Розробка та використання моделей теплового стану і аналіз вогнестійкості кабельних трас енергетичних об’єктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

АВТОРЕФЕРАТ

РОЗРОБКА ТА ВИКОРИСТАННЯ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОВОГО СТАНУ І АНАЛІЗ ВОГНЕСТІЙКОСТІ КАБЕЛЬНИХ ТРАС ЕНЕРГЕТИЧНИХ ОБ'ЄКТІВ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України.

Науковий керівник:

Круковський Павло Григорович, доктор технічних наук, професор, зав. відділом Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України

Офіційні опоненти:

Авраменко Андрій Олександрович доктор технічних наук, зав. відділом Інституту технічної теплофізики Національної академії наук України Новак Сергій Вікторович кандидат технічних наук, заст. директора Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки МНС України

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м. Київ-57, вул. Желябова, 2а.

Автореферат розіслано 06.09.2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н. О.І. Чайка

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Підвищенню пожежної безпеки енергетичних об'єктів, зокрема АЕС, приділяється велика увага в усьому світі. Серйозну небезпеку з погляду виникнення й розповсюдження пожежі в енергетичних об'єктах займають електричні кабельні траси, зокрема кабельні траси систем безпеки реакторних відділень АЕС. Кабельна траса - це сукупність електричних кабелів і металоконструкцій (арматури, короби та ін.), які використовують для їх прокладки та монтажу. Пожежа в реакторному відділенні АЕС загрожує як прямим збитком ,що завдається пожежею обладнанню АЕС, а саме - припиненням виробітку електроенергії, так і потенційною небезпекою виникнення аварійних ситуацій і аварій, подібних до аварії на Чорнобильській АЕС в 1986 р.

Для зниження небезпеки виникнення та впливу пожежі на обладнання енергетичних об'єктів, кабельні траси, як одне з імовірних джерел пожежі, покривають вогнезахисними матеріалами для підвищення їхньої вогнестійкості. Вогнестійкість кабельної траси - це здатність зберігати функціонування кожного з кабелів, розташованих у металевому коробі, в умовах зовнішньої пожежі, а межею вогнестійкості є час від початку вогневого випробування при стандартному температурному режимі до моменту втрати функціонування будь якого з кабелів.

Згідно діючого в Україні нормативного документу по пожежній безпеці кабельних трас “... при прокладці кабелів, що не поширюють горіння, кожен короб повинен бути покритим по зовнішній поверхні вогнезахисним складом, вогнестійкість якого складає 1,5 години”. У керівництвах СНИП III-33-76 і ДСТУ Б В.1.1-4-98 розглядаються питання пожежної безпеки при експлуатації електричних кабелів, прокладання кабелів у коробах, але там відсутні конкретні рекомендації та технічні рішення щодо забезпечення заданої вогнестійкості кабельних трас у гермозонах АЕС.

Згідно пожежних норм, що діють в Україні, випробування на вогнестійкість проводять в умовах так званого стандартного температурного режиму - режим зміни температури в об'ємі вогневої печі в часі, що має експонентний характер і сягає максимального значення температури 1050 єС на 90-й хвилині. Необхідно зазначити, що умови вогневих випробувань, які відповідають кривій стандартного температурного режиму є досить жорсткими стосовно теплового впливу на зразки, що випробовуються, особливо для кабельних трас у реакторному відділенні АЕС, де основним пожежним навантаженням є горюча частина кабельних трас, при вигоранні якої характер (темп) зміни та рівень температур є значно нижчим, - так звані умови реального температурного режиму пожежі (далі реальної пожежі). Оцінку вогнестійкості будь-яких зразків і особливо кабельних трас в умовах реальної пожежі експериментально відтворювати ще більш проблематично.

Альтернативний підхід до аналізу вогнестійкості кабельних трас полягає у використанні розрахункових методів, основаних на моделюванні, як самого джерела пожежі, так і теплового стану кабельних трас, що піддаються нагріву під впливом цього джерела. В останні роки дуже бурхливо розвиваються CFD (Сomputational Fluid Dynamic)-моделі, що опираються на сучасні комп'ютерні технології, новітні математичні моделі процесів переносу, а також ефективні й високоточні чисельні алгоритми. Ці моделі дозволяють прогнозувати поля температур, тиску та швидкостей гарячих газів у кожній точці простору й часу, а також поля температур в обладнанні та конструкціях, вогнестійкість яких аналізується.

Найбільш близької в цій області роботою, де застосовується запропонований підхід - є міжнародний проект під егідою NIST “Розвиток моделей пожежі на АЕС: пожежі кабельних трас” (2002 р.), у якому розглядається тепловий стан кабельної траси в умовах пожежі. Але ці результати не можна застосувати до досліджуваних трас українських АЕС, оскільки в цьому проекті розглянуто: кабельні траси без металевих коробів; кабельні траси перебувають у невеликому приміщенні під стелею й розташовані в горизонтальній площині на значній відстані одна від одної; вигорання кабельної траси моделюється тільки тепловиділенням; у роботі не досліджується вогнестійкість кабельних трас.

Тому з вищесказаного випливає, що актуальною задачею є розробка, верифікація та забезпечення адекватності розрахункових моделей аналізу теплового стану, вогнестійкості, вигорання окремої кабельної траси та моделі теплообміну двох кабельних трас при вигоранні однієї з них (нижньої траси), а також використання цих моделей для вибору оптимальних заходів щодо забезпечення заданої вогнестійкості розглянутих трас.

Зв'язок роботи с науковими програмами, планами, темами. Основні результати роботи отримані при виконанні госпдоговірної теми № 313/03 (820) “Розрахунково-експериментальний аналіз вогнестійкості систем “короб-кабель””, виконаною ІТТФ НАНУ для енергетичної компанії НАЕК “Енергоатом”.

