蓄電池充電區(qū)域氫氣濃度分布規(guī)律研究

王延瞳　許開立　張 輝

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 2.一汽大眾汽車有限公司

蓄電池充電區(qū)域氫氣濃度分布規(guī)律研究

王延瞳1許開立1張 輝2

1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 2.一汽大眾汽車有限公司

工業(yè)生產(chǎn)中用到不同種類的鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池充電場所也不同，但鉛酸蓄電池在開路放置或充電過程中均會由于電解水副反應(yīng)的存在而釋放氫氣，使得充電區(qū)域存在火災(zāi)爆炸危險。通過在不同的鉛酸蓄電池充電場所分別進行氫氣的現(xiàn)場測量，結(jié)合氣體擴散理論，明確了氫氣的濃度分布的機理，進一步分析了不同種類鉛酸蓄電池，不同充電場所以及不同通風條件下氫氣濃度分布的規(guī)律，對充電區(qū)域火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防以及設(shè)計具有重要意義。

鉛酸蓄電池充電區(qū)域；氫氣；濃度分布

鉛酸蓄電池按照其用途可以分為牽引用鉛酸蓄電池；啟動用鉛酸蓄電池；固定型鉛酸蓄電池。按照其工藝分又分為閥控式免維護防酸式鉛酸蓄電池，電池充電過程中會有電解水副反應(yīng)發(fā)生，釋放出氫氣，氫氣在充電區(qū)域中擴散，一旦濃度達到火災(zāi)爆炸極限范圍內(nèi)，遇到點火源就會發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。曹哲明確了鉛酸蓄電池充電過程中的氫氣釋放量變化規(guī)律[1]。袁慶芳研究了潛艇蓄電池艙內(nèi)產(chǎn)生氫氣量和酸霧量，并提出了相應(yīng)的整改建議[2]。李發(fā)榮研究了鉛酸蓄電池室的燃爆事故，明確了存在火災(zāi)爆炸的危險性，找到了導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件，提出了相應(yīng)的整改措施[3]。盧新湘、王健分析了蓄電池發(fā)生爆炸的原因，提出了預(yù)防蓄電池發(fā)生爆炸的措施[4-5]。

氫氣在空氣中的可燃極限濃度范圍為4%～75%，體積濃度為30%的氫氣在空氣中的最小點火能為0.019mJ。[6]

以往的文獻大多研究蓄電池充電過程中氫氣如何釋放，如何預(yù)防充電間發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，對于充電間內(nèi)氫氣濃度的分布規(guī)律并沒有研究。DLT5120中要求防酸式鉛酸蓄電池充電場所電器設(shè)備應(yīng)該防爆，GB 50058對于蓄電池充電場所根據(jù)具體情況選擇是否劃分為危險區(qū)域，現(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)蓄電池充電場所有的采取了防爆措施，有的并沒有進行防爆處理。選取幾類場所進行充電過程中氫氣濃度測量，分析氫氣在區(qū)域內(nèi)擴散的機理，明確不同種類鉛酸蓄電池氫氣釋放量的區(qū)別，氫氣分布的特點，通風系統(tǒng)對氫氣濃度分布的影響等。指出氫氣在區(qū)域內(nèi)的分布并不分層，上部濃度大于下部。對于充電區(qū)域的設(shè)計具有重要現(xiàn)實意義。

1 現(xiàn)場實驗

選定三個企業(yè)的四個不同形式的充電區(qū)域進行測試。A企業(yè)為物流企業(yè)，B企業(yè)為汽車制造企業(yè)，C企業(yè)為食品加工企業(yè)。A、B、C企業(yè)充電區(qū)域尺寸、通風形式和區(qū)域類型，見表1。三個企業(yè)需要牽引用鉛酸蓄電池作為叉車的動力源，另外還對B企業(yè)的變電所充電間進行了現(xiàn)場測試。四個充電區(qū)域的電池容量及數(shù)目，見表2-5。

表1　ABC企業(yè)蓄電池充電區(qū)域概況

表2　A企業(yè)叉車用蓄電池容量及數(shù)目

表3　B企業(yè)叉車用蓄電池容量及數(shù)目

表4　B企業(yè)變電所蓄電池容量及數(shù)目

表5　C企業(yè)叉車用蓄電池容量及數(shù)目

1.1實驗儀器

使用株洲市拓達電子有限公司電化學(xué)式氫氣濃度變送器和記錄主機。變送器的型號為S10-H2-A，最大量程分別為500ppm、2000ppm和10000ppm。記錄主機型號為TX2100-04。每5s記錄一個數(shù)據(jù)，24小時為一周期。

