吳石書 李夏川 路朝陽 葉勒拜·哈里別克 付建民

（1．國網(wǎng)青島市電力公司，山東 青島 266000；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580）

0 引言

蓄電池是相對獨(dú)立的電源，不受電網(wǎng)影響，同時具備儲能、使用簡單以及電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在變電站、通信電源、應(yīng)急電源、UPS 等方面發(fā)揮著重要作用。作為一種儲存和應(yīng)用電能的新方式，鋰電池受到越來越多的關(guān)注，逐漸替代了變電所中的閥控式鉛酸蓄電池［1］。與傳統(tǒng)充電電池相比，鋰電池具有工作電壓高、記憶效果小、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。

但是由于電池本身特殊的理化特性，在過充、高溫環(huán)境等情況下，隨著溫度的升高，有機(jī)溶劑被汽化，電解質(zhì)與電極反應(yīng)或自分解，電池內(nèi)部壓力隨著加熱逐漸增加，當(dāng)電池外殼或安全閥無法承受內(nèi)部高壓時，會排出易燃?xì)怏w［2］。嚴(yán)重時造成熱失控，無法控制的熱量釋放伴隨著爆燃或射流火，從而影響其他電池組，引起連鎖反應(yīng)。在這種情況下，人員行為策略與應(yīng)急資源配置極為關(guān)鍵，不同策略選擇會帶來不同影響［3-5］。

目前，國內(nèi)外在電池火災(zāi)的單個電池?zé)崾Э靥匦院突馂?zāi)動力學(xué)研究方面進(jìn)行了大量工作。如MAO B B等［6］對18650 型鋰離子電池進(jìn)行燃燒測試，建立并驗(yàn)證了該型號鋰電池的氣體生成、射流與火災(zāi)動力學(xué)模型，電池的內(nèi)部壓力、火焰形狀與高度對鋰電池組上的消防系統(tǒng)設(shè)計有指導(dǎo)意義。LIU P J 等［1］在開放和密閉空間2 種條件下進(jìn)行鋰電池燃燒測試與危害分析，分別記錄和分析了火焰行為、溫度特性、電壓和質(zhì)量變化、放熱速率、氣體產(chǎn)生和毒性演變情況，結(jié)果表明，密閉柜中只發(fā)生了短暫的燃燒過程，窒息氣體的影響比刺激性氣體更顯著。因?yàn)榇蟪叨鹊匿囯姵亟M火災(zāi)試驗(yàn)具有較大的危險性和不可控性，所以普遍采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行鋰電池組火災(zāi)研究。潘鳴宇等［7］利用FDS 進(jìn)行電動汽車鋰離子電池組火災(zāi)數(shù)值模擬研究，通過分析火災(zāi)過程中的熱釋放速率、煙氣、能見度以及有害氣體濃度變化規(guī)律，定性評價了車輛內(nèi)部火災(zāi)風(fēng)險。陳吉清等［8］則以單體電池為研究對象，通過熱失控試驗(yàn)與燃燒過程模擬仿真對比，分析火情演變過程和溫度隨時間的變化曲線，驗(yàn)證了FDS 模擬結(jié)果的可靠性。

可以看出，關(guān)于鋰電池組火災(zāi)對人員安全影響的研究比較少，所以筆者通過模擬變電站電池間鋰電池組火災(zāi)的煙氣蔓延特性，對比分析不同工況下溫度、能見度、有毒氣體分布規(guī)律。將火災(zāi)后果與Pathfinder 的人員疏散仿真進(jìn)行耦合，研究氣體物質(zhì)的量之比、溫度等因素對人員疏散的影響，并對不同應(yīng)急資源配備方案與查勘救援策略進(jìn)行比較分析。

1 模型構(gòu)建

選擇某企業(yè)變電站作為研究對象，主要針對蓄電池室早期火災(zāi)的情況進(jìn)行分析。

1.1 物理模型

該模型的主體網(wǎng)格長66 m，寬19 m，高17 m。利用PyroSim建立仿真模型時，主體建筑由3DMAX模型導(dǎo)入，在保證不影響模擬仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上忽略部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)，依據(jù)設(shè)備實(shí)際情況定義表面材料熱物性。建模如圖1 所示，電池間位于右上部，空氣呼吸器位于右側(cè)門廳內(nèi)。