Мета й завдання дослідження. Розробка, верифікація та практичне застосування розрахункових моделей теплового стану, аналіз вогнестійкості й вигорання окремої кабельної траси, а також двох кабельних трас при вигоранні однієї з них для визначення межі їхньої вогнестійкості, одержання інженерних номограм і вибору параметрів вогнезахисного покриття при різних умовах пожежі.

Об'єктом дослідження є кабельні траси енергетичних об'єктів, зокрема систем безпеки ядерних реакторів енергоблоків АЕС.

Предметом дослідження є процеси теплообміну, що мають місце в кабельних трасах при їх нагріванні в різних умовах пожежі та зумовлена цими процесами вогнестійкість кабельних трас.

Методи дослідження є математичне моделювання з використанням чисельних методів інтегрування вхідних рівнянь (метод контрольного об'єму) і методи верифікації й ідентифікації параметрів моделі з використанням експериментальних та емпіричних даних, а також натурний експеримент із використанням апаратури для вимірювання температур.

Для досягнення поставленої мети необхідним є розв'язання наступних завдань дослідження:

1. Виконати огляд сучасних моделей і методів розрахункового й експериментального аналізу теплового стану та вогнестійкості кабельних трас в умовах стандартного температурного режиму, а також в умовах реальної пожежі. Обґрунтувати вибір методу розрахунку теплового стану кабельних трас, який базується на рішенні спряжених задач теплообміну.

2. З метою розробки сценарію реальної пожежі в гермозоні реакторного відділення АЕС виконати обстеження місць розташування й взаємного зближення кабельних трас у гермозоні енергоблоку ВВЕР-1000.

3. Взяти участь у вогневих випробуваннях кабельних трас з метою одержання даних про їх тепловий стан і вогнестійкість в умовах стандартного температурного режиму пожежі.

4. Розробити фізичну, математичну та комп'ютерну моделі теплового стану кабельної траси в умовах стандартного температурного режиму, провести її верифікацію та ідентифікацію за результатами випробувань кабельних трас у вогневій печі. За допомогою розробленої моделі визначити матеріал і товщину вогнезахисного покриття металевого короба кабельної траси, що відповідає вимогам вогнестійкості 1.5 години, в умовах стандартного температурного режиму.

5. Розробити фізичну, математичну та комп'ютерну моделі вигорання кабельної маси в металевому коробі кабельної траси, де джерелом загоряння є коротке замикання в кабелі.

6. Розробити та верифікувати фізичну, математичну та комп'ютерну моделі теплообміну двох кабельних трас, при вигоранні однієї з них (нижньої траси) для визначення межі вогнестійкості верхньої траси , що не вигорає.

7. На основі розробленої моделі одержати номограми, що дозволяють визначити межу вогнестійкості верхньої кабельної траси залежно від відстані між трасами та ступенем заповнення кабелями нижньої траси , що вигорає.

Достовірність результатів. Достовірність отриманих у роботі результатів забезпечена використанням апробованих фізичних і математичних моделей течії газів і теплопровідності у твердих тілах, методів кінцевих елементів і контрольного об'єму, детальною верифікацією розроблених моделей згідно наданих науковою літературою, а також наявних експериментальних даних вимірювань. Також застосовується сучасна комп'ютерна програма STAR-CD, що має ISO-сертифікат якості й використовується для моделювання спряжених задач тепломасообміну та гідрогазодинаміки при пожежах, зокрема в кабельних трасах.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше розроблені фізична, математична та комп'ютерна моделі, що описують тепловий стан кабельної траси в коробі ККБ-3ПО-0.4/0.15 з кабелями КПоБВнг 7Ч2.5, КПоЕвнг 14Ч2.5 , ПвБВнг 3Ч50 + 1Ч25, в умовах стандартного температурного режиму, які враховують теплообмін кожного з кабелів, його структуру, а також радіаційно-конвекційний теплообмін від металевого короба в об'єм вогневої печі. Модель дозволила визначити товщину вогнезахисного покриття металевого короба кабельної траси для різних вогнезахисних матеріалів (гіпсові плити PIRO-SAFE, плита вермікулітосілікатна, супертонке базальтове волокно, матеріал Е-50), що відповідають заданій вогнестійкості 1,5 години в умовах стандартного температурного режиму пожежі.

2. Вперше розроблені фізична, математична та комп'ютерна моделі вигорання кабельної траси внаслідок короткого замикання в окремому кабелі, що дозволило отримати нестаціонарні поля температур і швидкостей як у самій трасі, так і в повітряному об'ємі навколо неї. Модель і отримані поля вперше показали, що рівень і характер (темп) зміни температур біля траси, що горить, є значно нижчим (від 50 до 850 ?С), ніж рівень температур при випробуванні трас у вогневих печах в умовах стандартного температурного режиму пожежі.

3. Вперше розроблені фізична, математична та комп'ютерна моделі теплообміну двох кабельних трас при вигоранні однієї з них (нижньої траси) для визначення межі вогнестійкості верхньої кабельної траси, що не вигорає, які розташовані у гермозоні енергоблоку АЕС. Модель дозволила провести аналіз вогнестійкості (верхньої) кабельної траси, що не згорає, а також визначити матеріали (зокрема: SP-2А, супертонке базальтове волокно) і товщину вогнезахисних покриттів, що відповідають вогнестійкості 1,5 години.

4. Розроблені моделі дозволили вперше одержати інженерні номограми для визначення товщини вогнезахисних покриттів різних матеріалів в залежності від відстані між трасами та заповнення кабелями нижньої траси, що горить. Номограми використовуються для аналізу вогнестійкості кабельних трас при реальній пожежі в гермозоні реакторного відділення.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені моделі дозволили визначити вогнестійкість кабельних трас, як в умовах стандартного температурного режиму, так і в умовах реальної пожежі в гермозоні реакторного відділення АЕС. На основі результатів моделювання отримані номограми, що дозволяють визначити межу вогнестійкості верхньої кабельної траси в залежності від відстані між трасами та заповнення кабелями нижньої вигораючої траси, що становить практичний інтерес для оперативного аналізу та вибору параметрів вогнезахисних покриттів ,які відповідають необхідній вогнестійкості розглянутих кабельних трас. Надано рекомендації стосовно товщини вогнезахисних покриттів, застосованих як технічні рішення для захисту кабельної траси від пожежі. Вибір оптимальних технічних рішень і, як наслідок, економія матеріалів вогнезахисних покриттів надасть істотний економічний ефект при введенні в експлуатацію нових об'єктів, де застосовуються кабельні траси. Успішне використання математичного моделювання та розрахункового визначення вогнестійкості конструкцій стали поштовхом для виникнення в нормах по пожежній безпеці об'єктів будівництва (ДБН України В.1.1-7-2002) параграфу, у якому говориться, що на одному рівні з експериментальними методами дослідження вогнестійкості конструкцій застосовуються розрахункові методи.

