本发明涉及锂离子电池热失控火灾消防的领域，更特别地涉及一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防技术及其控制策略。
背景技术：
1、目前，新能源汽车和储能电池行业发展迅速，锂离子电池由于具有比能量高、安全性高、循环寿命长等突出优点成为主要的动力来源和储能介质。在锂离子电池的使用过程中，由于机械滥用、电滥用和热滥用等诱因，易导致热失控现象的发生，引发着火、爆炸等一系列安全问题。另外，锂离子电池热失控后，内部发生一系列化学链式反应，释放出可燃、有毒气体和固体颗粒物，造成环境污染、危害人体健康，如果得不到及时控制，还可能导致更严重的火灾事故。因此，研究锂离子电池热失控和火灾特性，并在此基础上提出高效、可靠、低成本的防控策略对于促进新能源汽车和储能电站的安全运行和行业发展具有重要的意义。
2、随着锂离子电池储能向大型化、高能量密度化方向的发展，锂离子电池热失控风险逐步提高，火灾危害也逐渐增大。锂离子电池热失控过程的提前预警和精准高效防控可以快速抑制锂离子电池的热失控过程和火灾蔓延，削减锂离子电池热灾害。基于气-固污染物的热失控预警方法可以在锂离子热失控喷气阶段及时采取措施避免火灾发生。一旦火灾发生后，反应迅速、高效、精准的消防方法可以迅速阻断火焰传播，防止火灾和污染危害的进一步扩大。目前基于气-固污染物检测的热失控预警方法存在检测气体类型和传感器位置难以确定、预警算法准确度低的问题，容易造成漏报误报，严重影响热失控预警的准确性。此外，现有的单一灭火介质灭火方法也存在冷却性能、灭火效率、污染物消除效果以及成本难以兼顾的问题。由此可知，深入剖析锂离子电池热失控射流发展、燃烧过程以及污染物演化过程为基于气-固污染物监测的热失控诊断提供参考并开发多种介质联合的复合新型灭火方式，对于提高锂离子电池储能系统的安全性至关重要。
3、由于灭火效率高、防复燃特性强，液体灭火介质是目前锂离子电池适用范围最广的灭火介质。然而，单一的液体灭火介质在冷却效果、防复燃、使用成本等方面各具优缺点。目前，液氮的冷却降温效果较为优异而水基f-500微胞囊灭火剂除了燃烧阻断功能还可以降低污染物的排放，因此，将微胞囊灭火剂和液氮复合的灭火技术用于锂离子电池火灾控制，可实现最佳的热失控抑制、火灾阻断和污染物减排效果。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站消防系统及其控制策略。
2、本发明解决所述储能系统问题的技术方案是：一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统，该系统包括水基微胞囊灭火介质储存和供给装置、液氮储存和供给装置、水基微胞囊灭火介质加热装置、复合灭火介质同心喷射器、舱级消防装置、消防污染物处理装置；
3、所述水基微胞囊灭火介质储存和供给装置中，水基微胞囊灭火介质储存罐上连接的水基微胞囊灭火介质供给管道依次经过水基微胞囊灭火介质供给总电磁阀、水基微胞囊灭火介质供给泵后，分为两个支管布置到电池pack处：一个支管上设置水基微胞囊灭火介质供给舱级左侧电磁阀，另一支管上设置水基微胞囊灭火介质供给舱级右侧电磁阀；电池pack处的水基微胞囊灭火介质供给管道上设置水基微胞囊灭火介质喷射pack级电磁阀；
4、所述液氮储存和供给装置中，液氮储存罐上连接的液氮供给管道依次经过液氮供给总电磁阀、液氮供给泵后，分为两个支管布置到电池pack处；电池pack处的液氮供给管道上设置液氮喷射pack级电磁阀；两个支管中的一个支管上设置液氮供给舱级左侧电磁阀，另一个支管上设置液氮供给舱级右侧电磁阀；
5、水基微胞囊灭火介质供给管道经过水基微胞囊灭火介质喷射pack级电磁阀后，液氮供给管道经液氮喷射pack级电磁阀后，共同连接至复合灭火介质同心喷射器；
6、所述舱级消防装置中，储能电池舱外部的舱级消防水供给管道上依次设置舱级消防水供应电磁阀和舱级消防泵，储能电池舱内部的舱级消防水供给管道上设置舱级消防水喷射控制电磁阀和多组舱级消防水雾喷头；
7、所述消防污染物处理装置中，水基微胞囊灭火介质供给管道的末端设置污染物处理水基微胞囊灭火介质电磁阀和污染物处理水基微胞囊灭火介质喷头；储能电池舱的一端设置舱头部防爆风机，另一端通过水槽前排气管连接至水槽，所述水槽前排气管上依次设置干燥器、排气管防爆风机和活性炭吸附器，水槽上还设有水槽进水电磁阀和水槽后排气管；
