陳 滿，程志翔，趙春朋，彭 鵬，雷旗開(kāi)，金凱強(qiáng)，王青松

（1南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司儲(chǔ)能科研院，廣東 廣州 510000；2中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026）

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)30 年的發(fā)展，已占據(jù)了全球二次電池市場(chǎng)的絕對(duì)領(lǐng)先地位。目前，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子產(chǎn)品、新能源汽車等交通運(yùn)輸領(lǐng)域、航天領(lǐng)域以及電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域[1-2]。鋰離子電池具有多種型號(hào)，以18650、21700、26650等型號(hào)為主的圓柱形電池規(guī)格較為統(tǒng)一，方形硬殼電池以及軟包電池規(guī)格則較為靈活。小容量電池多為圓柱型電池，大容量電池以軟包和方形電池為主。鋰離子電池可以單獨(dú)使用，也可以將電芯組合為模組、電池簇等電池陣列來(lái)滿足不同的使用需求。伴隨著鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，廢舊鋰離子電池的回收與二次利用，也正在成為鋰電池產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)[3]。

鋰離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)則是一個(gè)新興行業(yè)，在電動(dòng)汽車快速發(fā)展的浪潮帶動(dòng)下，電化學(xué)儲(chǔ)能特別是鋰離子電池儲(chǔ)能才進(jìn)入了發(fā)展“快車道”。表1 列出了一些國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能電站事故的不完全統(tǒng)計(jì)，其中日本和比利時(shí)各1 例，美國(guó)2 例，中國(guó)4 例，其他均來(lái)自韓國(guó)自2017 年8 月至2021 年4 月間發(fā)生的儲(chǔ)能電站事故。盡管事故量少，但是儲(chǔ)能電站事故往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、嚴(yán)重的人員傷亡和惡劣的社會(huì)影響。

表1 自2011年9月至2021年4月儲(chǔ)能電站事故不完全統(tǒng)計(jì)[4]Table 1 Incomplete statistics of accidents at energy storage power stations from September 2011 to April 2021

毋庸置疑，安全是決定電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)能否良性有序發(fā)展的關(guān)鍵要素。牛志遠(yuǎn)等[5]通過(guò)FLACS軟件模擬計(jì)算了氣化電解液被點(diǎn)燃后的燃燒率、高溫和超壓，并探究了不同泄壓措施下爆炸的特性參數(shù)變化。程志翔等[6]在研究了280 Ah磷酸鐵鋰電池的產(chǎn)氣基礎(chǔ)上，在液冷艙內(nèi)進(jìn)行了不同泄壓措施對(duì)燃爆傳播的影響模擬。崔瀟丹等[7]綜合性地闡述了電池產(chǎn)氣組分和產(chǎn)氣來(lái)源反應(yīng)，并針對(duì)性地分析了氣體對(duì)應(yīng)的爆炸超壓等燃爆特性。郭超超等[8]對(duì)氣體組分中的爆炸極限的測(cè)定提供了思路。此外還有許多研究探究了電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣擴(kuò)散的規(guī)律及產(chǎn)氣的燃爆特性[9-10]，但目前對(duì)于儲(chǔ)能艙安全設(shè)計(jì)及擺放間距的研究和標(biāo)準(zhǔn)還較為匱乏，對(duì)于燃爆發(fā)生后的抑制、泄放和傳播等過(guò)程安全問(wèn)題仍有待研究。

本工作對(duì)20 呎(1 呎=30.48 cm)ISO 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能集裝箱以1∶1 建立物理模型，采用FLACS 軟件，設(shè)置不同點(diǎn)火位置以及不同的泄壓板參數(shù)條件，構(gòu)建儲(chǔ)能電站模型，探究爆炸對(duì)于周邊環(huán)境的影響，研究結(jié)果可為儲(chǔ)能電站鋰離子電池火災(zāi)事故的預(yù)警和安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 FLACS模擬設(shè)置

