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摘 要 隨著電化學儲能的規(guī)模化發(fā)展，以鋰離子電池為能量載體的電化學儲能電站火災燃爆事故時有發(fā)生，成為制約其安全健康發(fā)展的主要瓶頸。儲能集裝箱本身的安全措施及擺放間距對于燃爆的發(fā)展及擴散有著重要的影響。本工作通過改變點火位置和泄壓板強度來探究不同的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓瘜δ芗b箱安全的影響，發(fā)現(xiàn)當著火點位于近進風百葉窗一側(cè)時，沖擊波壓力升高，火焰?zhèn)鞑ニ俣仍龃?，分別可達41.28 kPa和557.0 m/s。泄壓板對儲能集裝箱安全設計至關重要，且僅在進風百葉窗處設置泄壓板且將開啟壓力設置為30 kPa時，計算區(qū)域內(nèi)已發(fā)展為爆轟，對周邊安全造成較為嚴重的影響。此外，研究結(jié)果表明，單個儲能艙發(fā)生燃爆后，在短邊間距達到10 m時將會對周邊造成的影響最小。該研究可為儲能電站鋰離子電池火災事故預警、集裝箱結(jié)構和防爆設計提供參考。
關鍵詞 鋰離子電池；儲能；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、無記憶效應等優(yōu)勢，經(jīng)過30年的發(fā)展，已占據(jù)了全球二次電池市場的絕對領先地位。目前，鋰離子電池被廣泛應用在消費電子產(chǎn)品、新能源汽車等交通運輸領域、航天領域以及電化學儲能領域。鋰離子電池具有多種型號，以18650、21700、26650等型號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。
鋰離子電池儲能產(chǎn)業(yè)則是一個新興行業(yè)，在電動汽車快速發(fā)展的浪潮帶動下，電化學儲能特別是鋰離子電池儲能才進入了發(fā)展“快車道”。表1列出了一些國內(nèi)外儲能電站事故的不完全統(tǒng)計，其中日本和比利時各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)生的儲能電站事故。盡管事故量少，但是儲能電站事故往往會造成巨大的經(jīng)濟損失、嚴重的人員傷亡和惡劣的社會影響。
表1 自2011年9月至2021年4月儲能電站事故不完全統(tǒng)計
毋庸置疑，安全是決定電化學儲能產(chǎn)業(yè)能否良性有序發(fā)展的關鍵要素。牛志遠等通過FLACS軟件模擬計算了氣化電解液被點燃后的燃燒率、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)氣基礎上，在液冷艙內(nèi)進行了不同泄壓措施對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，并針對性地分析了氣體對應的爆炸超壓等燃爆特性。郭超超等對氣體組分中的爆炸極限的測定提供了思路。此外還有許多研究探究了電池熱失控產(chǎn)氣擴散的規(guī)律及產(chǎn)氣的燃爆特性，但目前對于儲能艙安全設計及擺放間距的研究和標準還較為匱乏，對于燃爆發(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20呎(1呎=30.48 cm)ISO標準儲能集裝箱以1∶1建立物理模型，采用FLACS軟件，設置不同點火位置以及不同的泄壓板參數(shù)條件，構建儲能電站模型，探究爆炸對于周邊環(huán)境的影響，研究結(jié)果可為儲能電站鋰離子電池火災事故的預警和安全設計提供指導。
1 FLACS模擬設置
1.1 儲能集裝箱模型建立
對20呎ISO標準儲能集裝箱以1∶1建立物理模型，如圖1所示。該儲能集裝箱一側(cè)為對開門，一側(cè)為單開逃生門，對開門閉鎖，門上各有一個0.64 m×0.88 m的進風百葉窗。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算區(qū)域采用0.04 m的均勻網(wǎng)格，其他計算區(qū)域進行拉伸處理，詳細尺寸見表2。
圖1 模型建立參考圖 (a) 實際儲能艙圖；(b) FLACS中模型圖
表2 儲能集裝箱建模尺寸
集裝箱內(nèi)兩側(cè)對稱布置有電池架，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，每個電池架布置10個電池模組，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，為了簡化模型設置，集裝箱內(nèi)沒有考慮PCS(儲能變流器)、EMS(能量管理系統(tǒng))、空調(diào)和氣體滅火系統(tǒng)等設備柜/艙。
