中國儲能網(wǎng)訊：隨著能源結(jié)構(gòu)的變化，集油、氣、氫、電為一體的綜合能源站成為未來能源加注站的發(fā)展趨勢。預(yù)制艙式換電站作為綜合能源站的電能模塊，存在因電池?zé)崾Э囟l(fā)燃爆事故的風(fēng)險，進而引發(fā)二次事故。本文基于已投入運行的并列式預(yù)制艙換電站建立了1∶1三維仿真模型，將換電站內(nèi)電池?zé)崾Э厮尫诺臍怏w作為爆炸源，通過CFD模擬研究了并列式預(yù)制艙換電站發(fā)生燃爆事故時的沖擊波傳播過程，確定了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下的事故最大影響范圍，探究了泄爆裝置設(shè)置方式對泄爆效果的影響。研究結(jié)果表明：①通過模擬可以得到換電站艙內(nèi)發(fā)生燃爆事故后產(chǎn)生的最大爆炸超壓及最大影響范圍，對并列式換電站鄰側(cè)換電艙影響較小。②通過設(shè)置泄爆裝置可降低最大爆炸壓力，大幅降低換電艙爆炸沖擊波超壓，有效減弱燃爆事故后果。③泄爆效果與泄爆裝置開啟壓力近似線性相關(guān)，開啟壓力越小則泄爆效果越明顯；泄爆效果受泄爆裝置與點火源相對距離影響，泄爆裝置距離點火源位置越近時泄爆效果越好；泄爆效果受泄爆裝置設(shè)置位置影響，泄爆率由高到低為后部、側(cè)部與頂部。為保證綜合能源站安全運行，防止多米諾事故發(fā)生提供支撐。
隨著社會發(fā)展與化石能源供給關(guān)系變化，單一能源供給方式已無法滿足出行能源需求，集油、氣、氫、電為一體的綜合能源站成為能源供應(yīng)建設(shè)的發(fā)展趨勢[1]。電能模塊應(yīng)用較多的是預(yù)制艙換電站，其存儲的磷酸鐵鋰電池在過充過放、短路以及沖擊等情況下可能發(fā)生熱失控[2]，而磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的大量有毒可燃?xì)怏w在密閉空間內(nèi)存在燃爆風(fēng)險[3]。由于綜合能源站內(nèi)存在燃料油、氫氣、天然氣等易燃易爆物質(zhì)，換電模塊的燃爆風(fēng)險可能會引起多米諾事故，造成嚴(yán)重的事故后果。近年來，鋰離子電池儲能站燃爆事故頻發(fā)，2019年美國亞利桑那州公用事業(yè)服務(wù)公司（APS）的電池儲能電站發(fā)生火災(zāi)，并在開啟艙門后發(fā)生爆炸[4]。因此對預(yù)制艙式換電站爆炸危險性以及相應(yīng)泄爆措施的效果進行研究非常有必要。
目前，中外學(xué)者對于鋰電池的熱失控機理、燃爆危險性等方面進行了大量研究。Golubkov等[5]通過熱觸發(fā)實驗分析了不同荷電狀態(tài)下鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣組分與產(chǎn)氣量，得出鋰離子電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的危險氣體主要是一氧化碳、氫氣、甲烷以及氟乙烷，并指出危險氣體組分與熱失控時電池的荷電狀態(tài)有關(guān)；Zhao等[6]通過電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣實驗，指出熱失控氣體釋放量與電池荷電狀態(tài)成正比，并在SOC達(dá)到50%時發(fā)生爆炸現(xiàn)象；Somandepalli等[7]利用20 L爆炸球研究了電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生氣體的爆炸極限，測得可燃混合氣體的爆炸下限為6.3%；郭超超等[8]利用勒夏特列公式計算了室溫下不同SOC鋰離子電池釋放氣體的燃爆極限，表明SOC越高電池釋放氣體的燃爆極限范圍越大，電池?zé)崾Э睾蟮娜急ｋU性越高。
