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式中,ρ为密度;u为速度;t为时间;为作用在流体上的外力矢量;p为压力;τ为黏性力张量;ω为涡度;g为重力加速度。
组分守恒方程见式(2)。
![]() | (2) |
式中,i是第i种组分;Yi是第i种组分的浓度;Di是第i种组分的扩散系数,是第i种组分的质量产生速率。
能量守恒方程见式(3)。
![]() | (3) |
式中,h为比焓;为辐射通量;T为温度;k为热导率。
状态方程见式(4)。
![]() | (4) |
式中,p0为压强;R为气体常数;M为混合气体的分子质量。
1.2 物理模型
1.2.1 储能系统
如图1所示,本文以实际20尺(1尺=0.333m)锂离子电池储能系统为研究对象,集装箱的长宽高尺寸为6.0 m、1.2 m、2.6 m,其中填装了10个电池簇,每个电池簇包含15个电池箱和1个电气控制箱,电池簇与簇之间由金属板隔挡,其中电池箱尺寸为0.5 m×0.7 m×0.2 m,在本文中选用的目标电池为228 Ah磷酸铁锂电池,其尺寸为0.07 m×0.17 m×0.20 m。
在本文中,为了更好地观察电池系统的火蔓延状态,假设靠近集装箱底部的某一电池箱发生热失控起火,着火电池箱的具体位置如表1所示。集装箱尺寸为6.0 m×1.2 m×2.6 m,单元格大小为0.02 m×0.02 m×0.02 m,所以网格划分为300×60×130,共2340000个网格。为保证计算结果更加准确,通常网格单元尽量接近立方体。
表1 着火电池箱和喷头位置
为了研究水喷淋装置对电池储能系统火蔓延的抑制效果,沿集装箱顶部中轴线方向设置了3个水喷淋喷头,当水喷淋装置附近的温度超过80 ℃时,水喷淋装置开始动作。其具体位置如表1所示。
1.2.2 传感器布置
本文分别选取了着火电池箱附近的位置(L0)以及水喷淋喷头正下方0.1 m处(L1~L3)为探测点(表2),分别收集了温度、CO2、H2和CO的变化规律。
表2 探测点位置
1.3 边界条件
在该仿真研究中,电池箱的环境温度T=300 K。电池燃烧平均热释放速率(HRR)、热失控产气种类及体积比以实际热失控实验数据为边界输入条件,其中电池燃烧热释放速率如图2所示。在本文中假设电池燃烧一直存在,所以采用的是100%荷电状态(SOC)磷酸铁锂电池的燃烧热释放速率峰值,随着电池内部化学反应速率提升,电池产生气体速率随之增加,对应峰值分别为74.83 kW (peak 2)和98.99 kW(peak 3)。此外,通过电池原位产气测试平台,对磷酸铁锂电池热失控产气进行测试,收集气体种类和浓度,如图3所示。其中,H2占比最高,约占39.5 %,CO2和CO占比分别为30.15%和11.68%。
图3 气体分析 (a) 气体实时测试图(1 ppm=10-4%);(b) 产气种类体积比
2 结果与分析
2.1 温度及火蔓延特性
在本次仿真分析中,以电池箱着火时刻为起始时间(t=0.0 s)。在无灭火措施下的火蔓延过程,如图4所示。从图4(a)可以看出,底部电池箱发生火灾后,自火源位置向上进行蔓延,且扩散速度极快。如图4(b)所示,在t=1.2 s时,高温气体已经自着火电池箱蔓延至集装箱顶部,并沿着集装箱顶部由点向整个面进行扩散。在t=2.2 s时,高温气体相继到达集装箱的左右侧壁。如图4(c)、(d)所示,随着顶部烟气不断聚集,气体逐渐向下扩散,逐渐覆盖了整个集装箱上部的空白区域,在t=20.0 s时基本趋于稳定。