Особистий внесок здобувача. Розробка математичної моделі теплового стану кабельної траси в умовах стандартного температурного режиму. Участь у проведенні випробувань по визначенню вогнестійкості кабельних трас й обробка їхніх результатів, а також проведення розрахунків по визначенню вогнестійкості досліджуваної траси й верифікація моделі за експериментальними даними. Розробка математичної моделі вигорання кабельної траси, де джерелом загорання є коротке замикання в одному з кабелів. Аналіз теплового стану верхньої кабельної траси в умовах впливу реальних пожежних навантажень у гермозоні АЕС і проведення обчислювальних експериментів по визначенню теплового впливу кабельної траси, що горить на іншу трасу, яка не горить. Запропоновано нову інженерну розрахункову методику аналізу вогнестійкості кабельних трас на основі номограм, що дозволяє визначити товщину вогнезахисного покриття для різних матеріалів в умовах реальної пожежі в гермо зоні реакторного відділення енергоблоку.

Апробація результатів. Основні результати роботи обговорювалися на ІІІ, ІV, V Міжнародних конференціях "Проблеми промислової теплотехніки" (м. Київ, 2003р., 2005 р., 2007 р. ), 1-а науково-практична конференція молодих учених “Теплоенергетика: моделювання, оптимізація, енергозбереження” (8-12 листопада, м. Київ, 2004р.), науковому семінарі відділу моделювання процесів тепломасообміну Інституту технічної теплофізики НАН України (1 жовтня, м. Київ, 2004р.), науковому семінарі відділу моделювання процесів тепломасообміну Інституту технічної теплофізики НАН України (17 березня, м. Київ, 2007р.) і на науково-практичному семінарі “Випробування, засоби й норми в сфері забезпечення комплексної безпеки об'єктів, вогнестійкість будинків і будов”, що проходили в рамках виставки “Пожежна й техногенна безпека України 2005”( 4-6 квітня, м. Київ, 2005г.).

Публікації. Основні положення й результати роботи викладено в 6 публікаціях у наукових журналах, що входять до переліку видань, визнаних ВАК України, а також у 3 статтях, розміщених у збірниках тез наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох глав, висновків, списку використаної літератури. Обсяг роботи становить 123 сторінки, 49 ілюстрацій, 13 таблиць. Список використаної літератури містить 64 позиції.

Основний зміст роботи

Рис. 1 Конструкції різних типів кабельних трас

У першій главі розглянуто проблеми розрахунку теплового стану кабельних трас в умовах пожежі. Пожежа на АЕС може стати першопричиною ядерної та радіаційної небезпеки, матеріальних втрат, припинення виробітку електроенергії. Особливу небезпеку з погляду виникнення й поширення пожеж займають електричні кабельні траси систем безпеки реакторних відділень АЕС (рис. 1). Аналіз можливих пожежних навантажень і причин їхнього загоряння в гермозоні 2-го блоку Хмельницької АЕС показав, що найбільш ймовірною причиною виникнення пожежі є загоряння горючої маси кабельних трас у коробах при короткому замиканні одного з кабелів. Найбільш небезпечним є тепловий вплив кабелів, що горять у коробі одного каналу системи безпеки на кабелі , які розташовані в коробах іншого каналу системи безпеки. Оскільки кабельні траси (рис. 2) зближаються та часто паралельно ідуть одна над іншою у вертикальній площині біля несучих стін і огороджуючих конструкцій гермозоні, тоді гіршим сценарієм пожежі є горіння нижньої траси (вона при цьому відключається) і тепловий вплив полум'я на кабелі у трасах ,що розташовані вище. Для забезпечення захисту кабельної траси від впливу пожежі важливо знати рівень температур біля неї при вигоранні нижньої траси, що горить. Основним завданням захисту кабельної траси від пожежі є розробка технічних рішень щодо забезпечення нормованого 1,5-годинного функціонування кабельної траси однієї системи безпеки, що розташована в безпосередній близькості від кабельної траси, що горить, іншої системи безпеки в умовах реальної пожежі. Це завдання найбільш раціонально вирішувати за допомогою теплофізичного аналізу процесів тепломасообміну, що відбуваються як в одній окремо взятій кабельній трасі, так і у двох трасах одночасно, коли одна з них горить. При цьому виникає послідовність задач теплофізичного аналізу, які можуть бути вирішені як за допомогою експериментального, так і розрахункового підходів.

Рис. 2 Паралельне слідування кабельних трас 1-ї та 2-ї систем безпеки реактора в гермозоні Хмельницької АЕС.

Відповідно до методики випробування кабельних трас на вогнестійкість, розробленої в УкрНДІ пожежної безпеки, експериментально повинні бути знайдені такі характеристики системи: межа вогнестійкості кабельної траси та максимальне значення температури, при якій хоча б один кабель у коробі втрачає працездатність в умовах стандартного температурного режиму (температура втрати функціонування кабелю). Існує багато методів проведення випробувань по визначенню межі вогнестійкості кабельних трас, які засновані на рекомендаціях Міжнародної електротехнічної комісії, а також міжнародних стандартах DIN 57472 814 (Німеччина), NFK 32-070 (Франція), МIL C-915-Т (США), JIS А 1304 (Японія). Основна різниця цих методик складається у відмінності температурних режимів всередині вогневої печі, які можуть відрізнятися за рівнем температур і тривалістю впливу. У зв'язку із цим виникає необхідність наближення умов випробувань кабельних трас до реальних умов їхньої експлуатації та імітації реальних пожежних навантажень, що пророблено в роботах Г. Лоухеда, Р. Бертранда, Е.В. Гришина й інших. В основному ці роботи присвячені проблемі нерозповсюдження пожежі уздовж кабельної траси, що відрізняється від предмета нашого дослідження.