圖1 主體建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)切面

本文選用FDS中的VLES特大渦模擬方法進(jìn)行計算，數(shù)值模擬設(shè)置環(huán)境溫度均為20 ℃，1 個大氣壓（101.325 kPa），四周與頂部為開放邊界。VLES 模型與大渦模擬LES 模型的主要差距在于CFL 收斂條件判斷數(shù)，速度范式如式（1）所示。

1.2 網(wǎng)格劃分與參數(shù)設(shè)置

按照1∶1 的比例構(gòu)建仿真模型，計算區(qū)域包含整座綜合樓。網(wǎng)格大小為0.25 m×0.25 m×0.25 m，網(wǎng)格數(shù)為1 364 352。

鋰離子電池燃燒反應(yīng)復(fù)雜，F(xiàn)ire Dynamic Simulator 數(shù)據(jù)庫中也未有相應(yīng)的材料與反應(yīng)參數(shù)，大尺度鋰電池組火災(zāi)模擬中，電池?zé)後尫潘俾实脑O(shè)置是影響準(zhǔn)確性的重要參數(shù)，所以本文參考先前的電池火災(zāi)模擬方法，通過自定義熱釋放速率曲線的形式模擬單個電池火災(zāi)。鋰離子電池火災(zāi)發(fā)展速度較快［9］，釋放速率曲線與t2火的較為類似，一般為噴射火，但本文場景中的鋰電池組位于密閉柜中，根據(jù)LIU P J等［1］的研究，密閉柜中的安全閥打開時，只會發(fā)生短暫的燃燒過程，且密閉空間對單個電池的特征時間和溫度值影響不大。結(jié)合研究數(shù)據(jù)［6，8，10］，將HRRPUA設(shè)置為550.0 kW/m2，熱釋放速率比變化曲線如圖2 所示。

圖2 熱釋放速率比隨時間變化關(guān)系

模擬電池燃燒采用混合控制模型，由于電解液對電池?zé)崾Э乜偀後尫帕亢腿紵碑a(chǎn)物有著主要影響，因此，選擇電解液化學(xué)成分作為基礎(chǔ)燃燒物，設(shè)定等效燃燒物為C6.3H7.1O2.1N。根據(jù)鋰離子電池?zé)崾Э匦袨榈南嚓P(guān)研究，電池?zé)崾Э嘏R界溫度設(shè)置為102 ℃，即在第1 個鋰電池組發(fā)生意外熱失控行為后，特定探測器溫度達(dá)到臨界溫度時，對應(yīng)的鋰電池組便開始急劇且短暫的燃燒過程。

根據(jù)以上規(guī)定，結(jié)合模擬工況，針對模擬區(qū)域與重要節(jié)點(diǎn)，依據(jù)建筑布局，經(jīng)優(yōu)化布置后共設(shè)定了18組探測器，每組探測器包括熱電偶溫度探測器、CO濃度探測器、FED（FractionalEffective Dose）指數(shù)探測器以及FIC（Fractional Irritant Concentration）探測器共4 個設(shè)備，共72 個探測器。探測器高度根據(jù)Pathfinder 使用手冊設(shè)定為人員平均高度（1.7 m）的90%處，即以地板為基準(zhǔn)面以上的1.5 m 處。

切片可顯示熱力學(xué)因素、危險有害物質(zhì)濃度以及能見度在某一指定平面的變化情況，研究這些因素在指定平面的分布及擴(kuò)散規(guī)律。切片高度與探測器高度一致，位于樓層面以上1.5 m 處，可以實(shí)時顯示該平面CO 物質(zhì)的量之比、溫度以及能見度。

2 火災(zāi)模擬結(jié)果分析

結(jié)合根據(jù)電池火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)，選擇截取30、60、100、300 s等4 個時間點(diǎn)進(jìn)行煙氣蔓延與危險因素分布情況分析。

2.1 火災(zāi)工況一（關(guān)門）

鋰電池?zé)崾Э厝紵^程中涉及電池化合物的化學(xué)反應(yīng)、電解質(zhì)的蒸發(fā)過程以及噴射物質(zhì)的燃燒，一個關(guān)鍵風(fēng)險因素是易燃和有毒氣體排放，會產(chǎn)生大量的CO、CO2、H2、C2H4、HF 等氣體?；谠囼?yàn)研究，密閉環(huán)境中CO、CO2的濃度遠(yuǎn)大于其他氣體，所以在該算例中主要分析CO 物質(zhì)的量之比隨時間的變化特性。

