双层结构预制舱式磷酸铁锂储能电站热失控气体爆炸模拟

电化学储能电站由于其能量密度高、单位成本低、使用寿命长、循环次数较多等特点，成为目前应用最广泛的储能技术

。国内电化学储能电站建设如火如荼，目前已投入运行和在建的电化学储能电站以预制舱式锂离子电池储能电站为主

，为优化储能电站占地面积及空间问题，业界提出了一种新的双层预制储能舱解决方案。

然而，锂离子电池本身存在不可忽视的安全性问题，主要由其本征的发热特性而决定，电池起火会引起毗邻电池的连锁反应，造成电池模组及簇的热失控，在储能舱内的封闭环境下有爆炸的可能性，对整个储能电站的消防安全造成严重威胁

。近年来关于锂离子电池引发的火灾爆炸事故屡见报道。2021 年4 月16 日，北京市丰台区集美大红门25 MWh直流光储充一体化电站火灾事故致2 名消防员牺牲。锂离子电池安全性成为扼制锂离子电池规模化和产业化应用的主要瓶颈

。

近年来，随着储能电站的迅速发展，国内外学者对储能电站安全性的研究成果层出不穷。Wang等

全面总结了单体锂离子电池和电池模组的热失控特性，并研究了相关火灾动力学，提出了对锂电池火灾的防护建议。Huang等

通过实验研究了不同荷电状态(state of charge，SOC)下锂离子电池的热失控特性及其在不同电连接方式下大容量电池模组中的传播特性，研究表明随着SOC 的增加，电池热失控产生可燃气体的速率和浓度均大幅增加。Li 等

通过FLACS 软件评估实验数据，发现其在火焰行为、最大外部火焰长度、火焰和压力时间对应等方面具有较好的准确性。Jin 等

通过进行8.8 kWh 磷酸铁锂电池模组过充热失控实验发现，仅单个电池模组在热失控发展过程中所产生的可燃气足以引起爆炸事故，混合可燃气主要成分为汽化电解液，并且使用FLACS 可以较好地模拟爆炸产生的火焰波及超压冲击。牛志远等

基于FLACS 平台以1∶1 尺寸搭建某储能电站模型，研究了由锂电池热失控引发的单一储能舱爆炸对周围储能舱的破坏性。这些研究主要是电池热失控和预制舱式储能电站爆炸方面，而对未来可能逐渐推广的双层预制舱式储能电站的研究尚未涉及。

德伐日太太出生于被侮辱、被迫害的农家，对封建贵族怀有深仇大恨。她像男子般与丈夫共同谋划革命，她坚强的性格、卓越的才智和非凡的组织领导能力赢得“复仇女神”与“雅克”们的拥护。可是她却被仇恨主宰了心智，成为一个冷酷、凶狠、狭隘的复仇者，最终，丧失心智的复仇使她丧命于枪支走火。

幽静空间是一个过渡空间，有曲径通幽的感受，步道一旁有山水屏风隔断，中间种植造型古木，另一旁叠水造景，步移景异，动静结合。

针对目前的双层预制舱式储能电站面临的安全性问题，本研究拟综合考虑双层预制舱式储能电站的结构特性，通过在真实储能场景的基础上建立气体爆炸仿真模型，对双层储能预制舱的典型气体爆炸过程进行数值模拟分析，对比研究上层和下层储能舱的爆炸特性，并进一步分析单层储能舱和双层储能舱的爆炸特性对比。气体爆炸特性研究可为双层预制舱式储能电站的设计及推广应用提供参考依据。

1 双层预制舱式储能电站模型

1.1 双层预制舱式储能电站可行性分析

由于真实储能场景爆炸实验具有极高危险性，本文通过数值模拟方法对预制舱内气体爆炸过程及危害进行研究，利用有限元分析软件FLACS 建立双层预制舱式储能电站气体爆炸模型，进行数值分析研究