8、该系统还包括具备温度、烟雾及可燃气体传感功能的复合火灾探测器，电池pack内布置有温度传感器、气体传感器、电池压力传感器和电流传感器。
9、所述水基微胞囊灭火介质加热装置包括太阳能光伏板、超级电容、加热控制装置和水基微胞囊灭火介质电加热丝，水基微胞囊灭火介质电加热丝设置在水基微胞囊灭火介质储存罐中。
10、所述符合灭火介质同心喷射器的中心处通过液氮进口管连接液氮压力腔，液氮压力腔底部设置液氮喷口；液氮压力腔外侧设置多组水基微胞囊灭火介质进口管连接的水基微胞囊灭火介质压力腔，水基微胞囊灭火介质压力腔的底部设置水基微胞囊灭火介质喷口。
11、所述液氮喷口与水基微胞囊灭火介质喷口为同心设置。
12、一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统的控制方法，包括以下步骤：
13、步骤1，储能电池舱开启运行，储能电池舱内储能电池簇开始供电，每个电池pack内的温度传感器、气体传感器、电池压力传感器和电流传感器开始实时监测；
14、步骤2，储能电池舱内置储能消防系统的控制单元，储能消防系统的控制单元根据储能电池簇内每个电池pack输出的温度和可燃气体信号判定是否发生pack级热失控；如果输出温度或者可燃气体超过了设定限值并持续30s以上，可判定发生pack级热失控，首先切断pack电流通路。
15、步骤3，若只有pack级温度监测值超过了设定限值并持续30s以上，只打开液氮供给通路；若可燃气体浓度超限且持续时间超过30s，同时打开液氮和水基微胞囊灭火介质供给通路，实现水基微胞囊灭火介质/液氮复合消防；
16、所述液氮供给通路：开启液氮供给总电磁阀，控制液氮供给泵将液氮储存罐中的液氮供给到液氮供给舱级左侧电磁阀和液氮供给舱级右侧电磁阀；
17、根据发生热失控电池pack的具体位置，判定打开液氮供给舱级左侧电磁阀或者液氮供给舱级右侧电磁阀，如两边均有发生热失控的电池pack，则两者同时打开；液氮喷射pack级电磁阀根据控制信号开启，液氮供给到复合灭火介质同心喷射器；
18、所述水基微胞囊灭火介质供给通路：开启水基微胞囊灭火介质供给总电磁阀，水基微胞囊灭火介质供给泵将水基微胞囊灭火介质储存罐中的水基微胞囊灭火介质供给到水基微胞囊灭火介质供给到舱级左侧电磁阀和水基微胞囊灭火介质供给舱级右侧电磁阀；
19、根据发生热失控电池pack的具体位置，判定打开水基微胞囊灭火介质供给到舱级左侧电磁阀或者水基微胞囊灭火介质供给舱级右侧电磁阀电磁阀，如两边均有发生热失控的电池pack，则两者同时打开；水基微胞囊灭火介质喷射pack级电磁阀根据控制信号开启，水基微胞囊灭火介质供给到复合灭火介质同心喷射器；
20、步骤4，实时监测电池pack输出的温度和可燃气体信号，若监测到温度信号数值持续增加或者温度降低速率低于限值，控制液氮供给泵和/或水基微胞囊灭火介质供给泵转速增加；若监测到温度信号数值降低、可燃气体信号数值升高，仅控制水基微胞囊灭火介质供给泵增加转速，否则控制液氮供给泵和水基微胞囊灭火介质供给泵转速不变；
21、步骤5， 在实时监测电池pack输出的温度和可燃气体信号的过程中，如果监测到温度和可燃气体信号均低于低限值，判定电池pack级热失控结束，切断上述液氮和水基微胞囊灭火介质供给通路，两者喷射中止。
22、步骤6，在储能电池舱运行过程中，储能电池舱内的复合火灾探测器实时探测舱内温度、烟雾和可燃气体浓度；
23、如果温度信号超过限值且持续5s以上则判定发生舱级热失控；
24、若烟雾和/或可燃气体浓度超限时，结合电池pack级热失控信号进行判定，若超过1个电池pack发生热失控，则判定舱级热失控发生，否则判定没有发生舱级热失控；
25、步骤7，判定舱级热失控发生后，启动舱级消防，切断储能电池舱工作电路，舱级消防水供应电磁阀和舱级消防水喷射控制电磁阀打开，控制舱级消防泵将消防水供给到舱级消防水雾喷头；
26、舱级消防启动后，复合火灾探测器实时探测储能电池舱内温度、烟雾和可燃气体浓度，三者同时小于限值后，关闭消防水供应电磁阀和舱级消防水喷射控制电磁阀。
27、步骤8，在储能电池舱运行过程中，加热控制装置实时获取超级电容电量，超级电容电量低于70%时，启动超级电容充电模式，阳光充足的情况下太阳能光伏板为超级电容供电，直到超级电容电容电量达到90%，切断供电；