1.1 儲(chǔ)能集裝箱模型建立

對(duì)20 呎ISO 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能集裝箱以1∶1 建立物理模型，如圖1 所示。該儲(chǔ)能集裝箱一側(cè)為對(duì)開(kāi)門(mén)，一側(cè)為單開(kāi)逃生門(mén)，對(duì)開(kāi)門(mén)閉鎖，門(mén)上各有一個(gè)0.64 m×0.88 m的進(jìn)風(fēng)百葉窗。逃生門(mén)尺寸為1 m×2 m。網(wǎng)格方面采用了0.04 m網(wǎng)格作為最小網(wǎng)格長(zhǎng)度[11]，著火集裝箱作為核心計(jì)算區(qū)域采用0.04 m的均勻網(wǎng)格，其他計(jì)算區(qū)域進(jìn)行拉伸處理，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2。

圖1 模型建立參考圖 (a) 實(shí)際儲(chǔ)能艙圖；(b) FLACS中模型圖Fig.1 Model establishment reference diagram (a) the actual energy storage silo diagram; (b) the model diagram in FLACS

表2 儲(chǔ)能集裝箱建模尺寸Table 2 Modeling dimensions of energy storage containers

集裝箱內(nèi)兩側(cè)對(duì)稱布置有電池架，電池架中間通道寬1 m，后壁距離集裝箱內(nèi)壁0.12 m，兩側(cè)的電池架與集裝箱內(nèi)壁的距離為0.32 m，每個(gè)電池架布置10個(gè)電池模組，電池架尺寸為0.54 m×0.56 m×2.24 m(長(zhǎng)×寬×高)，模組上下間隔0.04 m，建立好的集裝箱模型如圖1(b)所示，為了簡(jiǎn)化模型設(shè)置，集裝箱內(nèi)沒(méi)有考慮PCS(儲(chǔ)能變流器)、ЕMS(能量管理系統(tǒng))、空調(diào)和氣體滅火系統(tǒng)等設(shè)備柜/艙。

Skjold 等[11]在進(jìn)行氫氣泄漏與爆炸模擬中，使用了同標(biāo)準(zhǔn)的20 呎集裝箱，并在集裝箱頂部設(shè)置6 組1 m2泄壓板，泄壓板開(kāi)啟壓力(10±25) kPa，密度6.8 kg/m2。本工作中在進(jìn)風(fēng)口百葉窗處設(shè)置了泄壓板，類型為爆破式(popout)，開(kāi)啟壓力3 kPa，逃生門(mén)處泄壓板的開(kāi)啟壓力設(shè)置為3 kPa，類型為鉸鏈?zhǔn)?hinged)。泄壓板的密度均設(shè)定為10 kg/m2。圖2 中給出了模型中在進(jìn)風(fēng)百葉窗處設(shè)置的兩個(gè)泄壓板(Panel 1 和Panel 2)，逃生門(mén)處泄壓板編號(hào)為Panel 3，見(jiàn)圖1。泄壓口的位置和大小見(jiàn)表3。為模擬最危險(xiǎn)狀態(tài)，假設(shè)可燃混合氣均勻分布且充滿儲(chǔ)能集裝箱的整個(gè)空間，混合氣體當(dāng)量比取1.05。FLACS 軟件中當(dāng)量比的計(jì)算方法如式(1)所示。

圖2 被破壞的進(jìn)風(fēng)百葉窗和模型中的泄壓板(Panel 1和Panel 2)Fig.2 Damaged intake louvers and pressure relief plates in the model (Panel 1 and Panel 2)

表3 泄壓口大小和位置Table 3 Pressure relief port size and location

式中，F(xiàn)/O 為實(shí)際的燃料氧氣比，(F/O)stich為理論狀態(tài)下燃燒氧氣比。在模型中，集裝箱中的可燃混合氣云體積約為21.73 m3，而依據(jù)Koch等[12]的研究，選取氣體成分及體積分?jǐn)?shù)分別為CH41.96%，C2H20.06%，C2H40.98%，C2H60.11%，C3H60.05%，H26.28%，CO 10.97%，CO25.66%，O215.49%，N258.44%。