前人的研究多集中在單電池或電池包的熱失控機理、產(chǎn)氣特性等方面，缺乏對于應(yīng)用場景中電池?fù)Q電站爆炸事故危險性的相關(guān)研究，未能研究泄爆裝置布局對事故消減的作用，工業(yè)應(yīng)用中電池?fù)Q電站設(shè)計缺乏依據(jù)。由于受到安全性與經(jīng)濟性限制，開展大尺寸換電站爆炸實驗研究較為困難，且前人已使用計算流體動力學(xué)仿真(computational fluid dynamics，CFD)模擬單電池安全性能[9-10]，因此，本文采用CFD模擬，根據(jù)已投入運行的某綜合能源站內(nèi)并列式預(yù)制艙換電站構(gòu)建了1∶1實際比例模型，模擬了綜合能源站換電模塊電池的熱失控燃爆事故，揭示了燃爆過程中的超壓分布，提出了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下?lián)Q電站燃爆事故的影響范圍，進而給出換電站泄爆裝置的合理設(shè)置指導(dǎo)。本研究為綜合能源站建設(shè)過程中各能源模塊的平面布局與安全距離提供參考依據(jù)，并提出了換電站泄爆裝置的設(shè)置方式以降低換電站燃爆事故的損失。
1 并列式預(yù)制艙換電站模型設(shè)置
1.1 數(shù)學(xué)模型
本文采用的CFD軟件使用SIMPLE算法，求解納維斯托克斯(Navier-Stokes)等流體方程，以研究氣體泄漏擴散、燃燒或爆炸過程中的濃度、溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)的變化情況。目前該軟件被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的通風(fēng)、氣體泄漏擴散、以及氣體、粉塵爆炸的數(shù)值模擬研究[11-12]。
將鋰電池爆炸過程等效為鋰電池電解液熱失控形成的可燃?xì)庠票?，該過程可用連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、湍流動能方程、湍流動能耗散率方程、燃料組分方程和混合物組分方程來表示，將上述方程耦合成統(tǒng)一形式進行表述[13]：
式中，?為通用變量，分別代表速度分量u、v、w，湍流動能k，湍流動能耗散率ε，焓h，可燃性氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yfu等。
1.2 物理模型
本文換電站模型根據(jù)已投入運行的某綜合能源站內(nèi)使用的一組并列式預(yù)制艙換電站為依據(jù)，建立了1∶1實際尺寸的三維仿真物理模型。
并列式預(yù)制艙換電站由兩個并行排放的換電艙以及一個換電站控制室組成，每個換電艙具有兩處開孔薄弱部位，分別為0.5 m×0.5 m的排氣扇以及0.5 m×3.1 m的百葉窗。換電站以及薄弱部位坐標(biāo)與示意圖分別如表1、圖1所示。
圖1 換電站結(jié)構(gòu)示意圖
Fig. 1 Power exchange station structure diagram
1.3 參數(shù)設(shè)置
（1）網(wǎng)格劃分
為同時保證流體計算速度與結(jié)果準(zhǔn)確性，將仿真計算區(qū)域劃分為核心區(qū)域與非核心區(qū)域。以發(fā)生燃爆事故的換電艙為核心區(qū)域，燃爆艙以外為非核心區(qū)域，核心區(qū)域網(wǎng)格加密處理，非核心區(qū)域網(wǎng)格進行拉伸，并進行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，0.25 m網(wǎng)格與0.5 m網(wǎng)格計算結(jié)果大致相同，結(jié)果如表2所示。
網(wǎng)格尺寸為0.25 m拉伸系數(shù)為1.2，最大網(wǎng)格尺寸為0.5 m，區(qū)域內(nèi)共設(shè)置網(wǎng)格1255040個，網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)如表3所示。
（2）初始條件與邊界條件
本文選取的換電站實際運行工況為常溫常壓，且正常工作下不開啟通風(fēng)設(shè)施，因此初始條件設(shè)置為環(huán)境溫度20 ℃、初始風(fēng)速0 m/s、初始壓力101.325 kPa。對于爆炸模擬，邊界條件通常為EULER[14]。爆炸模擬初始條件與邊界條件如表4所示。
（3）爆炸氣云
電池燃爆事故后果與電池荷電狀態(tài)呈正比，當(dāng)SOC達(dá)到100%狀態(tài)時電池燃爆危險性最大[15-16]，因此對100%SOC狀態(tài)下的280 Ah方形磷酸鐵鋰電池進行了熱濫用產(chǎn)氣實驗，電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的氣體主要為二氧化碳、一氧化碳、氫氣、乙烯以及甲烷。取主要可燃?xì)怏w進行歸一化處理，作為可燃?xì)庠平M分，可燃?xì)庠茪怏w組成如表5所示。試驗測得單個電芯熱失控時可燃?xì)怏w的產(chǎn)量為6 L/Ah，換電站單個電池包電量為12960 Ah，因此單個電池包熱失控即可產(chǎn)生充滿整個換電站的當(dāng)量氣云。為模擬最壞事故場景，將氣云填滿燃爆換電艙。
