基于PyroSim的仓储锂离子电池火灾数值模拟研究.pdf

工业安全与环保18Industrial Safety and Environmental Protection2023年第49 卷第8 期August 2023基于PyroSim的仓储锂离子电池火灾数值模拟研究谢瑞卿吴洁?郭艾雯邢志祥（常州大学环境与安全工程学院，江苏常州2 1 31 6 4）摘要采用PyroSim软件模拟仓储锂离子电池热失控引起的火灾场景，分析了火灾点火源周围的温度变化、热释放速率、能见度变化和CO体积分数变化情况，并设置喷淋系统对其进行灭火效果的数值模拟研究。结果表明：仓储锂离子电池发生火灾后，在35 s时烟气蔓延至整个仓库，火场的最高温度可达1 6 2 5，热释放速率最高可达8 1 6 0 7 kW/s，C O 体积分数最大可达1.7 9 9 1 0。设置喷淋装置灭火后，锂离子电池燃烧所产生的烟气明显减少，点火源周围的温度也得到了控制，热释放速率最高为6.5 kW/s，达到灭火和防止火灾蔓延的目的，有效地抑制锂离子电池储存仓库火灾的发生。关键词仓储锂离子电池火灾模型数值模拟Numerical simulation analysis of storage lithium ion battery fire based on PyroSimXIE RuiqingWU Jie GUO Aiwen XING Zhixiang(School of Environmental and Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou Jiangsu 213164,China)Abstract In this study,PyroSim software was used to simulate the fire scene caused by thermal runaway of storagelithium ion battery.The temperature change,heat release rate,visibility change and CO concentration change aroundthe fire ignition source were analyzed,and the sprinkler system was set to conduct numerical simulation study on itsfire extinguishing effect.The results show that the smoke spreads to the whole warehouse at 35 s after the fire of storagelithium ion battery.The highest temperature ofthe fire can reach 1 625C,the highest heat release rate can reach 81 607 kW/s,and the maximum CO concentration can reach 1.799x10.After setting sprinklers to extinguish the fire,the smoke pro-duced by burning lithium-ion batteries was significantly reduced,the temperature around the ignition source was con-trolled,and the maximum heat release rate was 6.5 kW/s,which achieved the purpose of extinguishing the fire and pre-venting the spread of fire,and effectively suppressed the occurrence of lithium-ion battery storage warehouse fire.Key words warehousing lithium ion battery fire model numerical simulation0引言随着锂离子电池行业的飞速发展，各类电子产品对锂离子电池的要求不断提高，锂离子电池由于自身众多优良性能在各类电子产品中得到广泛应用，并逐步向其他各领域发展。与此同时，锂离子电池由于能量高、密度大可能导致热失控，进而诱发火灾事故,这成为锂离子电池发展达到瓶颈的主要因素之一。据不完全统计，大多数锂离子电池储存仓库发生火灾爆炸事故都是由于锂离子电池发生热失控所引发的2-3。