28、当超级电容电量高于20%且水基微胞囊灭火介质储存罐内温度小于-3°c时，加热控制装置控制超级电容向水基微胞囊灭火介质电加热丝供电的供电电流，直到水基微胞囊灭火介质储存罐内温度达到3°c以上后停止加热；
29、若加热过程中超级电容电量小于20%随时切断超级电容放电电路，此时若太阳能光伏板具备发电能力，直接给水基微胞囊灭火介质电加热丝供电。
30、步骤9，在储能电池舱运行过程中，只要监测到可燃气体浓度超限，启动排气管防爆风机和舱头部防爆风机，将可燃和有毒气体导出储能电池舱；水槽中内置液面传感器，每次热失控结束后水槽泄水孔打开，水槽中水泄空，泄空后控制水槽进水电磁阀打开，进水到最高液位。
31、与现有技术相比，本发明有益效果在于：
32、（1）将水基微胞囊灭火介质和液氮复合的灭火技术用于锂离子电池火灾控制，充分利用水基微胞囊灭火介质的燃烧阻断效果和污染物吸收效果以及液氮优异的降温效果，可兼顾热失控抑制、火灾阻断和污染物减排性能，在综合性能上优于现在的单一介质灭火技术。
33、（2）系统同时集成了舱级和pack级的灭火方案，pack级灭火采用复合灭火方法，舱级灭火采用细水雾，全方位抑制储能电池热失控并控制成本。
34、（3）系统中考虑了低温工况下水基微胞囊灭火介质的正常供应，设计了水基微胞囊灭火介质加热装置，并采用可再生能源功能提高系统整体效率，保证了系统全季度工作可靠性。
35、（4）系统中集成了电池热失控后处理装置，全面处理热失控释放有毒气体中的有机物、颗粒物和酸性气体。
1.一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统，其特征在于：该系统包括水基微胞囊灭火介质储存和供给装置、液氮储存和供给装置、水基微胞囊灭火介质加热装置、复合灭火介质同心喷射器、舱级消防装置、消防污染物处理装置；
2.根据权利要求1所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统，其特征在于：所述水基微胞囊灭火介质加热装置包括太阳能光伏板（135）、超级电容（136）、加热控制装置（137）和水基微胞囊灭火介质电加热丝（102），水基微胞囊灭火介质电加热丝（102）设置在水基微胞囊灭火介质储存罐（101）中。
3.根据权利要求1所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统，其特征在于：所述符合灭火介质同心喷射器（105）的中心处通过液氮进口管（207）连接液氮压力腔（206），液氮压力腔（206）底部设置液氮喷口（205）；液氮压力腔（206）外侧设置多组水基微胞囊灭火介质进口管（202）连接的水基微胞囊灭火介质压力腔（203），水基微胞囊灭火介质压力腔（203）的底部设置水基微胞囊灭火介质喷口（204）。
4.根据权利要求3所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统，其特征在于：所述液氮喷口（205）与水基微胞囊灭火介质喷口（204）为同心设置。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤3，若只有pack级温度监测值超过了设定限值并持续30s以上，只打开液氮供给通路；若可燃气体浓度超限且持续时间超过30s，同时打开液氮和水基微胞囊灭火介质供给通路，实现水基微胞囊灭火介质/液氮复合消防；
7.根据权利要求5所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统的控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
8.根据权利要求6所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统的控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
9.根据权利要求7所述的一种基于水基微胞囊灭火介质/液氮复合灭火方法的储能电站复合消防系统的控制方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
