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摘 要 由于鋰離子儲能系統(tǒng)火災(zāi)燃爆危險性大且實驗成本高，因此基于模型對儲能系統(tǒng)火災(zāi)特性及滅火性能模擬仿真研究具有重要意義。本文通過火災(zāi)動力學(xué)模擬(fire dynamics simulator, FDS)軟件建立了20尺(1尺=0.333 m)儲能集裝箱的全尺寸仿真分析模型，研究了電池系統(tǒng)的火蔓延過程以及CO2、H2和CO等特征氣體的擴散規(guī)律。結(jié)果表明，電池箱著火后，在火源中心位置H2和CO濃度可達到1000 ppm(1 ppm=10-4%)以上，而在集裝箱角落的濃度僅為24~183 ppm；水噴淋滅火系統(tǒng)降溫效果明顯，可以將火焰上部溫度自791 ℃迅速降低至330 ℃以下；此外，水噴淋滅火系統(tǒng)會造成電池箱的不完全燃燒，導(dǎo)致局部區(qū)域可燃?xì)怏w濃度上升。本文的結(jié)果旨在為鋰離子電池儲能系統(tǒng)的安全設(shè)計及火災(zāi)防控技術(shù)研究提供一種仿真分析方法。
關(guān)鍵詞 儲能系統(tǒng)；鋰離子電池；火蔓延；火災(zāi)動力學(xué)模擬；水噴淋
近年來，作為支撐能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，儲能技術(shù)的發(fā)展已成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的迫切需求。其中，電化學(xué)儲能具有建設(shè)周期短、響應(yīng)速度快、布置方式靈活等優(yōu)點，在儲能領(lǐng)域中受到廣泛青睞，截至2023年底，全國已投運新型儲能31.39 GW/66.87 GWh，其中鋰離子電池儲能占比最大，累計投運總能量達到48.77 GWh。然而，近年來隨著電化學(xué)儲能的逐步發(fā)展，在世界各國已發(fā)生多起火災(zāi)、爆炸事故，在造成經(jīng)濟損失與人員傷亡的同時，也在一定程度上阻礙了儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。因此，作為電化學(xué)儲能的核心部件，電池系統(tǒng)的安全性成了儲能行業(yè)發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題。
在鋰離子電池的火災(zāi)危險性和滅火技術(shù)實驗方面，國內(nèi)外學(xué)者均開展了大量的研究。Ping等開展了鋰離子電池燃燒實驗，研究表明鋰離子電池在發(fā)生熱失控時會先后經(jīng)歷初次射流火、陰燃、復(fù)燃等多個階段，存在明顯的多次射流火行為。Russo等對比了干粉、CO2、水噴淋和水霧對電池模組的滅火效果，結(jié)果表明水噴淋的滅火和降溫效果更加優(yōu)異。
但是以上的研究僅針對單體或者數(shù)個電芯發(fā)生火災(zāi)，而大尺寸的電池火災(zāi)的燃爆風(fēng)險大，且實驗成本高，因此開展相關(guān)的模擬仿真研究顯得尤為必要，相關(guān)研究者多采用火災(zāi)動力學(xué)模擬(fire dynamics simulator，F(xiàn)DS)和Flacs軟件對儲能系統(tǒng)煙氣擴散、燃燒和爆炸進行仿真研究。王俊等以單體電芯產(chǎn)氣實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過FDS軟件模擬了磷酸鐵鋰離子電池在泄壓閥打開之后，釋放的氣體在模組中的擴散規(guī)律。徐成善等以電池產(chǎn)氣測試數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，通過Flacs軟件建立了兆瓦時級的儲能預(yù)制艙模型，分析了燃爆風(fēng)險與失控電池位置和數(shù)量的關(guān)系。葉祥虎等通過火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件研究了細(xì)水霧滅火參數(shù)對電池模組滅火效率的影響規(guī)律，提出了2.0 L/min的流量系數(shù)和200 μm的霧滴直徑為最佳滅火參數(shù)。
綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在鋰離子電池火災(zāi)行為和滅火技術(shù)實驗方面取得了較為顯著的研究成果。但是，關(guān)于儲能系統(tǒng)的火災(zāi)抑制模擬仿真研究尚處于起步階段，公開的研究結(jié)果相對較少。在本文中以鋰離子電池實際熱失控行為作為邊界條件，通過火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件建立了電池儲能系統(tǒng)火蔓延及水噴淋模型，研究水噴淋對儲能系統(tǒng)火蔓延過程以及多種特征氣體擴散行為的影響規(guī)律。通過該模型，可綜合分析不同滅火參數(shù)對儲能系統(tǒng)火災(zāi)的抑制效果，為儲能系統(tǒng)的安全設(shè)計提供參考。
1 理論分析
1.1 控制方程
式中，p0為壓強；R為氣體常數(shù)；M為混合氣體的分子質(zhì)量。
1.2 物理模型
1.2.1 儲能系統(tǒng)
如圖1所示，本文以實際20尺(1尺=0.333m)鋰離子電池儲能系統(tǒng)為研究對象，集裝箱的長寬高尺寸為6.0 m、1.2 m、2.6 m，其中填裝了10個電池簇，每個電池簇包含15個電池箱和1個電氣控制箱，電池簇與簇之間由金屬板隔擋，其中電池箱尺寸為0.5 m×0.7 m×0.2 m，在本文中選用的目標(biāo)電池為228 Ah磷酸鐵鋰電池，其尺寸為0.07 m×0.17 m×0.20 m。
圖1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火蔓延及水噴淋裝置物理模型
在本文中，為了更好地觀察電池系統(tǒng)的火蔓延狀態(tài)，假設(shè)靠近集裝箱底部的某一電池箱發(fā)生熱失控起火，著火電池箱的具體位置如表1所示。集裝箱尺寸為6.0 m×1.2 m×2.6 m，單元格大小為0.02 m×0.02 m×0.02 m，所以網(wǎng)格劃分為300×60×130，共2340000個網(wǎng)格。為保證計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，通常網(wǎng)格單元盡量接近立方體。
表1 著火電池箱和噴頭位置
為了研究水噴淋裝置對電池儲能系統(tǒng)火蔓延的抑制效果，沿集裝箱頂部中軸線方向設(shè)置了3個水噴淋噴頭，當(dāng)水噴淋裝置附近的溫度超過80 ℃時，水噴淋裝置開始動作。其具體位置如表1所示。
1.2.2 傳感器布置
本文分別選取了著火電池箱附近的位置(L0)以及水噴淋噴頭正下方0.1 m處(L1~L3)為探測點(表2)，分別收集了溫度、CO2、H2和CO的變化規(guī)律。
表2 探測點位置
1.3 邊界條件
在該仿真研究中，電池箱的環(huán)境溫度T=300 K。電池燃燒平均熱釋放速率(HRR)、熱失控產(chǎn)氣種類及體積比以實際熱失控實驗數(shù)據(jù)為邊界輸入條件，其中電池燃燒熱釋放速率如圖2所示。在本文中假設(shè)電池燃燒一直存在，所以采用的是100%荷電狀態(tài)(SOC)磷酸鐵鋰電池的燃燒熱釋放速率峰值，隨著電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率提升，電池產(chǎn)生氣體速率隨之增加，對應(yīng)峰值分別為74.83 kW (peak 2)和98.99 kW(peak 3)。此外，通過電池原位產(chǎn)氣測試平臺，對磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣進行測試，收集氣體種類和濃度，如圖3所示。其中，H2占比最高，約占39.5 %，CO2和CO占比分別為30.15%和11.68%。
圖2 100%SOC磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э刭|(zhì)量損失和熱釋放速率變化
圖3 氣體分析 (a) 氣體實時測試圖(1 ppm=10-4%)；(b) 產(chǎn)氣種類體積比
2 結(jié)果與分析
2.1 溫度及火蔓延特性
在本次仿真分析中，以電池箱著火時刻為起始時間(t=0.0 s)。在無滅火措施下的火蔓延過程，如圖4所示。從圖4(a)可以看出，底部電池箱發(fā)生火災(zāi)后，自火源位置向上進行蔓延，且擴散速度極快。如圖4(b)所示，在t=1.2 s時，高溫氣體已經(jīng)自著火電池箱蔓延至集裝箱頂部，并沿著集裝箱頂部由點向整個面進行擴散。在t=2.2 s時，高溫氣體相繼到達集裝箱的左右側(cè)壁。如圖4(c)、(d)所示，隨著頂部煙氣不斷聚集，氣體逐漸向下擴散，逐漸覆蓋了整個集裝箱上部的空白區(qū)域，在t=20.0 s時基本趨于穩(wěn)定。
圖4 無滅火措施下火蔓延過程