2 0 1 7 年1 1 月30 日，武汉电池厂火灾事故导致仓库过火面积达2 0 0 m，这起事故虽未造成人员伤亡，但锂离子电池火灾事故控制难度较大，一旦发生锂离子电池爆炸将严重危害公共安全，影响恶劣。*基金项目：应急管理部消防救援局科技计划项目（2 0 2 0 XFCX33)；工业与信息化部化学原料药环保安全技术服务平台项目(2020-0107-3-1)。目前锂离子电池的研究主要集中在电池新材料与新技术开发方面，锂离子电池火灾仿真模拟也是当前安全学者关注的研究热点之一。很多国内外学者通过PyroSim软件对锂离子电池火灾进行了模拟研究。杜江龙等4从微观建模、单电池建模以及电池组建模3个尺度对锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。王英舜等5 用PyroSim软件建立新能源汽车锂离子动力电池模型，模拟测试新能源汽车锂动力电池散热特性。刘业风等6】以21700型锂离子电池为研究对象，模拟研究其在不同环境、不同放电倍率以及不同热管长度的散热性能。国外方面，DAIM等7 详细研究了锂离子电池内部放电状态下的关键电气性能分布，并提出延长电池使用时间的一种结构。TANGS等8 基于COM-19SOL构建了锂离子电池的三维电化学模型，研究了左边第2 排货架的右下角设置1 个加热装置，模拟电极的电化学分布特性及其演化规律。LYUHC等9 开始时对锂离子电池组加热，使锂离子电池受热发采用数值模拟方法研究了不同脉冲电流充放电对电生热失控，周围电池组温度随着受热锂离子电池温池容量衰减的影响，为锂离子电池的快速充放电策度升高而升高，从而相继发生热失控。略提供理论支持。表1 网格参数设置本次研究主要是采用PyroSim软件构建锂离子轴电池储存仓库火灾模型，运用FDS对其构建的模型X计算模拟，记录火灾模拟过程中点火源周围的温度Y变化、热释放速率、能见度变化和CO浓度变化情况Z以及设置喷淋装置后的灭火效果，对仓库中锂离子在原有建立的锂离子电池仓库物理模型基础上，电池火灾的事故防控与应急救援意义较大，对锂离在点火源货架前后两侧上方Z=3.5m位置设置2 个子电池的安全储存具有非常重要的理论和实践意义，喷淋装置，当喷淋装置感应温度达到6 0 时开始自为仓储锂离子电池火灾的提前预防和火灾事故的应动喷淋。喷淋颗粒粒径大小为1 0 0 m，喷淋压力为急处理提供重要科学参考。8MPa，默认情况下喷淋呈锥形分布，喷射内角度为1模型构建30,喷射外角度为8 0 1 2 。该仓库的几何模型见图2。采用PyroSim软件构建锂离子电池储存仓库物理模型，随后用FDS软件模拟运算，Smokeview仿真软件得出结果并分析，得到的模拟结果为锂离子电池储存仓库发生火灾时的应急救援提供数据支撑，火灾模拟流程1 0 如图1 所示。PyroSim软件建立模型创建障碍物创建通风口创建火源创建探测设备设定反应与材料设定模拟参数FDS软件健立模型运算Smokeview仿真软件创建火源图1 PyroSim软件火灾模拟流程1.1建立几何模型参考实际仓库情况，本研究构建一个锂离子电池储存仓库的几何模型，模型总体三维框架为2 0m10m5m，单位网格尺寸为0.40.40.4，网格总数为1 8 7 5 0。具体网格参数设置见表1。仓库内存放1 6 0 箱锂离子电池，分别存放于8 个货架，货架长5 m、宽0.8 m、高2.9 m；相邻2 个货架在X轴方向间隔2 m,Y轴方向间隔1.2 m。货架上摆放的箱装锂离子电池长0.7 m、宽0.6 m、高0.4m。起点000喷淋装置O创建网格点火源图2 锂离子电池仓库的几何模型创建表面1.2设定材料特性参数在PyroSim软件的建模过程中,材料设置的参数直接关系到软件的模拟结果，因此，材料参数的设置必须与真实情况相近。锂离子电池主要由正负极、电解液和隔膜组成，为简化模拟过程，将正极、负极、电解液和隔膜分别定义1 31,具体热物理参数设置见表2。表2 锂离子电池模型热物理参数参数正极负极电解液隔膜密度p/kgm)2.70085002 600比热容C,/(JkgK)900导热率k/(WmlK-)160热吸收系数0.81.3火灾模拟初始条件的设定由于锂离子电池火灾受环境影响因素较多，因此在进行锂离子电池储存仓库火灾模拟时，根据仓库的实际情况对模拟初始条件的设定如下：1)环境初始温度：2 0。2)环境初始相对湿度：40%。3)环境大气压力：1 0 1 32 5 Pa。4)风速:0 m/s。5)火灾模拟时间：1 0 0 s。6)货架材质：绝热材料，不传热。终点201063851460.8网格数5025154921 1001978210.3340.90.820.2数值模拟结果通过PyroSim建立锂离子电池储存仓库模型，对FDS火灾场景在Pyrosim软件下针对2 种场景进行仿真，场景1 仿真是在没有喷淋系统的条件下，场景2 仿真是在喷淋系统正常工作的条件下。