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

受限空間中的氣體爆炸本質(zhì)上是一個(gè)快速、劇烈的燃燒反應(yīng)過(guò)程，氣體爆炸的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以利用一組即質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒和爆炸過(guò)程中可燃?xì)怏w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或者化學(xué)組分平衡方程來(lái)進(jìn)行求解[13-15]。FLACS軟件中對(duì)典型氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的控制方程總結(jié)如下：

理想氣體狀態(tài)方程：

式中，P是流體壓力，Pa；W是氣體的摩爾質(zhì)量；ρ是氣體密度，kg/m3；R是理想氣體狀態(tài)常數(shù)，8.314 J/(mol·k)；T是溫度。

質(zhì)量守恒方程：

式中，t是流動(dòng)時(shí)間，s；uj是j方向上的空間張量，m/s；xj是j方向上的張量。

動(dòng)量守恒方程：

式中，P是流體壓力，Pa；τij是黏性應(yīng)力的張量。能量守恒方程：

式中，E是能量，J；ГE是有效擴(kuò)散系數(shù)。

燃燒反應(yīng)過(guò)程中，燃料與氧化劑進(jìn)行有限速率的單步不可逆反應(yīng)，通過(guò)求解可燃?xì)怏w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和混合分?jǐn)?shù)可以確定這一過(guò)程：

式中，mfu是可燃?xì)怏w的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；f是混合分?jǐn)?shù)；Jf，j和Jfu，j是xj方向的擴(kuò)散通量；Rfu是可燃?xì)怏w的平均燃燒速率，m3/s；ε是湍流耗散率。

可燃?xì)怏w的燃燒火焰在傳播過(guò)程中，會(huì)以湍流方式進(jìn)行傳播，在氣體爆炸過(guò)程中，火焰的湍流傳播可以通過(guò)k-ε模型來(lái)描述，其中k是湍流動(dòng)能，ε是湍流耗散率。

湍流動(dòng)能方程：

式中，k是湍流動(dòng)能，J；ε是湍流耗散率；ueff是有效湍流黏度；σk是動(dòng)量通量。

湍流動(dòng)能耗散率方程：

式中，u是沿不同方向的速度矢量，m/s；ut是湍流黏度，m2/s；δij是克羅內(nèi)克積；C1是第一氣體常量，取1.44；C2是第二氣體常量，取1.79。

在FLACS 軟件中還對(duì)上述方程使用SIMPLЕ算法(simple interface flame)進(jìn)行了修正，以正確計(jì)算反應(yīng)過(guò)程中的沖擊波壓力和流量密度。在計(jì)算過(guò)程中，得出的輸出值是修正值和假設(shè)值的和，可以用壓力修正函數(shù)來(lái)表示，下面以速度為例給出了計(jì)算方程[1]：

式中，Pc是輸出壓力值；P#是預(yù)測(cè)值；P＊是修正值；ρR是輸出密度；u是輸出速度；k是常量；dw是壓力偏差系數(shù)。

2 集裝箱內(nèi)不同點(diǎn)火位置對(duì)爆炸危害的影響

2.1 點(diǎn)火位置設(shè)置

儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)電池?cái)?shù)量多，結(jié)構(gòu)緊湊，而且由于該儲(chǔ)能集裝箱的泄壓板位置并不是均勻布置的，所以選取了12個(gè)位置作為著火點(diǎn)。其中9個(gè)位于電池架中模組的間隔空間中，見(jiàn)圖3。1#電池架靠近逃生門(mén)，10#電池架靠近進(jìn)風(fēng)百葉窗，在每個(gè)電池架由下向上的第1、5、10 個(gè)模組上部空間中間位置設(shè)置著火點(diǎn)；另在中間通道處設(shè)置3 個(gè)著火點(diǎn)，分別位于集裝箱左側(cè)中心、正中心和右側(cè)中心(沿x軸正向排列)。

圖3 著火點(diǎn)設(shè)置Fig.3 Setting of ignition point

圖4 不同著火點(diǎn)設(shè)置時(shí) (a) 沖擊波壓力；(b) 火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.4 (a) Shock wave pressure and (b) flame propagation velocity at different ignition point settings

