蓄电池充电区域氢气浓度分布规律研究

2016-11-23王延瞳许开立

安全 2016年10期

关键词：酸蓄电池变电所氢气

王延瞳　许开立　张辉

1.东北大学资源与土木工程学院 2.一汽大众汽车有限公司

蓄电池充电区域氢气浓度分布规律研究

王延瞳1许开立1张辉2

1.东北大学资源与土木工程学院 2.一汽大众汽车有限公司

工业生产中用到不同种类的铅酸蓄电池，铅酸蓄电池充电场所也不同，但铅酸蓄电池在开路放置或充电过程中均会由于电解水副反应的存在而释放氢气，使得充电区域存在火灾爆炸危险。通过在不同的铅酸蓄电池充电场所分别进行氢气的现场测量，结合气体扩散理论，明确了氢气的浓度分布的机理，进一步分析了不同种类铅酸蓄电池，不同充电场所以及不同通风条件下氢气浓度分布的规律，对充电区域火灾爆炸事故的预防以及设计具有重要意义。

铅酸蓄电池充电区域；氢气；浓度分布

铅酸蓄电池按照其用途可以分为牵引用铅酸蓄电池；启动用铅酸蓄电池；固定型铅酸蓄电池。按照其工艺分又分为阀控式免维护防酸式铅酸蓄电池，电池充电过程中会有电解水副反应发生，释放出氢气，氢气在充电区域中扩散，一旦浓度达到火灾爆炸极限范围内，遇到点火源就会发生火灾爆炸事故。曹哲明确了铅酸蓄电池充电过程中的氢气释放量变化规律[1]。袁庆芳研究了潜艇蓄电池舱内产生氢气量和酸雾量，并提出了相应的整改建议[2]。李发荣研究了铅酸蓄电池室的燃爆事故，明确了存在火灾爆炸的危险性，找到了导致事故发生的基本事件，提出了相应的整改措施[3]。卢新湘、王健分析了蓄电池发生爆炸的原因，提出了预防蓄电池发生爆炸的措施[4-5]。

氢气在空气中的可燃极限浓度范围为4%～75%，体积浓度为30%的氢气在空气中的最小点火能为0.019mJ。[6]

以往的文献大多研究蓄电池充电过程中氢气如何释放，如何预防充电间发生火灾爆炸事故，对于充电间内氢气浓度的分布规律并没有研究。DLT5120中要求防酸式铅酸蓄电池充电场所电器设备应该防爆，GB 50058对于蓄电池充电场所根据具体情况选择是否划分为危险区域，现场调研中发现蓄电池充电场所有的采取了防爆措施，有的并没有进行防爆处理。选取几类场所进行充电过程中氢气浓度测量，分析氢气在区域内扩散的机理，明确不同种类铅酸蓄电池氢气释放量的区别，氢气分布的特点，通风系统对氢气浓度分布的影响等。指出氢气在区域内的分布并不分层，上部浓度大于下部。对于充电区域的设计具有重要现实意义。

1 现场实验

选定三个企业的四个不同形式的充电区域进行测试。A企业为物流企业，B企业为汽车制造企业，C企业为食品加工企业。A、B、C企业充电区域尺寸、通风形式和区域类型，见表1。三个企业需要牵引用铅酸蓄电池作为叉车的动力源，另外还对B企业的变电所充电间进行了现场测试。四个充电区域的电池容量及数目，见表2-5。

表1　ABC企业蓄电池充电区域概况

表2　A企业叉车用蓄电池容量及数目

表3　B企业叉车用蓄电池容量及数目

表4　B企业变电所蓄电池容量及数目

表5　C企业叉车用蓄电池容量及数目

1.1实验仪器

使用株洲市拓达电子有限公司电化学式氢气浓度变送器和记录主机。变送器的型号为S10-H2-A，最大量程分别为500ppm、2000ppm和10000ppm。记录主机型号为TX2100-04。每5s记录一个数据，24小时为一周期。

1.2实验方法

变送器按照量程由小到大，在铅垂方向依次向上布置。布置形式，见表6所示（高度为距离地面的距离，单位m）。

表6　氢气浓度变送器布置位置

对一些氢气易于发生积聚的重点区域，如充电间房顶角落、蓄电池放置架凹槽处等部位进行了测量。

2 结果与讨论

2.1区域整体氢气浓度分布

A企业充电间、B企业变电所和C企业充电间为封闭式充电间，B企业充电区域为开放式充电区域。通风方式，见表1。

A企业使用防酸式铅酸蓄电池，总容量为13750Ah。充电间24小时氢气浓度分布如图1所示，采用轴流风机，风机工作35min停止15min。氢气浓度分布较为规律，呈现出三个波峰，不同高度的波峰出现时间相同。最大值出现在凌晨或深夜，远低于氢气的爆炸下限。地面、中部以及顶部氢气浓度最大值分别为496ppm、582ppm、943ppm。