。

双层布置的磷酸铁锂电池预制舱发生热失控时，为了防止火焰上下窜动，在两个电池预制舱之间增加防火隔断。

1.2 数值计算原理

现有技术中为解决电池储能舱占地面积过大、土地利用效率不高的问题，提出将两个储能舱进行叠加布置，两个电池储能舱呈上下布设，并各自相对独立，两电池预制舱中的上层电池预制舱悬空式安装于下层电池预制舱的上方，如图1所示。

根据《丰台区“4·16”较大火灾事故调查报告》

，引起储能电站爆炸的可燃气体的主要成分为磷酸铁锂电池模组的汽化电解液：碳酸甲乙酯C

H

O

、碳酸亚乙酯C

H

O

。由于软件中的可燃气体数据库未收录这两种成分的数据，因此在以下数值研究中将使用CH

、CO 和CO

三种气体的混合气体来等效，气体类型等效方程如下：

式中，

为流体密度的时间平均值；

为一般变量的时间平均值；

为速度的时间平均值；

为

的湍流输送系数；

S

为不同

项的源项。

图9(a)中可以看出，在0.5 s 前由于泄压孔未打开，舱内超压变化速率具有良好的一致性，随后由于P5 处超压升至3 kPa 的开启压差，导致储能舱中部聚集的超压得到泄放，P6 处超压短暂，但由于舱内可燃气体的剧烈燃烧，舱内中部超压的积聚速率超过了P5 泄压孔的泄放速率，并于

=0.7 s升至3 kPa，P6随即被打开；舱门泄压孔P1和P2由于开启压差较高，在所承受平均压力持续达到20 kPa，被打开后逐渐降低。图9(b)中可以看出，储能舱上层由于被下层引燃，泄压孔超压变化速率与下层基本相同，在达到开启压差后迅速下降。监测点的超压变化如图10所示。

FLACS 在三维结构网格上求解可压缩Navier-Stokes 方程，采用理想气体状态方程和湍流模型，使用有限体积法求解。在爆炸过程中，所有状态参数遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等化学反应规律，控制方程

的一般形式如下：

1） 工程应用数据表明，SNCR+低温SCR联合脱硝系统投运初期可保证NOx稳定达标且氨逃逸低，随着催化剂使用时间延长，催化剂性能会逐渐降低，建议设置SCR催化剂热再生系统以延长催化剂使用寿命。

由于实际电池爆炸事故多是因单体电池燃烧引发的连环燃烧，在密闭空间内一旦不能及时遏制火势，最终将会引发全部的电池模组爆炸，故可认为对于电池模组容量一定的电池舱，燃料总量是确定的。目前电化学储能电站应用较为广泛的单个86 Ah 磷酸铁锂电池所含电解质总量为355 g，其中C

H

O

含量为36.8%，C

H

O

含量为63.2%。根据单个锂离子电池模组中电解质的总量计算得到爆炸前40 尺标准储能舱内电池模组的可燃气体总量。与舱内空气混合后，CO 所占舱内总气体的体积分数为4.23%，CH

所占舱内总气体的体积分数为6.73%。

1.3 物理模型建立

为最大程度还原储能电站工作环境，建立物理几何模型，模型场景设置为双层预制舱式磷酸铁锂电池储能电站，在该电池管理系统BMS 管理失效或电池模组内的某单体电池发生充电过充时，热失控导致的储能舱内所有电池模组连环燃烧，并引发爆炸。物理模型如图2所示。

如图2(a)所示在水平方向建立

、

轴，垂直向上方向建立

轴，共包含9 个双层储能舱，双层储能舱几何尺寸为12 m×2.4 m×6 m，相邻储能舱的间隔沿

轴方向为4 m，沿

轴为3 m，计算区域扩大为50 m×24 m×10 m。储能舱内部中间留有0.8 m 宽的过道，通道两侧对称布置有电池架、电池模块外壳、电池模块等大型几何体；电池架每侧设7 层16 列；电池模块外壳尺寸为0.7 m×0.5 m×0.25 m。为缩短计算时间，在不影响结果的前提下，对储能舱附近网格进行局部加密，在边界区域将网格适当减少。

