气的最高温度差，℃；为风扇裕量常数，实际选取1.5～2.0。

电池舱一旦失火，热失控电池可能释放出有毒/可燃性气体，为此需设置一个独立的应急排风系统，其风机为非火花型。当强制动力通风系统的主通风机同时具备抽风能力时，应急排风系统的抽风机可由主通风机兼用。应急排风机自动启动应由可燃气体探测器连锁控制，当检测到电池舱内可燃气体的浓度超过其爆炸极限时，探测器应及时发出声光报警并迅速启动应急排风机。应急排风量应根据评估确定，但不应小于10次/h的换气次数，按应急排风换气次数计算通风量。

′=·

(2)

式中：′为电池舱最小应急排风量，m/h；为每小时换气次数，次/h(不小于10)；为电池舱舱容，m。

2.5 探火和报警设计

目前船舶电池舱探火和报警系统设计的主要难点在于如何提高数据采集的准确性和回馈速度。电池舱内的环境非常复杂且多变，探火和报警探测器的选用和设计应结合电池火灾的特性，在电池出现发热、鼓包或电解液分解的情况下，能够精准定位并快速发出预警，为电池火灾的快速抑制和扑灭赢得宝贵时间。

目前常用设计手段为采用可燃气体探测器、烟雾探测器和感温探测器相互组合方式，通过合理的布置发挥探测器其各自的最佳性能。探测器的具体安装要求主要依据其特性试验数据，或参照表2中的相关数值。

表2 探测器安装要求

2.6 水灭火系统设计

根据中国船级社《内河船舶法定检验技术规则》，对于船长≥50 m的客船重要机器处所应配置水灭火系统。水灭火系统一般由泵组、消防管路、消防栓、水龙带，以及消防水枪(水柱/水雾两用型)组成，对于内河电池动力船，应至少配置1只消火栓位于电池舱出入口处。内河电池动力客船水灭火系统配置依据可参照表3。

表3 客船水灭火系统配置表

目标船水灭火系统由2台总用泵兼作消防泵，独立电机驱动，通过海水总管吸水供至各消防栓，排量和压头满足各项消防设备同时工作的需求。

2.7 七氟丙烷灭火系统设计

相比于二氧化碳灭火气体，七氟丙烷(HFC-227ea) 兼具物理灭火和化学灭火作用，其所含F元素具有捕获燃烧中活性基H、OH的能力，从而阻断燃烧链。在设定实验条件下，使用9%浓度的七氟丙烷，将发生电池火灾的空间完全浸渍20 min后，明火被有效扑灭，但电池热失控未得到有效控制，存在复燃可能性。七氟丙烷系统设计用量按下式计算。

(3)

式中：为灭火剂设计用量，kg；；为海拔高度修正系数；为防护区域净容积，m；为七氟丙烷蒸汽质量体积，m/kg；为灭火剂设计浓度，%。

目标船七氟丙烷灭火系统的设计用量计算结果见表4。

表4 七氟丙烷设计用量

2.8 压力水雾灭火系统设计

在设定实验条件下，对失火的锂电池持续喷洒压力水雾100 s后，电池组温度迅速降低，明火完全扑灭且无复燃现象。对于内河电池动力船，采用压力水雾与七氟丙烷相互组合灭火系统，不但可以快速扑灭明火，还可以有效控制电池组温度，避免发生二次复燃。压力水雾灭火系统一般采用中压细水雾型式，由中压泵组单元、储水柜、区域隔离阀、压力开关、过滤器、细水雾喷头等组成。系统水流量计算如下。

1)单个喷嘴流量。

(4)

式中：为喷头的设计流量，L/min；为喷头的流量系数，可取1.6；为喷头的设计工作压力，MPa。

2)系统设计流量。

(5)

式中：为系统的设计流量，L/min；为计算喷头数；为计算喷头的设计流量，L/min；

目标船压力水雾灭火系统喷头选择及相关的流量计算见表5。

表5 压力水雾灭火系统喷头型号的流量计算结果

2.9 手提式灭火器

手提式灭火器可作为固定式气体灭火系统的替代或补充。当电池舱的甲板面积<4m时，舱内的固定式气体灭火系统可由手提式灭火器替代，手提式灭火器数量可参照公式(3)计算。当电池舱的甲板面积≥4m时，应设一定数量的手提式灭火器作为固定式气体灭火系统的补充。手提式灭火器在电池舱内的布置应合理且易于接近，在舱出入口处布置数量应≥1具，全舱内布置总数量应≥4具。

根据目标船电池舱甲板面积，手提式灭火器的配置清单见表6。

表6 手提式灭火器配置清单

2.10 脱险

为保证发生火灾时人员能迅速撤离，内河电池动力船舶电池舱应设有1条应急脱险通道。脱险通道的设计不仅要保证人员能快速到达开敞甲板，还要与起居处所的人员脱险通道相互独立。对于电池舱脱险通道一般采用倾斜角度≤65°的钢制斜梯，当舱内高度<2 m时，也可用钢制直梯进行替代。

3 结论

随着越来越多的内河船舶采用电池动力系统，电池动力船舶消防安全问题越来越被关注。消防系统设计主要根据电池热失控引发火灾特点出发，需要综合考虑电池舱温度控制、火灾的探测、火灾的扑灭、火灾的间隔以及如何去有效去除产生的烟雾、有害气体等。鉴于船舶本身具有很强的订制性，并且电池系统在船上的使用环境更复杂更非标，电池动力船舶消防安全系统设计应当按照船级社有关规定进行安全条件论证和安全评价。