中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 近年來(lái)，全世界各地發(fā)生了多起儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性亟待提高。本工作通過(guò)FLACS軟件建立儲(chǔ)能艙的物理模型，模擬了磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾罂扇細(xì)怏w的泄漏、擴(kuò)散及爆炸過(guò)程，分析了不同泄漏時(shí)間、點(diǎn)火高度等條件下，可燃?xì)怏w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(duì)儲(chǔ)能電站安全的影響，為儲(chǔ)能電站的安全設(shè)計(jì)和事故預(yù)防提供理論依據(jù)。研究表明，磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾?，可燃?xì)怏w優(yōu)先在艙頂聚集，隨著泄漏時(shí)間增加，高濃度區(qū)域自上而下擴(kuò)大，7 s時(shí)基本覆蓋全艙。泄漏前期0~3 s發(fā)生爆炸概率大，爆炸強(qiáng)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(diǎn)火高度在1.75 m時(shí)爆炸強(qiáng)度最大；儲(chǔ)能電站磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾?，可燃?xì)怏w的擴(kuò)散和燃爆危害性顯著，尤其在泄漏前期和特定點(diǎn)火高度下，爆炸風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，儲(chǔ)能電站的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮氣體擴(kuò)散和爆炸特性，優(yōu)化泄壓板設(shè)置和防護(hù)措施，以降低熱失控引發(fā)的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；氣體擴(kuò)散；數(shù)值模擬
隨著全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，如太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源得到了廣泛應(yīng)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(yīng)用。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)因其高效、靈活的特點(diǎn)，成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。目前，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)成為支撐能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)。然而，隨著儲(chǔ)能電站的廣泛應(yīng)用，鋰離子電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全事故頻發(fā)，給人員生命與財(cái)產(chǎn)安全造成巨大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球鋰離子電池儲(chǔ)能相關(guān)火災(zāi)爆炸事故每年發(fā)生30起左右。因此，研究?jī)?chǔ)能電站磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厝急：π跃哂兄匾F(xiàn)實(shí)意義。
許多學(xué)者通過(guò)采用實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的大小，探尋了正極材料、荷電狀態(tài)等因素對(duì)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(qiáng)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(guò)充會(huì)增大錳酸鋰電池發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。另外，還有其他學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э蒯尫诺囊兹細(xì)怏w爆炸特性進(jìn)行了研究。
更多場(chǎng)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(dāng)量，研究表明，電壓越高危害越大。牛志遠(yuǎn)等基于實(shí)際尺寸建立1∶1儲(chǔ)能艙模型研究磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э匾l(fā)的爆炸對(duì)周?chē)擉w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(kuò)散，若無(wú)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(chǔ)能艙的熱失控過(guò)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(kāi)闊，高溫和超壓沖擊數(shù)值較低。