（4）泄壓板
由于艙體存在開孔的薄弱結(jié)構(gòu)，具有較弱的抗沖擊能力，因此本文在預(yù)制艙百葉窗、換氣扇處設(shè)置泄壓板，以模擬兩處薄弱結(jié)構(gòu)承受一定強度沖擊波后破壞打開的過程與影響。根據(jù)文獻(xiàn)[9,17]中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，將百葉窗與換氣扇的開啟壓力均設(shè)置為3 kPa，泄壓板類型設(shè)置為Popout。泄爆裝置通過設(shè)置泄壓板的形式實現(xiàn)，其泄壓板類型也設(shè)置為Popout。
（5）點火時間
本文中均以點火時刻為起始時刻，火源為持續(xù)時間0 s的瞬時火源。
2 并列式預(yù)制艙換電站爆炸過程模擬與分析
爆炸產(chǎn)生的沖擊波是爆炸事故中最主要的傷害形式，需要研究換電站現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下爆炸事故沖擊波的傳播過程，以此分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下?lián)Q電站燃爆事故的危險性與影響范圍。
換電站燃爆事故點火源位置為(1.8，3.5，1.5)。圖2為沖擊波傳播中超壓分布變化。由圖2可知，爆炸發(fā)生后，沖擊波迅速從點火源處沿y軸方向擴散；0.07 s時沖擊波突破百葉窗與排風(fēng)扇，在自由空間內(nèi)傳播，0.162 s時艙外超壓迅速衰減，0.311 s時艙內(nèi)超壓開始消退。受點火源位置以及換電艙結(jié)構(gòu)的影響，沖擊波在y方向上具有更多的加速空間與時間，加之換電艙百葉窗開口面積大于排風(fēng)扇面積，因此沖擊波主要從百葉窗處傳至艙體外部，對y方向的影響也最大。
圖2 換電站爆炸事故的超壓分布
Fig. 2 Overpressure distribution of explosion accidents in power plants
圖3展示了兩個預(yù)制艙排風(fēng)扇與百葉窗處的壓力變化情況，由圖3可知在發(fā)生爆炸后燃爆艙的排氣扇與百葉窗受到遠(yuǎn)大于開啟壓力(3 kPa)的沖擊，兩處結(jié)構(gòu)在0.1 s內(nèi)均被完全破壞；由于排風(fēng)扇距離點火源更近，因此排風(fēng)扇在0.05 s左右先被破壞，在圖2(b)中也可看出沖擊波先從排風(fēng)扇處傳播至艙外；鄰側(cè)非燃爆艙的百葉窗會受到燃爆艙沖擊波的影響，最大壓力為2.3 kPa，低于百葉窗的開啟壓力，從圖2中也可看出百葉窗未受到結(jié)構(gòu)性破壞；鄰側(cè)非燃爆艙的排風(fēng)扇幾乎未受到燃爆艙沖擊波的影響。
圖3 預(yù)制艙薄弱部位泄壓板的壓力變化
Fig. 3 Pressure variation of the pressure relief plate at the weak part of the prefabricated cabin
因此，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)的換電站發(fā)生爆炸時，若艙體未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，沖擊波主要影響排氣扇與百葉窗沿線處，由于沖擊波主要從百葉窗處傳播至艙外，換電站爆炸沖擊波的最大影響距離在百葉窗沿線位置?？紤]到綜合能源站中存在較多鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，因而選取10.4 kPa作為換電站爆炸最大影響范圍的判斷閾值，建筑物在不同超壓下的損壞程度[18]如表6所示。
圖4展示了燃爆艙中心軸線處(x=1.8 m) yz截面的超壓分布情況。換電站發(fā)生爆炸后，沖擊波從百葉窗處傳至艙外，沿y軸方向迅速傳播，在0.205 s時沖擊波傳播至最大影響距離處，換電站爆炸產(chǎn)生的影響范圍約為21 m。
圖4 燃爆艙中心軸線處 (x=1.8 m) yz截面的超壓分布