此外，圖5給出了無滅火措施下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化，從圖5(a)~(i)可以看出，由于火焰的形態(tài)具有一定的波動性，所以切面處的高溫區(qū)域大小也存在一定的波動，但中心位置基本不變。在火焰輻射和高溫?zé)煔獾墓餐饔孟?，切面處溫度場已達到300 ℃以上，且在火源中心區(qū)域溫度接近1000 ℃。
圖5 無滅火措施下Z=2.4 m切面溫度場分布變化
2.2 特征氣體及擴散特性
在本文中，主要探測了H2、CO和CO2這3種氣體的擴散行為，由于在本文中燃燒行為一直存在，因此H2和CO作為可燃物，始終處于消耗狀態(tài)。為了方便觀察，主要以CO2為例，來解釋氣體的擴散行為。圖6給出了在無滅火措施下的火蔓延過程中，在集裝箱側(cè)壁CO2的擴散過程。從圖6可以看出，在火焰驅(qū)動下，CO2自熱失控箱向上運動，在t=1.2 s時被集裝箱頂棚阻擋后向四周進行擴散，在t=2.2 s時被集裝箱側(cè)壁阻擋后向下擴散，在t= 4.0 s時開始出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，并逐漸趨于穩(wěn)定。
圖6 無滅火措施下CO2擴散過程
2.3 水噴淋抑制效果分析
圖7給出了水噴淋措施下，t=0.0~60.0 s時，在Z=2.4 m切面的溫度場分布變化?？梢钥闯?，隨著水噴淋的持續(xù)作用，高溫區(qū)域范圍逐漸縮小。如圖7(i)所示，在t=60.0 s時，切面層中高溫區(qū)域溫度在300 ℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于無滅火措施下的1000 ℃。這表明水噴淋對儲能系統(tǒng)火焰和高溫?zé)煔庥兄黠@抑制作用，對儲能系統(tǒng)火災(zāi)的降溫效果尤其顯著。
圖7 水噴淋作用下Z=2.4 m切面溫度場分布變化
圖8(a)給出了無滅火措施時不同探測點的溫度變化曲線?？梢钥闯觯鹇舆^程分別經(jīng)歷發(fā)展階段(階段I)和穩(wěn)定階段(Ⅱ)。t=0.0~10.0 s階段為火蔓延的發(fā)展階段，在該階段，在火焰擴散的影響下，不同探測點的溫度迅速上升。L0探測點距離熱失控模組最近，火焰溫度上升速度最快，在t=10.0 s時，T(L0)達到948 ℃。L1探測點位于熱失控電池箱的正上方，處于火源中心，在t=10.0 s時，T(L1)達到792 ℃。L2和L3探測點偏離火源中心，在t=12.0 s時，T(L2)和T(L3)分別達到408 ℃和317 ℃。
圖8 探點位置的溫度變化數(shù)據(jù)圖 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
添加水噴淋滅火措施不同探測點的溫度變化曲線，如圖8(b)所示。可以發(fā)現(xiàn)，水噴淋對電池火蔓延具有明顯的抑制作用，在t=10.0 s時，水噴淋動作后各個探測點的溫度表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。根據(jù)探測點的溫度變化速率，大致可分為3個階段：階段I，t=0.0~10.0 s為火蔓延發(fā)展階段，該階段火蔓延迅速，火源中心探測點(L0和L1)溫度急劇上升至850 ℃；階段Ⅱ，t=10.0~60.0 s為火蔓延抑制階段，該階段水噴淋裝置開始動作，有效抑制了火焰以及高溫?zé)煔獾穆铀俣?，并對系統(tǒng)進行有效降溫，T(L0)和T(L1)分別下降至710 ℃和430 ℃，而距離火源中心2 m處的探測點溫度T(L2)和T(L3)分別降至125 ℃和110 ℃；階段Ⅲ；t=60.0~120.0 s為穩(wěn)定階段，該階段中水噴淋對系統(tǒng)的降溫效果依然存在，但由于火源并未被熄滅，因此溫度的下降速率逐漸趨于平穩(wěn)，并在180 s內(nèi)，火源附近的環(huán)境溫度降到330 ℃以下。
在實際儲能系統(tǒng)中，電池箱的密封等級較高，發(fā)生火災(zāi)時外界的滅火介質(zhì)難以有效作用到火源根部。因此，在本文中僅研究了水噴淋對火蔓延過程抑制作用，并未考慮火源的熄滅行為。圖9給出了水噴淋作用下火蔓延過程。如圖9(c)所示，隨著火勢逐漸向頂端蔓延，在t=10.0 s時，水噴淋開始啟動。如圖9(c)~(f)所示，在t=10.0~60.0 s時，在水噴淋作用下，火蔓延行為被有效控制在火源中心區(qū)域，難以向周圍進行擴散。
圖9 水噴淋作用下火蔓延過程
鋰離子電池發(fā)生熱失控時，釋放出的可燃?xì)怏w種類較多。在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中，CO、H2、CO2等特征氣體被廣泛用作火災(zāi)預(yù)警的特征參數(shù)。圖10給出了水噴淋作用下CO2擴散過程，與無滅火措施情況類似，CO2在火焰的熱流驅(qū)動下，沿著頂棚和側(cè)壁進行擴散，但是在擴散深度上存在明顯的差別。如圖10所示，在t=30.0 s時，CO2的分層現(xiàn)象逐步穩(wěn)定，可以看出添加水噴淋后，CO2的濃度有著明顯提高，且向下的擴散深度也有著明顯增加。