在鋰離子電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)爆炸危險(xiǎn)性研究方面，前人對(duì)熱失控機(jī)理、爆炸特性等進(jìn)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(duì)爆炸強(qiáng)度的影響。然而，受限于實(shí)驗(yàn)儀器和條件，多數(shù)研究?jī)H針對(duì)小型電池或電池組，較少涉及儲(chǔ)能電站等大型應(yīng)用場(chǎng)景。此外，儲(chǔ)能電站爆炸仿真多假設(shè)氣體均勻分布，忽略了可燃?xì)怏w擴(kuò)散時(shí)間對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響，未充分考慮實(shí)際熱失控氣體爆炸情況。
因此，本工作通過(guò)FLACS仿真模擬軟件，對(duì)儲(chǔ)能艙內(nèi)磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э蒯尫趴扇細(xì)怏w的擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，并進(jìn)一步探明了不同擴(kuò)散時(shí)間、不同點(diǎn)火高度對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響，更加全面真實(shí)地揭示儲(chǔ)能電站預(yù)制艙磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厝急：π?，為電化學(xué)儲(chǔ)能電站消防安全設(shè)計(jì)及爆炸防護(hù)提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考。
1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)
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(shù)開(kāi)發(fā)的三維流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，獲得多項(xiàng)國(guó)際權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。FLACS利用有限體積法求解可壓N-S方程，結(jié)合設(shè)定好的邊界和初始條件，求解模擬計(jì)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(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程、能量方程、組分質(zhì)量守恒方程等可用式(1)表示：
式中，為通用求解變量(包含質(zhì)量、動(dòng)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(kuò)散系數(shù)；為源項(xiàng)。
FLACS軟件包含爆炸、火災(zāi)、粉塵、擴(kuò)散等多個(gè)計(jì)算模塊，其中，擴(kuò)散模塊可準(zhǔn)確地計(jì)算出可燃?xì)庠频臄U(kuò)散結(jié)果，爆炸模塊在氣體爆炸領(lǐng)域與其他同類(lèi)軟件相比具有更廣泛的功能和適用性，能有效評(píng)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(shè)計(jì)
1.2.1 物理模型介紹
本工作采用1∶1的比例對(duì)磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能預(yù)制艙的幾何空間進(jìn)行建模，圖1(a)為預(yù)制艙式儲(chǔ)能磷酸鐵鋰電池電站的整體布局，主要電氣設(shè)備為5個(gè)功率/容量為1.26 MW/2.2 MWh的磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙。為研究各方向上的爆炸后果，5個(gè)儲(chǔ)能艙呈“十字形”排列，每?jī)蓚€(gè)儲(chǔ)能艙之間較長(zhǎng)邊相隔距離為3 m，較短邊相隔距離為4 m。
儲(chǔ)能艙的幾何尺寸為12.2 m×2.4 m×3 m，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，儲(chǔ)能艙中間設(shè)有寬度0.8 m的過(guò)道，艙內(nèi)兩側(cè)放置的電池架設(shè)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(gè)電池模組由36個(gè)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(shè)有散熱的通氣孔。