表4 給出了著火點(diǎn)坐標(biāo)，除著火點(diǎn)位置不同外，其他參數(shù)均為第1部分設(shè)定的默認(rèn)參數(shù)。在每個(gè)泄壓板的中心位置、集裝箱內(nèi)通道中間和集裝箱外設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

表4 著火點(diǎn)位置Table 4 Location of ignition points

2.2 結(jié)果分析

為了量化燃爆危險(xiǎn)性結(jié)果，我們重點(diǎn)分析了計(jì)算區(qū)域中沖擊波壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣群托箟喊宓钠骄鶋毫?。? 給出了上述3 個(gè)參量的最大值，其中沖擊波壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣葹橛?jì)算過(guò)程中不同時(shí)刻的最大值。

表5 爆炸特征參數(shù)隨著火點(diǎn)變化情況Table 5 Variation of explosion characteristic parameters with fire point

從表5 可以看出，當(dāng)著火點(diǎn)布置在電池架中時(shí)，隨著著火位置向百葉窗遷移，2 個(gè)進(jìn)風(fēng)百葉窗處的泄壓板的平均壓力升高而逃生門(mén)處降低；逃生門(mén)處泄壓板的壓力相對(duì)進(jìn)風(fēng)百葉窗處壓力較大，但是差距很小。

當(dāng)著火點(diǎn)設(shè)置在中部時(shí)，模擬結(jié)果中壓力、速度都是該電池架中3個(gè)著火點(diǎn)中最高的，Case 2中最大壓力有些偏低，可能是數(shù)據(jù)輸出頻率的原因。3個(gè)電池架中，著火點(diǎn)在1#和10#時(shí)由于火焰有更長(zhǎng)的傳播距離，壓力較高，其中10#電池架臨近進(jìn)風(fēng)百葉窗，兩個(gè)百葉窗的泄壓表面積為1.1264 m2(0.5632×2)，小于逃生門(mén)的2 m2，且位置更低，導(dǎo)致火焰在傳播過(guò)程中受的約束更大，所以壓力和速度更高。

當(dāng)著火點(diǎn)設(shè)置在中間過(guò)道中時(shí)，依然是布置在近逃生門(mén)一側(cè)區(qū)域的中間位置時(shí)(Case 12)壓力和速度較高。另外，由于逃生門(mén)直接面對(duì)壓力波的沖擊，所以Panel 3的平均壓力較大。12種工況里火焰速度都沒(méi)有超過(guò)1000 m/s，即都沒(méi)有發(fā)生爆轟，除了Case 8、Case 10和Case 12中峰值速度超過(guò)了聲速，其余也都在聲速以下，只是發(fā)生了爆燃。

圖5 和圖6(a)～(b)分別給出了高度為0.86 m和1.12 m 截面上的2D 溫度分布情況，可以看出，開(kāi)始起火后，火焰沿著通道向兩側(cè)傳播，當(dāng)火焰?zhèn)鞑サ絻蓚?cè)壁面時(shí)，由于逃生門(mén)較高，壓力波沖破泄壓板后火焰直接噴出；在進(jìn)風(fēng)百葉窗一側(cè)，火焰需要沿著集裝箱壁面向下傳播，而后才能噴出，所以噴出時(shí)刻較為滯后。如圖6(c)所示，Panel 3 處的壓力先出現(xiàn)突變。火焰釋放到外部空間后，逃生門(mén)處火焰呈球狀向外傳播；進(jìn)風(fēng)百葉窗處則是兩個(gè)小的半球各向約45°方向傳播。在逃生門(mén)一側(cè)，火焰最遠(yuǎn)傳播到5 m以外。在集裝箱外，最大沖擊波壓力集中在逃生門(mén)外約2.5 m側(cè)，且靠近地面。

圖5 著火點(diǎn)設(shè)置在通道中間時(shí)，Case 11中Z = 0.86 m處截面2D燃燒產(chǎn)物比例分布圖Fig.5 2D combustion product distribution diagram at Z=0.86 m section in Case 11 when the ignition point is set in the middle of the channel