圖10 水噴淋作用下CO2擴散過程
圖11給出了兩種情況下不同測點的CO2濃度變化曲線?？梢钥闯?，在無滅火措施下，在經(jīng)歷t=0~10 s發(fā)展階段后，CO2濃度都將穩(wěn)定在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，隨著火源距離的增加，CO2濃度出現(xiàn)一定下降，與煙氣的分層現(xiàn)象較為吻合。而在添加水噴淋后，火源中心位置L0和頂部中心L1處的CO2濃度出現(xiàn)一定幅度的下降，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是水噴淋對電池燃燒行為的抑制作用，致使火源附近的CO2減少。同時，在水顆粒的驅(qū)動作用下，CO2的分散程度更高，距離較遠(yuǎn)的L2和L3位置的CO2濃度相比無滅火措施時會出現(xiàn)一定程度上升。
圖11 探點位置的CO2變化(a) 無滅火措施；(b) 添加水噴淋措施
圖12和圖13分別給出了兩種工況下H2和CO的濃度變化。根據(jù)圖12(a)和圖13(a)，可以發(fā)現(xiàn)在火源始終存在的情形下，H2和CO作為可燃?xì)怏w，存在明顯消耗。位于火源中心的探測點L0的H2濃度分別保持在1.7×104 ppm(無滅火措施)和1.3×104 ppm(水噴淋滅火)，CO濃度分別保持在5.0×103 ppm(無滅火措施)和4.0×103 ppm(水噴淋滅火)。而在同一垂直面上的L1的H2和CO濃度則明顯較低。
圖12 探點位置的H2變化 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
圖13 探點位置的CO變化 (a) 無滅火措施； (b) 添加水噴淋措施
如圖12(b)和圖13(b)所示，在添加水噴淋措施后，集裝箱上部位置的H2和CO濃度均有所升高，造成該現(xiàn)象的原因可能是在水噴淋作用下，釋放出的可燃性氣體出現(xiàn)不完全燃燒。這也進一步驗證了在同樣位置CO2濃度有所升高的原因。
綜上所述，在鋰離子電池儲能系統(tǒng)中，水噴淋裝置可以有效降低電池火災(zāi)的溫度和火蔓延程度。但與此同時，電池?zé)崾Э厮尫诺目扇夹詺怏w并不能有效消耗，甚至在局部范圍內(nèi)其濃度會出現(xiàn)明顯的上升，存在爆燃的風(fēng)險。因此，針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防設(shè)計，在考慮控制電池系統(tǒng)火災(zāi)的同時也應(yīng)考慮系統(tǒng)的通風(fēng)和防爆性能。
3 結(jié)論
本文通過建立電池儲能系統(tǒng)火蔓延以及火災(zāi)抑制模型，分析了水噴淋對電池儲能系統(tǒng)的火蔓延以及煙氣擴散的抑制效果。得出以下結(jié)論。
（1）鋰離子電池箱發(fā)生火災(zāi)時，會釋放出大量的特征性氣體，并迅速擴散至整個集裝箱系統(tǒng)，在缺乏有效的通風(fēng)措施下，這些氣體會在集裝箱頂部集聚，隨著濃度的增加逐漸向集裝箱底部蔓延，并逐漸表現(xiàn)出分層現(xiàn)象，其中火源中心的可燃?xì)怏w含量可達到1.3 ×104 ppm以上，而距離較遠(yuǎn)探測點的可燃?xì)怏w含量僅有24~183 ppm。
（2）添加水噴淋后，火源中心附近可燃?xì)怏w濃度存在一定的下降趨勢，其中CO濃度從5.0×103 ppm逐漸降低至4.0×103 ppm。
（3）水噴淋系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)火災(zāi)的降溫效果明顯，可以在180 s以內(nèi)將火源附近的環(huán)境溫度從791 ℃以上降到330 ℃以下。
（4）水噴淋系統(tǒng)雖然有效控制了系統(tǒng)的火蔓延情形，但是也造成了電池?zé)崾Э貧怏w的不完全燃燒，在局部范圍內(nèi)會造成H2和CO等可燃?xì)怏w的濃度升高。
第一作者：于東興（1987—），男，碩士，副研究員，研究方向為儲能系統(tǒng)火災(zāi)防控產(chǎn)品測試評價技術(shù)，E-mail：[email protected]；
通訊作者：李煌，副研究員，研究方向為鋰離子電池火災(zāi)及防控，E-mail：[email protected]。