Слід зазначити, що недоліками експериментальних досліджень вогнестійкості кабельних трас є їх висока вартість, мала інформативність і унікальність одержаних результатів (результати відображають особливості поведінки при пожежі конкретних об'єктів і лише в конкретних умовах). Альтернативним підходом до дослідження, як пожеж, так і до вогнестійкості різних конструкцій є математичне моделювання процесів, що відбуваються під час пожежі й теплового стану конструкцій, що дозволяє значно заощадити людські й фінансові ресурси. По ступені деталізації опису термогазодинамічних процесів при пожежі можна виділити три типи моделей: інтегральні, зональні та польові (СFD). Недоліком інтегральних моделей є осереднення термодинамічних параметрів по всій розрахунковій області, що не дає можливості моделювати локальні особливості в зоні з пожежею, та визначати тепловий стан конструкцій. У зональних моделях стан газового середовища оцінюється через осереднені термодинамічні параметри не однієї, а декількох великих зон. Однак, при створенні зональних моделей необхідно робити велику кількість спрощень і припущень, що спираються на апостеріорні припущення про структуру потоків при пожежі. Найбільш ефективним є застосування польових (CFD) моделей, заснованих на розв'язанні системи рівнянь Навьє-Стокса та чисельному інтегруванні системи методом контрольного об'єму. Замість однієї або декількох великих зон у польових моделях виділяється велика кількість (звичайно тисячі, десятки тисяч і більше) контрольних об'ємів, ніяк не пов'язаних з передбачуваною структурою потоку, що дозволяє спрогнозувати поля температур, теплових потоків, тиску і швидкостей гарячих газів у кожній точці простору і часу досліджуваної області. Таким чином, CFD-моделювання теплового стану кабельної траси при пожежі в спряженій постановці, що має на увазі розрахунок теплообміну на межі між рідиною та твердим тілом при граничних умовах четвертого роду (умовах спряження), потенційно дає більш точне та детальне поле температур.

У другій главі описано розробка трьох моделей теплового стану, аналізу вогнестійкості та вигорання досліджуваних кабельних трас при різних умовах пожежі (стандартний і реальний режими пожежі).

Рис. 3 Схема взаємного розташування і структура двох кабельних трас у гермозоні АЕС

На рис. 2 показано, а на рис. 3 схематично представлене найнебезпечніше розташування кабельних трас у гермозоні АЕС, де траса №1 - та, що горить, а №2 - кабельна траса, що функціонує. Рис. 3 показує також і геометричну область рішення для моделі теплообміну двох кабельних трас. Вхід і вихід на рисунку показують шляхи надходження повітря з об'єму гермозони та вихід нагрітого повітря в об'єм гермозони. Для побудови такої моделі необхідно розробити окрему підмодель вигорання нижньої кабельної траси, що буде розглянуто нижче. Як було зазначено вище, верхня кабельна траса №2 повинна мати вогнестійкість 1.5 години і основним регламентованим методом випробування траси на вогнестійкість є її випробування у вогневій печі в умовах стандартного температурного режиму, тому розробка окремої моделі аналізу теплового стану кабельної траси в цих умовах є самостійною задачею. Така модель дозволяє вирішувати важливе практичне завдання визначення товщини вогнезахисного покриття металевого короба кабельної траси для різних вогнезахисних матеріалів. Розглянемо цю модель для типової кабельної траси з металевим коробом типу КП (рис. 4), що випробовувалася як без, так і із зовнішнім вогнезахисним покриттям товщиною 40 мм на поверхні металевого короба. Висота короба становила 0,15 м, ширина - 0,4 м, товщина стінок - 2 мм. У коробі розташовувалося 6-ть електричних кабелів наступних типів, що використовуються у гермозоні реакторів типу ВВЕР-1000: силові ПвБВнг 3Ч50 + 1Ч25 - 2шт.; контрольні КПоБВнг 7Ч2.5 - 2шт. і КПоЕВнг 14Ч2.5 - 2шт. (рис.4). тепловий стан вогнестійкість покриття

Рис. 4 Поперечний переріз кабельної траси з 6-ю кабелями

Розглядався нестаціонарний тепловий стан кабельної траси з урахуванням радіаційно-конвективного теплообміну зовнішніх поверхонь короба із середовищем вогневої печі, температура якого змінюється по температурній кривій стандартної пожежі. Між внутрішніми стінками короба, перегородками і кабелями має місце кондуктивний теплообмін. Теплофізичні характеристики вогнезахисного покриття залежать від температури. Тепловий стан кабельної траси описується рівнянням нелінійної нестаціонарної теплопровідності у двовимірній постановці. На зовнішніх границях короба граничні умови радіаційно-конвективного теплообміну з навколишнім середовищем, температура якого змінюється за законом стандартного режиму. Модель, що описує тепловий стан кабельної траси в умовах стандартного режиму, інтегрувалася чисельним методом кінцевих елементів і дозволила провести аналіз теплового стану окремих кабелів, визначити вогнестійкість всієї траси та, товщини вогнезахисних покриттів на металевому коробі, для забезпечення заданої вогнестійкості траси, що наведено нижче в главі 4.

