作者：彭冠林1,2凌晓东1,2林俣洁1,2姜辉1
单位：1.中石化安全工程研究院有限公司；2.中石化国家石化项目风险评估技术中心有限公司
引用：彭冠林,凌晓东,林俣洁,等.并列式预制舱换电站爆炸与泄爆模拟研究[J].储能科学与技术, 2023, 12(11): 3387-3394.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0515
（文章来源 微信公众号：储能科学与技术 ID：esst2012）
摘 要随着能源结构的变化，集油、气、氢、电为一体的综合能源站成为未来能源加注站的发展趋势。预制舱式换电站作为综合能源站的电能模块，存在因电池热失控而引发燃爆事故的风险，进而引发二次事故。本文基于已投入运行的并列式预制舱换电站建立了1∶1三维仿真模型，将换电站内电池热失控所释放的气体作为爆炸源，通过CFD模拟研究了并列式预制舱换电站发生燃爆事故时的冲击波传播过程，确定了现有结构下的事故最大影响范围，探究了泄爆装置设置方式对泄爆效果的影响。研究结果表明：①通过模拟可以得到换电站舱内发生燃爆事故后产生的最大爆炸超压及最大影响范围，对并列式换电站邻侧换电舱影响较小。②通过设置泄爆装置可降低最大爆炸压力，大幅降低换电舱爆炸冲击波超压，有效减弱燃爆事故后果。③泄爆效果与泄爆装置开启压力近似线性相关，开启压力越小则泄爆效果越明显；泄爆效果受泄爆装置与点火源相对距离影响，泄爆装置距离点火源位置越近时泄爆效果越好；泄爆效果受泄爆装置设置位置影响，泄爆率由高到低为后部、侧部与顶部。为保证综合能源站安全运行，防止多米诺事故发生提供支撑。关键词换电站；锂电池；泄爆；CFD
随着社会发展与化石能源供给关系变化，单一能源供给方式已无法满足出行能源需求，集油、气、氢、电为一体的综合能源站成为能源供应建设的发展趋势[1]。电能模块应用较多的是预制舱换电站，其存储的磷酸铁锂电池在过充过放、短路以及冲击等情况下可能发生热失控[2]，而磷酸铁锂电池热失控产生的大量有毒可燃气体在密闭空间内存在燃爆风险[3]。由于综合能源站内存在燃料油、氢气、天然气等易燃易爆物质，换电模块的燃爆风险可能会引起多米诺事故，造成严重的事故后果。近年来，锂离子电池储能站燃爆事故频发，2019年美国亚利桑那州公用事业服务公司（APS）的电池储能电站发生火灾，并在开启舱门后发生爆炸[4]。因此对预制舱式换电站爆炸危险性以及相应泄爆措施的效果进行研究非常有必要。
目前，中外学者对于锂电池的热失控机理、燃爆危险性等方面进行了大量研究。Golubkov等[5]通过热触发实验分析了不同荷电状态下锂离子电池热失控产气组分与产气量，得出锂离子电池热失控产生的危险气体主要是一氧化碳、氢气、甲烷以及氟乙烷，并指出危险气体组分与热失控时电池的荷电状态有关；Zhao等[6]通过电池热失控产气实验，指出热失控气体释放量与电池荷电状态成正比，并在SOC达到50%时发生爆炸现象；Somandepalli等[7]利用20 L爆炸球研究了电池热失控产生气体的爆炸极限，测得可燃混合气体的爆炸下限为6.3%；郭超超等[8]利用勒夏特列公式计算了室温下不同SOC锂离子电池释放气体的燃爆极限，表明SOC越高电池释放气体的燃爆极限范围越大，电池热失控后的燃爆危险性越高。
前人的研究多集中在单电池或电池包的热失控机理、产气特性等方面，缺乏对于应用场景中电池换电站爆炸事故危险性的相关研究，未能研究泄爆装置布局对事故消减的作用，工业应用中电池换电站设计缺乏依据。由于受到安全性与经济性限制，开展大尺寸换电站爆炸实验研究较为困难，且前人已使用计算流体动力学仿真(computational fluid dynamics，CFD)模拟单电池安全性能[9-10]，因此，本文采用CFD模拟，根据已投入运行的某综合能源站内并列式预制舱换电站构建了1∶1实际比例模型，模拟了综合能源站换电模块电池的热失控燃爆事故，揭示了燃爆过程中的超压分布，提出了现有结构下换电站燃爆事故的影响范围，进而给出换电站泄爆装置的合理设置指导。本研究为综合能源站建设过程中各能源模块的平面布局与安全距离提供参考依据，并提出了换电站泄爆装置的设置方式以降低换电站燃爆事故的损失。
（1）
式中，ϕ为通用变量，分别代表速度分量u、v、w，湍流动能k，湍流动能耗散率ε，焓h，可燃性气体质量分数Yfu等。
1.2 物理模型
本文换电站模型根据已投入运行的某综合能源站内使用的一组并列式预制舱换电站为依据，建立了1∶1实际尺寸的三维仿真物理模型。并列式预制舱换电站由两个并行排放的换电舱以及一个换电站控制室组成，每个换电舱具有两处开孔薄弱部位，分别为0.5 m×0.5 m的排气扇以及0.5 m×3.1 m的百叶窗。换电站以及薄弱部位坐标与示意图分别如表1、图1所示。