每個(gè)儲(chǔ)能艙都設(shè)有4個(gè)泄壓板，泄壓板的質(zhì)量面密度設(shè)為10 kg /m2。以中心儲(chǔ)能艙為例，如圖1(c)所示，1號(hào)和2號(hào)泄壓板為儲(chǔ)能艙艙門(mén)，泄壓面積為3.84 m2，壓力達(dá)到0.2 bar時(shí)開(kāi)啟艙門(mén)；3號(hào)和4號(hào)泄壓板設(shè)置在艙體兩側(cè)上半部分，泄壓面積為0.42 m2，壓力達(dá)到0.1 bar時(shí)開(kāi)啟。其余艙體泄壓板及艙門(mén)編號(hào)如圖1(d)所示(1 bar = 105 Pa)。
圖1 儲(chǔ)能艙及泄壓板分布：(a) 整體布局；(b) 單儲(chǔ)能艙構(gòu)造；(c) 中心儲(chǔ)能艙泄壓板位置；(d) 其余泄壓板位置布局
1.2.2 泄漏源設(shè)置
磷酸鐵鋰電池發(fā)生熱失控后，噴射的電解液蒸氣會(huì)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?jǐn)?shù))作為熱失控可燃?xì)怏w進(jìn)行泄漏源設(shè)置，如圖2所示。
圖2 泄漏源氣體占比設(shè)置
參考徐成善等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，單個(gè)23 Ah的磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貒姲l(fā)氣體量為56.4 g。按照等比例轉(zhuǎn)化，由36個(gè)86 Ah磷酸鐵鋰電池組成的單個(gè)電池模組熱失控氣體噴發(fā)量為7591.93 g。參考徐成善等時(shí)間設(shè)置，設(shè)定電池模組發(fā)生熱失控后氣體噴發(fā)的時(shí)間為10 s，則每個(gè)電池模組的氣體噴發(fā)速度約為0.7592 kg/s。設(shè)定噴發(fā)方向?yàn)閅軸負(fù)方向，噴出的氣體溫度為200 ℃。單個(gè)儲(chǔ)能艙內(nèi)空氣容積約75 m3，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的模擬結(jié)果，當(dāng)10個(gè)電池模組發(fā)生熱失控時(shí)泄漏的等效化學(xué)計(jì)量氣體云總量與單個(gè)儲(chǔ)能艙內(nèi)空氣容積相當(dāng)，即最大膨脹(通常接近化學(xué)計(jì)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(gè)電池模組發(fā)生熱失控時(shí)釋放氣體量為泄漏總量。泄漏源高度設(shè)置為電池架第三層，在艙內(nèi)左右各5處對(duì)稱放置。
1.2.3 泄漏模型及初始條件設(shè)置
為了使模擬穩(wěn)定，本工作設(shè)置低初始湍流條件，環(huán)境壓力設(shè)定為101.325 kPa，環(huán)境溫度為20 ℃，其余參數(shù)保持默認(rèn)值。邊界條件采用NOZZLE方案。由于該擴(kuò)散模型為純氣體泄漏，因此設(shè)置等量比ER0為1×1030，又由于初始時(shí)計(jì)算區(qū)域內(nèi)沒(méi)有氣體，因此ER9設(shè)置為0。
1.2.4 爆炸模型及初始條件設(shè)置
針對(duì)爆炸模型，CFLC及CFLV設(shè)為5、0.5。以中央儲(chǔ)能艙為基準(zhǔn)，泄壓板的噴口方向上采用非反射邊界條件PLANE_WAVE。點(diǎn)燃時(shí)可燃?xì)怏w濃度調(diào)用擴(kuò)散模型數(shù)據(jù)，其余初始條件與擴(kuò)散模型保持相同。
為了分析爆炸火焰形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察爆炸的沖擊波對(duì)周?chē)鷥?chǔ)能艙造成的影響，本工作針對(duì)爆炸場(chǎng)景選取了燃燒產(chǎn)物質(zhì)量比率(PROD)、溫度(T)、泄壓板壓力變化(PP)、最大壓強(qiáng)(Pmax)、燃燒速率(RFU)作為輸出變量。
1.2.5 網(wǎng)格設(shè)置
本工作總體仿真區(qū)域?yàn)?8 m×22 m×6 m，網(wǎng)格劃分為189×183×56。參考前人研究基礎(chǔ)，圖3給出了不同網(wǎng)格大小下的艙內(nèi)爆炸壓力隨時(shí)間變化關(guān)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(shí)，為節(jié)省計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行漸變劃分，對(duì)核心區(qū)域外的網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)拉伸以減少網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格數(shù)總計(jì)約為193萬(wàn)，如圖4所示。
圖3 不同網(wǎng)格大小下模擬壓力時(shí)間曲線
圖4 網(wǎng)格設(shè)置示意圖
1.3 模擬工況設(shè)計(jì)
本工作通過(guò)在泄漏前期1~3 s內(nèi)每隔1 s選取一個(gè)點(diǎn)火時(shí)間(共3個(gè)時(shí)刻)，以及在同一水平位置每隔0.3 m選取一個(gè)點(diǎn)火源(共5個(gè)點(diǎn)火高度)，來(lái)分析不同點(diǎn)火時(shí)間和位置對(duì)爆炸強(qiáng)度的影響。表1詳細(xì)列出了各個(gè)模擬工況的信息，其中τ表示點(diǎn)火時(shí)刻，?t表示泄漏持續(xù)時(shí)間，t表示擴(kuò)散持續(xù)時(shí)間。
