中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 近年來，全世界各地發(fā)生了多起儲能電站火災爆炸事故，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，鋰電池儲能系統(tǒng)安全性亟待提高。本工作通過FLACS軟件建立儲能艙的物理模型，模擬了磷酸鐵鋰電池熱失控后可燃氣體的泄漏、擴散及爆炸過程，分析了不同泄漏時間、點火高度等條件下，可燃氣體的濃度分布、爆炸壓力、火焰形態(tài)等特征參數(shù)，探討了其對儲能電站安全的影響，為儲能電站的安全設計和事故預防提供理論依據(jù)。研究表明，磷酸鐵鋰電池熱失控后，可燃氣體優(yōu)先在艙頂聚集，隨著泄漏時間增加，高濃度區(qū)域自上而下擴大，7 s時基本覆蓋全艙。泄漏前期0~3 s發(fā)生爆炸概率大，爆炸強度隨泄漏濃度增加而增加；泄漏后期艙內(nèi)氧氣不足，爆炸概率降低，但點火高度在1.75 m時爆炸強度最大；儲能電站磷酸鐵鋰電池熱失控后，可燃氣體的擴散和燃爆危害性顯著，尤其在泄漏前期和特定點火高度下，爆炸風險極高。因此，儲能電站的設計應充分考慮氣體擴散和爆炸特性，優(yōu)化泄壓板設置和防護措施，以降低熱失控引發(fā)的火災爆炸風險。
關鍵詞 儲能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；氣體擴散；數(shù)值模擬
隨著全球能源結構轉型，如太陽能、風能等可再生能源得到了廣泛應用。然而，這些能源發(fā)電模式的不穩(wěn)定性、不連續(xù)性限制了其大規(guī)模應用。電化學儲能技術因其高效、靈活的特點，成為解決這一問題的關鍵。目前，電化學儲能技術已經(jīng)成為支撐能源轉型的關鍵技術。然而，隨著儲能電站的廣泛應用，鋰離子電池熱失控導致的安全事故頻發(fā)，給人員生命與財產(chǎn)安全造成巨大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球鋰離子電池儲能相關火災爆炸事故每年發(fā)生30起左右。因此，研究儲能電站磷酸鐵鋰電池熱失控燃爆危害性具有重要現(xiàn)實意義。
許多學者通過采用實驗或仿真模擬的方法分析了電池爆炸的能量釋放形式、爆炸極限、沖擊波壓強的大小，探尋了正極材料、荷電狀態(tài)等因素對爆炸特性及規(guī)律的影響。郭超超等研究了磷酸鐵鋰電池釋放的氣體成分，得出磷酸鐵鋰電池的荷電狀態(tài)越高其熱失控氣體的爆炸極限越高，電池爆炸強度和范圍越大；劉云建等研究發(fā)現(xiàn)，大電流和較高截止電壓條件下的過充會增大錳酸鋰電池發(fā)生爆炸的風險。另外，還有其他學者通過數(shù)值模擬對磷酸鐵鋰電池熱失控釋放的易燃氣體爆炸特性進行了研究。
更多場景的電池單體或電池模組都處于受限空間下，其爆炸危害性不容忽視。Lu等將電池釋放的能量換算成TNT爆炸當量，研究表明，電壓越高危害越大。牛志遠等基于實際尺寸建立1∶1儲能艙模型研究磷酸鐵鋰電池熱失控引發(fā)的爆炸對周圍艙體的沖擊作用，發(fā)現(xiàn)爆炸后沖擊波0.5 s后突破泄壓板擴散，若無隔離措施則可能引發(fā)連環(huán)爆炸。趙智興等研究了雙層儲能艙的熱失控過程，發(fā)現(xiàn)底層中心起爆后，頂層溫度和超壓峰值較高，但上層艙體因空間開闊，高溫和超壓沖擊數(shù)值較低。
在鋰離子電池熱失控火災爆炸危險性研究方面，前人對熱失控機理、爆炸特性等進行了大量研究，從而明確了熱失控誘因、產(chǎn)氣規(guī)律和爆炸極限，并探究了荷電狀態(tài)、溫度、環(huán)境壓力等因素對爆炸強度的影響。然而，受限于實驗儀器和條件，多數(shù)研究僅針對小型電池或電池組，較少涉及儲能電站等大型應用場景。此外，儲能電站爆炸仿真多假設氣體均勻分布，忽略了可燃氣體擴散時間對爆炸強度的影響，未充分考慮實際熱失控氣體爆炸情況。