圖3 為不同時間下CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化情況。由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在電池間溫度達(dá)到102 ℃后，隨著其他電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的進(jìn)行，CO 物質(zhì)的量之比增長速率明顯增大。到達(dá)53 s 后，在約40 s 內(nèi)，探測點(diǎn)數(shù)值回落，直到100 s 后逐漸穩(wěn)定在0.012 mol/mol 這個范圍內(nèi)。

圖3 工況一不同時間下CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化情況（俯視）

2.2 火災(zāi)工況二（開門）

圖4 為煙氣分布隨時間變化的情況。由圖4 可以看到，在30 s時煙氣充滿電池間，開始逐漸向外擴(kuò)散；到40 s 時，便基本覆蓋走廊區(qū)域；50 s 后在上升至頂棚遇阻后，隨著熱釋放速率和溫度曲線的下降，煙氣開始逐漸沉降，基本符合建筑火焰一般煙氣蔓延規(guī)律。

圖4 煙氣分布隨時間變化情況（俯視）

圖5 為能見度隨時間變化情況。由圖5 可知，因?yàn)樵O(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，走廊易形成煙氣濃集，能見度在40 s 后一直小于6 m，但在這之前，走廊處煙氣層尚未形成，能見度在12 m 以上，受影響程度較小。因此，電池間火災(zāi)早期是人員疏散和查勘救援的黃金時間，一旦煙氣層在走廊內(nèi)沉降，走廊內(nèi)能見度將長期維持在危險水平。

圖5 能見度分布隨時間變化情況（俯視）

圖6 是工況二下監(jiān)測切面上CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化的情況，不同危害級別對應(yīng)不同的顏色分區(qū)，重點(diǎn)觀察分析中高危害級別的物質(zhì)的量之比擴(kuò)散情況。由圖6 可知，與工況一一致的是CO 物質(zhì)的量之比增速時域，30 ～50 s，CO 物質(zhì)的量之比探測點(diǎn)的數(shù)值曲線呈現(xiàn)較高的斜率，但與前者將保持在一穩(wěn)定數(shù)值不同的是，電池間探測面CO物質(zhì)的量之比在180 s 后逐漸下降為低危害級別。圖7 是正面3D 視角的CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化情況，根據(jù)擴(kuò)散特點(diǎn)，選取時間分別為50、100、300 s。結(jié)合圖7 可以觀察得到，因?yàn)镃O 氣體向上擴(kuò)散，使得探測切面上CO 物質(zhì)的量之比降低。由圖7 還可以看到，CO氣體在立體空間內(nèi)，從45 s開始從電池間頂部通過門窗逐漸擴(kuò)散到走廊頂部，沿走廊頂部優(yōu)先向正門方向擴(kuò)散，到大廳位置后沿著樓梯間向上蔓延，并最終在樓梯間頂部形成積聚。另一個方向擴(kuò)散的CO氣體則均勻分布到相對開闊的空間當(dāng)中，物質(zhì)的量之比基本處于小于0.001 5 mol/mol 的低危害級別，人員安全風(fēng)險程度較低。

圖6 工況二不同時間下CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化情況（俯視）

圖7 工況二不同時間下CO 物質(zhì)的量之比隨時間變化情況（正視）

3 VR 事故場景下應(yīng)急試驗(yàn)分析

3.1 VR 應(yīng)急系統(tǒng)建立

在前文事故場景模擬仿真的基礎(chǔ)上，通過場景設(shè)置、數(shù)據(jù)嵌入等進(jìn)一步完善VR 應(yīng)急撤離系統(tǒng)，同時開展人員試驗(yàn)，捕捉參與人員在試驗(yàn)過程中的行為、心理和運(yùn)動數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。系統(tǒng)框架如圖8 所示，包括虛擬設(shè)備單元、試驗(yàn)場景單元、數(shù)據(jù)交互單元和疏散資源單元。

圖8 VR 試驗(yàn)平臺框架

本次試驗(yàn)采用HTC Vive 頭戴顯示器。聽覺輸出主要指集合在盔視設(shè)備的音響和耳機(jī)。系統(tǒng)能提供的體感主要在于觸覺，一般通過VR手柄提供振動反饋，壓覺和溫覺也有少量應(yīng)用。通過給手柄上的各個按鍵設(shè)置觸發(fā)事件，人員可以全方位多角度地參與到VR 環(huán)境當(dāng)中。