图1　A企业蓄电池充电间24h氢气浓度分布

在风机正常工作的情况下，区域内氢气浓度含量不会达到爆炸下限。不同高度处氢气的浓度，呈现出同时增加和减少的态势，且随着垂直高度的增加浓度值也越大。结合生产实际，该时间段内有大量的电池处于充电阶段的末期，释放氢气量达到最大，故可以看到图1中波峰在凌晨和深夜出现峰值，虽然远小于氢气爆炸下限40000ppm，此时应加强区域通风。

B企业充电区域内使用防酸式铅酸蓄电池，总容量为79200Ah。蓄电池充电区域氢气浓度分布，如图2。该区域属于开放式充电场所，通风依靠壁挂扇和天窗。

图2　B企业蓄电池充电区域24h氢气浓度分布

从图2可以发现，氢气浓度分布无明显的波峰波谷，这是因为区域内充电蓄电池数量较多，随时都有大量的蓄电池进行充电，氢气释放量在一天内较为均匀。不同高度处氢气的浓度变化趋势一致，随着高度的增加而增加。地面处、中部以及顶部氢气浓度最大值分别为185ppm、285ppm、311ppm。

开放式充电区域内，氢气浓度远低于爆炸下限40000ppm，保证壁挂扇和天窗的正常开启即可防止此类场所发生火灾爆炸事故。

B企业的变电所充电间内使用的是阀控式免维护铅酸蓄电池，总容量为162000Ah。氢气产生量较少，蓄电池一直处于充电和放电的平衡状态，轴流风机进行通风，氢气浓度分布，如图3。

图3　B企业变电所充电间24h氢气浓度分布

从图3中可以看出，区域内氢气浓度分布较为均匀，这与氢气一直释放而且通风系统稳定工作有关系。氢气浓度随着垂直高度的增加而略有增大，充电间地面处、中部以及顶部氢气浓度最大值分别为54ppm、50ppm、91ppm。最大值远低于氢气的爆炸下限40000ppm。故此类场所在通风系统正常工作的情况下是安全的。

图4是将变电所内的通风系统关闭3h。区域内氢气浓度呈现出增加的趋势，不同垂直高度处的氢气浓度变化趋势一致，同时增加或减少。通风系统不工作可以导致此类场所氢气积聚，如不及时处理，可以引起火灾爆炸事故。

C企业使用防酸式铅酸蓄电池，总容量为7550Ah，采用无动力风机进行通风，区域内氢气浓度分布规律如图5所示。相比使用轴流风机的充电区域氢气浓度较高，氢气浓度随着垂直高度的增加而增大，地面、中部以及顶部浓度最大值分别为991ppm、2000ppm、4144ppm，小于氢气的爆炸下限40000ppm。氢气的浓度波动和垂直分布规律与其他区域相同。

2.2区域内重点部位氢气浓度分布

用最大量程为10000ppm的氢气浓度变送器测量一些重点部位，选择房间顶部墙角、双层蓄电池架中间凹陷处，这些位置处于通风系统和自然通风无法直接作用的区域，所以危险。

图4　B企业变电所充电间排风关闭氢气浓度分布

图5　C企业变电所充电间24h氢气浓度分布

在C企业蓄电池充电间选择了8个测量点房间顶部四个角落测得的浓度最大值分别为5158ppm、5932ppm、4987ppm和5006ppm；充电架中部凹陷处所测得最大值分别为5158ppm、3564ppm、4125ppm和4345ppm。

虽然这些区域氢气浓度达不到爆炸下限，但是相对于同一垂直高度处的氢气浓度较高，应采取必要的补充通风措施。

3 氢气扩散机理及影响因素分析

蓄电池的充电末期，氢气释放量达到最大。氢气在充电区域内的扩散过程与其性质、区域中的气流组织形式有关。

氢气扩散速度随风速、温度的增大而增大，随湿度、大气压力增大而减小。氢气的扩散作用对于空间内氢气浓度的影响程度要远远小于气流的影响，故可以忽略。

氢气扩散受气流组织的影响，体现在气流的平流输运作用和湍流扩散作用。氢气首先沿着区域内的主流风向流动，然后再向各个方向扩散。主流风向与通风系统布置有关，氢气分子沿着主流风向进行整体的迁移。主流风向上的湍流扩散作用可以忽略，湍流扩散主要作用在与主流风向相垂直的面上。充电区域内的气流组织均为湍流，区域内不可控制的人流和物流等因素也加剧了流场的湍流程度。这是实验数据出现高频脉动的原因。

极少数的充电场所可以按照DL/T 5044-2004的要求，将充电区域的温度保持在15～30℃，大部分的蓄电池充电区域的温度与室外温度相近。温度对于氢气的分子扩散作用影响较为明显。

区域内通风形式对于氢气扩散有显著影响。通风的风量、通风口的位置及布置形式、风机的工作时间、区域内门窗是否开启等因素可以直接影响区域内的气流组织，区域内人流车流也可以影响流场。

以上的因素均可以影响区域内的气流组织，从而影响氢气在三维空间内的分布。