因此，本工作通過FLACS仿真模擬軟件，對儲能艙內(nèi)磷酸鐵鋰電池熱失控釋放可燃氣體的擴散規(guī)律進行研究，并進一步探明了不同擴散時間、不同點火高度對爆炸強度的影響，更加全面真實地揭示儲能電站預制艙磷酸鐵鋰電池熱失控燃爆危害性，為電化學儲能電站消防安全設計及爆炸防護提供理論基礎和數(shù)據(jù)參考。
1 數(shù)值模擬設計
1.1 模擬軟件的選擇
FLACS (Flame Acceleration Simulator)是挪威Christian Michelsen研究院和CMR-GEXCON公司基于CFD技術開發(fā)的三維流體動力學仿真軟件，獲得多項國際權威標準認可。FLACS利用有限體積法求解可壓N-S方程，結合設定好的邊界和初始條件，求解模擬計算區(qū)域里的燃燒速率、燃燒產(chǎn)物、溫度、超壓等多種變量。其中，動量方程、湍流動能方程、能量方程、組分質量守恒方程等可用式(1)表示：
式中，為通用求解變量(包含質量、動量、能量等)；為氣體密度(kg/m3)；為在j方向上積分；為i方向上的速度矢量；為擴散系數(shù)；為源項。
FLACS軟件包含爆炸、火災、粉塵、擴散等多個計算模塊，其中，擴散模塊可準確地計算出可燃氣云的擴散結果，爆炸模塊在氣體爆炸領域與其他同類軟件相比具有更廣泛的功能和適用性，能有效評估爆炸影響后果。因此本工作選用FLACS作為仿真模擬軟件。
1.2 仿真模型設計
1.2.1 物理模型介紹
本工作采用1∶1的比例對磷酸鐵鋰電池儲能預制艙的幾何空間進行建模，圖1(a)為預制艙式儲能磷酸鐵鋰電池電站的整體布局，主要電氣設備為5個功率/容量為1.26 MW/2.2 MWh的磷酸鐵鋰電池預制艙。為研究各方向上的爆炸后果，5個儲能艙呈“十字形”排列，每兩個儲能艙之間較長邊相隔距離為3 m，較短邊相隔距離為4 m。
儲能艙的幾何尺寸為12.2 m×2.4 m×3 m，其內(nèi)部結構如圖1(b)所示，儲能艙中間設有寬度0.8 m的過道，艙內(nèi)兩側放置的電池架設有7層16列，電池架上放置電池模組的單元格尺寸為0.8 m×0.6 m×0.3 m；一個電池模組由36個磷酸鐵鋰電池串并聯(lián)組成，其單體電池容量為86 Ah，電池模組外殼設有散熱的通氣孔。
每個儲能艙都設有4個泄壓板，泄壓板的質量面密度設為10 kg /m2。以中心儲能艙為例，如圖1(c)所示，1號和2號泄壓板為儲能艙艙門，泄壓面積為3.84 m2，壓力達到0.2 bar時開啟艙門；3號和4號泄壓板設置在艙體兩側上半部分，泄壓面積為0.42 m2，壓力達到0.1 bar時開啟。其余艙體泄壓板及艙門編號如圖1(d)所示(1 bar = 105 Pa)。
圖1 儲能艙及泄壓板分布：(a) 整體布局；(b) 單儲能艙構造；(c) 中心儲能艙泄壓板位置；(d) 其余泄壓板位置布局
1.2.2 泄漏源設置
磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后，噴射的電解液蒸氣會與空氣混合形成爆炸性氣體。參考Qin等研究成果，本工作模擬以9.31% CH4、9.8% C2H4、38.86% H2、11.7% CO、30.33% CO2(均為體積分數(shù))作為熱失控可燃氣體進行泄漏源設置，如圖2所示。
圖2 泄漏源氣體占比設置