Далі в главі розглядаються фізична, математична та комп'ютерна моделі вигорання кабельної траси, коли джерелом загорання є коротке замикання в одному з кабелів, розташованих у коробі (рис. 3). Модель апробувалася при моделюванні кабельної траси з розмірами сталевого короба 0,40,15 м і товщиною стінки 2 мм. Зверху короб закритий сталевою кришкою. Всередині короба знаходиться 120 контрольних кабелів типу КПоБВнг 72,5 (заповнення 80% від загального об'єму короба), що відповідає максимально можливому заповненню короба електричними кабелями для гермозони енергоблоку АЕС. Модель враховує нестаціонарне об'ємне вигорання кабельного заповнення траси (рис. 4). Кабельне заповнення розглядається як суцільне середовище з ефективними теплофізичними характеристиками, значення яких визначалося результатами спеціальних досліджень. Розглядається наступна схема вигорання кабельної траси. У частині короба ,що заповнена кабелями, відбувається коротке замикання (КЗ) одного з кабелів, що призводить до виділення такої кількості теплоти в цьому кабелі, що він розігрівається до високої температури і відбувається його загорання. У результаті цього прилеглі кабелі нагріваються до температур, при яких починається піроліз і горіння горючої частини кабельної маси (при температурах 280 ч 840 °C), що у свою чергу приводить до виділення теплоти і залучення в процес горіння навколишніх кабелів по мірі їхнього прогрівання. Горінням послідовно охоплюються всі кабелі в коробі. Припущено, що присутня достатня кількість кисню для підтримки процесу вигорання горючої частини кабельної маси. Для опису фізико-хімічних процесів при горінні звичайно використовують два основних підходи: моделювання хімічних реакцій або завдання еквівалентних горінню теплових і масових потоків у зоні горіння. Моделювання хімічних реакцій при горінні кабельної маси на сьогодні практично є неможливим через складність і недостатню вивченість хімічних процесів, що відбуваються при її горінні. Більш простим і доступним способом є моделювання зони горіння шляхом завдання теплового джерела та джерела маси, що виділяється, з потужністю тепловиділення та розходом газів, що відповідають теплоті згоряння та стехіометричному співвідношенню вигораючої маси (1 частина горючої маси до 14,7 частин повітря). Фізична модель вигорання кабельної траси містить у собі наступні умови і припущення:

розглядається двовимірна постановка задачи;

коротке замикання відбувається в об'ємі одного кабелю, розташованого в кабельному заповненні (рис. 3) по всій його довжині;

кабельне заповнення короба розглядається як пориста структура зі своїми еквівалентними теплофізичними властивостями і гідравлічним опором;

використовується принцип консервативності, тобто вибираються найбільш жорсткі умови вигорання кабельної траси, зокрема: присутня достатня кількість кисню для підтримки процесу вигорання; максимальне заповнення кабелями короба (80%); всі кабелі вигорають повністю.

Коротке замикання (КЗ), що триває 5 секунд в окремому кабелі 0,02 м., моделюється тепловиділенням 1000 МВт/м³. Температура в зоні КЗ короткочасно досягала рівня 2000ч2500 ^оС.

Вирішується двовимірна спряжена задача газодинаміки та теплообміну між пористим середовищем (кабельне заповнення), стінками короба і гарячими газами, що описана системою рівнянь Навьє-Стокса, до складу якої входили наступні рівняння збереження маси, руху і енергії

, (1)

, (2)

, (3)

де - густина, v - швидкість, p - статичний тиск, g - вектор гравітаційного прискорення, л - коефіцієнт теплопровідності, h - ентальпія, ? - час, С_р - теплоємність, X - просторова координата, S_m, S_p, S_h - джерела маси, моментів, тепла.

Початкові умови для температури T і компонент швидкості v_i вибиралися в такий спосіб T(x y,0)=T_к0, v_i (x,y,0)=0, i=1,2, де T_к0=60 °C - температура кабельної траси до початку процесу вигорання. На зовнішніх границях короба прийняті граничні умови радіаційно-конвективного теплообміну з навколишнім середовищем.

У рівняннях (1) і (3) відповідно до розглянутої вище фізичної моделі джерела тепловиділення S_h (Вт/м³) і маси гарячих газів S_m (кг/секЧм³) при згорянні елементарного об'єму кабельної маси d (м³) за час dф (сек.), мають вигляд

; (4)

(5)

де: S_h0 - потужність тепловиділення при короткому замиканні, Вт/м³; t_кз - тривалість короткого замикання, сек; щ - зона КЗ; Щ - зона кабельного заповнення; Т*- температура початку горіння кабельної маси, сек (у розрахунках приймалося Т*=280 °C); t - час вигорання елементарного об'єму кабельної маси; v_выг - швидкість вигорання кабельної маси, кг/сек, вибиралася рівної 21• 10^-5 кг/з, що забезпечувало загальний час вигорання кабельної траси 90 хв.; m - кількість газу що виділився при згорянні 1 кг. горючої маси, кг/кг; Q - питома теплота згоряння горючої частини кабельної маси, Дж/кг.

а)

б)

Рис. 5 Залежності температури (а) і розхід (б) гарячих газів від часу на виході з під кришки короба в точках Т1 і Т2 при вигоранні кабелів у коробі

Модель (1) - (5) інтегрувалася чисельно на основі методу контрольних об'ємів і реалізована в програмі STAR-CD. Загальна кількість елементів (об'ємів) склала близько 7400. Модель та отримані температурні поля вперше показали, що рівень і характер зміни температур біля розглянутого типу кабельної траси, що горить, значно нижчий (на 50ч750 єС) рівня температур , який спостерігався при випробовуванні трас у вогневих печах при стандартному температурному режимі пожежі (рис. 5, а), крива Т_{ст.пожежа}). Верифікація цієї моделі за експериментальними даними не проводилася через їх відсутність, пов'язану з великими технічними складностями і високою вартістю такого експерименту. Однак можна стверджувати, що така модель описує всі основні фізичні процеси, що проходять у трасі при її вигоранні та інтегрально правильно вираховує баланси теплоти та маси, що відповідають загальній теплоті згоряння горючої частини кабельної маси і кількості гарячих газів, що виділяються.