图2(b)所示为双层储能舱体上的泄压孔及编号。储能舱每层设有4个泄压孔，每个双层储能舱共8 个泄压孔，其中P1 和P3 日常作为维护舱门，爆炸时起泄压作用；P2和P4仅具有泄压功能，日常维护不开启。泄压孔的具体设置参数见表1。

爆炸初始点设置在图2(a)中心储能舱下层中部。监测点设置如图2(c)所示：M1 位于电池舱下层内部中心；M2位于电池舱上层内部中心；M3位于泄压板P1 外部4 m 处，即相邻储能舱舱门处；M4位于泄压板P5外部3 m处，即相邻储能舱泄压板处。爆炸参数设置初始条件见表2。

表征气体爆炸特征的参数主要有爆炸压力、升压速率、火焰温度、火焰速度、燃烧速度等

。为详细描述双层预制舱式储能舱爆炸对周围建筑的影响，本文选用燃烧率

、温度

和超压变化为输出变量。

图3(a)所示为爆炸发生后0.36 s 的温度分布，此时处于爆炸初期，温度场以起火点为中心呈球形分布，中心处温度已高达2000 K。从图3(b)、3(c)可以看出，高温在0.41 s 时最先通过泄压孔P5 处向储能舱外传，受爆炸方向影响，随后在

=0.58 s后冲破舱门。从图3(d)可以看出，高温波在传播至舱外后，开始往上方传播，中心温度最高，最高达1700 K 以上。由于仿真中上层舱体为隔热绝缘物体，且无法模拟爆炸结束后的温度分布，考虑到实际事故场景中高温烟气的扩散以及热量的传递，随着时间的推移储能舱上层将完全被高温烟气覆盖。爆炸时监测点超压变化如图4所示。

2 双层预制舱式储能电站爆炸特性

考虑到随着电池热失控反应的持续进行，会产生H

等可燃性气体，故本文分别设置了两种场景：①电池热失控早期发生爆炸，H

尚未产生及H

浓度较低时，此时的可燃气体主要成分为汽化电解液；②电池热失控后期发生爆炸时，电池热失控产生30%含量的H

与汽化电解液共同参与爆炸燃烧反应

。

以点火时刻为起始时间

=0 s，进行仿真研究分析。为了更清晰地观察爆炸中火焰燃烧情况，对1 号储能舱所在区域进行放大，其中储能舱部分墙体作透明处理。

2.1 下层储能舱燃烧爆炸特性

当下层储能舱起火后，由于双层连接处的防火防爆板而未引起上层储能舱爆炸时，事故可简化为普通单层储能舱爆炸，但不同之处在于，上层储能舱和其连接更为紧密，危险性更高，因此有必要单独研究下层储能舱的爆炸特性。爆炸时温度变化如图3所示。

局部二值拟合模型（LBF模型）的提出是用于解决在对灰度不均匀图像分割上遇到的难题，它是通过引入高斯核函数来实现的。给定一幅图像I(x)(x ∈Ω ),Ω为图像域，对于图像域Ω中每个点x，其对应的能量函数为：

由于真实储能电站中电池成本昂贵，且真实实验危险性极高，实验数据难以获得，因此选择使用以上建模方法，建立与Li等

研究中相同的模型，在相同的爆炸条件下进行仿真，并将仿真数据与文献中的数据进行对比验证，在可燃气体浓度较高(25%)时，误差在10%以内，在浓度较低时，误差也控制在15%以内，属于可接受范围。说明本研究中的爆炸模型、边界条件以及参数设定具有可行性。

从图4 可以看出，监测点M1 由于位于爆炸中心，在爆炸发生后，超压持续升高至38 kPa，在

=0.62 s 泄压孔均打开后开始下降，监测点M3 位于3 号储能舱上，其超压随着舱门泄压孔P1 处扩散的冲击波最高升至10 kPa 后开始下降，并短暂出现负压区，监测点M4 位于2 号储能舱上，其超压随着泄压孔P5 处扩散的冲击波最高升至3 kPa后开始下降。

