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摘 要 近年来，全世界各地发生了多起储能电站火灾爆炸事故，造成了重大人员伤亡和财产损失，锂电池储能系统安全性亟待提高。本工作通过FLACS软件建立储能舱的物理模型，模拟了磷酸铁锂电池热失控后可燃气体的泄漏、扩散及爆炸过程，分析了不同泄漏时间、点火高度等条件下，可燃气体的浓度分布、爆炸压力、火焰形态等特征参数，探讨了其对储能电站安全的影响，为储能电站的安全设计和事故预防提供理论依据。研究表明，磷酸铁锂电池热失控后，可燃气体优先在舱顶聚集，随着泄漏时间增加，高浓度区域自上而下扩大，7 s时基本覆盖全舱。泄漏前期0~3 s发生爆炸概率大，爆炸强度随泄漏浓度增加而增加；泄漏后期舱内氧气不足，爆炸概率降低，但点火高度在1.75 m时爆炸强度最大；储能电站磷酸铁锂电池热失控后，可燃气体的扩散和燃爆危害性显著，尤其在泄漏前期和特定点火高度下，爆炸风险极高。因此，储能电站的设计应充分考虑气体扩散和爆炸特性，优化泄压板设置和防护措施，以降低热失控引发的火灾爆炸风险。

关键词 储能电站；磷酸铁锂电池；热失控；气体扩散；数值模拟

随着全球能源结构转型，如太阳能、风能等可再生能源得到了广泛应用。然而，这些能源发电模式的不稳定性、不连续性限制了其大规模应用。电化学储能技术因其高效、灵活的特点，成为解决这一问题的关键。目前，电化学储能技术已经成为支撑能源转型的关键技术。然而，随着储能电站的广泛应用，锂离子电池热失控导致的安全事故频发，给人员生命与财产安全造成巨大损失。据不完全统计，全球锂离子电池储能相关火灾爆炸事故每年发生30起左右。因此，研究储能电站磷酸铁锂电池热失控燃爆危害性具有重要现实意义。

许多学者通过采用实验或仿真模拟的方法分析了电池爆炸的能量释放形式、爆炸极限、冲击波压强的大小，探寻了正极材料、荷电状态等因素对爆炸特性及规律的影响。郭超超等研究了磷酸铁锂电池释放的气体成分，得出磷酸铁锂电池的荷电状态越高其热失控气体的爆炸极限越高，电池爆炸强度和范围越大；刘云建等研究发现，大电流和较高截止电压条件下的过充会增大锰酸锂电池发生爆炸的风险。另外，还有其他学者通过数值模拟对磷酸铁锂电池热失控释放的易燃气体爆炸特性进行了研究。

更多场景的电池单体或电池模组都处于受限空间下，其爆炸危害性不容忽视。Lu等将电池释放的能量换算成TNT爆炸当量，研究表明，电压越高危害越大。牛志远等基于实际尺寸建立1∶1储能舱模型研究磷酸铁锂电池热失控引发的爆炸对周围舱体的冲击作用，发现爆炸后冲击波0.5 s后突破泄压板扩散，若无隔离措施则可能引发连环爆炸。赵智兴等研究了双层储能舱的热失控过程，发现底层中心起爆后，顶层温度和超压峰值较高，但上层舱体因空间开阔，高温和超压冲击数值较低。

在锂离子电池热失控火灾爆炸危险性研究方面，前人对热失控机理、爆炸特性等进行了大量研究，从而明确了热失控诱因、产气规律和爆炸极限，并探究了荷电状态、温度、环境压力等因素对爆炸强度的影响。然而，受限于实验仪器和条件，多数研究仅针对小型电池或电池组，较少涉及储能电站等大型应用场景。此外，储能电站爆炸仿真多假设气体均匀分布，忽略了可燃气体扩散时间对爆炸强度的影响，未充分考虑实际热失控气体爆炸情况。

因此，本工作通过FLACS仿真模拟软件，对储能舱内磷酸铁锂电池热失控释放可燃气体的扩散规律进行研究，并进一步探明了不同扩散时间、不同点火高度对爆炸强度的影响，更加全面真实地揭示储能电站预制舱磷酸铁锂电池热失控燃爆危害性，为电化学储能电站消防安全设计及爆炸防护提供理论基础和数据参考。

1 数值模拟设计

1.1 模拟软件的选择

FLACS (Flame Acceleration Simulator)是挪威Christian Michelsen研究院和CMR-GEXCON公司基于CFD技术开发的三维流体动力学仿真软件，获得多项国际权威标准认可。FLACS利用有限体积法求解可压N-S方程，结合设定好的边界和初始条件，求解模拟计算区域里的燃烧速率、燃烧产物、温度、超压等多种变量。其中，动量方程、湍流动能方程、能量方程、组分质量守恒方程等可用式(1)表示：