表1 燃爆危險(xiǎn)性工況表
2 儲(chǔ)能電站磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э厝急：ρ芯?/strong>
2.1 熱失控氣體擴(kuò)散行為對(duì)儲(chǔ)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?xì)怏w云。FLACS中利用當(dāng)量比(ER)參數(shù)可觀察擴(kuò)散氣體在時(shí)間、空間上濃度的變化。記熱失控氣體泄漏持續(xù)時(shí)間為?t，可燃?xì)怏w擴(kuò)散的時(shí)間為t。儲(chǔ)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?xì)怏w在艙內(nèi)艙外擴(kuò)散時(shí)的當(dāng)量比計(jì)算結(jié)果可知，可燃云團(tuán)的爆炸上、下限為4.812、0.476。圖5為儲(chǔ)能艙在XZ軸截面上艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度的變化，由于泄漏源在艙內(nèi)兩邊對(duì)稱放置，因此高濃度氣體最初在艙內(nèi)兩側(cè)出現(xiàn)，隨后向艙門(mén)、艙頂擴(kuò)散，最后向下進(jìn)行蔓延，最終低濃度區(qū)域被壓縮至艙底中心。
圖5 儲(chǔ)能電站熱失控氣體擴(kuò)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(jié)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(dá)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(kuò)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(shí)間的增加，10 s泄漏期內(nèi)，高濃度區(qū)從艙頂向下擴(kuò)大，高濃度可燃?xì)怏w在7 s時(shí)基本覆蓋全艙。
圖6 儲(chǔ)能電站熱失控氣體擴(kuò)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?zé)崾Э貧怏w泄漏3 s時(shí)，艙內(nèi)可燃?xì)怏w超壓沖破泄壓板，向相鄰艙體擴(kuò)散。由圖6(b)、(c)可知，在隨后的1 s內(nèi)，可燃?xì)怏w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(zhǎng)的相鄰艙體。整體上來(lái)看，磷酸鐵鋰電池在發(fā)生熱失控期間，泄漏氣體無(wú)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(diǎn)，其氣體濃度低于可燃極限下限，但低濃度區(qū)域隨泄漏時(shí)間增加而縮小。
圖7 儲(chǔ)能電站熱失控氣體擴(kuò)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?zé)崾Э匦孤怏w共持續(xù)10 s。如圖6(h)所示，泄漏結(jié)束后6 s，艙內(nèi)高濃度可燃?xì)怏w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(zāi)爆炸。與艙內(nèi)情況相反，如圖6(g)和圖7(f)~(h)所示，艙外開(kāi)放空間中，泄漏停止后，可燃?xì)怏w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?xì)怏w向上擴(kuò)散至兩個(gè)艙體之間；5 s后大部分可燃?xì)怏w被稀釋?zhuān)噜徟擉w相對(duì)安全，危險(xiǎn)主要來(lái)自電池?zé)崾Э嘏擉w。
儲(chǔ)能電站發(fā)生大規(guī)模電池?zé)崾Э厥鹿蕰r(shí)，無(wú)論泄漏是否停止，熱失控艙體內(nèi)外都將成為危險(xiǎn)源，存在火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾?，可燃?xì)怏w迅速擴(kuò)散至整個(gè)艙體并突破泄壓板，快速蔓延至相鄰艙體。若無(wú)防護(hù)措施，危險(xiǎn)范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大。
2.1 熱失控氣體擴(kuò)散行為對(duì)儲(chǔ)能電站的影響
儲(chǔ)能電站電池?zé)崾Э睾?，氣體泄漏時(shí)間和擴(kuò)散時(shí)間的不同，將導(dǎo)致艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度分布不均勻，進(jìn)而影響爆炸強(qiáng)度。電池?zé)崾Э匦孤怏w時(shí)間越長(zhǎng)，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(xiǎn)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(shí)的火焰特征。模擬結(jié)果顯示，泄漏1 s發(fā)生爆炸時(shí)，火焰僅從單側(cè)艙門(mén)噴射出來(lái)，泄漏2 s及3 s發(fā)生爆炸時(shí)，爆炸沖擊波突破兩側(cè)艙門(mén)，火焰向前后噴射并與相鄰艙體接觸。