1.2實驗方法

變送器按照量程由小到大，在鉛垂方向依次向上布置。布置形式，見表6所示（高度為距離地面的距離，單位m）。

表6　氫氣濃度變送器布置位置

對一些氫氣易于發(fā)生積聚的重點區(qū)域，如充電間房頂角落、蓄電池放置架凹槽處等部位進行了測量。

2 結(jié)果與討論

2.1區(qū)域整體氫氣濃度分布

A企業(yè)充電間、B企業(yè)變電所和C企業(yè)充電間為封閉式充電間，B企業(yè)充電區(qū)域為開放式充電區(qū)域。通風方式，見表1。

A企業(yè)使用防酸式鉛酸蓄電池，總?cè)萘繛?3750Ah。充電間24小時氫氣濃度分布如圖1所示，采用軸流風機，風機工作35min停止15min。氫氣濃度分布較為規(guī)律，呈現(xiàn)出三個波峰，不同高度的波峰出現(xiàn)時間相同。最大值出現(xiàn)在凌晨或深夜，遠低于氫氣的爆炸下限。地面、中部以及頂部氫氣濃度最大值分別為496ppm、582ppm、943ppm。

圖1　A企業(yè)蓄電池充電間24h氫氣濃度分布

在風機正常工作的情況下，區(qū)域內(nèi)氫氣濃度含量不會達到爆炸下限。不同高度處氫氣的濃度，呈現(xiàn)出同時增加和減少的態(tài)勢，且隨著垂直高度的增加濃度值也越大。結(jié)合生產(chǎn)實際，該時間段內(nèi)有大量的電池處于充電階段的末期，釋放氫氣量達到最大，故可以看到圖1中波峰在凌晨和深夜出現(xiàn)峰值，雖然遠小于氫氣爆炸下限40000ppm，此時應(yīng)加強區(qū)域通風。

B企業(yè)充電區(qū)域內(nèi)使用防酸式鉛酸蓄電池，總?cè)萘繛?9200Ah。蓄電池充電區(qū)域氫氣濃度分布，如圖2。該區(qū)域?qū)儆陂_放式充電場所，通風依靠壁掛扇和天窗。

圖2　B企業(yè)蓄電池充電區(qū)域24h氫氣濃度分布

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，氫氣濃度分布無明顯的波峰波谷，這是因為區(qū)域內(nèi)充電蓄電池數(shù)量較多，隨時都有大量的蓄電池進行充電，氫氣釋放量在一天內(nèi)較為均勻。不同高度處氫氣的濃度變化趨勢一致，隨著高度的增加而增加。地面處、中部以及頂部氫氣濃度最大值分別為185ppm、285ppm、311ppm。

開放式充電區(qū)域內(nèi)，氫氣濃度遠低于爆炸下限40000ppm，保證壁掛扇和天窗的正常開啟即可防止此類場所發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

B企業(yè)的變電所充電間內(nèi)使用的是閥控式免維護鉛酸蓄電池，總?cè)萘繛?62000Ah。氫氣產(chǎn)生量較少，蓄電池一直處于充電和放電的平衡狀態(tài)，軸流風機進行通風，氫氣濃度分布，如圖3。

圖3　B企業(yè)變電所充電間24h氫氣濃度分布

從圖3中可以看出，區(qū)域內(nèi)氫氣濃度分布較為均勻，這與氫氣一直釋放而且通風系統(tǒng)穩(wěn)定工作有關(guān)系。氫氣濃度隨著垂直高度的增加而略有增大，充電間地面處、中部以及頂部氫氣濃度最大值分別為54ppm、50ppm、91ppm。最大值遠低于氫氣的爆炸下限40000ppm。故此類場所在通風系統(tǒng)正常工作的情況下是安全的。

圖4是將變電所內(nèi)的通風系統(tǒng)關(guān)閉3h。區(qū)域內(nèi)氫氣濃度呈現(xiàn)出增加的趨勢，不同垂直高度處的氫氣濃度變化趨勢一致，同時增加或減少。通風系統(tǒng)不工作可以導(dǎo)致此類場所氫氣積聚，如不及時處理，可以引起火災(zāi)爆炸事故。

C企業(yè)使用防酸式鉛酸蓄電池，總?cè)萘繛?550Ah，采用無動力風機進行通風，區(qū)域內(nèi)氫氣濃度分布規(guī)律如圖5所示。相比使用軸流風機的充電區(qū)域氫氣濃度較高，氫氣濃度隨著垂直高度的增加而增大，地面、中部以及頂部濃度最大值分別為991ppm、2000ppm、4144ppm，小于氫氣的爆炸下限40000ppm。氫氣的濃度波動和垂直分布規(guī)律與其他區(qū)域相同。