此外,图5给出了无灭火措施下,t=0.0~60.0 s时,在Z=2.4 m切面的温度场分布变化,从图5(a)~(i)可以看出,由于火焰的形态具有一定的波动性,所以切面处的高温区域大小也存在一定的波动,但中心位置基本不变。在火焰辐射和高温烟气的共同作用下,切面处温度场已达到300 ℃以上,且在火源中心区域温度接近1000 ℃。
2.2 特征气体及扩散特性
在本文中,主要探测了H2、CO和CO2这3种气体的扩散行为,由于在本文中燃烧行为一直存在,因此H2和CO作为可燃物,始终处于消耗状态。为了方便观察,主要以CO2为例,来解释气体的扩散行为。图6给出了在无灭火措施下的火蔓延过程中,在集装箱侧壁CO2的扩散过程。从图6可以看出,在火焰驱动下,CO2自热失控箱向上运动,在t=1.2 s时被集装箱顶棚阻挡后向四周进行扩散,在t=2.2 s时被集装箱侧壁阻挡后向下扩散,在t=4.0 s时开始出现明显的分层现象,并逐渐趋于稳定。
2.3 水喷淋抑制效果分析
图7给出了水喷淋措施下,t=0.0~60.0 s时,在Z=2.4 m切面的温度场分布变化。可以看出,随着水喷淋的持续作用,高温区域范围逐渐缩小。如图7(i)所示,在t=60.0 s时,切面层中高温区域温度在300 ℃左右,远远低于无灭火措施下的1000 ℃。这表明水喷淋对储能系统火焰和高温烟气有着明显抑制作用,对储能系统火灾的降温效果尤其显著。
图8(a)给出了无灭火措施时不同探测点的温度变化曲线。可以看出,火蔓延过程分别经历发展阶段(阶段I)和稳定阶段(Ⅱ)。t=0.0~10.0 s阶段为火蔓延的发展阶段,在该阶段,在火焰扩散的影响下,不同探测点的温度迅速上升。L0探测点距离热失控模组最近,火焰温度上升速度最快,在t=10.0 s时,T(L0)达到948 ℃。L1探测点位于热失控电池箱的正上方,处于火源中心,在t=10.0 s时,T(L1)达到792 ℃。L2和L3探测点偏离火源中心,在t=12.0 s时,T(L2)和T(L3)分别达到408 ℃和317 ℃。
图8 探点位置的温度变化数据图 (a) 无灭火措施; (b) 添加水喷淋措施
添加水喷淋灭火措施不同探测点的温度变化曲线,如图8(b)所示。可以发现,水喷淋对电池火蔓延具有明显的抑制作用,在t=10.0 s时,水喷淋动作后各个探测点的温度表现出明显的下降趋势。根据探测点的温度变化速率,大致可分为3个阶段:阶段I,t=0.0~10.0 s为火蔓延发展阶段,该阶段火蔓延迅速,火源中心探测点(L0和L1)温度急剧上升至850 ℃;阶段Ⅱ,t=10.0~60.0 s为火蔓延抑制阶段,该阶段水喷淋装置开始动作,有效抑制了火焰以及高温烟气的蔓延速度,并对系统进行有效降温,T(L0)和T(L1)分别下降至710 ℃和430 ℃,而距离火源中心2 m处的探测点温度T(L2)和T(L3)分别降至125 ℃和110 ℃;阶段Ⅲ;t=60.0~120.0 s为稳定阶段,该阶段中水喷淋对系统的降温效果依然存在,但由于火源并未被熄灭,因此温度的下降速率逐渐趋于平稳,并在180 s内,火源附近的环境温度降到330 ℃以下。
在实际储能系统中,电池箱的密封等级较高,发生火灾时外界的灭火介质难以有效作用到火源根部。因此,在本文中仅研究了水喷淋对火蔓延过程抑制作用,并未考虑火源的熄灭行为。图9给出了水喷淋作用下火蔓延过程。如图9(c)所示,随着火势逐渐向顶端蔓延,在t=10.0 s时,水喷淋开始启动。如图9(c)~(f)所示,在t=10.0~60.0 s时,在水喷淋作用下,火蔓延行为被有效控制在火源中心区域,难以向周围进行扩散。