表1换电站建筑、关键部位尺寸及位置Table 1The size and location of the building and key parts of the power exchange station
图1换电站结构示意图Fig. 1Power exchange station structure diagram
1.3 参数设置
（1）网格划分为同时保证流体计算速度与结果准确性，将仿真计算区域划分为核心区域与非核心区域。以发生燃爆事故的换电舱为核心区域，燃爆舱以外为非核心区域，核心区域网格加密处理，非核心区域网格进行拉伸，并进行了网格无关性验证，0.25 m网格与0.5 m网格计算结果大致相同，结果如表2所示。
表2不同网格尺寸下爆炸超压计算结果Table 2Calculation results of explosion overpressure under different grid sizes
网格尺寸为0.25 m拉伸系数为1.2，最大网格尺寸为0.5 m，区域内共设置网格1255040个，网格设置参数如表3所示。
表3不同网格区域的参数设置Table 3Parameter settings for different grid areas
（2）初始条件与边界条件本文选取的换电站实际运行工况为常温常压，且正常工作下不开启通风设施，因此初始条件设置为环境温度20 ℃、初始风速0 m/s、初始压力101.325 kPa。对于爆炸模拟，边界条件通常为EULER[14]。爆炸模拟初始条件与边界条件如表4所示。
表4初始条件与边界条件设置Table 4Initial and boundary condition settings
（3）爆炸气云电池燃爆事故后果与电池荷电状态呈正比，当SOC达到100%状态时电池燃爆危险性最大[15-16]，因此对100%SOC状态下的280 Ah方形磷酸铁锂电池进行了热滥用产气实验，电池热失控产生的气体主要为二氧化碳、一氧化碳、氢气、乙烯以及甲烷。取主要可燃气体进行归一化处理，作为可燃气云组分，可燃气云气体组成如表5所示。试验测得单个电芯热失控时可燃气体的产量为6 L/Ah，换电站单个电池包电量为12960 Ah，因此单个电池包热失控即可产生充满整个换电站的当量气云。为模拟最坏事故场景，将气云填满燃爆换电舱。
表5可燃气云组分及各组分体积分数Table 5Combustible gas cloud components and their volume proportions
（4）泄压板由于舱体存在开孔的薄弱结构，具有较弱的抗冲击能力，因此本文在预制舱百叶窗、换气扇处设置泄压板，以模拟两处薄弱结构承受一定强度冲击波后破坏打开的过程与影响。根据文献[9,17]中相关参数的设置，将百叶窗与换气扇的开启压力均设置为3 kPa，泄压板类型设置为Popout。泄爆装置通过设置泄压板的形式实现，其泄压板类型也设置为Popout。（5）点火时间本文中均以点火时刻为起始时刻，火源为持续时间0 s的瞬时火源。
2 并列式预制舱换电站爆炸过程模拟与分析
爆炸产生的冲击波是爆炸事故中最主要的伤害形式，需要研究换电站现有结构下爆炸事故冲击波的传播过程，以此分析现有结构下换电站燃爆事故的危险性与影响范围。换电站燃爆事故点火源位置为(1.8，3.5，1.5)。
图2为冲击波传播中超压分布变化。由图2可知，爆炸发生后，冲击波迅速从点火源处沿y轴方向扩散；0.07 s时冲击波突破百叶窗与排风扇，在自由空间内传播，0.162 s时舱外超压迅速衰减，0.311 s时舱内超压开始消退。受点火源位置以及换电舱结构的影响，冲击波在y方向上具有更多的加速空间与时间，加之换电舱百叶窗开口面积大于排风扇面积，因此冲击波主要从百叶窗处传至舱体外部，对y方向的影响也最大。
图2 换电站爆炸事故的超压分布
Fig. 2 Overpressure distribution of explosion accidents in power plants
图3展示了两个预制舱排风扇与百叶窗处的压力变化情况，由图3可知在发生爆炸后燃爆舱的排气扇与百叶窗受到远大于开启压力(3 kPa)的冲击，两处结构在0.1 s内均被完全破坏；由于排风扇距离点火源更近，因此排风扇在0.05 s左右先被破坏，在图2(b)中也可看出冲击波先从排风扇处传播至舱外；邻侧非燃爆舱的百叶窗会受到燃爆舱冲击波的影响，最大压力为2.3 kPa，低于百叶窗的开启压力，从图2中也可看出百叶窗未受到结构性破坏；邻侧非燃爆舱的排风扇几乎未受到燃爆舱冲击波的影响。