式中，为通用求解变量(包含质量、动量、能量等)；为气体密度(kg/m3)；为在j方向上积分；为i方向上的速度矢量；为扩散系数；为源项。

FLACS软件包含爆炸、火灾、粉尘、扩散等多个计算模块，其中，扩散模块可准确地计算出可燃气云的扩散结果，爆炸模块在气体爆炸领域与其他同类软件相比具有更广泛的功能和适用性，能有效评估爆炸影响后果。因此本工作选用FLACS作为仿真模拟软件。

1.2 仿真模型设计

1.2.1 物理模型介绍

本工作采用1∶1的比例对磷酸铁锂电池储能预制舱的几何空间进行建模，图1(a)为预制舱式储能磷酸铁锂电池电站的整体布局，主要电气设备为5个功率/容量为1.26 MW/2.2 MWh的磷酸铁锂电池预制舱。为研究各方向上的爆炸后果，5个储能舱呈“十字形”排列，每两个储能舱之间较长边相隔距离为3 m，较短边相隔距离为4 m。

储能舱的几何尺寸为12.2 m×2.4 m×3 m，其内部结构如图1(b)所示，储能舱中间设有宽度0.8 m的过道，舱内两侧放置的电池架设有7层16列，电池架上放置电池模组的单元格尺寸为0.8 m×0.6 m×0.3 m；一个电池模组由36个磷酸铁锂电池串并联组成，其单体电池容量为86 Ah，电池模组外壳设有散热的通气孔。

每个储能舱都设有4个泄压板，泄压板的质量面密度设为10 kg /m2。以中心储能舱为例，如图1(c)所示，1号和2号泄压板为储能舱舱门，泄压面积为3.84 m2，压力达到0.2 bar时开启舱门；3号和4号泄压板设置在舱体两侧上半部分，泄压面积为0.42 m2，压力达到0.1 bar时开启。其余舱体泄压板及舱门编号如图1(d)所示(1 bar = 105 Pa)。

图1   储能舱及泄压板分布：(a) 整体布局；(b) 单储能舱构造；(c) 中心储能舱泄压板位置；(d) 其余泄压板位置布局

1.2.2 泄漏源设置

磷酸铁锂电池发生热失控后，喷射的电解液蒸气会与空气混合形成爆炸性气体。参考Qin等研究成果，本工作模拟以9.31% CH4、9.8% C2H4、38.86% H2、11.7% CO、30.33% CO2(均为体积分数)作为热失控可燃气体进行泄漏源设置，如图2所示。

图2   泄漏源气体占比设置

参考徐成善等实验结果，单个23 Ah的磷酸铁锂电池热失控喷发气体量为56.4 g。按照等比例转化，由36个86 Ah磷酸铁锂电池组成的单个电池模组热失控气体喷发量为7591.93 g。参考徐成善等时间设置，设定电池模组发生热失控后气体喷发的时间为10 s，则每个电池模组的气体喷发速度约为0.7592 kg/s。设定喷发方向为Y轴负方向，喷出的气体温度为200 ℃。单个储能舱内空气容积约75 m3，根据预试验的模拟结果，当10个电池模组发生热失控时泄漏的等效化学计量气体云总量与单个储能舱内空气容积相当，即最大膨胀(通常接近化学计量)浓度下的闭合体积等效云约为75 m3，因此本次模拟以10个电池模组发生热失控时释放气体量为泄漏总量。泄漏源高度设置为电池架第三层，在舱内左右各5处对称放置。

1.2.3 泄漏模型及初始条件设置

为了使模拟稳定，本工作设置低初始湍流条件，环境压力设定为101.325 kPa，环境温度为20 ℃，其余参数保持默认值。边界条件采用NOZZLE方案。由于该扩散模型为纯气体泄漏，因此设置等量比ER0为1×1030，又由于初始时计算区域内没有气体，因此ER9设置为0。

1.2.4 爆炸模型及初始条件设置

针对爆炸模型，CFLC及CFLV设为5、0.5。以中央储能舱为基准，泄压板的喷口方向上采用非反射边界条件PLANE_WAVE。点燃时可燃气体浓度调用扩散模型数据，其余初始条件与扩散模型保持相同。

为了分析爆炸火焰形态和运动轨迹，观察爆炸的冲击波对周围储能舱造成的影响，本工作针对爆炸场景选取了燃烧产物质量比率(PROD)、温度(T)、泄压板压力变化(PP)、最大压强(Pmax)、燃烧速率(RFU)作为输出变量。