Skjold等在進行氫氣泄漏與爆炸模擬中，使用了同標準的20呎集裝箱，并在集裝箱頂部設置6組1 m2泄壓板，泄壓板開啟壓力(10±25) kPa，密度6.8 kg/m2。本工作中在進風口百葉窗處設置了泄壓板，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置為3 kPa，類型為鉸鏈式(hinged)。泄壓板的密度均設定為10 kg/m2。圖2中給出了模型中在進風百葉窗處設置的兩個泄壓板(Panel 1和Panel 2)，逃生門處泄壓板編號為Panel 3，見圖1。泄壓口的位置和大小見表3。
圖2 被破壞的進風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
為模擬最危險狀態(tài)，假設可燃混合氣均勻分布且充滿儲能集裝箱的整個空間，混合氣體當量比取1.05。FLACS軟件中當量比的計算方法如式(1)所示。
式中，F(xiàn)/O為實際的燃料氧氣比，(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數(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)學模型建立
受限空間中的氣體爆炸本質(zhì)上是一個快速、劇烈的燃燒反應過程，氣體爆炸的動力學參數(shù)可以利用一組即質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒和爆炸過程中可燃氣體的質(zhì)量分數(shù)或者化學組分平衡方程來進行求解。FLACS軟件中對典型氣體動力學計算的控制方程總結(jié)如下：
2 集裝箱內(nèi)不同點火位置對爆炸危害的影響
2.1 點火位置設置
儲能集裝箱內(nèi)電池數(shù)量多，結(jié)構緊湊，而且由于該儲能集裝箱的泄壓板位置并不是均勻布置的，所以選取了12個位置作為著火點。其中9個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#電池架靠近進風百葉窗，在每個電池架由下向上的第1、5、10個模組上部空間中間位置設置著火點；另在中間通道處設置3個著火點，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 著火點設置
表4給出了著火點坐標，除著火點位置不同外，其他參數(shù)均為第1部分設定的默認參數(shù)。在每個泄壓板的中心位置、集裝箱內(nèi)通道中間和集裝箱外設置了監(jiān)測點。
表4 著火點位置
2.2 結(jié)果分析
為了量化燃爆危險性結(jié)果，我們重點分析了計算區(qū)域中沖擊波壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣群托箟喊宓钠骄鶋毫Α１?給出了上述3個參量的最大值，其中沖擊波壓力、火焰?zhèn)鞑ニ俣葹橛嬎氵^程中不同時刻的最大值。
表5 爆炸特征參數(shù)隨著火點變化情況
從表5可以看出，當著火點布置在電池架中時，隨著著火位置向百葉窗遷移，2個進風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進風百葉窗處壓力較大，但是差距很小。
當著火點設置在中部時，模擬結(jié)果中壓力、速度都是該電池架中3個著火點中最高的，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個電池架中，著火點在1#和10#時由于火焰有更長的傳播距離，壓力較高，其中10#電池架臨近進風百葉窗，兩個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。
當著火點設置在中間過道中時，依然是布置在近逃生門一側(cè)區(qū)域的中間位置時(Case 12)壓力和速度較高。另外，由于逃生門直接面對壓力波的沖擊，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 不同著火點設置時 (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，當火焰?zhèn)鞑サ絻蓚?cè)壁面時，由于逃生門較高，壓力波沖破泄壓板后火焰直接噴出；在進風百葉窗一側(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；進風百葉窗處則是兩個小的半球各向約45°方向傳播。在逃生門一側(cè)，火焰最遠傳播到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 著火點設置在通道中間時，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) 著火點設置在通道中間時，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間變化情況；(d) Case 11泄壓口外側(cè)沖擊波壓力隨時間變化情況