仿真结果表明，双层储能舱下层爆炸时：①舱内温度最高可达2119 K，侧面泄压孔最早于0.41 s即被突破；②储能舱下层爆炸产生的冲击波对相邻储能舱的超压影响巨大；③储能舱爆炸产生的高温在沿泄压孔传递出去后，传播距离远、范围大，极易引起周围相邻储能舱燃烧。

2.2 上层储能舱燃烧爆炸特性

仿真结果表明：①双层预制储能舱爆炸产生的火焰可直接冲击相邻的储能舱体；②爆炸后储能舱内最高温度可达2100 K 以上，受到爆炸冲击的影响，舱门外的高温烟气温度峰值可达1800 K以上；③爆炸产生的超压冲击波可突破相邻储能舱的临界压强，火焰和高温涌入，有引起连环爆炸的危险。

我们不该去与读者们争论什么才是好文章，也不该“贪心”地想要去满足每一个读者，因为每个人的喜好，都是不同的。

图5(a)所示为爆炸发生后0.40 s 的温度分布，温度场呈球形分布，最高温度为2112 K。从图5(b)、5(c)可以看出，泄压孔P7在

=0.41 s时打开，随后高温沿泄压孔蔓延至舱外，并逐渐向两侧蔓延。图5(d)高温波传递至舱外后，受爆炸冲击影响主要沿水平方向向四周传播，高温完全覆盖储能舱。观察温度场分布可得出结论：储能舱上层爆炸时，下层受温度影响较小。储能舱上层爆炸时超压变化如图6所示。

依次将3.2和3.3节的结果与Lambert-Beer定律计算的结果进行比较.选择与3.2节中相同的条件，基于Lambert-Beer定律，计算三种辐射波在平流雾和辐射雾中的透过率TLB，并与Monte Carlo仿真的透过率TMC进行比较，结果如图7所示，纵坐标Difference value=TMC-TLB.

从图6可以看出，储能舱上层爆炸时，舱内超压最高达32 kPa，

=0.62 s后开始下降。由于监测点M3 和M4 距上层储能舱较远，超压变化滞后，在

=0.63 s后开始波动，但幅值较小，最高值仅为2.4 kPa。

仿真结果表明，储能舱上层发生爆炸后：①舱内温度最高可达2112 K；②上层储能舱爆炸后舱内压力值最高为32 kPa，对相邻储能舱的超压冲击影响较小。

反思性教学实际上就是教师自发进行的自我教学实践活动管理与调节，教师对自我教学实践的反思很大程度上依托于自我的教学主动性与积极性，只有让教师自发地去关注自身的教学效果，去关注学生的学习情况，并且教师具有不断进取的精神，才能在教学实践中进行持续性自我反思，不断积累经验教训，提高自身的教学能力，实现良性发展。

2.3 双层储能舱燃烧爆炸特性

当储能舱下层爆炸产生的明火通过电缆通道传播至上层后，储能舱双层会一同发生爆炸事故，爆炸过程中的燃烧波变化如图7所示。

从图7(a)可以看出，当储能舱下层因电池模组热失控起火后，火焰可沿电缆通道将上层引燃，在储能舱密闭空间内造成两层电池模组同时爆炸，电解液燃烧速率最高可达19.12 kg/(m

·s)。从图7(b)可以看出，由于起火点位于下层，下层的火焰蔓延速率高于上层，同时火焰波扩散的前端燃烧率高于后端。从图7(c)、7(d)可以看出，储能舱两侧泄压孔P5和P7最早被打开，之后传递至舱外的可燃气朝两侧扩散并继续燃烧。从图7(e)、7(f)可以看到，两端舱门打开后，储能舱内部深处侧门处燃烧率较高，部分汽化电解液随冲击波扩散至舱外后继续燃烧，爆炸在起火0.8 s 后开始减弱，余波大部分在储能舱内继续燃烧。