1.2.5 网格设置

本工作总体仿真区域为48 m×22 m×6 m，网格划分为189×183×56。参考前人研究基础，图3给出了不同网格大小下的舱内爆炸压力随时间变化关系。从图中可知，网格尺寸小于5 cm以后爆炸超压基本上不再变化。因此，本工作仿真区域中局部加密最小网格选择大小为0.05 m。同时，为节省计算机模拟运行时间，计算域对网格进行渐变划分，对核心区域外的网格进行了适当拉伸以减少网格数量，网格数总计约为193万，如图4所示。

图3   不同网格大小下模拟压力时间曲线

图4   网格设置示意图

1.3 模拟工况设计

本工作通过在泄漏前期1~3 s内每隔1 s选取一个点火时间(共3个时刻)，以及在同一水平位置每隔0.3 m选取一个点火源(共5个点火高度)，来分析不同点火时间和位置对爆炸强度的影响。表1详细列出了各个模拟工况的信息，其中τ表示点火时刻，∆t表示泄漏持续时间，t表示扩散持续时间。

表1   燃爆危险性工况表

2 储能电站磷酸铁锂电池热失控燃爆危害研究

2.1 热失控气体扩散行为对储能电站的影响

磷酸铁锂电池发生热失控后，释放大量气体与空气混合形成可燃气体云。FLACS中利用当量比(ER)参数可观察扩散气体在时间、空间上浓度的变化。记热失控气体泄漏持续时间为∆t，可燃气体扩散的时间为t。储能舱内磷酸铁锂电池发生大规模热失控后，根据可燃气体在舱内舱外扩散时的当量比计算结果可知，可燃云团的爆炸上、下限为4.812、0.476。图5为储能舱在XZ轴截面上舱内可燃气体浓度的变化，由于泄漏源在舱内两边对称放置，因此高浓度气体最初在舱内两侧出现，随后向舱门、舱顶扩散，最后向下进行蔓延，最终低浓度区域被压缩至舱底中心。

图5   储能电站热失控气体扩散可燃极限范围-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

仿真结果显示，磷酸铁锂电池发生热失控后，因泄漏气体中氢气、CO、甲烷等气体占比达69%，如图6(a)~(e)所示，尽管泄漏源处在舱内较低位置，但泄漏气体主要向上扩散，且泄漏气体优先集中在舱顶，其浓度随着高度下降依次降低。随着泄漏时间的增加，10 s泄漏期内，高浓度区从舱顶向下扩大，高浓度可燃气体在7 s时基本覆盖全舱。

图6   储能电站热失控气体扩散可燃极限范围-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

电池热失控气体泄漏3 s时，舱内可燃气体超压冲破泄压板，向相邻舱体扩散。由图6(b)、(c)可知，在随后的1 s内，可燃气体覆盖相邻舱壁。图7(a)~(d)所示，燃爆性气体在4 s内横向覆盖12 m长的相邻舱体。整体上来看，磷酸铁锂电池在发生热失控期间，泄漏气体无法使相邻舱体泄压板超压，仅覆盖舱体外表面，形成“空心”轨迹，中空位置为浓度最低点，其气体浓度低于可燃极限下限，但低浓度区域随泄漏时间增加而缩小。

图7   储能电站热失控气体扩散可燃极限范围-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

在此次模拟中，磷酸铁锂电池热失控泄漏气体共持续10 s。如图6(h)所示，泄漏结束后6 s，舱内高浓度可燃气体难以迅速排出，仍充满大部分区域，仅泄压板处有少量气体浓度变化，且处于可燃极限范围内，因此若遇火源极易引发火灾爆炸。与舱内情况相反，如图6(g)和图7(f)~(h)所示，舱外开放空间中，泄漏停止后，可燃气体浓度迅速降低，停止1 s后仅在靠近舱体和地面处有低浓度气体；3 s后浓度较低的可燃气体向上扩散至两个舱体之间；5 s后大部分可燃气体被稀释，相邻舱体相对安全，危险主要来自电池热失控舱体。

储能电站发生大规模电池热失控事故时，无论泄漏是否停止，热失控舱体内外都将成为危险源，存在火灾爆炸风险。磷酸铁锂电池热失控后，可燃气体迅速扩散至整个舱体并突破泄压板，快速蔓延至相邻舱体。若无防护措施，危险范围将进一步扩大。

2.1 热失控气体扩散行为对储能电站的影响

储能电站电池热失控后，气体泄漏时间和扩散时间的不同，将导致舱内可燃气体浓度分布不均匀，进而影响爆炸强度。电池热失控泄漏气体时间越长，舱内气体浓度越大，泄漏共持续10 s，在泄漏前期，舱内气体浓度适中，爆炸概率和危险性极高。图8给出了泄漏前期0~3 s期间舱内发生爆炸时的火焰特征。模拟结果显示，泄漏1 s发生爆炸时，火焰仅从单侧舱门喷射出来，泄漏2 s及3 s发生爆炸时，爆炸冲击波突破两侧舱门，火焰向前后喷射并与相邻舱体接触。