圖8 儲(chǔ)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(chǔ)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(mén)，迅速蔓延至相鄰艙體。如圖9所示，隨著泄漏時(shí)間增加，相鄰艙體泄壓板承受的爆炸沖擊壓力增大，超過(guò)設(shè)計(jì)承受壓力10 kPa，導(dǎo)致泄壓板打開(kāi)，火焰蔓延至相鄰艙內(nèi)。而從儲(chǔ)能艙艙體噴射出來(lái)的爆炸火焰，為周?chē)h(huán)境帶來(lái)了巨大的熱量和溫度，極易使儲(chǔ)能電站發(fā)生二次災(zāi)害。圖10所示為儲(chǔ)能電站發(fā)生爆炸時(shí)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(jié)果顯示，泄漏初期，高溫區(qū)域隨泄漏時(shí)間增加而擴(kuò)大，且擴(kuò)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(chǔ)能艙熱失控氣體泄漏不同時(shí)期爆炸溫度變化：(a) ?t=1 s，爆炸前期；(b) ?t=1 s，爆炸結(jié)束；(c) ?t=2 s，爆炸前期；(d) ?t=2 s，爆炸結(jié)束；(e) ?t=3 s，爆炸前期；(f) ?t=3 s，爆炸結(jié)束
儲(chǔ)能艙電池?zé)崾Э匦孤┖笃冢搩?nèi)可燃?xì)怏w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(diǎn)火源難以引發(fā)爆炸。受可燃?xì)怏w擴(kuò)散影響，爆炸區(qū)域逐漸以點(diǎn)火源所處高度來(lái)區(qū)分，不同高度點(diǎn)火源爆炸強(qiáng)度不同。圖11、圖12為不同高度點(diǎn)火源對(duì)爆炸壓力的影響。根據(jù)模擬結(jié)果，如圖11所示，點(diǎn)火源高度為1.75 m時(shí)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(dāng)高度大于1.75 m時(shí)，由于可燃?xì)怏w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(diǎn)火源位置最高1.75 m和點(diǎn)火源位置最低0.55 m處的爆炸壓力峰值屬于較高梯隊(duì)，高度在0.85~1.45 m時(shí)的爆炸壓力峰值相比較小，且爆炸壓力隨著點(diǎn)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(duì)于相鄰儲(chǔ)能艙，如圖12所示，高度在1.75 m時(shí)的爆炸危險(xiǎn)性最大，此時(shí)相鄰儲(chǔ)能艙受到的爆炸壓力超過(guò)了艙門(mén)的開(kāi)啟泄壓值20 kPa，若無(wú)防護(hù)措施，從熱失控儲(chǔ)能艙噴射而出的爆炸火焰可以進(jìn)入相鄰儲(chǔ)能艙，可能引發(fā)連環(huán)爆炸。
圖11 不同點(diǎn)火高度對(duì)爆炸最大壓力的影響
圖12 不同高度點(diǎn)火源對(duì)相鄰儲(chǔ)能艙艙門(mén)壓力的影響
3 結(jié)論
本工作利用FLACS數(shù)值模擬的方法，以不同泄漏時(shí)間、點(diǎn)火高度為變量，探究?jī)?chǔ)能艙中可燃?xì)怏w擴(kuò)散蔓延過(guò)程以及燃爆危害性；通過(guò)對(duì)溫度、當(dāng)量比、爆炸壓力、爆炸火焰等特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出主要結(jié)論如下：
（1）磷酸鐵鋰電池在儲(chǔ)能艙內(nèi)發(fā)生大規(guī)模熱失控之后，泄漏的氣體會(huì)在艙內(nèi)快速擴(kuò)散，大量可燃?xì)怏w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(shí)間的增加，艙內(nèi)的氣體高濃度區(qū)域自上而下擴(kuò)大范圍，當(dāng)泄漏至第7 s時(shí)，整個(gè)儲(chǔ)能艙艙體內(nèi)部幾乎充滿高濃度的可燃?xì)怏w。
（2）當(dāng)儲(chǔ)能艙內(nèi)電池發(fā)生大規(guī)模熱失控時(shí)，艙體泄壓板開(kāi)啟泄壓動(dòng)作，從熱失控艙體泄漏出來(lái)的可燃?xì)怏w擴(kuò)散速度極快，僅1 s便能蔓延至相鄰儲(chǔ)能艙，4 s能覆蓋長(zhǎng)度為12 m的相鄰艙體側(cè)面，可燃?xì)怏w主要沿著艙體及地面進(jìn)行蔓延和擴(kuò)散。
（3）艙內(nèi)電池?zé)崾Э匦孤┙Y(jié)束后，由于受限空間影響，艙內(nèi)大量高濃度可燃?xì)怏w無(wú)法及時(shí)逸散和排出，將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持高濃度的狀態(tài)，此時(shí)處在艙體泄壓板處的區(qū)域最為危險(xiǎn)。
（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(shí)間的增加，濃度越高，爆炸強(qiáng)度越大；泄漏后期，點(diǎn)火高度為1.75 m時(shí)爆炸強(qiáng)度最大。
