中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 隨著電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)?；l(fā)展，以鋰離子電池為能量載體的電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)燃爆事故時(shí)有發(fā)生，成為制約其安全健康發(fā)展的主要瓶頸。儲(chǔ)能集裝箱本身的安全措施及擺放間距對(duì)于燃爆的發(fā)展及擴(kuò)散有著重要的影響。本工作通過改變點(diǎn)火位置和泄壓板強(qiáng)度來探究不同的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓瘜?duì)儲(chǔ)能集裝箱安全的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)著火點(diǎn)位于近進(jìn)風(fēng)百葉窗一側(cè)時(shí)，沖擊波壓力升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，分別可達(dá)41.28 kPa和557.0 m/s。泄壓板對(duì)儲(chǔ)能集裝箱安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要，且僅在進(jìn)風(fēng)百葉窗處設(shè)置泄壓板且將開啟壓力設(shè)置為30 kPa時(shí)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)已發(fā)展為爆轟，對(duì)周邊安全造成較為嚴(yán)重的影響。此外，研究結(jié)果表明，單個(gè)儲(chǔ)能艙發(fā)生燃爆后，在短邊間距達(dá)到10 m時(shí)將會(huì)對(duì)周邊造成的影響最小。該研究可為儲(chǔ)能電站鋰離子電池火災(zāi)事故預(yù)警、集裝箱結(jié)構(gòu)和防爆設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 鋰離子電池；儲(chǔ)能；集裝箱；爆炸危害；數(shù)值模擬
鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過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。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)新的增長點(diǎn)。
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2例，中國4例，其他均來自韓國自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)
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)等通過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。崔瀟丹等綜合性地闡述了電池產(chǎn)氣組分和產(chǎn)氣來源反應(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，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、泄放和傳播等過程安全問題仍有待研究。
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)開門，一側(cè)為單開逃生門，對(duì)開門閉鎖，門上各有一個(gè)0.64 m×0.88 m的進(jìn)風(fēng)百葉窗。逃生門尺寸為1 m×2 m。網(wǎng)格方面采用了0.04 m網(wǎng)格作為最小網(wǎng)格長度，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
表2 儲(chǔ)能集裝箱建模尺寸
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×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)沒有考慮PCS(儲(chǔ)能變流器)、EMS(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)，開啟壓力3 kPa，逃生門處泄壓板的開啟壓力設(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)，逃生門處泄壓板編號(hào)為Panel 3，見圖1。泄壓口的位置和大小見表3。
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)
表3 泄壓口大小和位置
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。
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等的研究，選取氣體成分及體積分?jǐn)?shù)分別為CH4 1.96%，C2H2 0.06%，C2H4 0.98%，C2H6 0.11%，C3H6 0.05%，H2 6.28%，CO 10.97%，CO2 5.66%，O2 15.49%，N2 58.44%。
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)組分平衡方程來進(jìn)行求解。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：
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，見圖3。1#電池架靠近逃生門，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
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
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
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處降低；逃生門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)，小于逃生門的2 m2，且位置更低，導(dǎo)致火焰在傳播過程中受的約束更大，所以壓力和速度更高。
當(dāng)著火點(diǎn)設(shè)置在中間過道中時(shí)，依然是布置在近逃生門一側(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有超過1000 m/s，即都沒有發(fā)生爆轟，除了Case 8、Case 10和Case 12中峰值速度超過了聲速，其余也都在聲速以下，只是發(fā)生了爆燃。
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?
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?；鹧驷尫诺酵獠靠臻g后，逃生門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
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
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，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
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
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，當(dāng)泄壓板開啟后，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)鞑ニ俣取Ｔ谛箟喊彘_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?
在所有帶有泄壓板的工況中，當(dāng)泄壓板開啟壓力為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啟壓力接近的，即在泄壓板開啟后，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，表明泄壓板開啟后，集裝箱內(nèi)的反應(yīng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)更長。
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15 m。Case 9中逃生門中心點(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)
因此，盡可能地將泄壓板的開啟壓力設(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]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)(征求意見稿)》中7.5.5，設(shè)置集裝箱短邊側(cè)距離為5 m，長邊側(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)置情況見表8。
圖9 多集裝箱模型設(shè)置情況
表8 集裝箱布置情況
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)邊并沒有模擬任何開孔，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)集裝箱門開啟時(shí)，其展開寬度應(yīng)在1.22～1.5 m，為了能夠在集裝箱門開啟時(shí)仍可以保證人員通過，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
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
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)置泄壓板且將開啟壓力設(shè)置為30 kPa時(shí)，整個(gè)模擬過程中計(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]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?；阡囯x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)長邊間距3 m，短邊間距分別為5 m和10 m，泄壓板開啟壓力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。