仿真模拟运行得到2 种不同的火源热释放速率变化情况、温度变化情况和烟气浓度变化情况等,后期通过Smokeview软件处理后形成可视化窗口，可以很清晰地观察火灾发展的全动态过程。2.1温度变化情况从模拟结果可以看出，锂离子电池仓库点火源所处位置温度最高。为研究两种场景下仓库火灾烟气温度的变化情况，在仓库X=1.6m、Y=3.4m 沿Z轴方向间隔0.7 m均匀布置4个热电偶，分别监测2 个场景测点温度随着时间的变化，测点温度变化曲线见图3。1800r160014001200F1000度800600400200002040 6080100时间/s(a)Z=0.5 m-15791600140012001000800盟60040020000140012001000F8006004002000014081400F1200100080060040020000图3测点温度变化曲线从图3可以看出，场景1 测点温度从室温逐步上升至1 2 0,6 s到2 6 s之间,温度在1 2 0 上下波动，随后几秒内温度呈断崖式上升至峰值，并且温度的峰值随高度的增加而降低；随着锂离子电池火灾的发展和蔓延，周围锂离子电池受热辐射的影响相继发生热失控，导致温度曲线出现多个峰值，最后温度随火焰的衰弱而下降。场景2 测点温度在加热一场景1装置的作用下从室温逐步上升至1 2 0，随后在喷一一场景2淋系统正常工作下，锂离子电池火灾得到有效的抑1625制，在火焰还未形成前便将温度控制在锂离子电池着火点以下。与未设置喷淋装置时相比，设置喷淋装置后，点火源周围温度最高上升至1 5 0 达到峰值，随后在喷淋装置的正常工作下迅速降温，最后稳定在室温2 0；而未设置喷淋装置模拟火灾温度结果中，点火源周围温度最高达到1 6 2 5。由此可见，整个灭火过程喷淋装置喷出的细水雾吸收了火场内的大量热量并有效地避免火灾的发生。2.2火源热释放速率情况一场景1从图4可以看出，场景1 在2 0 s时火灾处于初一一场景2起阶段，此时火灾的热释放速率开始上升，由于仓库内锂离子电池燃烧迅速，同时空气中的氧气为火势快速发展提供了物质基础，因此火灾的热释放速率增长迅速，并在1 0 s内达到8 1 6 0 7 kW/s的峰值；戚瀚鹏等1 4 也通过数值模拟与实际进行分析，证实了20406080100时间/s(b)Z=1.2 m 1460一场景1一一场景220406080100时间/s(c)Z=1.9 m20(d)Z=2.6 m 火源附近可燃物越多，火灾的热释放速率上升越快。随着火源处锂离子电池燃烧尽，热释放速率迅速下降；当喷淋系统达到设定触发温度条件，锂离子电池火灾得到了减缓，所以场景2 中热释放速率在还远未到达场景1 的峰值时便开始下降，火灾也逐渐熄灭。2.3能见度变化情况为研究2 个场景火灾烟气能见度变化情况，在仓库内Z=1.6m、Y=3.4m 沿X方向间隔1 m均匀布置了1 9 个烟气能见度传感器探测点，烟气能见度变化见图5。406080100时间/s21800003025(.SM)/率单兴祥600004000020000007(.SM)/率X禁洋65432100图4火源热释放速率曲线302520U/1510500246 810 12 14 16 18 20X方向位置/m(a)t-20 s3025U/2015105002468101214161820X方向位置/m(b)t-24 s一场景1一场景2U/2015105M2040时间/s(a)场景 12040时间/s(b)场景 2一场景场景2一场景1一场景260608010080100002468.10 12 144.16 18 20X方向位置/m(c)t-28 s3025/201510500246810 12 14 16 18 20X方向位置/m(d)t-32 s图5 仓库不同测点烟气能见度从图5 可以看出，场景1 火灾发生后，火源周围开始产生烟气，随着火灾的迅速发展，烟气向四周蔓延，烟气能见度迅速降低。此外锂离子电池火灾发生2 8 s时，周围电池受火源温度的热辐射影响也相继燃烧，燃烧产生的火焰导致能见度变大。由于仓库的构建模型是一个密闭空间，所以随着火灾的发展，在35 s时烟气已弥漫整个仓库，此时仓库内能见度几乎已趋近于0，对仓内工作人员的生命安全造成严重威胁。而场景2 中，在喷淋装置感应温度达到6 0 开始工作，在锂离子电池火灾还未发生前便抑制了锂离子电池的燃烧，在整个模拟过程中只产生少量烟气，对仓库能见度的影响忽略不计，因此在整个模拟过程中烟气能见度一直保持为30 m。