圖6 (a) 和 (b) 著火點(diǎn)設(shè)置在通道中間時(shí)，Case 11中Y=1.22 m處截面2D燃燒產(chǎn)物比例和最大壓力分布；(c) Case 11泄壓板中心處壓力隨時(shí)間變化情況；(d) Case 11泄壓口外側(cè)沖擊波壓力隨時(shí)間變化情況Fig.6 (a) and (b): When the ignition point is set in the middle of the channel, the 2D combustion product and maximum pressure distribution at the cross section of Y=1.22 m in Case 11; (c) Change of pressure at the center of Case 11 pressure relief plate with time; (d) Time dependent variation of shock wave pressure outside the pressure relief port of Case 11

模擬結(jié)束后，燃燒產(chǎn)物基本可以充滿整個(gè)集裝箱，只是在進(jìn)風(fēng)百葉窗一側(cè)上部仍然有部分氣體未燃燒。此外，還分析了各泄壓板外側(cè)5 m 和10 m處的沖擊波壓力隨時(shí)間變化情況，如圖6(d)所示。發(fā)現(xiàn)10 m 處基本不受氣體爆炸影響，沖擊波壓力最大值出現(xiàn)在逃生門(mén)一側(cè)，約為3.67 kPa，不會(huì)對(duì)人體和構(gòu)筑物造成影響；距離5 m處的壓力發(fā)生很大改變，沖擊波壓力在逃生門(mén)一側(cè)達(dá)到了17.40 kPa，不會(huì)對(duì)人體造成影響，但是已經(jīng)能對(duì)建筑物的構(gòu)件造成危害，進(jìn)風(fēng)口百葉窗一側(cè)則仍舊低于造成玻璃破裂的最低值5 kPa。

綜上，當(dāng)著火點(diǎn)出現(xiàn)在電池架的中間位置時(shí)是最危險(xiǎn)的；另外，火焰受約束的時(shí)間越長(zhǎng)，爆炸危害越高。當(dāng)著火點(diǎn)出現(xiàn)在通道中時(shí)，由于火焰不用從電池架中的空隙中蔓延出，可以直接向四周傳播，能量損失較少，表現(xiàn)出較高的沖擊波壓力。

3 集裝箱內(nèi)不同泄壓板開(kāi)啟壓力對(duì)爆炸危害的影響

3.1 泄壓板設(shè)置

針對(duì)儲(chǔ)能集裝箱實(shí)際設(shè)計(jì)，就不同泄壓口設(shè)置情況對(duì)熱失控產(chǎn)氣爆炸危害的影響做如表6 設(shè)置。除泄壓板外，其他初始條件為：初始溫度25 ℃，環(huán)境壓力100 kPa，著火點(diǎn)設(shè)置在集裝箱幾何中心(走道中心位置)。

表6 泄壓板設(shè)置情況Table 6 Setting of pressure relief plate

3.2 模擬結(jié)果分析

表7給出了泄壓板設(shè)置為不同狀態(tài)時(shí)，模擬結(jié)果中的一些關(guān)鍵參數(shù)。Case 1 中，假設(shè)集裝箱是一個(gè)密封空間，并且可以承受住氣體爆炸后產(chǎn)生的壓力和高溫。模擬后發(fā)現(xiàn)，最終集裝箱內(nèi)的壓力可以達(dá)到666.80 kPa，約為6.6 個(gè)大氣壓。當(dāng)然這種極端條件基本不會(huì)出現(xiàn)，不過(guò)如果儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)發(fā)生了氣體爆炸而又不能將高溫高壓的火焰和燃燒產(chǎn)物及時(shí)釋放出去的話，勢(shì)必會(huì)造成非常嚴(yán)峻的后果。

表7 爆炸特征參數(shù)隨泄壓板設(shè)置變化情況Table 7 Changes of explosion characteristic parameters with relief plate settings