參考徐成善等實驗結果，單個23 Ah的磷酸鐵鋰電池熱失控噴發(fā)氣體量為56.4 g。按照等比例轉化，由36個86 Ah磷酸鐵鋰電池組成的單個電池模組熱失控氣體噴發(fā)量為7591.93 g。參考徐成善等時間設置，設定電池模組發(fā)生熱失控后氣體噴發(fā)的時間為10 s，則每個電池模組的氣體噴發(fā)速度約為0.7592 kg/s。設定噴發(fā)方向為Y軸負方向，噴出的氣體溫度為200 ℃。單個儲能艙內(nèi)空氣容積約75 m3，根據(jù)預試驗的模擬結果，當10個電池模組發(fā)生熱失控時泄漏的等效化學計量氣體云總量與單個儲能艙內(nèi)空氣容積相當，即最大膨脹(通常接近化學計量)濃度下的閉合體積等效云約為75 m3，因此本次模擬以10個電池模組發(fā)生熱失控時釋放氣體量為泄漏總量。泄漏源高度設置為電池架第三層，在艙內(nèi)左右各5處對稱放置。
1.2.3 泄漏模型及初始條件設置
為了使模擬穩(wěn)定，本工作設置低初始湍流條件，環(huán)境壓力設定為101.325 kPa，環(huán)境溫度為20 ℃，其余參數(shù)保持默認值。邊界條件采用NOZZLE方案。由于該擴散模型為純氣體泄漏，因此設置等量比ER0為1×1030，又由于初始時計算區(qū)域內(nèi)沒有氣體，因此ER9設置為0。
1.2.4 爆炸模型及初始條件設置
針對爆炸模型，CFLC及CFLV設為5、0.5。以中央儲能艙為基準，泄壓板的噴口方向上采用非反射邊界條件PLANE_WAVE。點燃時可燃氣體濃度調(diào)用擴散模型數(shù)據(jù)，其余初始條件與擴散模型保持相同。
為了分析爆炸火焰形態(tài)和運動軌跡，觀察爆炸的沖擊波對周圍儲能艙造成的影響，本工作針對爆炸場景選取了燃燒產(chǎn)物質量比率(PROD)、溫度(T)、泄壓板壓力變化(PP)、最大壓強(Pmax)、燃燒速率(RFU)作為輸出變量。
1.2.5 網(wǎng)格設置
本工作總體仿真區(qū)域為48 m×22 m×6 m，網(wǎng)格劃分為189×183×56。參考前人研究基礎，圖3給出了不同網(wǎng)格大小下的艙內(nèi)爆炸壓力隨時間變化關系。從圖中可知，網(wǎng)格尺寸小于5 cm以后爆炸超壓基本上不再變化。因此，本工作仿真區(qū)域中局部加密最小網(wǎng)格選擇大小為0.05 m。同時，為節(jié)省計算機模擬運行時間，計算域對網(wǎng)格進行漸變劃分，對核心區(qū)域外的網(wǎng)格進行了適當拉伸以減少網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)總計約為193萬，如圖4所示。
圖3 不同網(wǎng)格大小下模擬壓力時間曲線
圖4 網(wǎng)格設置示意圖
1.3 模擬工況設計
本工作通過在泄漏前期1~3 s內(nèi)每隔1 s選取一個點火時間(共3個時刻)，以及在同一水平位置每隔0.3 m選取一個點火源(共5個點火高度)，來分析不同點火時間和位置對爆炸強度的影響。表1詳細列出了各個模擬工況的信息，其中τ表示點火時刻，?t表示泄漏持續(xù)時間，t表示擴散持續(xù)時間。
表1 燃爆危險性工況表
2 儲能電站磷酸鐵鋰電池熱失控燃爆危害研究
2.1 熱失控氣體擴散行為對儲能電站的影響
磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后，釋放大量氣體與空氣混合形成可燃氣體云。FLACS中利用當量比(ER)參數(shù)可觀察擴散氣體在時間、空間上濃度的變化。記熱失控氣體泄漏持續(xù)時間為?t，可燃氣體擴散的時間為t。儲能艙內(nèi)磷酸鐵鋰電池發(fā)生大規(guī)模熱失控后，根據(jù)可燃氣體在艙內(nèi)艙外擴散時的當量比計算結果可知，可燃云團的爆炸上、下限為4.812、0.476。圖5為儲能艙在XZ軸截面上艙內(nèi)可燃氣體濃度的變化，由于泄漏源在艙內(nèi)兩邊對稱放置，因此高濃度氣體最初在艙內(nèi)兩側出現(xiàn)，隨后向艙門、艙頂擴散，最后向下進行蔓延，最終低濃度區(qū)域被壓縮至艙底中心。