为了分析爆炸事故中温度对储能舱的影响，选取温度作为输出变量进行研究。泄压孔处的温度变化如图8所示。

从图8 可以看出，爆炸产生的高温最高可达2123 K，随着爆炸的进行覆盖全舱，同时由于储能舱内部封闭环境，持续时间较长。从图8(a)可以看出，两端舱门P1和P3由于处于爆炸主要扩散方向，且面积较大，被冲破后舱外温度最高达1800 K，极易引起相邻储能舱的连环燃爆事故。从图8(b)可以看出，储能舱侧面舱门P4由于避开爆炸冲击正面，舱外温度较低。从图8(c)可以看出，泄压孔P6 和P7 位于起火点附近，打开时间最早，舱外温度迅速升高，但由于面积较小，传播距离有限。

作为现代市场经济体系的重要组成部分，期货市场凭借其特有的价格发现和套期保值功能在国民经济运行中扮演着不可替代的角色。而原油作为一种重要的能源和化工原料，无论是在经济发展方面还是国家安全方面都具有举足轻重的地位。20世纪90年代以来，国际石油期货市场及相关衍生品市场得到迅猛发展，已成为国际金融市场的一个关键组成部分。期货市场最基础的功能是价格发现，而期货市场能否充分发挥其价格发现功能，市场是否有效率则是前提和关键。

“医院设有绩效办公室，绩效考核管理方面具有实践基础，而这项工作的着眼点就在于借力信息化，真正实现管理的精细化！”封国生也表示，没有信息化基础，精细化管理可能就是“空中楼阁”。在这项工作的推动过程中，医院信息中心以问题为导向，整合贯通了医院既往存在的60多个子系统，逐步消除信息孤岛，真正实现互联互通。

接下来以双层储能舱较为脆弱的泄压板为研究对象，分析爆炸时超压对其的影响，各泄压孔所承受平均压力的变化曲线如图9所示，其中压力数值正负仅代表方向，强度为其绝对值大小。

设有6辆集装箱拖车同时工作，每辆承载量为4 TEU；船舶最大承载量为200 TEU，平均日租费为7 500元.以此为背景，水上“巴士”与集装箱拖车运输的成本价值量之差如图4所示.

从图10可以看出，监测点M1、M3和M4处随时间波动的压力数值与图10 双层储能舱爆炸时基本一致，可得出结论，双层储能舱对周围相邻储能舱的超压影响主要来源于储能舱下层爆炸的冲击波。在本文模拟环境中，“

”方向的相邻储能舱被冲击至自身临界压差，引起连环爆炸的可能性更高。

在研究底层储能舱爆炸特性后，接下来将对储能舱上层爆炸未传递至下层时的爆炸效果进行研究，爆炸时温度变化如图5所示。

2.4 氢气参与爆炸时的双层储能舱爆炸特性

当锂电池热失控反应后期发生爆炸时，此时可燃气中约有30%含量的H

参与爆炸，改变可燃气成分及比例后，双层储能舱爆炸的温度及超压曲线分别如图11、图12所示。

罗扎诺夫非常自信地宣布：“《隐居》是空前绝后的。”[3]62 正是这种对个性自由(任性)的充分肯定，可以解释罗扎诺夫身上的许多现象，诸如“双面雅努斯”(Janus)之类的指责。

在可燃气体加入氢气后，爆炸后上下层的最高温度均在

=0.36 s达到了2238 K，在爆炸早期，下层中心的温度上升得更快，但上下层达到最高温度的时间基本一致。舱外监测点3 处达到最高温度1931 K，监测点4 处于