图3 预制舱薄弱部位泄压板的压力变化
Fig. 3 Pressure variation of the pressure relief plate at the weak part of the prefabricated cabin
因此，现行结构的换电站发生爆炸时，若舱体未发生结构性破坏，冲击波主要影响排气扇与百叶窗沿线处，由于冲击波主要从百叶窗处传播至舱外，换电站爆炸冲击波的最大影响距离在百叶窗沿线位置。考虑到综合能源站中存在较多钢结构构筑物，因而选取10.4 kPa作为换电站爆炸最大影响范围的判断阈值，建筑物在不同超压下的损坏程度[18]如表6所示。
图4展示了燃爆舱中心轴线处(x=1.8 m)yz截面的超压分布情况。换电站发生爆炸后，冲击波从百叶窗处传至舱外，沿y轴方向迅速传播，在0.205 s时冲击波传播至最大影响距离处，换电站爆炸产生的影响范围约为21 m。
图4燃爆舱中心轴线处 (x=1.8 m)yz截面的超压分布Fig. 4Overpressure distribution ofyzsection at the central axis of the explosion chamber (x=1.8 m)
3 并列式预制舱换电站泄爆效果模拟与分析
3.1 泄爆装置开启压力对泄爆效果影响的模拟研究
泄爆装置的开启压力是影响装置泄爆效果的关键因素。泄爆装置开启压力设置过小容易因误动作造成泄压装置意外开启，开启压力设置过大则存在响应慢、泄爆效果差等问题，明确开启压力对换电舱安全至关重要。本文模拟了不同泄爆装置开启压力对换电舱内燃爆压力与泄爆效果的影响规律。模拟设置了舱体顶部开启面积为1 m×1 m，中心点位置(1.8，6.5，3.2)的泄爆装置，泄压装置开启压力分别为10 kPa、20 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、150 kPa。点火源位于燃爆舱前端，位置坐标(1.8，3.5，1.5)。
图5为不同开启压力下泄爆装置压力变化与开启时间，图6为不同开启压力下换电舱燃爆产生的最大压力与泄爆率。由图5可知，在泄压装置开启压力分别为10 kPa、20 kPa、30 kPa、60 kPa、90 kPa、120 kPa、150 kPa时，装置的开启时间分别为爆炸发生后0.278 s、0.283 s、0.290 s、0.302 s、0.324 s、0.345 s、0.372 s。泄爆装置的响应时间与开启压力近似呈线性相关，开启压力越小泄爆装置越容易受冲击波影响而发生响应，即开启时间越早。
图5不同开启压力泄爆装置的压力变化与开启时间Fig. 5Pressure changes and opening time of explosion relief devices with different opening pressures
图6 不同开启压力下换电舱燃爆的最大压力与泄爆率
Fig. 6 The maximum explosion pressure and venting rate of the container under different opening pressures
泄爆装置的泄爆效率受装置开启时间影响，开启时间越早则更多未参与爆炸的可燃气体扩散至舱体外，从而降低参与整个爆炸过程的气体量，产生更好的泄爆效果。由图6可知，在不设置泄爆装置条件下，可产生的最大爆炸超压为357 kPa，泄压装置可以有效降低爆炸压力水平。不同开启压力下，燃爆最大压力分别为122 kPa、123 kPa、124 kPa、132 kPa、140 kPa、150 kPa、161 kPa，泄爆率分别为66%、65.5%、65%、63%、60%、58%、55%。泄爆装置的泄爆效果与装置开启压力近似呈线性相关，开启压力越小则泄爆效果越明显。但由于爆炸产生的压力远大于泄爆装置开启压力，加之冲击波传播速度快，泄爆装置的开启时间非常短，因此装置开启压力的改变对响应速度以及泄爆效果影响较低，开启压力降低93%，泄爆装置响应速度与泄爆效果仅分别提高25%、11%。
3.2 泄爆装置与点火源相对位置对泄爆效果影响的模拟研究
换电舱内存在大量的输电线路与用电设备，产生点火源的位置具有不确定性，泄爆装置与点火源相对位置对燃爆事故发展过程、爆炸冲击波强度有较大影响。因此本文研究了不同泄爆装置与点火源相对距离下的泄爆效果，模拟设置了舱体顶部开启压力3 kPa，开启面积1 m×1 m的泄爆装置，通过改变点火源位置来设置不同泄爆装置与点火源的相对距离，相对距离为点火源到泄压装置中心点的距离。点火源设置位置如表7所示。