2.2區(qū)域內(nèi)重點部位氫氣濃度分布

用最大量程為10000ppm的氫氣濃度變送器測量一些重點部位，選擇房間頂部墻角、雙層蓄電池架中間凹陷處，這些位置處于通風系統(tǒng)和自然通風無法直接作用的區(qū)域，所以危險。

圖4　B企業(yè)變電所充電間排風關(guān)閉氫氣濃度分布

圖5　C企業(yè)變電所充電間24h氫氣濃度分布

在C企業(yè)蓄電池充電間選擇了8個測量點房間頂部四個角落測得的濃度最大值分別為5158ppm、5932ppm、4987ppm和5006ppm；充電架中部凹陷處所測得最大值分別為5158ppm、3564ppm、4125ppm和4345ppm。

雖然這些區(qū)域氫氣濃度達不到爆炸下限，但是相對于同一垂直高度處的氫氣濃度較高，應(yīng)采取必要的補充通風措施。

3 氫氣擴散機理及影響因素分析

蓄電池的充電末期，氫氣釋放量達到最大。氫氣在充電區(qū)域內(nèi)的擴散過程與其性質(zhì)、區(qū)域中的氣流組織形式有關(guān)。

氫氣擴散速度隨風速、溫度的增大而增大，隨濕度、大氣壓力增大而減小。氫氣的擴散作用對于空間內(nèi)氫氣濃度的影響程度要遠遠小于氣流的影響，故可以忽略。

氫氣擴散受氣流組織的影響，體現(xiàn)在氣流的平流輸運作用和湍流擴散作用。氫氣首先沿著區(qū)域內(nèi)的主流風向流動，然后再向各個方向擴散。主流風向與通風系統(tǒng)布置有關(guān)，氫氣分子沿著主流風向進行整體的遷移。主流風向上的湍流擴散作用可以忽略，湍流擴散主要作用在與主流風向相垂直的面上。充電區(qū)域內(nèi)的氣流組織均為湍流，區(qū)域內(nèi)不可控制的人流和物流等因素也加劇了流場的湍流程度。這是實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)高頻脈動的原因。

極少數(shù)的充電場所可以按照DL/T 5044-2004的要求，將充電區(qū)域的溫度保持在15～30℃，大部分的蓄電池充電區(qū)域的溫度與室外溫度相近。溫度對于氫氣的分子擴散作用影響較為明顯。

區(qū)域內(nèi)通風形式對于氫氣擴散有顯著影響。通風的風量、通風口的位置及布置形式、風機的工作時間、區(qū)域內(nèi)門窗是否開啟等因素可以直接影響區(qū)域內(nèi)的氣流組織，區(qū)域內(nèi)人流車流也可以影響流場。

以上的因素均可以影響區(qū)域內(nèi)的氣流組織，從而影響氫氣在三維空間內(nèi)的分布。

4 結(jié)論

通過對蓄電池充電區(qū)域氫氣濃度分布的現(xiàn)場測量，分析實驗數(shù)據(jù)和氫氣擴散機理，可以得出以下結(jié)論：

（1）充電區(qū)域可以分為開放式和封閉式，區(qū)域內(nèi)的通風系統(tǒng)存在多種類型。

（2）垂直方向上均有氫氣存在，氫氣濃度隨著高度的增加而增大。

（3）垂直方向上的濃度變化趨勢相同，不同高度處濃度呈現(xiàn)出同時增加或減少的變化趨勢。

（4）通風系統(tǒng)正常工作可以保證區(qū)域內(nèi)不發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

（5）區(qū)域內(nèi)的一些重點部位氫氣濃度較高應(yīng)加強此類區(qū)域的管理。

[1] 曹喆,張洪彬,韋桂歡.潛艇蓄電池充放電過程釋放氫氣規(guī)律研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,6(30):301-303

[2] 原慶芳,劉建斌,黃宏勝,等.潛艇蓄電池艙有害氣體超標問題探討[J].機械管理開發(fā),2013,131(1):10-11

[3] 李發(fā)榮.鉛酸蓄電池室燃爆事故分析及安全對策[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2004,8(14):79-81

[4] 盧新湘,康風.電站蓄電池發(fā)生爆炸的原因分析及其預(yù)防措施[J].移動電源與車輛,2007,(2):34-35

[5] 王健,馮長征.鉛酸蓄電池爆炸原因分析及其預(yù)防[J].內(nèi)燃機,1999,(6):38

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