Fig. 4 Overpressure distribution of yz section at the central axis of the explosion chamber (x=1.8 m)
3 并列式預(yù)制艙換電站泄爆效果模擬與分析
3.1 泄爆裝置開啟壓力對泄爆效果影響的模擬研究
泄爆裝置的開啟壓力是影響裝置泄爆效果的關(guān)鍵因素。泄爆裝置開啟壓力設(shè)置過小容易因誤動作造成泄壓裝置意外開啟，開啟壓力設(shè)置過大則存在響應(yīng)慢、泄爆效果差等問題，明確開啟壓力對換電艙安全至關(guān)重要。本文模擬了不同泄爆裝置開啟壓力對換電艙內(nèi)燃爆壓力與泄爆效果的影響規(guī)律。模擬設(shè)置了艙體頂部開啟面積為1 m×1 m，中心點位置(1.8，6.5，3.2)的泄爆裝置，泄壓裝置開啟壓力分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、150 kPa。點火源位于燃爆艙前端，位置坐標(biāo)(1.8，3.5，1.5)。
圖5為不同開啟壓力下泄爆裝置壓力變化與開啟時間，圖6為不同開啟壓力下?lián)Q電艙燃爆產(chǎn)生的最大壓力與泄爆率。由圖5可知，在泄壓裝置開啟壓力分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、150 kPa時，裝置的開啟時間分別為爆炸發(fā)生后0.278 s、0.283 s、0.290 s、0.302 s、0.324 s、0.345 s、0.372 s。泄爆裝置的響應(yīng)時間與開啟壓力近似呈線性相關(guān)，開啟壓力越小泄爆裝置越容易受沖擊波影響而發(fā)生響應(yīng)，即開啟時間越早。
圖5 不同開啟壓力泄爆裝置的壓力變化與開啟時間
Fig. 5 Pressure changes and opening time of explosion relief devices with different opening pressures
圖6 不同開啟壓力下?lián)Q電艙燃爆的最大壓力與泄爆率
Fig. 6 The maximum explosion pressure and venting rate of the container under different opening pressures
泄爆裝置的泄爆效率受裝置開啟時間影響，開啟時間越早則更多未參與爆炸的可燃?xì)怏w擴散至艙體外，從而降低參與整個爆炸過程的氣體量，產(chǎn)生更好的泄爆效果。由圖6可知，在不設(shè)置泄爆裝置條件下，可產(chǎn)生的最大爆炸超壓為357 kPa，泄壓裝置可以有效降低爆炸壓力水平。不同開啟壓力下，燃爆最大壓力分別為122 kPa、123 kPa、124 kPa、132 kPa、140 kPa、150 kPa、161 kPa，泄爆率分別為66%、65.5%、65%、63%、60%、58%、55%。泄爆裝置的泄爆效果與裝置開啟壓力近似呈線性相關(guān)，開啟壓力越小則泄爆效果越明顯。但由于爆炸產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于泄爆裝置開啟壓力，加之沖擊波傳播速度快，泄爆裝置的開啟時間非常短，因此裝置開啟壓力的改變對響應(yīng)速度以及泄爆效果影響較低，開啟壓力降低93%，泄爆裝置響應(yīng)速度與泄爆效果僅分別提高25%、11%。
3.2 泄爆裝置與點火源相對位置對泄爆效果影響的模擬研究
換電艙內(nèi)存在大量的輸電線路與用電設(shè)備，產(chǎn)生點火源的位置具有不確定性，泄爆裝置與點火源相對位置對燃爆事故發(fā)展過程、爆炸沖擊波強度有較大影響。因此本文研究了不同泄爆裝置與點火源相對距離下的泄爆效果，模擬設(shè)置了艙體頂部開啟壓力3 kPa，開啟面積1 m×1 m的泄爆裝置，通過改變點火源位置來設(shè)置不同泄爆裝置與點火源的相對距離，相對距離為點火源到泄壓裝置中心點的距離。點火源設(shè)置位置如表7所示。
圖7為泄爆裝置與點火源不同相對距離下燃爆艙內(nèi)的最大壓力與泄爆率。由圖7可知泄爆裝置與點火源的相對距離對泄爆裝置的泄爆效果影響較大，泄爆裝置與點火源的相對距離越小，泄爆裝置的泄爆效果越好。相對距離為4 m時燃爆最大壓力為161 kPa，泄爆率為55%，相對距離為0 m時燃爆最大壓力為36 kPa，泄爆率為90%，燃爆最大壓力下降78%，泄爆率提升35%。但泄爆率的提升幅度隨著泄爆裝置與點火源相對距離的縮小而降低，泄爆裝置與點火源相對距離由4 m縮小至3 m時泄爆率提升16%，泄爆裝置與點火源相對距離由1 m縮小至0 m時泄爆率僅提升3%。