2.4CO浓度变化情况为研究两个场景CO浓度变化情况，在仓库内Z=1.6m、Y=3.4m 沿X方向间隔1 m均匀布置了1 9个CO浓度探测点，CO浓度变化见图6。一场景1场景222250m200F15010050002468101214161820X方向位置/m(a)20 s140012001000800600F400200002?6810 12 14 16 18 20X方向位置/m(b)40 s1200r场景1一场景21000800600400F20000246810 12 14 16 18 20X方向位置/m(c)60 s12001000800600400200002 46 8 i0 i2 i4 16 1820X方向位置/m(d)80 s18001600场景11400场景2212001080060040020000246810 12 1416 1820X方向位置/m(e)100 s图6 仓库不同测点CO体积分数从图6 可以看出，场景1 锂离子电池在2 0 s火一场景1灾处于初起阶段，火源周围开始产生大量CO气体；场景2火灾发生至40 s时，由于CO是可燃物，在火势的迅速发展和蔓延下，火源周围CO浓度有所降低，而仓库两侧CO浓度迅速升高，刘钟薇1 5 通过FDS软件模拟也证实了火灾蔓延时，CO浓度最高处不在火源上方而在两侧，并解释了这是一种烟气蔓延的水跃现象。6 0 s到8 0 s之间，仓库内测点CO浓度依旧增高，但增高速率相比燃烧发展阶段较为平缓；随着时间的推移，由于模型设置为密闭空间，燃烧所需要的氧气已基本耗尽，火灾处于下降和熄灭阶段，此时火源周围火焰熄灭，CO气体由于回流影响大量向火源附近聚集，导致在1 0 0 s时，靠近火源处的CO体积分数迅速增高至1.7 9 9 1 0 3，而距离火源较远处CO体积分数降低。场景2 中，由于喷淋装置的影响，抑制了锂离子电池火灾，因此在整个模拟过程中仓库内各监测点CO浓度趋近于0。3结论本文运用PyroSim软件对仓储锂离子电池的平方仓进行火灾场景模拟，分析了火灾点火源周围的温场景1场景2场景1一场景2度变化、热释放速率、能见度变化和CO浓度变化情况，并设置喷淋装置对其进行灭火模拟研究，并与未设置喷淋装置时进行对比，得出的结论如下：1)仓储锂离子电池一旦发生火灾，燃烧速度快，火焰强度大，火灾发展蔓延较快，温度迅速上升并释放出大量CO气体，火灾危险性极高。232)设置喷淋装置对仓储锂离子电池火灾进行灭J.Advanced Theory and Simulations,2018,27(1):107-火模拟，通过喷淋装置的运行，在火灾未发生前迅速122.8 TANG S,LIU Y,LI L,et al.Electrochemical behavior将锂离子电池温度降低在着火点以下，起到抑制锂simulation of high specific energy power lithium-ion bat-离子电池火灾的效果。teries based on numerical modelJ.Ionics,2020,26(11):3）由于喷淋装置的灭火效率受其粒径大小、喷5513-5523.雾流量、添加剂等自身因素影响，因此在今后喷淋灭9LYU H C,HUANG X K,LIU Y Z.Analysis on pulse char-火系统的研究中将从这几个方面模拟对比，找出喷ging-discharging strategies for improving capacity reten-tion rates of lithium-ion batteriesJ.Ionics,2020,26(11):淋的最优参数设置。1749-1770.参考文献10潘霄，国蓉.基于Pyrosim对天然气管道泄漏火灾后果1梅文昕，段强领，王青山，等.大型磷酸铁锂电池高温热失的模拟研究J.自动化与仪器仪表，2 0 2 1(2)：1 7-2 0.控模拟研究J.储能科学与技术，2 0 2 1，1 0（1)：2 0 2-2 0 9.11荣路清.1 8 6 5 0 型锂离子电池仓库储存安全性研究D.2崔志仙，王青松，孙金华.锂枝晶导致的锂离子电池内短合肥：中国科学技术大学，2 0 2 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Industries,2013,26(6):1530-1541.1514J938,抗爆、泄爆门窗及屋盖、墙体建筑构造S.作者简介阎卫东，教授，博士生导师，从事建筑工程安全管理、公共安全保障技术和结构抗火研究。通信作者李畅，博士，副教授，主要从事工业粉尘爆炸防护理论与技术等方面的研究。E-mail:。(收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 9)