表7点火源与泄爆装置的位置设置Table 7Location setting of ignition source and explosion relief device
图7为泄爆装置与点火源不同相对距离下燃爆舱内的最大压力与泄爆率。由图7可知泄爆装置与点火源的相对距离对泄爆装置的泄爆效果影响较大，泄爆装置与点火源的相对距离越小，泄爆装置的泄爆效果越好。相对距离为4 m时燃爆最大压力为161 kPa，泄爆率为55%，相对距离为0 m时燃爆最大压力为36 kPa，泄爆率为90%，燃爆最大压力下降78%，泄爆率提升35%。但泄爆率的提升幅度随着泄爆装置与点火源相对距离的缩小而降低，泄爆装置与点火源相对距离由4 m缩小至3 m时泄爆率提升16%，泄爆装置与点火源相对距离由1 m缩小至0 m时泄爆率仅提升3%。
图7 不同相对距离下换电舱燃爆的最大压力与泄爆率
Fig. 7 The maximum explosion pressure and venting rate of the container under different relative distances
当泄爆装置距离点火源越近时，爆炸产生的冲击波以及未点燃的可燃气体可以更快地从泄爆装置传播至舱外，舱内冲击波加速距离短且参与爆炸的可燃气体减少，泄爆装置泄爆效果提升。由于舱体内点火源具有不确定性，在对舱体设置泄爆装置时，可采取分散式布局并在易产生火源的位置布置泄爆装置，降低可能存在的点火源到泄爆装置的相对距离以达到最佳泄爆效果。
3.3 泄爆装置位置对泄爆效果影响的模拟研究
目前对于预制舱泄压孔位置的设置具有多种方式，包括预制舱前后部、侧部、上部等位置，本文通过仿真模拟研究了泄爆装置的位置对泄爆效果的影响，并确定泄爆装置的最佳设置位置。模拟中分别在舱体前部、侧部、上部设置了开启压力为3 kPa以及开启面积1 m×1 m的泄爆装置。泄爆装置设置位置如表8所示。
表8 点火源与泄爆装置的位置设置
Table 8 Location setting of ignition source and explosion relief device
图8为不同泄爆装置位置下换电舱燃爆产生的最大压力。由图8可知，当泄爆装置设置在后部时，燃爆最大压力为43 kPa，泄爆率为88%；当泄爆装置设置在侧部时，燃爆最大压力为126 kPa，泄爆率为65%；当泄爆装置设置在上部时，燃爆最大压力为161 kPa，泄爆率为55%。泄爆率由高到低为后部、侧部与顶部。
图8 不同泄爆装置位置下换电舱燃爆的最大压力
Fig. 8 The maximum explosion pressure of the container at different positions of explosion relief devices
受预制舱结构影响，燃爆产生的火焰波加速距离在x、y、z三个方向上存在差异。因为在y方向上具有更长的加速距离，前驱冲击波具有更大的传播速度并推动更多的未燃气体沿y方向运动，加之后部的泄爆装置垂直于火焰与冲击波运动方向，使得火焰波与未燃气体更快地泄放至舱外，产生最佳泄爆效果。
4 结论
本工作参照某综合能源站内换电站建立了并列式预制舱换电站三维仿真模型，以磷酸铁锂电池模块热失控产生的气体作为可燃气体，通过CFD模拟，揭示了某并列式预制舱换电站爆炸冲击波的传播与影响，并分析了不同泄爆装置的作用效果，给出了泄爆装置的相关建议。结果表明：
（1）现有换电站结构下，电池热失控引发的可燃气云爆炸最坏事故场景的最大燃爆压力可达357 kPa，燃爆事故发生后0.1 s内舱体薄弱部位均被破坏，冲击波从百叶窗与排气扇处迅速传播至舱外，爆炸冲击波最大影响范围位于燃爆舱百叶窗后方约21 m处，冲击波对并列式换电站邻侧换电舱影响不大；综合能源站平面布局应充分考虑换电站燃爆事故影响，避免换电站薄弱部位与油气氢设施布置在同侧，降低多米诺事故可能性。
（2）通过泄爆装置，爆炸产生的火焰波与未被点燃的可燃气体迅速泄放至燃爆舱外，减少参与爆炸反应的气体总量，大幅降低换电舱内燃爆事故冲击波超压，通过设置泄爆装置最大爆炸压力可降低90%。
（3）泄爆装置的泄爆效果受泄爆装置开启压力、设置位置以及开启方向影响。泄爆装置开启压力越小、与点火源相对距离越近，泄爆效果越好；泄爆装置设置在换电站后部时具有最佳泄爆效果，泄爆率由高到低为后部、侧部与顶部；泄爆装置应采取分散式布局并在易点火位置布置，且尽可能降低开启压力以提高泄爆效果。