Залежності температур і розходів (рис. 5) від часу в точках Т1 і Т2, характеризують динаміку зміни цих величин безпосередньо біля кабельної траси, що горить, однак для аналізу вогнестійкості функціонуючої кабельної траси , що не горить (рис. 3) важливо знати рівень температур безпосередньо в ній, та мати можливість визначати тепловий стан кабельної маси що в коробі. Тому відповідно до рис. 3 розглянемо основну, розроблену в цій роботі модель - модель теплообміну двох кабельних трас і визначення порогу вогнестійкості верхньої траси , що не вигорає при вигоранні нижньої траси, що дозволяє враховувати ступінь заповнення короба кабелями, відстань між кабельними трасами і їхню геометрію.

На рис. 3 наведена область рішення задачі, що є фрагментом гермозони з розмірами 6 5,7 м. Розглядаються дві кабельні траси з типом металевих коробів ККБ-ПО (розміри короба становлять 0,4 0,15м, товщина стінки - 2 мм.). Нижня кабельна траса, що вигорає взята без сталевої кришки короба (консервативний підхід), що забезпечує достатній доступ кисню та дозволяє говорити про повне вигорання кабельної траси. Використовується модель вигорання кабельної траси, що розглянута вище. Об'єм кабельного заповнення (80%) у коробі, відповідає об'єму, що зайнятий 120-ю контрольними кабелями типу КПоБВнг 72,5. Заповнення верхньої функціонуючої кабельної траси - 40 контрольних кабелів типу КПоБВнг 72.5 (25% від об'єму траси). Питома теплота згорання 1 кг. горючої частини кабельної маси становить 18 МДж/кг. Вирішується двовимірна задача в спряженій постановці. Умови та припущення, що застосовуються для описаної вище моделі вигорання кабельної траси, справедливі і у цьому випадку. Використана математична модель, що складається з рівнянь (1) - (5) і k- моделі турбулентності. У початковий момент у розрахунковій області температура T(x y,0) = 60 С, що відповідає робочій температурі в гермозоні АЕС. На границі твердих тіл для швидкості повітря задані умови прилипання: н_i(x,y,0)=0. На вході повітря в розрахункову область приймається умова: н_i(x,y,0) = 0, P = 10⁵ Па. На виході й на правій границі розрахункової області: , , де Ф_i - одна зі перемінних (н, р) у системі рівнянь (1)-(3).

Апробація запропонованої моделі виконувалась при розрахунковому аналізі вигорання нижньої кабельної траси, і визначення її теплового впливу на верхню, з метою визначення вигляду, параметрів і необхідності використання вогнезахисних покриттів на коробах кабельних трас. Результати аналізу, а також верифікація запропонованих вище моделей розглянуті нижче в главі 4.

У третій главі надані результати обстеження кабельних трас у гермозоні реактора ВВЕР-1000 Хмельницької АЕС, з метою визначення місць їхнього зближення, а також викладена методика проведення випробувань на вогнестійкість. Наведено основні результати випробувань для захищеної вогнезахисним покриттям траси та траси без вогнезахисного покриття. Гермозона діючих реакторів АЕС України складається із приміщень, розташованих на різних позначках. На позначках 13,2 м., 16,8 м., 19,34 м., 25,7 м., 36.9 м. й 62.25 м присутні місця зближення кабельних трас. Кожне із приміщень відрізняється своєю конфігурацією, способом розташування та довжиною кабельних трас. Усього в цих приміщеннях застосовано близько 3000шт. коробів типу КП і ККБ, загальною довжиною кабельних трас до 6 000 м. В результаті обстеження гермозони енергоблоку №2 Хмельницької АЕС було виявлено шістнадцять місць взаємного зближення кабельних трас різних каналів системи безпеки, з яких найбільш небезпечними було обрано п'ять місць (див. табл. 1). Відповідно до консервативного підходу, подальші дослідження проводилися для кабельних трас, що виконані на основі коробів типу КП 0,4/0,15 (пункт №1 табл. 1), як найбільш небезпечного місця зближення трас.

Таблиця 1 Місця зближення кабельних трас різних каналів системи безпеки в гермозоні

У главі наведені основні положення методики випробувань кабельних трас на вогнестійкість в умовах стандартного температурного режиму. Випробування проведені УкрНДІ пожежної безпеки МВС України разом з ІТТФ НАН України на стаціонарній вогневій печі, у якій були створені умови, що відповідають стандартному температурному режиму.

У випробуваннях досліджені дві кабельні траси на основі коробів типу КП, що мають товщину стінок - 2мм., висоту - 0,15м., ширину - 0,4м. і довжину - 2,8м. Одна із трас була оснащена ззовні по коробу захистом з гіпсових плит товщиною 40 мм. У коробі розташовано 6 кабелів наступних типів: силові кабелі - ПвБВнг 350+125 - 2шт; контрольні кабелі - КПоБВнг 72.5 - 2шт. і КПоЕВнг 142.5 - 2шт., що найбільш часто використовуються у гермозоні реакторів типу ВВЕР-1000. Залежність температури від часу, що відповідає стандартному режиму пожежі має вигляд: Т_s = 20+345 lg(8t+1), де t - час від початку експерименту, хв; Т_s - температура, С. Середня температура в печі Т_s, визначалася як середнє арифметичне показань термопар у просторі печі. Для виміру температури в печі використали термопари типу ТХА діаметром 1,5мм у захисному кожусі (діапазон вимірювань від 0 до 1200С). Інструментальна похибка термопар не більше 4 С. Для дослідження температурного поля на стінках короба, на жилах і оболонках кабелів встановлювали термопари типу ХА діаметром 0,75 мм. (діапазон виміру від 0 до 600С). Вимірювальний спай термопари припаювали до мідного диска діаметром 12мм і товщиною 1мм, що розташовувався на поверхні, температуру якої контролювали. Поверхня диска була накрита квадратною накладкою з базальтового картону. При наявності вогнезахисного покриття термопари встановлювали в наступних місцях: на внутрішній поверхні кожної стінки по середині її довжини - 4 шт.; на внутрішній жилі й на поверхні оболонок силового кабелю - 2 шт. і контрольних кабелів - 4 шт.; термопари в печі - 6 шт.; термопари на ізоляції Т1..Т4 - 4 шт. Контроль температур для кабельної траси без вогнезахисного покриття здійснювали в тих же місцях. Жили контрольних кабелів були з'єднані послідовно і підключені до однофазного джерела напруги через запобіжники і вимикачі. Для індикації цілісності ланцюга, використали сигнальні електричні лампи. Всі жили силових кабелів об'єднали в три групи і теж з'єднали послідовно. Через запобіжники їх підключили до трифазного трансформатора.