對(duì)比Case 2 和Case 6，當(dāng)泄壓板只設(shè)置在進(jìn)風(fēng)口百葉窗處時(shí)，由于泄壓面積小，且位置較為靠近地面，不能及時(shí)釋放沖擊波和火焰，所以盡管泄壓口處的平均壓力相差不大，但是Case 2 中火焰速度遠(yuǎn)高于Case 6，達(dá)到了2倍以上。

對(duì)比Case 2～5，發(fā)現(xiàn)隨著泄壓板開(kāi)啟壓力的升高，計(jì)算區(qū)域內(nèi)沖擊波壓力首先升高，這是因?yàn)榛鹧姹幌拗圃诩b箱內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)，當(dāng)泄壓板開(kāi)啟后，噴出的火焰速度也更快，在Case 4 和Case 5中，火焰?zhèn)鞑ニ俣确謩e達(dá)到了1137 m/s和1229 m/s，發(fā)生了爆轟。此外，Case 5 中峰值壓力達(dá)到了143.10 kPa，其威力足以造成“防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌”或者“大部分人員死亡”，破壞性極強(qiáng)。泄壓板處壓力約33 kPa，也可以造成人員輕傷并對(duì)建筑物造成一定破壞。

對(duì)比Case 6～9，發(fā)現(xiàn)盡管提高了泄壓板的工作壓力會(huì)造成沖擊波壓力和傳播速度的升高，但是增加了泄壓口數(shù)量后，可以有效降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?。在泄壓板開(kāi)啟壓力相同的情況下，相較于僅在進(jìn)風(fēng)百葉窗處設(shè)置泄壓板，速度值的減少量分別為412.9 m/s、482.8 m/s、519.5 m/s 和257.4 m/s，降低的比例在逐步減小，由55%逐步降低到了21%。

對(duì)比Case 6 和Case 10，發(fā)現(xiàn)當(dāng)有一個(gè)較大的泄壓板的開(kāi)啟壓力較低時(shí)，盡管該處噴出的沖擊波壓力有小幅度升高，但是計(jì)算區(qū)域內(nèi)的平均壓力和火焰速度都與泄壓板爆炸值較低時(shí)接近。Case 10中沖擊波壓力較Case 6 略高，火焰速度則基本相同。以上規(guī)律在圖7中表現(xiàn)得較為明顯。

圖7 不同著火點(diǎn)設(shè)置時(shí) (a) 沖擊波壓力和 (b) 火焰?zhèn)鞑ニ俣菷ig.7 (a) Shock wave pressure and (b) flame propagation velocity at different ignition point settings

在所有帶有泄壓板的工況中，當(dāng)泄壓板開(kāi)啟壓力為10 kPa、20 kPa和30 kPa時(shí)，泄壓板的平均壓力峰值基本上是和開(kāi)啟壓力接近的，即在泄壓板開(kāi)啟后，壓力并不會(huì)大幅度升高；當(dāng)泄壓板設(shè)置為3 kPa 時(shí)，總體的壓力值很低，但是峰值壓力明顯要高于泄壓板工作壓力，表明泄壓板開(kāi)啟后，集裝箱內(nèi)的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)。

圖8 給出了Case 5 和Case 9 中泄壓板中心高度處的壓力隨時(shí)間變化情況，可以發(fā)現(xiàn)沖擊波壓力可以傳播到集裝箱外10 m 處，但不會(huì)超過(guò)15 m。Case 9 中逃生門(mén)中心點(diǎn)外壓力更高，可以達(dá)到110 kPa以上，非常危險(xiǎn)。

圖8 Case 5和Case 9中，泄壓板外測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化情況 (測(cè)點(diǎn)高度與各泄壓板中心高度相同)Fig.8 Case 5 and Case 9, the pressure variation at the external measuring point of the pressure relief plate with time (the height of the measuring point is the same as the center height of each pressure relief plate)

因此，盡可能地將泄壓板的開(kāi)啟壓力設(shè)小，同時(shí)增加泄壓口的數(shù)量，并確保發(fā)生爆炸時(shí)，沖擊波和火焰?zhèn)鞑ヂ窂缴蠜](méi)有障礙物或者障礙物較少，火焰和沖擊波可以少受約束直接釋放到外部空間中，這樣可以減少爆炸危害。