本文使用一種隨空間變化的數(shù)據(jù)變化模型，以各個空間實(shí)體為計算單元，將監(jiān)測點(diǎn)網(wǎng)格劃分為2 m×2 m。假設(shè)1 個房間可以設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)有4個，如圖9 所示。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

得到4 個監(jiān)測點(diǎn)的動態(tài)數(shù)據(jù)后，將A點(diǎn)與4 個確定的監(jiān)測點(diǎn)的距離作為權(quán)重系數(shù)，任意1 個位置A的物理量可根據(jù)相對距離進(jìn)行推算，如式（2）所示。理論上監(jiān)測點(diǎn)選取越多，計算可得的物理數(shù)據(jù)會越準(zhǔn)確。

式中，CA為場景參數(shù)，包括溫度與CO物質(zhì)的量之比。

對于緊急情況下的真實(shí)事故場景的再現(xiàn)，不僅要提升模型整體質(zhì)量，視覺刺激也是不可忽略的。除了常規(guī)的報警、火光之外，變化的煙霧帶來的能見度下降也是必須考慮的環(huán)境因素之一。

利用第2 節(jié)的火災(zāi)場景模擬，通過FDS 后處理軟件Smokeview 的煙霧實(shí)時顯示，建立煙霧蔓延時間鏈，結(jié)合Unity軟件所提供的粒子系統(tǒng)與動態(tài)模擬結(jié)果，在各個艙室通過設(shè)置粒子的初始發(fā)射時間，延時設(shè)置不同粒子模塊，達(dá)到煙霧在艙室之間擴(kuò)散的效果，實(shí)現(xiàn)宏觀場景上煙霧蔓延效果的可視化呈現(xiàn)。相關(guān)研究已經(jīng)證明煙霧對人眼能見度的影響，可以為虛擬空間下進(jìn)行應(yīng)急逃生系統(tǒng)的模擬仿真提供有效支持。

在試驗(yàn)場景中使用間隔1 m的紅色標(biāo)志物作為位置坐標(biāo)，通過識別紅色標(biāo)志物的數(shù)量來計算該房間能見度范圍，并通過調(diào)整煙霧粒子的不同參數(shù)得到最接近的不同能見度下的煙霧擴(kuò)散場景，如圖10—圖11 所示。

圖10 能見度范圍VR 示意

圖11 電池火災(zāi)VR 場景

通過煙霧形狀的描繪、時間蔓延過程及可視范圍的確定，利用Unity 軟件的粒子系統(tǒng)、FDS 模擬結(jié)果的蔓延時間鏈以及紅色標(biāo)記物的數(shù)量計算完成煙霧場景的可視化，整體流程如圖12 所示。

圖12 煙霧在VR 場景中的實(shí)現(xiàn)過程

3.2 試驗(yàn)設(shè)計

應(yīng)急疏散準(zhǔn)備時間是指自火災(zāi)發(fā)生到人員開始撤離的時間，主要受人員所處位置、探測及應(yīng)急報警系統(tǒng)、火災(zāi)規(guī)模、場景結(jié)構(gòu)等影響?？梢苑譃? 部分來討論，首先是火災(zāi)探測警報時間talarm，再是人員響應(yīng)時間tresp，兩者之和為應(yīng)急疏散準(zhǔn)備時間tstart。

根據(jù)人員分布及工況設(shè)定報警時間talarm為10 s，人員響應(yīng)時間tresp為20 s?！豆I(yè)空氣呼吸器安全使用與維護(hù)規(guī)范》（AQ/T 6110—2012）［11］要求佩戴時間在60 s 之內(nèi)，假設(shè)人員經(jīng)過相關(guān)培訓(xùn)且熟練設(shè)備操作，設(shè)定佩戴時間為30 s。

為研究火災(zāi)對人員的影響，耦合火災(zāi)模擬后果后輸出人員疏散時承受的影響因素參數(shù)，如CO物質(zhì)的量之比、CO2物質(zhì)的量之比、能見度、溫度、氧氣濃度以及FED指數(shù)。

FED計算如式（3）—式（5）所示。該計算模型不包括氰化氫（HCN）、氟化氫（HF）的影響，CO2沒有直接的毒性作用，但它會刺激呼吸，從而提高其他火災(zāi)產(chǎn)物被吸收的速度?？梢酝ㄟ^控制氧氣濃度的上限以防止處于安全條件下的居住者產(chǎn)生FED值誤累積，默認(rèn)值為19.5%。