圖5 儲能電站熱失控氣體擴散可燃極限范圍-XZ截面：(a) ?t=2 s，t=2 s；(b) ?t=3 s，t=3 s；(c) ?t=4 s，t=4 s；(d) ?t=5 s，t=5 s；(e) ?t=6 s，t=6 s
仿真結果顯示，磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后，因泄漏氣體中氫氣、CO、甲烷等氣體占比達69%，如圖6(a)~(e)所示，盡管泄漏源處在艙內(nèi)較低位置，但泄漏氣體主要向上擴散，且泄漏氣體優(yōu)先集中在艙頂，其濃度隨著高度下降依次降低。隨著泄漏時間的增加，10 s泄漏期內(nèi)，高濃度區(qū)從艙頂向下擴大，高濃度可燃氣體在7 s時基本覆蓋全艙。
圖6 儲能電站熱失控氣體擴散可燃極限范圍-YZ截面：(a) ?t=2 s，t=2 s；(b) ?t=3 s，t=3 s；(c) ?t=4 s，t=4 s；(d) ?t=5 s，t=5 s；(e) ?t=7 s，t=7 s；(f) ?t=9 s，t=9 s；(g) ?t=10 s，t=11 s；(h) ?t=10 s，t=16 s
電池熱失控氣體泄漏3 s時，艙內(nèi)可燃氣體超壓沖破泄壓板，向相鄰艙體擴散。由圖6(b)、(c)可知，在隨后的1 s內(nèi)，可燃氣體覆蓋相鄰艙壁。圖7(a)~(d)所示，燃爆性氣體在4 s內(nèi)橫向覆蓋12 m長的相鄰艙體。整體上來看，磷酸鐵鋰電池在發(fā)生熱失控期間，泄漏氣體無法使相鄰艙體泄壓板超壓，僅覆蓋艙體外表面，形成“空心”軌跡，中空位置為濃度最低點，其氣體濃度低于可燃極限下限，但低濃度區(qū)域隨泄漏時間增加而縮小。
圖7 儲能電站熱失控氣體擴散可燃極限范圍-XY截面：(a) ?t=3 s，t=3 s；(b) ?t=4 s，t=4 s；(c) ?t=5 s，t=5 s；(d) ?t=7 s，t=7 s；(e) ?t=9 s，t=9 s；(f) ?t=10 s，t=11 s；(g) ?t=10 s，t=13 s；(h) ?t=10 s，t=15 s
在此次模擬中，磷酸鐵鋰電池熱失控泄漏氣體共持續(xù)10 s。如圖6(h)所示，泄漏結束后6 s，艙內(nèi)高濃度可燃氣體難以迅速排出，仍充滿大部分區(qū)域，僅泄壓板處有少量氣體濃度變化，且處于可燃極限范圍內(nèi)，因此若遇火源極易引發(fā)火災爆炸。與艙內(nèi)情況相反，如圖6(g)和圖7(f)~(h)所示，艙外開放空間中，泄漏停止后，可燃氣體濃度迅速降低，停止1 s后僅在靠近艙體和地面處有低濃度氣體；3 s后濃度較低的可燃氣體向上擴散至兩個艙體之間；5 s后大部分可燃氣體被稀釋，相鄰艙體相對安全，危險主要來自電池熱失控艙體。
儲能電站發(fā)生大規(guī)模電池熱失控事故時，無論泄漏是否停止，熱失控艙體內(nèi)外都將成為危險源，存在火災爆炸風險。磷酸鐵鋰電池熱失控后，可燃氣體迅速擴散至整個艙體并突破泄壓板，快速蔓延至相鄰艙體。若無防護措施，危險范圍將進一步擴大。
2.1 熱失控氣體擴散行為對儲能電站的影響
儲能電站電池熱失控后，氣體泄漏時間和擴散時間的不同，將導致艙內(nèi)可燃氣體濃度分布不均勻，進而影響爆炸強度。電池熱失控泄漏氣體時間越長，艙內(nèi)氣體濃度越大，泄漏共持續(xù)10 s，在泄漏前期，艙內(nèi)氣體濃度適中，爆炸概率和危險性極高。圖8給出了泄漏前期0~3 s期間艙內(nèi)發(fā)生爆炸時的火焰特征。模擬結果顯示，泄漏1 s發(fā)生爆炸時，火焰僅從單側艙門噴射出來，泄漏2 s及3 s發(fā)生爆炸時，爆炸沖擊波突破兩側艙門，火焰向前后噴射并與相鄰艙體接觸。
圖8 儲能電站泄漏前期爆炸火焰形態(tài)特征：(a) ?t=1 s，t=1 s；(b) ?t=2 s，t=2 s；(c) ?t=3 s，t=3 s