=0.33 s 达到760 K 后开始下降。

从图12 可以看出，加入氢气后，舱内超压最高达78 kPa，

=0.41 s后开始下降。通过观察舱外监 测 点M3 和M4 可以发现，M3 在

=0.39 s 达到超压最大值，说明泄压孔早于

=0.39 s打开，舱内燃烧反应在泄压孔打开后短时间内仍处于上升阶段。

仿真结果表明：当电池热失控后期发生爆炸，氢气参与爆炸后，储能舱内部的最高温度为2238 K，最大超压为78 kPa。相邻储能舱的外表面的最高温度为1940 K，最大超压为12 kPa。

2.5 双层储能舱不同爆炸情况的对比分析

选取爆炸最高温度、储能舱内最高超压、相邻储能舱监测点M3、M4 的最高超压和最高温度共6项指标参数对比分析爆炸效果，见表3。

路径的经济性受多种因素的影响，而各因素并非一成不变，如运价会随着燃料价格、政策等的变化而变化；受内部或外界的影响，货主集装箱运输需求也会波动.本文选取集装箱运输需求量和运价对路径经济性的影响进行分析.

对于除盐系统的二级除盐设备以及除盐系统当中的再生系统阀门、逆止门的严密性要做好定期的检查，确保二级除盐设备出水在线电导率表的准确和可考性、才能对除盐水箱的进水水质合格性进一步的保证。对于除盐水箱，还要在具体的施工以及验收过程当中，对其量进行严格的把关，特别对于涂层验收，要及时的对涂层的厚度、以及强度进行检查。并且对于焊接、搭接以及边缘等地进行电火花检漏处理。要根据水箱的实际密封程度制定储水时间，确保稳定并持续的为机组提供供水补给，保证机组的安全运行。

对比双层爆炸和下层爆炸的温度和超压最高值可以发现，双层爆炸时产生的高温和超压冲击波均稍高于储能舱下层爆炸，未见其呈倍数增加，可见双层爆炸时上层和下层较为独立，且由于泄压孔开启方向均为水平方向，爆炸冲击波在沿泄压孔传递至舱外后主要沿水平方向扩散。

对比下层爆炸和上层爆炸的温度和超压最高值可以发现，由于上层储能舱泄压孔打开后空间更为开阔，泄压降温效果更为显著，导致相比于下层储能舱爆炸，上层储能舱爆炸的高温和超压冲击效果降低，同时可以看到，上层爆炸对相邻储能舱监测点的温度和超压影响较小。

对比氢气是否参与爆炸时的双层储能舱最高温度和超压最高值可以发现，氢气参与爆炸后，最高温度和超压最高值均显著增加，特别是超压值，增幅接近一倍，爆炸产生的破坏性大大提高。在电池模组发生热失控后，如果不能及时采取有效措施，一旦发生爆炸，后果将更加严重。

值得注意的是，由于无法模拟爆炸结束后的温度场分布以及模型中储能舱体具有隔热且不可形变的特性，与实际场景尚有出入，一旦下层储能舱发生起火，势必会对上层储能舱造成极大热传导影响，而上层储能舱起火时对下层影响相对较小。故在设计阶段，应重点考虑下层储能舱的防火防爆需求。

3 结 论

（1）锂离子电池模组热失控后，汽化的碳酸甲乙酯(C

H

O

)、碳酸亚乙酯(C

H

O

)等有机物电解质遇明火后会引起储能舱发生剧烈的燃烧爆炸事故。

（2）双层储能舱爆炸后舱内温度峰值可达2000 K以上，相邻舱体承压可达8.2 kPa，其泄压孔可能被打开，使其内部直接受到高温甚至火焰的影响。

（3）储能舱下层起爆后产生高温烟气易通过电缆通道传播至顶层，导致上层舱内的温度更高；相比于上层爆炸，下层爆炸的危险性更高，需要重点关注。

（4）当电池热失控后期发生爆炸，氢气参与爆炸后，爆炸产生的破坏性显著提高。

（5）由于FLACS 仿真软件的局限性，只能对气体爆炸过程进行分析，但实际事故中气体爆炸将引发多电池模组的热失控，导致电池模组持续燃烧，危险性更大。

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