На кабель кожного типу подавалася напруга 380 В для визначення часу його працездатності. Сигнальні електролампи на іншому кінці лінії підключали за схемою “зірка”. Нульові проводи та екрани кабелів, металеві частини кабельної конструкції й печі, джерело напруги й вимірювальний комплекс заземлили. Вимірювання температури в печі та на зразку проводили з інтервалом не більше 1хв. У процесі випробувань проводилося спостереження за сигнальними лампами і запобіжниками. Залежно від того, яка подія відбудеться раніше, фіксувався момент часу, у який відбувалося відключення лампочки в мережі кабельної лінії або перегоряв запобіжник при обриві жили кабелю або короткому замиканні жили на корпус короба - ці події вважали моментом втрати функціонування кабелю. Випробування продовжували до виходу з ладу всіх кабелів кабельної траси.

У результаті натурних випробовувань знайдені значення межі вогнестійкості випробуваних кабельних трас виконаних на основі короба типу ККБ-3ПО - 0.4/0.15 і кабелями КПоБВнг 72.5, КПоЕВнг 142.5, ПвБВнг 350 + 125, становлять: для випадку незахищеної кабельної траси - 12 хвилин (гранична температура функціонування на кабелі 400 С); для кабельної траси з гіпсовим вогнезахисним покриттям - 94 хвилини (гранична температура функціонування на кабелі 190 С).

У четвертій главі надані результати верифікації та застосування розроблених моделей аналізу теплового стану і вогнестійкості кабельних трас в умовах стандартного та реального температурних режимів пожеж. Верифікація моделі, що описує тепловий стан кабельної траси в умовах нагрівання при стандартному температурному режимі, виконана за результатами експериментів проведених спільно з УкрНДI пожежної безпеки МНС України.

На рис. 6 наведено порівняння розрахункових та експериментальних значень температури в часі, для точок, розташованих на ізоляції та на жилі контрольного кабелю КПоБВнг 72.5, що входив до складу кабельної траси з гіпсовим вогнезахисним покриттям. Істотна розбіжність даних на 84-й хвилині, пояснюється зривом вогнезахисного покриття, що було розташовано на кришці металевого короба кабельної траси. В іншому діапазоні часу, можна констатувати задовільну кореляцію розрахункових і експериментальних даних (відмінність складає ±7%). Розроблена модель була використана для визначення оптимальних товщин різних вогнезахисних матеріалів, для забезпечення заданої вогнестійкості кабельної траси (табл. 2). У главі детально розглянуті особливості та переваги використання кожного із запропонованих матеріалів.

Рис. 6 Залежності температури від часу на контрольному кабелі типу КПоБВнг 72.5, що розташований в правому відсіку короба. Точка Т4 на поверхні кабелю, Т5 - на жилі кабелю.

Таблиця 2 Перелік вогнезахисних матеріалів, запропонованих для забезпечення 1,5 годинної вогнестійкості кабельної траси

Застосування використовуваного на АЕС покриття, що спучується, SP-2А для забезпечення заданої вогнестійкості в умовах стандартного температурного режиму неможливе, тому що не задовольняється вимога по вогнестійкості. Як відзначалось раніше, умови стандартного температурного режиму нагріву є досить жорсткими та завищеними, тому товщини вогнезахисних покриттів, що задовольняють задану вогнестійкість (табл. 2) є істотно надлишковими. Їхнє застосування економічно й технічно невиправдане. Тому, повернемося до розгляду кабельних трас, в умовах реальної пожежі.

Далі наведені результати верифікації моделі теплообміну двох кабельних трас при вигоранні однієї з них (рис. 3). Більш докладно зупинимося на аналізі результатів моделювання одного, з тих , що найбільш часто зустрічається в гермозонах енергоблоків українських АЕС, варіанта зближення кабельних трас із 40%-м заповненням нижнього короба кабелями та відстанню 0,5 м. між коробами (рис. 7).

Рис. 7 Вектори швидкостей у повітряному просторі гермозони в районі 2-х кабельних трас для моменту часу 60 хв.

З рисунка бачимо, що максимальний рівень швидкостей (до 3,7 м/с) у потоці гарячих газів спостерігається в районі нижніх кутів короба верхньої кабельної траси, що не горить. Це говорить про інтенсивний прогрів кутових кабелів. Виходячи із цього, були обрані точки моніторингу температур у верхній кабельній трасі - це геометричний центр контрольних кабелів розташованих у лівому та правому нижніх кутах короба. За значенням температури у цих точках визначався момент часу в який досягалася гранична температура функціонування кабелю (Т_гран.=190 °С), що і є межею вогнестійкості кабельної траси.

На рис. 8 показані поля температур в області рішення задачі для різних моментів часу. По них можна оцінити динаміку вигорання нижньої кабельної траси і прогрів верхньої.

