电池集装箱电源灭火系统的探讨

汪 行阮 栋

（1.武汉船舶职业技术学院，湖北武汉 430050；2.武汉长江船舶设计院有限公司，湖北武汉 430062）

十四五期间，我国将严控煤炭消费增长，深入开展碳达峰行动，并在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。尤其是在船舶等重点行业，须坚持绿色优先、绿色低碳的发展道路，电池动力船是推进航运绿色化，促进安全管理智能化的创新之举，更有力推动了行业经济、能源、产业结构的转型升级，让良好的生态环境成为可持续发展的支撑。

电池动力船的电池一般布置在船舶设置的固定电池舱内。随着电池动力船的日益成熟，新的技术不断涌现，电池集装箱式移动电源，简称“箱式电源”，由陆用产品转换为船用产品，作为一门新技术出现在船人面前。

1 箱式电源特点

箱式电源系指采用集装箱作为电池安装平台的蓄电池电源系统。其内部主要用来存放蓄电池（目前以锂电池组为主），同时还存放有电池管理系统以及高压电路、低压电路系统；除此之外，内部还设有通风、空调、火灾探测系统及灭火系统。其外壳需防火分隔。

2 灭火系统的几种型式

图1 箱式电源布置图

箱式电源布置在船上，应满足船用相关规范的消防要求。相关规范对传统的蓄电池间的灭火及防火有详细描述，《纯电池动力船舶检验指南》（2019），以下简称“指南”，第8 章8.1.1.2 中写道：“箱式电源内蓄电池的布置、安装、通风、消防等要求皆应与船用主电源和/或推进电源对蓄电池及其舱（室）的要求保持一致。”

因此，我们可以把船用电池集装箱作为一个独立的蓄电池间来处理，其消防应满足《指南》第6章，第3节，灭火的相关要求。

除常规水灭火外，《指南》提出蓄电池间还需要配置以下三种固定式灭火装置之一进行保护，即压力水雾灭火系统、二氧化碳灭火系统、七氟丙烷灭火系统。

2.1 压力水雾灭火系统

用于蓄电池间的压力水雾灭火系统，须满足MSC Circ.1165 经修订的机器处所和货泵舱的等效水基灭火系统认可指南。

该系统需要设置大功率水雾泵，需要蓄电池间内的电池为其提供电源，一方面，电池船因容量受限，一般都会尽量减少用电设备；另一方面，在蓄电池间失火的情况下，该蓄电池无法提供电源驱动水雾泵组为该蓄电池间提供水雾灭火，虽然可以通过另外一套电池动力源来驱动，但也降低了该灭火系统的可靠性。

如果设置压力水雾灭火系统，蓄电池间内各设备的防护等级均会提高到IP56，增加了各电气设备的造价，还会对设备造成腐蚀。

与其它灭火系统比较起来，压力水雾灭火系统没什么明显优势，因此，电池动力船很少会使用压力水雾灭火系统。

该系统需要经过中国船级社认可，型式认可试验需要花费一大笔费用，成本回收周期长。据了解，目前很少有厂家能够生产该产品。

2.2 二氧化碳灭火系统

《纯电池动力船舶检验指南》中指出，二氧化碳灭火系统仅适用于能量型超级电容器处所，因目前船舶极少使用能量型超级电容器设备，因此本文不做深入探讨。

如果需要设置固定式二氧化碳灭火系统，因其布置方式与七氟丙烷灭火系统相似，后文也可作为其设计参考。

2.3 七氟丙烷灭火系统

七氟丙烷灭火系统，是目前电池动力船最常用、最广泛的的固定式灭火系统。

七氟丙烷是无色、无味、不导电、无二次污染的气体，具有清洁、低毒、电绝缘性好，灭火效率高的特点，特别是它对臭氧层无破坏，在大气中的残留时间比较短，是目前为止研究开发比较成功的一种洁净气体灭火剂。

七氟丙烷自动灭火系统由储存瓶组、储存瓶组架、液流单向阀、集流管、释放阀（组）、安全阀、压力信号发送器、管网、喷嘴、药剂、火灾探测器、声光报器等组成 。

3 七氟丙烷灭火系统在箱式电源上的应用

根据七氟丙烷灭火系统特点，在船用箱式电源上有以下几种应用方案。

3.1 在箱内设置独立的七氟丙烷室

此方案是在集装箱内设定一个独立的空间，其与电池舱之间分离，并按要求进行防火分隔。该独立的空间按照七氟丙烷间的要求布置，内设置一套七氟丙烷灭火系统，在电池舱失火时，船员进入该房间，按照操作规程，启动灭火系统，对电池舱进行灭火。

作为箱式电源，一般应具有可批量制造，具有通用性，互换性高的特点。各箱式电源内部空间布置应相同，七氟丙烷室的出入口位置及开门方向应相同。

而当箱式电源布置在船上时，因为各种布置条件影响，一些七氟丙烷间可能很难达到，在失火时很难靠近。

为此，可以考虑设置灭火系统遥控接口，各电池箱的遥控装置布置在船上专用房间内。遥控装置和集装箱之间可以通过电缆、或气管甚至是蓝牙或者无线网络连接。

《内河船舶法定检验技术规则》（2019）第5篇第3章第8节3.8.5.2“七氟丙烷间应设置在机舱外、干舷甲板以上，最好应能从开敞甲板进入”[2]。因此，此方案中的箱式电源不能设置在主甲板以下。