图8   储能电站泄漏前期爆炸火焰形态特征：(a) ∆t=1 s，t=1 s；(b) ∆t=2 s，t=2 s；(c) ∆t=3 s，t=3 s

储能舱发生热失控气体爆炸后，火焰和冲击波突破泄压板和舱门，迅速蔓延至相邻舱体。如图9所示，随着泄漏时间增加，相邻舱体泄压板承受的爆炸冲击压力增大，超过设计承受压力10 kPa，导致泄压板打开，火焰蔓延至相邻舱内。而从储能舱舱体喷射出来的爆炸火焰，为周围环境带来了巨大的热量和温度，极易使储能电站发生二次灾害。图10所示为储能电站发生爆炸时环境温度的变化，以300~2400 K划分温度范围，红色区域温度最高。模拟结果显示，泄漏初期，高温区域随泄漏时间增加而扩大，且扩大的范围增幅愈发明显，爆炸威力也随之增大。

图9   泄漏前期爆炸后相邻舱泄压板受到的压力变化

图10   储能舱热失控气体泄漏不同时期爆炸温度变化：(a) ∆t=1 s，爆炸前期；(b) ∆t=1 s，爆炸结束；(c) ∆t=2 s，爆炸前期；(d) ∆t=2 s，爆炸结束；(e) ∆t=3 s，爆炸前期；(f) ∆t=3 s，爆炸结束

储能舱电池热失控泄漏后期，舱内可燃气体浓度接近或超出可燃极限上限，舱内氧气不足，同一高度点火源难以引发爆炸。受可燃气体扩散影响，爆炸区域逐渐以点火源所处高度来区分，不同高度点火源爆炸强度不同。图11、图12为不同高度点火源对爆炸压力的影响。根据模拟结果，如图11所示，点火源高度为1.75 m时爆炸压力峰值最高，为0.74 barg (1 barg = 105 Pa)，约为最小爆炸压力峰值的1.35倍。当高度大于1.75 m时，由于可燃气体浓度太高，舱内氧气含量不足，不易发生爆炸。在所有工况中，点火源位置最高1.75 m和点火源位置最低0.55 m处的爆炸压力峰值属于较高梯队，高度在0.85~1.45 m时的爆炸压力峰值相比较小，且爆炸压力随着点火源高度的增加而降低，1.45 m的爆炸压力与0.85 m的数值相比降低了约20%。对于相邻储能舱，如图12所示，高度在1.75 m时的爆炸危险性最大，此时相邻储能舱受到的爆炸压力超过了舱门的开启泄压值20 kPa，若无防护措施，从热失控储能舱喷射而出的爆炸火焰可以进入相邻储能舱，可能引发连环爆炸。

图11   不同点火高度对爆炸最大压力的影响

图12   不同高度点火源对相邻储能舱舱门压力的影响

3 结论

本工作利用FLACS数值模拟的方法，以不同泄漏时间、点火高度为变量，探究储能舱中可燃气体扩散蔓延过程以及燃爆危害性；通过对温度、当量比、爆炸压力、爆炸火焰等特征参数进行对比分析，得出主要结论如下：

（1）磷酸铁锂电池在储能舱内发生大规模热失控之后，泄漏的气体会在舱内快速扩散，大量可燃气体优先在舱顶部位聚集，并形成高浓度的区域；随着泄漏时间的增加，舱内的气体高浓度区域自上而下扩大范围，当泄漏至第7 s时，整个储能舱舱体内部几乎充满高浓度的可燃气体。

（2）当储能舱内电池发生大规模热失控时，舱体泄压板开启泄压动作，从热失控舱体泄漏出来的可燃气体扩散速度极快，仅1 s便能蔓延至相邻储能舱，4 s能覆盖长度为12 m的相邻舱体侧面，可燃气体主要沿着舱体及地面进行蔓延和扩散。

（3）舱内电池热失控泄漏结束后，由于受限空间影响，舱内大量高浓度可燃气体无法及时逸散和排出，将在较长时间内保持高浓度的状态，此时处在舱体泄压板处的区域最为危险。

（4）泄漏前期0~3 s发生爆炸概率较大，泄漏后期因舱内浓度太高、氧气不足，发生爆炸概率较低。泄漏前期0~3 s随着泄漏时间的增加，浓度越高，爆炸强度越大；泄漏后期，点火高度为1.75 m时爆炸强度最大。