模擬結(jié)束后，燃燒產(chǎn)物基本可以充滿整個集裝箱，只是在進風百葉窗一側(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，不會對人體和構筑物造成影響；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)達到了17.40 kPa，不會對人體造成影響，但是已經(jīng)能對建筑物的構件造成危害，進風口百葉窗一側(cè)則仍舊低于造成玻璃破裂的最低值5 kPa。
綜上，當著火點出現(xiàn)在電池架的中間位置時是最危險的；另外，火焰受約束的時間越長，爆炸危害越高。當著火點出現(xiàn)在通道中時，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爆炸危害的影響
3.1 泄壓板設置
針對儲能集裝箱實際設計，就不同泄壓口設置情況對熱失控產(chǎn)氣爆炸危害的影響做如表6設置。除泄壓板外，其他初始條件為：初始溫度25 ℃，環(huán)境壓力100 kPa，著火點設置在集裝箱幾何中心(走道中心位置)。
表6 泄壓板設置情況
3.2 模擬結(jié)果分析
表7給出了泄壓板設置為不同狀態(tài)時，模擬結(jié)果中的一些關鍵參數(shù)。Case 1中，假設集裝箱是一個密封空間，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)的壓力可以達到666.80 kPa，約為6.6個大氣壓。當然這種極端條件基本不會出現(xiàn)，不過如果儲能集裝箱內(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)物及時釋放出去的話，勢必會造成非常嚴峻的后果。
表7 爆炸特征參數(shù)隨泄壓板設置變化情況
對比Case 2和Case 6，當泄壓板只設置在進風口百葉窗處時，由于泄壓面積小，且位置較為靠近地面，不能及時釋放沖擊波和火焰，所以盡管泄壓口處的平均壓力相差不大，但是Case 2中火焰速度遠高于Case 6，達到了2倍以上。
對比Case 2～5，發(fā)現(xiàn)隨著泄壓板開啟壓力的升高，計算區(qū)域內(nèi)沖擊波壓力首先升高，這是因為火焰被限制在集裝箱內(nèi)的時間更長，當泄壓板開啟后，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。泄壓板處壓力約33 kPa，也可以造成人員輕傷并對建筑物造成一定破壞。
對比Case 6～9，發(fā)現(xiàn)盡管提高了泄壓板的工作壓力會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?。在泄壓板開啟壓力相同的情況下，相較于僅在進風百葉窗處設置泄壓板，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%。
對比Case 6和Case 10，發(fā)現(xiàn)當有一個較大的泄壓板的開啟壓力較低時，盡管該處噴出的沖擊波壓力有小幅度升高，但是計算區(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 不同著火點設置時 (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，當泄壓板開啟壓力為10 kPa、20 kPa和30 kPa時，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，壓力并不會大幅度升高；當泄壓板設置為3 kPa時，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)的反應持續(xù)時間相對更長。
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，但不會超過15 m。Case 9中逃生門中心點外壓力更高，可以達到110 kPa以上，非常危險。
圖8 Case 5和Case 9中，泄壓板外測點壓力隨時間變化情況 (測點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小，同時增加泄壓口的數(shù)量，并確保發(fā)生爆炸時，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 集裝箱布置方式對爆炸危害的影響
4.1 模型設置
根據(jù)《電化學儲能電站設計標準(征求意見稿)》中7.5.5，設置集裝箱短邊側(cè)距離為5 m，長邊側(cè)距離為3 m。實際應用中，儲能集裝箱宜根據(jù)實際地形，因地制宜呈豎向布置，所以將9個集裝箱布置成3排，如圖9所示。令逃生門側(cè)為A側(cè)，進風口百葉窗側(cè)為B側(cè)，工況設置情況見表8。