本方案的七氟丙烷原理图见图2。

图2 七氟丙烷灭火系统原理图-方案1

V1-七氟丙烷瓶组；V2-释放阀；V3-遥控释放站；V4-压力传感器；V6-吹洗阀；

V7-压力释放阀；V8-背压阀；V9-信号叫笛；V10-压力表；V11-报警器；V12-电控箱

3.2 箱内不设置七氟丙烷瓶组

此方案是在船上设置独立的七氟丙烷间，药剂瓶和控制系统均布置在该房间内，集装箱内仅设置灭火管网喷头及火灾报警。

箱式电源装船后，船上的多路七氟丙烷释放管与各集装箱上的释放管通过软管或硬管连接，火灾报警线路连接。构成完整的固定式七氟丙烷灭火系统。

电池动力船往往采用2个或更多的箱式电源，系统设计时，灭火剂量仅需要满足最大电池集装箱的剂量要求，通过设置多个区域释放阀，达到对每个箱式电源的灭火要求。当某一箱式电源内部失火时，船员进入船上的七氟丙烷间，按照操作规程，启动灭火系统，对该电池舱进行灭火。

该七氟丙烷灭火系统产品比较成熟，其原理图见图3。

图3 七氟丙烷灭火系统原理图-方案2

V1-七氟丙烷瓶组；V2-释放阀；V3-遥控释放站；V4-压力传感器；V5-喷嘴；V6-吹洗阀；

V7-压力释放阀；V8-背压阀；V9-信号叫笛；V10-压力表；V11-报警器；V12-电控箱

3.3 在各箱式电源电池舱内设置七氟丙烷自动灭火系统

此方案中，七氟丙烷钢瓶、电磁瓶头阀，管网喷头、火灾探头均布置在集装箱电池舱内，当失火时，温感或烟感探头探测到火灾，自动启动电磁瓶头阀进行释放，以达到灭火目的。

根据MSC.1/Circ.1267要求，系统中任一部件损坏时，系统仍然能释放出最低灭火浓度所需的药剂量[3]。因此，本方案需要设置两套独立的自动灭火系统，在一套出现故障时，另外一套仍然能够正常工作。在失火时，如果两套系统同时释放，将会超过规范要求的最大药剂量，故两套系统不能同时释放，需要在两套系统之间设置互锁装置，既能保证两套系统能相互备用，又能保证其中一套系统释放时，另外一套不释放。

另外，火灾探头一般在68℃发出信号，为了保证系统的正常工作，系统各部件如电缆、探头应能耐一定的温度，保证在灭火剂完全释放完毕之前，各部件不会因高温而损坏。

据调研，目前市场还无此种系统应用，需要设备厂按此要求研发新产品。最终系统见图4。

图4 七氟丙烷灭火系统原理图-方案3

V1-七氟丙烷瓶组；V2-释放阀；V3-遥控释放站；V4-压力传感器；V5-喷嘴；V6-吹洗阀；V7-压力释放阀；V8-背压阀；V9-信号叫笛；V10-压力表；V11-报警器；V12-电控箱；V13-火灾探头

4 实用案例分析比较

下面对国内采用箱式电源首制船进行上述三种灭火方案比较，见下表。

该船为集装箱运输船，在主甲板尾部设置4只20尺箱式电源。每个电池舱体积25m3。电源布置方案见图5。

根据摆放，该箱式电源应设检修通道、通风进出口应设置在前、后方。

由上述分析可知，方案二，箱内不设置七氟丙烷气瓶，船上设置独立的七氟丙烷间，可布置在图中A处，不影响前后检修通道及通风进、出口。总价格最低、重量最小，操作、检修空间要求低，为最优方案。

5 总结

箱式电源可远洋和公路运输，可移动性强，不受地域限制；集装箱可以从前后、左右及上方进行装卸作业。

车用锂电池有充电模式和换电模式的选择，船用动力电池通过箱式电源集成也可以实现充电模式和换电模式的选择。一台20 尺箱式电源，配磷酸铁锂电池，最大容量可做到1700kWh（不预留中间维护通道），常规电池动力船按照这个容量，在靠岸时，通过岸基充电作业，一般需要6-8h；而集装箱吊装作业平均3-5 分钟一只，加上管线连接作业，一台箱式电源可在码头最短时间20 分钟即可完成更换。纯电池动力船采用箱式电源，能够大幅度缩短了充电时间，提高了船只运营效率。

表1 三种灭火方案比较

图5 箱式电源布置图

在“绿色发展”的大形势下，箱式电源以其诸多优势必将得到广泛的发展和应用。

在箱式电源大规模使用之前，各基础配置应达到最优，与安全息息相关的消防系统应受到重视。

据悉，目前箱式电源更详细的规范正在制定中，本文从使用角度提出个人见解，供同行参考。