3.3 模擬結(jié)果

火災(zāi)場景疏散加入了煙霧能見度對人員速度的影響，人員會根據(jù)能見度調(diào)整疏散路徑，能見度對速度的影響會增加受到影響人員的逃生時間，通過安全疏散臨界條件可以判定高風(fēng)險人員處于瀕危狀態(tài)，煙氣溫度對人體影響如表1 所示［12］。

表1 煙氣溫度對人員影響

為更加具體地量化煙氣溫度對人體的影響，根據(jù)SFPE 手冊［13］選擇火災(zāi)中暴露在高溫下失能時間的預(yù)測模型，F(xiàn)EDheat模型公式如式（6）所示。

疏散仿真流程為人員在30 s時從初始位置經(jīng)過正門到達(dá)空氣呼吸器位置，佩戴好呼吸器后，即30 s后前往電池間查看（到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)），最后進(jìn)行疏散，軌跡如圖13 所示。

圖13 應(yīng)急軌跡

通過改變空氣呼吸器等應(yīng)急裝備位置及人員行為，可比較不同經(jīng)典事故場景下不同應(yīng)急策略對人員安全性的影響，圖14 為1 種應(yīng)急資源配置方式。

圖14 入口布置應(yīng)急裝備

圖15 —圖16 為2 種工況下人員FED累計值。由圖15—圖16 可以看出，在工況一封閉空間下，人員的2 項(xiàng)FED累計值都接近最大值1，可以確定人員處于瀕危狀態(tài)；在工況二開放環(huán)境下，毒性氣體的FED累計值基本不變，但是FEDheat累計值下降為0.5，說明開放環(huán)境下煙氣溫度對人員安全的影響較低。

圖15 工況一人員FED 累計值

圖16 工況二人員FED 累計值

結(jié)合煙氣和有毒氣體擴(kuò)散規(guī)律與FED累計值可以分析，CO 等有毒氣體是主要危害因素，所以在進(jìn)行查勘救援工作中空氣呼吸器是必備的保護(hù)裝備。由模擬分析可知，本文算例空氣呼吸器的位置并不理想，從火災(zāi)工況二開放環(huán)境下的模擬仿真結(jié)果可以看出，空氣呼吸器現(xiàn)存的位置容易形成煙氣層沉降和有毒氣體擴(kuò)散，應(yīng)通過多工況模擬進(jìn)行優(yōu)化，獲得受煙氣影響較小且相對合理的位置，例如放置在門廳外部入口附近。

4 結(jié)論

1）依據(jù)鋰電池組火災(zāi)特性和電池間環(huán)境，利用FDS模擬了蓄電池間鋰電池組熱失控火災(zāi)工況下的火災(zāi)發(fā)展及煙氣擴(kuò)散過程，得到了能見度、CO 物質(zhì)的量之比、溫度等危害因素隨時間在綜合樓內(nèi)分布的規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，電池間鋰電池?zé)崾Э貍鞑ゾ哂卸嗝字Z效應(yīng)，單個鋰電池組的熱失控行為會導(dǎo)致鄰近電池組的熱失控行為，所以火災(zāi)發(fā)展速度快，電池間在15～30 s（短時間）內(nèi)就會達(dá)到高危險級別狀態(tài)。

2）構(gòu)建VR 應(yīng)急撤離系統(tǒng)設(shè)計方案，從虛擬設(shè)備、試驗(yàn)場景、數(shù)據(jù)交互以及疏散資源4 個單元進(jìn)行系統(tǒng)的整體設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了場景數(shù)據(jù)的嵌入以及煙霧場景的可視化，同時捕捉參與人員在應(yīng)急撤離過程時的行為和運(yùn)動數(shù)據(jù)，用于研究后期的人員行為。

3）進(jìn)行了VR 應(yīng)急人員疏散試驗(yàn)，設(shè)定了耦合FDS 火災(zāi)模擬后果的2 種工況。分析了火災(zāi)煙氣對疏散人員的影響，主要通過FED 量化模型對比有毒氣體和煙氣溫度對人員的影響，發(fā)現(xiàn)有毒氣體是危害人員安全的主要影響因素，說明在火災(zāi)情況下佩戴空氣呼吸器和呼吸器位置配置的重要性。