4 集裝箱布置方式對(duì)爆炸危害的影響

4.1 模型設(shè)置

根據(jù)《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(征求意見(jiàn)稿)》中7.5.5，設(shè)置集裝箱短邊側(cè)距離為5 m，長(zhǎng)邊側(cè)距離為3 m。實(shí)際應(yīng)用中，儲(chǔ)能集裝箱宜根據(jù)實(shí)際地形，因地制宜呈豎向布置，所以將9個(gè)集裝箱布置成3 排，如圖9 所示。令逃生門(mén)側(cè)為A 側(cè)，進(jìn)風(fēng)口百葉窗側(cè)為B側(cè)，工況設(shè)置情況見(jiàn)表8。

圖9 多集裝箱模型設(shè)置情況Fig.9 Multi-container model settings

表8 集裝箱布置情況Table 8 Container layout

4.2 模擬結(jié)果分析

圖10給出了計(jì)算結(jié)束后5種工況下燃燒產(chǎn)物的3D 分布圖(火焰云圖)。Case 1 和Case 2 是為了判定沖擊波壓力對(duì)泄壓板的影響，燃燒產(chǎn)物分布情況相同，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，從逃生門(mén)處釋放的火焰體積更大，傳播距離更遠(yuǎn)。Case 3 較Case 2 提高初始溫度為50 ℃，模擬結(jié)果變化不大；Case 4增加了布置間距后，發(fā)現(xiàn)火焰前鋒距離另一個(gè)集裝箱還有5 m 左右的安全距離，并不會(huì)直接接觸其他集裝箱。Case 5 在Case 2 的基礎(chǔ)上，在氣云中混入了體積分?jǐn)?shù)為50%的CO2氣體，以模擬惰性氣體對(duì)爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)到了2.102 s，并且燃燒產(chǎn)物很少。另外，由于儲(chǔ)能集裝箱的側(cè)邊并沒(méi)有模擬任何開(kāi)孔，所以中間發(fā)生爆炸的集裝箱并不會(huì)對(duì)同一排沿長(zhǎng)邊布置的集裝箱產(chǎn)生影響，因此3 m的距離是足夠安全的。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，當(dāng)一側(cè)集裝箱門(mén)開(kāi)啟時(shí)，其展開(kāi)寬度應(yīng)在1.22～1.5 m，為了能夠在集裝箱門(mén)開(kāi)啟時(shí)仍可以保證人員通過(guò)，不建議間距少于2.5 m；若設(shè)置為3 m，當(dāng)在集裝箱周圍0.5～1 m 處增設(shè)防爆墻時(shí)，兩集裝箱側(cè)面間距1～2 m，依然可以滿足工人日常檢修及通行，但是較難滿足消防救援的空間需求。針對(duì)這一問(wèn)題，可以將2個(gè)集裝箱側(cè)向間距縮小，把多個(gè)集裝箱劃分為一個(gè)防護(hù)單元/防火分區(qū)，在滿足消防需求的同時(shí)還可以提高土地利用率。

圖10 不同布置方式下計(jì)算結(jié)束后燃燒產(chǎn)物3D分布圖Fig.10 3D distribution diagram of combustion products after calculation under different arrangements

圖11 給出了起火集裝箱泄壓板兩側(cè)集裝箱的泄壓板平均壓力隨時(shí)間變化情況。Case 4 中泄壓板平均壓力的絕對(duì)值在0.3 kPa以下，不能對(duì)2#和7#集裝箱造成影響；Case 3 中，泄壓板平均壓力的絕對(duì)值在3 kPa以下，基本不會(huì)造成泄壓板的破裂。Case 1 和Case 2 中泄壓板平均壓力的絕對(duì)值超過(guò)了3 kPa，泄壓板有破裂的危險(xiǎn)；但是初始溫度提高只會(huì)導(dǎo)致沖擊波壓力小幅度升高，因此當(dāng)間距在5 m以上時(shí)，更重要的是保證儲(chǔ)能系統(tǒng)在瞬時(shí)高溫下能夠確保集裝箱內(nèi)部的電池架、PCS等不受損傷，避免集裝箱級(jí)別的電池火災(zāi)蔓延。