圖7 不同相對距離下?lián)Q電艙燃爆的最大壓力與泄爆率
Fig. 7 The maximum explosion pressure and venting rate of the container under different relative distances
當(dāng)泄爆裝置距離點火源越近時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波以及未點燃的可燃?xì)怏w可以更快地從泄爆裝置傳播至艙外，艙內(nèi)沖擊波加速距離短且參與爆炸的可燃?xì)怏w減少，泄爆裝置泄爆效果提升。由于艙體內(nèi)點火源具有不確定性，在對艙體設(shè)置泄爆裝置時，可采取分散式布局并在易產(chǎn)生火源的位置布置泄爆裝置，降低可能存在的點火源到泄爆裝置的相對距離以達(dá)到最佳泄爆效果。
3.3 泄爆裝置位置對泄爆效果影響的模擬研究
目前對于預(yù)制艙泄壓孔位置的設(shè)置具有多種方式，包括預(yù)制艙前后部、側(cè)部、上部等位置，本文通過仿真模擬研究了泄爆裝置的位置對泄爆效果的影響，并確定泄爆裝置的最佳設(shè)置位置。模擬中分別在艙體前部、側(cè)部、上部設(shè)置了開啟壓力為3 kPa以及開啟面積1 m×1 m的泄爆裝置。泄爆裝置設(shè)置位置如表8所示。
圖8為不同泄爆裝置位置下?lián)Q電艙燃爆產(chǎn)生的最大壓力。由圖8可知，當(dāng)泄爆裝置設(shè)置在后部時，燃爆最大壓力為43 kPa，泄爆率為88%；當(dāng)泄爆裝置設(shè)置在側(cè)部時，燃爆最大壓力為126 kPa，泄爆率為65%；當(dāng)泄爆裝置設(shè)置在上部時，燃爆最大壓力為161 kPa，泄爆率為55%。泄爆率由高到低為后部、側(cè)部與頂部。
圖8 不同泄爆裝置位置下?lián)Q電艙燃爆的最大壓力
Fig. 8 The maximum explosion pressure of the container at different positions of explosion relief devices
受預(yù)制艙結(jié)構(gòu)影響，燃爆產(chǎn)生的火焰波加速距離在x、y、z三個方向上存在差異。因為在y方向上具有更長的加速距離，前驅(qū)沖擊波具有更大的傳播速度并推動更多的未燃?xì)怏w沿y方向運動，加之后部的泄爆裝置垂直于火焰與沖擊波運動方向，使得火焰波與未燃?xì)怏w更快地泄放至艙外，產(chǎn)生最佳泄爆效果。
4 結(jié)論
本工作參照某綜合能源站內(nèi)換電站建立了并列式預(yù)制艙換電站三維仿真模型，以磷酸鐵鋰電池模塊熱失控產(chǎn)生的氣體作為可燃?xì)怏w，通過CFD模擬，揭示了某并列式預(yù)制艙換電站爆炸沖擊波的傳播與影響，并分析了不同泄爆裝置的作用效果，給出了泄爆裝置的相關(guān)建議。結(jié)果表明：
（1）現(xiàn)有換電站結(jié)構(gòu)下，電池?zé)崾Э匾l(fā)的可燃?xì)庠票ㄗ顗氖鹿蕡鼍暗淖畲笕急瑝毫蛇_(dá)357 kPa，燃爆事故發(fā)生后0.1 s內(nèi)艙體薄弱部位均被破壞，沖擊波從百葉窗與排氣扇處迅速傳播至艙外，爆炸沖擊波最大影響范圍位于燃爆艙百葉窗后方約21 m處，沖擊波對并列式換電站鄰側(cè)換電艙影響不大；綜合能源站平面布局應(yīng)充分考慮換電站燃爆事故影響，避免換電站薄弱部位與油氣氫設(shè)施布置在同側(cè)，降低多米諾事故可能性。
（2）通過泄爆裝置，爆炸產(chǎn)生的火焰波與未被點燃的可燃?xì)怏w迅速泄放至燃爆艙外，減少參與爆炸反應(yīng)的氣體總量，大幅降低換電艙內(nèi)燃爆事故沖擊波超壓，通過設(shè)置泄爆裝置最大爆炸壓力可降低90%。
（3）泄爆裝置的泄爆效果受泄爆裝置開啟壓力、設(shè)置位置以及開啟方向影響。泄爆裝置開啟壓力越小、與點火源相對距離越近，泄爆效果越好；泄爆裝置設(shè)置在換電站后部時具有最佳泄爆效果，泄爆率由高到低為后部、側(cè)部與頂部；泄爆裝置應(yīng)采取分散式布局并在易點火位置布置，且盡可能降低開啟壓力以提高泄爆效果。
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