儲能艙發(fā)生熱失控氣體爆炸后，火焰和沖擊波突破泄壓板和艙門，迅速蔓延至相鄰艙體。如圖9所示，隨著泄漏時間增加，相鄰艙體泄壓板承受的爆炸沖擊壓力增大，超過設計承受壓力10 kPa，導致泄壓板打開，火焰蔓延至相鄰艙內(nèi)。而從儲能艙艙體噴射出來的爆炸火焰，為周圍環(huán)境帶來了巨大的熱量和溫度，極易使儲能電站發(fā)生二次災害。圖10所示為儲能電站發(fā)生爆炸時環(huán)境溫度的變化，以300~2400 K劃分溫度范圍，紅色區(qū)域溫度最高。模擬結果顯示，泄漏初期，高溫區(qū)域隨泄漏時間增加而擴大，且擴大的范圍增幅愈發(fā)明顯，爆炸威力也隨之增大。
圖9 泄漏前期爆炸后相鄰艙泄壓板受到的壓力變化
圖10 儲能艙熱失控氣體泄漏不同時期爆炸溫度變化：(a) ?t=1 s，爆炸前期；(b) ?t=1 s，爆炸結束；(c) ?t=2 s，爆炸前期；(d) ?t=2 s，爆炸結束；(e) ?t=3 s，爆炸前期；(f) ?t=3 s，爆炸結束
儲能艙電池熱失控泄漏后期，艙內(nèi)可燃氣體濃度接近或超出可燃極限上限，艙內(nèi)氧氣不足，同一高度點火源難以引發(fā)爆炸。受可燃氣體擴散影響，爆炸區(qū)域逐漸以點火源所處高度來區(qū)分，不同高度點火源爆炸強度不同。圖11、圖12為不同高度點火源對爆炸壓力的影響。根據(jù)模擬結果，如圖11所示，點火源高度為1.75 m時爆炸壓力峰值最高，為0.74 barg (1 barg = 105 Pa)，約為最小爆炸壓力峰值的1.35倍。當高度大于1.75 m時，由于可燃氣體濃度太高，艙內(nèi)氧氣含量不足，不易發(fā)生爆炸。在所有工況中，點火源位置最高1.75 m和點火源位置最低0.55 m處的爆炸壓力峰值屬于較高梯隊，高度在0.85~1.45 m時的爆炸壓力峰值相比較小，且爆炸壓力隨著點火源高度的增加而降低，1.45 m的爆炸壓力與0.85 m的數(shù)值相比降低了約20%。對于相鄰儲能艙，如圖12所示，高度在1.75 m時的爆炸危險性最大，此時相鄰儲能艙受到的爆炸壓力超過了艙門的開啟泄壓值20 kPa，若無防護措施，從熱失控儲能艙噴射而出的爆炸火焰可以進入相鄰儲能艙，可能引發(fā)連環(huán)爆炸。
圖11 不同點火高度對爆炸最大壓力的影響
圖12 不同高度點火源對相鄰儲能艙艙門壓力的影響
3 結論
本工作利用FLACS數(shù)值模擬的方法，以不同泄漏時間、點火高度為變量，探究儲能艙中可燃氣體擴散蔓延過程以及燃爆危害性；通過對溫度、當量比、爆炸壓力、爆炸火焰等特征參數(shù)進行對比分析，得出主要結論如下：
（1）磷酸鐵鋰電池在儲能艙內(nèi)發(fā)生大規(guī)模熱失控之后，泄漏的氣體會在艙內(nèi)快速擴散，大量可燃氣體優(yōu)先在艙頂部位聚集，并形成高濃度的區(qū)域；隨著泄漏時間的增加，艙內(nèi)的氣體高濃度區(qū)域自上而下擴大范圍，當泄漏至第7 s時，整個儲能艙艙體內(nèi)部幾乎充滿高濃度的可燃氣體。
（2）當儲能艙內(nèi)電池發(fā)生大規(guī)模熱失控時，艙體泄壓板開啟泄壓動作，從熱失控艙體泄漏出來的可燃氣體擴散速度極快，僅1 s便能蔓延至相鄰儲能艙，4 s能覆蓋長度為12 m的相鄰艙體側面，可燃氣體主要沿著艙體及地面進行蔓延和擴散。
（3）艙內(nèi)電池熱失控泄漏結束后，由于受限空間影響，艙內(nèi)大量高濃度可燃氣體無法及時逸散和排出，將在較長時間內(nèi)保持高濃度的狀態(tài)，此時處在艙體泄壓板處的區(qū)域最為危險。
（4）泄漏前期0~3 s發(fā)生爆炸概率較大，泄漏后期因艙內(nèi)濃度太高、氧氣不足，發(fā)生爆炸概率較低。泄漏前期0~3 s隨著泄漏時間的增加，濃度越高，爆炸強度越大；泄漏后期，點火高度為1.75 m時爆炸強度最大。