圖9 多集裝箱模型設置情況
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泄壓板的影響，燃燒產(chǎn)物分布情況相同，對比發(fā)現(xiàn)，從逃生門處釋放的火焰體積更大，傳播距離更遠。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集裝箱還有5 m左右的安全距離，并不會直接接觸其他集裝箱。Case 5在Case 2的基礎上，在氣云中混入了體積分數(shù)為50%的CO2氣體，以模擬惰性氣體對爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)反應時間延長到了2.102 s，并且燃燒產(chǎn)物很少。另外，由于儲能集裝箱的側(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對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)實生產(chǎn)中，當一側(cè)集裝箱門開啟時，其展開寬度應在1.22～1.5 m，為了能夠在集裝箱門開啟時仍可以保證人員通過，不建議間距少于2.5 m；若設置為3 m，當在集裝箱周圍0.5～1 m處增設防爆墻時，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。針對這一問題，可以將2個集裝箱側(cè)向間距縮小，把多個集裝箱劃分為一個防護單元/防火分區(qū)，在滿足消防需求的同時還可以提高土地利用率。
圖10 不同布置方式下計算結(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間變化情況。Case 4中泄壓板平均壓力的絕對值在0.3 kPa以下，不能對2#和7#集裝箱造成影響；Case 3中，泄壓板平均壓力的絕對值在3 kPa以下，基本不會造成泄壓板的破裂。Case 1和Case 2中泄壓板平均壓力的絕對值超過了3 kPa，泄壓板有破裂的危險；但是初始溫度提高只會導致沖擊波壓力小幅度升高，因此當間距在5 m以上時，更重要的是保證儲能系統(tǒng)在瞬時高溫下能夠確保集裝箱內(nèi)部的電池架、PCS等不受損傷，避免集裝箱級別的電池火災蔓延。
圖11 2#和7#集裝箱面向著火點一側(cè)泄壓板壓力隨時間變化情況
5 結(jié)論
本工作使用FLACS軟件，對儲能集裝箱內(nèi)的熱失控氣體燃爆危害進行了模擬研究，研究了起火位置、環(huán)境溫度、泄壓板設置情況對爆炸危害的影響，同時初步探究了多集裝箱成組布置方式。主要結(jié)論如下：
（1）著火點位置會影響爆炸過程的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，當著火點位于電池架中間位置時，上述2個參數(shù)都較底部和頂部著火時要高；當著火點位于近進風百葉窗一側(cè)時，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，時間也更久，導致其傳播速度加快，沖擊波壓力升高，分別可以達到557.0 m/s和41.28 kPa。此外，著重分析了當著火點在通道中心處的場景，發(fā)現(xiàn)爆炸可以對泄壓板外側(cè)5 m處壓力造成很大改變。沖擊波壓力在逃生門一側(cè)達到了17.40 kPa，不會對人體造成影響，但是已經(jīng)能對建筑物的構件造成危害；進風口百葉窗一側(cè)的沖擊波壓力則低于可對建筑物造成破壞的最低值，即在5 kPa以下。
（2）泄壓板的設置情況對爆炸危險性的影響較為顯著。當僅在進風百葉窗處設置泄壓板且將開啟壓力設置為30 kPa時，整個模擬過程中計算區(qū)域中的沖擊波壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯捣謩e達到143.10 kPa和1229 m/s，已經(jīng)發(fā)展成為爆轟，可以對集裝箱造成嚴重破壞。因此，應盡可能地將泄壓板的開啟壓力設小，同時增加泄壓口的數(shù)量，并確保發(fā)生爆炸時，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）研究了儲能集裝箱的布置方式對爆炸后果的影響?；阡囯x子電池的火災危險性，建、構筑物的防火間距，以及物料的運輸和消防布置等方面的考慮，對長邊間距3 m，短邊間距分別為5 m和10 m，泄壓板開啟壓力3 kPa，著火點在通道中心處的幾組工況做了對比。模擬結(jié)果表明，當短邊間距為10 m時，沖擊波壓力對周圍集裝箱的影響微少；短邊間距為5 m時，對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，這時應重點考量熱輻射、碎片飛濺等對集裝箱的影響。另外，及時注入CO2等惰性氣體，是可以有效減緩爆炸反應，降低反應危險程度的有效措施。
