基于性能的POWER-SONIC蓄电池储能系统(BESS)防爆设计CFD分析
2026-06-26 20:49:17 点击： 次
本研讨评价了电池储能体系（BESS）单元的三种防爆规划，作为危害缓解剖析（HMA）的组成部分。该评价依据NFPA 855中关于防爆的要求进行，《固定式储能体系设备规范》（Energy Storage Systems）该BESS单元为基于锂离子技能的固定式储能体系，标称内部尺度为3.1米（长）×2.1米（宽）×2.4米（高），自在空气体积为6.1立方米。该设备由四个机架组成，每个机架包含八个模块。研讨选用EVE和CATL两款商用电池进行比照剖析，以提醒不同电芯资料组分对爆破压力与火焰传达特性的影响差异。火焰传达3数值模拟选用Gexcon公司开发的FLACS（火焰加速模拟器）核算流体力学(CFD)软件完结。computational fluid dynamics (CFD) tool developed by Gexcon.
导言
在全球规模内，可再生动力因寻求动力功率和降低温室气体排放而取得显著关注。虽然风能、太阳能和核能数十年来一直是这一评论的中心，但电池储能体系（BESS）在电力生产存储、削峰填谷、微电网和电网负荷平衡中的效果日益重要。储能体系对减少电力减少和提升电网稳定性具有至关重要的效果。经过在电力需求低谷时段贮存过剩能量，并在用电顶峰或断电期间开释能量，储能体系有助于平衡供需关系，从而减少切负荷的需求。这不只提高了电力供应的牢靠性，还最大极限地降低了由供电中止引发的相关本钱与不方便。此外，储能体系促进间歇性可再生动力并网，为构建更牢靠、更具韧性的动力基础设备供给支撑。这些体系在推动电动汽车开展方面相同发挥着关键效果，其经过完成车辆电池的高效充放电，有用缓解用电顶峰时段对电网的冲击。
关于锂离子电池技能的关键方面，已有诸多研讨发表于不同范畴和职业，包含从规划、操控、牢靠性、能量功能到该技能的经济性与气候变化剖析。这些研讨包含Sparacino等[1]、Morstyn等[2]、Kim等[3]、Wang等[4]、Avendano-Mora与Camm[5]、Padmanabhan与Bhattacharya[6]、Sorourifar与Dowling[7]、Rotella等[8]、Shen等[9]、El-Batawy与Morsi[10]、Mehmood等[11]、Faessler[12]、Larcher与Tarascon[13]、Ahmadi等[14]、Strietman[15]以及Dolganova等[16]的成果。但是，针对电池储能体系（BESS）中因模块或单体电池故障导致燃料费积累而引发火灾与爆破的防备和缓解办法，体系性研讨相对有限；例如Baird等[17]、Zalosh等[18]、Shi等[19]、Conzen等[20]以及Kapahi等[21]的研讨。
虽然锂离子储能体系前景广阔，但其安全运转和运用仍面对诸多挑战。例如，全球多地已报导多起锂电池火灾、爆破及有毒气体走漏事故。因而，开展研讨评价电池储能体系（BESS）设备与运转过程中的危险管控有用技能至关重要。针对BESS单元的危险一般经过危害缓解剖析（HMA）进行处理，该办法可有用识别危险缺口并制定相应的操控办法。HMA或许考虑的防控手法包含防爆保护、火灾按捺或规划改进等。本研讨作为BESS单元大型HMA研讨的一部分，旨在经过有用的规划见地提升该体系的安全运转水平。本作业提出的防爆规划方案并非电池储能体系（BESS）在危险资料区域（HMA）中一般考虑的爆破与防火保护体系的全部内容。
热失控仍然是电池储能体系安全运用面对的关键挑战。在热失控过程中，电池单体产热速率超越其安全散热能力，导致热能忽然向周围环境开释。该现象或许由多种要素引发，包含制造缺陷、乱用（机械乱用、热乱用和电乱用）以及体系循环充放电[22]。热失控一旦触发，会开释出由H2、CO、CO2以及其他易燃碳氢化合物，会在设备内部并或许向外部环境开释。若设备内部可燃气体浓度到达混合气体的爆破极限规模，且存在牢靠点火源，则或许导致爆燃现象。
NFPA 855规范固定式储能体系设备规范该规范包含了一切储能体系（尤其是锂离子电池储能）的规范性要求[23]。与可追溯至数十年前的部分NFPA规范不同，NFPA 855的首版于2020年发布，部分是为呼应美国动力部与消防研讨基金会专题研讨会上发现的法规空白[23]。该规范对火灾勘探与按捺、爆破操控、排烟通风、火灾爆破测验、气体检测及热失控等方面提出了详细要求。电池储能体系（BESS）的设备必须装备契合NFPA 68规范的防爆体系，该体系需依照该规范进行规划、设备、运转和保护，防爆泄压规范或NFPA 69，爆破防备体系规范可燃物浓度稀释是NFPA 69规范中论述的防爆办法之一，而爆燃泄压则是NFPA 68规范涉及的爆破操控技能。可燃物浓度稀释旨在保证易燃燃料费浓度保持在不高于其爆破下限（LFL）25%的水平。当选用燃料费体检测激活可燃物浓度稀释办法时，BESS单元应配备契合NFPA 855要求的经认证接连燃料费体检测体系。
本研讨重点评价了电池储能体系（BESS）单元的三种爆破防护概念规划方案。所考察的三种规划分别为：自然通风法、可燃物浓度降低法以及规范爆燃泄压法。详细办法细节详见第3.4节。
核算流体力学(CFD)在规划爆破防护体系中的使用正日益受到过程安全职业的注重([24]和[25])。本研讨选用Gexcon公司开发的FLACS(火焰加速模拟器)CFD工具。FLACS最初是为预测海上油气生产渠道的燃料费走漏分散及后续爆破而开发，但其能力现已扩展至其他工业范畴。质量、动量和焓的守恒方程，以及可燃物浓度与火焰传达方程，均选用有限体积法在笛卡尔网格上进行求解。这些方程经过k-ε模型湍流方程。使用并扩展了SIMPLE压力校正办法，针对可压缩流动在焓方程中引进压缩功源项进行处理。