锂离子电池发生热失控时,释放出的可燃气体种类较多。在锂离子电池储能系统中,CO、H2、CO2等特征气体被广泛用作火灾预警的特征参数。图10给出了水喷淋作用下CO2扩散过程,与无灭火措施情况类似,CO2在火焰的热流驱动下,沿着顶棚和侧壁进行扩散,但是在扩散深度上存在明显的差别。如图10所示,在t=30.0 s时,CO2的分层现象逐步稳定,可以看出添加水喷淋后,CO2的浓度有着明显提高,且向下的扩散深度也有着明显增加。
图11给出了两种情况下不同测点的CO2浓度变化曲线。可以看出,在无灭火措施下,在经历t=0~10 s发展阶段后,CO2浓度都将稳定在一定的数值范围内,随着火源距离的增加,CO2浓度出现一定下降,与烟气的分层现象较为吻合。而在添加水喷淋后,火源中心位置L0和顶部中心L1处的CO2浓度出现一定幅度的下降,出现该现象的原因是水喷淋对电池燃烧行为的抑制作用,致使火源附近的CO2减少。同时,在水颗粒的驱动作用下,CO2的分散程度更高,距离较远的L2和L3位置的CO2浓度相比无灭火措施时会出现一定程度上升。
图12和图13分别给出了两种工况下H2和CO的浓度变化。根据图12(a)和图13(a),可以发现在火源始终存在的情形下,H2和CO作为可燃气体,存在明显消耗。位于火源中心的探测点L0的H2浓度分别保持在1.7×104 ppm(无灭火措施)和1.3×104 ppm(水喷淋灭火),CO浓度分别保持在5.0×103 ppm(无灭火措施)和4.0×103 ppm(水喷淋灭火)。而在同一垂直面上的L1的H2和CO浓度则明显较低。
如图12(b)和图13(b)所示,在添加水喷淋措施后,集装箱上部位置的H2和CO浓度均有所升高,造成该现象的原因可能是在水喷淋作用下,释放出的可燃性气体出现不完全燃烧。这也进一步验证了在同样位置CO2浓度有所升高的原因。
综上所述,在锂离子电池储能系统中,水喷淋装置可以有效降低电池火灾的温度和火蔓延程度。但与此同时,电池热失控所释放的可燃性气体并不能有效消耗,甚至在局部范围内其浓度会出现明显的上升,存在爆燃的风险。因此,针对锂离子电池储能系统的消防设计,在考虑控制电池系统火灾的同时也应考虑系统的通风和防爆性能。
3 结论
本文通过建立电池储能系统火蔓延以及火灾抑制模型,分析了水喷淋对电池储能系统的火蔓延以及烟气扩散的抑制效果。得出以下结论。
(1)锂离子电池箱发生火灾时,会释放出大量的特征性气体,并迅速扩散至整个集装箱系统,在缺乏有效的通风措施下,这些气体会在集装箱顶部集聚,随着浓度的增加逐渐向集装箱底部蔓延,并逐渐表现出分层现象,其中火源中心的可燃气体含量可达到1.3 ×104 ppm以上,而距离较远探测点的可燃气体含量仅有24~183 ppm。
(2)添加水喷淋后,火源中心附近可燃气体浓度存在一定的下降趋势,其中CO浓度从5.0×103 ppm逐渐降低至4.0×103 ppm。
(3)水喷淋系统对储能系统火灾的降温效果明显,可以在180 s以内将火源附近的环境温度从791 ℃以上降到330 ℃以下。
(4)水喷淋系统虽然有效控制了系统的火蔓延情形,但是也造成了电池热失控气体的不完全燃烧,在局部范围内会造成H2和CO等可燃气体的浓度升高。
第一作者:于东兴(1987—),男,硕士,副研究员,研究方向为储能系统火灾防控产品测试评价技术Email:yudongxing@tfri.com.cn;
通讯作者:李煌,副研究员,研究方向为锂离子电池火灾及防控,E-mail:li1125@ustc.edu.cn。
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