圖11 2#和7#集裝箱面向著火點(diǎn)一側(cè)泄壓板壓力隨時(shí)間變化情況Fig.11 Pressure variation of pressure relief plate on the side of 2 # and 7 # containers facing the ignition point over time

5 結(jié)論

本工作使用FLACS 軟件，對(duì)儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)的熱失控氣體燃爆危害進(jìn)行了模擬研究，研究了起火位置、環(huán)境溫度、泄壓板設(shè)置情況對(duì)爆炸危害的影響，同時(shí)初步探究了多集裝箱成組布置方式。主要結(jié)論如下：

（1）著火點(diǎn)位置會(huì)影響爆炸過(guò)程的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，?dāng)著火點(diǎn)位于電池架中間位置時(shí)，上述2個(gè)參數(shù)都較底部和頂部著火時(shí)要高；當(dāng)著火點(diǎn)位于近進(jìn)風(fēng)百葉窗一側(cè)時(shí)，由于百葉窗位置較低且面積較小，不能迅速地釋放火焰，火焰和壓力波受約束更強(qiáng)，時(shí)間也更久，導(dǎo)致其傳播速度加快，沖擊波壓力升高，分別可以達(dá)到557.0 m/s 和41.28 kPa。此外，著重分析了當(dāng)著火點(diǎn)在通道中心處的場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)爆炸可以對(duì)泄壓板外側(cè)5 m處壓力造成很大改變。沖擊波壓力在逃生門(mén)一側(cè)達(dá)到了17.40 kPa，不會(huì)對(duì)人體造成影響，但是已經(jīng)能對(duì)建筑物的構(gòu)件造成危害；進(jìn)風(fēng)口百葉窗一側(cè)的沖擊波壓力則低于可對(duì)建筑物造成破壞的最低值，即在5 kPa以下。

（2）泄壓板的設(shè)置情況對(duì)爆炸危險(xiǎn)性的影響較為顯著。當(dāng)僅在進(jìn)風(fēng)百葉窗處設(shè)置泄壓板且將開(kāi)啟壓力設(shè)置為30 kPa 時(shí)，整個(gè)模擬過(guò)程中計(jì)算區(qū)域中的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯捣謩e達(dá)到143.10 kPa 和1229 m/s，已經(jīng)發(fā)展成為爆轟，可以對(duì)集裝箱造成嚴(yán)重破壞。因此，應(yīng)盡可能地將泄壓板的開(kāi)啟壓力設(shè)小，同時(shí)增加泄壓口的數(shù)量，并確保發(fā)生爆炸時(shí)，沖擊波和火焰?zhèn)鞑ヂ窂缴蠜](méi)有障礙物或者障礙物較少，確?；鹧婧蜎_擊波可以少受約束直接釋放到外部空間中，以減緩爆炸危害。

（3）研究了儲(chǔ)能集裝箱的布置方式對(duì)爆炸后果的影響。基于鋰離子電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性，建、構(gòu)筑物的防火間距，以及物料的運(yùn)輸和消防布置等方面的考慮，對(duì)長(zhǎng)邊間距3 m，短邊間距分別為5 m 和10 m，泄壓板開(kāi)啟壓力3 kPa，著火點(diǎn)在通道中心處的幾組工況做了對(duì)比。模擬結(jié)果表明，當(dāng)短邊間距為10 m 時(shí)，沖擊波壓力對(duì)周圍集裝箱的影響微少；短邊間距為5 m時(shí)，對(duì)集裝箱的沖擊波壓力接近于3 kPa，造成泄壓板破裂的可能較小，這時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考量熱輻射、碎片飛濺等對(duì)集裝箱的影響。另外，及時(shí)注入CO2等惰性氣體，是可以有效減緩爆炸反應(yīng)，降低反應(yīng)危險(xiǎn)程度的有效措施。