20 хв 40 хв 60 хв 80 хв

Рис. 8 Поля температур у гермозоні в місці розташування 2-х кабельних трас при вигоранні нижньої кабельної траси для різних моментів часу (варіант: 40% заповнення кабелями, відстань 0,5 м між коробами)

Рівень максимальних значень температур гарячих газів на виході з нижнього короба становить 810ч825 °С, що відповідає літературним даним. Для верифікації запропонованої моделі, були виділені фрагменти моделі, які по своїх характеристиках максимально відповідають експериментальним робочим ділянкам, знайденим у літературі, що використовувались при побудові емпіричних залежностей. Для ділянки верхньої кабельної траси “А” (рис. 3), коефіцієнти тепловіддачі порівнювалися з емпіричними даними довідника О. Г. Мартиненко і Ю. А. Соковишина. Розглядається змішана конвекція при обтіканні пластини кінцевого розміру L потоком, що набігає знизу. Використані наступні дані для розрахунку по номограмі вигляду : середня швидкість V= 0,5 м/с; середня температура потоку, що набігає, газів Тж=720 °С; середня температура стінки короба Т_ст=345 °С. У результаті число Рейнольдса дорівнює Re=3691, а середній коефіцієнт тепловіддачі - б_разр.=19,6 Вт/м²К. Середній коефіцієнт на нижній поверхні короба, отриманий за допомогою CFD-моделі, становить б_CFD=17,2 Вт/м²К. Відмінність між коефіцієнтами тепловіддачі становить 12,24%, що є цілком допустимим.

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі для змішаної конвекції, при обтіканні плоскої вертикальної пластини, здійснювався по емпіричній залежності з довідника О. Г. Мартиненко і Ю. А. Соковишина, що справедлива для діапазону чисел Re=15-10⁴; Rа=2400 - 10⁹; Pr=0 - ?.

,

де , ; для вертикальної пластини коефіцієнти А_С=0,67, А_В=0,677, С_С=0,492, С_В=0,0468, характеризують форму тіла; Nu₀=0. Вихідними даними для розрахунку бралися: середня швидкість V= 1.1 м/с; середня температура потоку газів, що набігає Т_ж=520 °С; середня температура стінки короба Т_ст=340 °С. У результаті число Рейнольдса Re=7382, число Релея Rа=2,6Ч10⁷, а середній коефіцієнт тепловіддачі по емпіричній залежності дорівнює б_расч.=12,1 Вт/м²К. Середній коефіцієнт на нижній поверхні короба кабельної траси, отриманий на CFD-моделі становить б_CFD=14,1 Вт/м²К. Відмінність з емпірично отриманим коефіцієнтом тепловіддачі склала не більше 16,5%. Результати розрахунків коефіцієнтів тепловіддачі по відомих емпіричних залежностях, які найбільш близько описують процеси теплообміну в районі верхньої кабельної траси, дали задовільне узгодження (у межах 17%). Ці результати дозволяють зробити висновок про адекватність побудованої CFD-моделі теплообміну двох кабельних трас при вигоранні однієї з них.

У результаті розрахунків отримані залежності температури в точках Т1 і Т2 (рис. 9) для верхньої кабельної траси від часу для варіанта 40%-го заповнення короба кабелями і відстані 0,5 м між кабельними трасами. З малюнка видно, що температура Т1 у лівому куті верхнього короба росте швидше і має більше високі значення в порівнянні з температурою Т2 у правому куті, що пояснюється близькістю розташування стіни гермозони, що покрита сталевим аркушем, і, як наслідок, більше інтенсивним радіаційним теплообміном. Максимальна температура досягається на 70-й хвилині й дорівнює 289 °С. При цьому межа вогнестійкості (досягнення граничної температури 190 °С) для верхньої кабельної траси становить 54 хв.

Рис. 9 Залежності температури в точках Т1 і Т2 верхні кабельні траси від часу для 40%-го заповнення короба кабелями і відстані 0,5 м між кабельними трасами

Після узагальнення результатів чисельного моделювання вигорання різних пожежних навантажень у нижній кабельній трасі та варіантів з різною відстанню між трасами, були отримані номограми (рис. 10), що визначають межу вогнестійкості верхньої кабельної траси як для випадку без вогнезахисного покриття, так і для випадку з покриттям типу SP-2А, яке застосовується на АЕС України. Для випадку без вогнезахисного покриття (рис. 10,а) з номограми видно, що межа вогнестійкості 90 хв. задовольняється для випадків, коли відстань між кабельними трасами більше 1-го метра й пожежне навантаження в нижній трасі, що горить менше 40% заповнення кабелями від загального об'єму короба.

а)

б)

Рис. 10 Залежність межі вогнестійкості верхньої кабельної траси від відстані між трасами і заповненням кабелями нижньої траси, що горить для випадків не захищеної (а) і захищеної покриттям (б), що спучується, SP-2А, верхньої кабельної траси.

В інших випадках кабельну трасу необхідно захищати вогнезахисним покриттям. Якщо верхню кабельну трасу захищати покриттям, що спучується, SP-2А (рис. 10,б), то вимога вогнестійкості виконується для випадків, коли відстань між кабельними трасами більше 1-го метра і пожежне навантаження відповідає діапазону від 0 до 40% заповнення кабелями від загального об'єму короба, а також для варіантів, коли відстань між кабельними трасами більше 0,5 метра і пожежне навантаження відповідає діапазону від 0 до 20% заповнення кабелями від загального об'єму короба. Використання запропонованих вище номограм на практиці дозволяє визначати доцільність застосування та можливості захисту кабельної траси від пожежі різним вогнезахисним покриттям, зокрема, покриттям що спучується SP-2А. Це обумовлено його технологічністю при монтажі для існуючих кабельних трас гермозон АЕС. У випадках, якщо вимога вогнестійкості не виконується, моделювання показало, що можливо обмежитися використанням супертонкого базальтового волокна товщиною 50 мм. Потрібно відзначити, що для умов стандартної пожежі рекомендується товщина, базальтового волокна, що відповідає необхідній вогнестійкості, дорівнює 115 мм (див. табл. 2, пункт 3). Можна зробити висновок, що на практиці урахування реальних пожежних навантажень дозволяє застосовувати більш раціональні й дешеві технічні рішення.

Рис. 11 Залежності температури від часу на відстані 0,02 м від верхньої кабельної траси в точках (Tниз, Tправо, Tліво - температури знизу, ліворуч і праворуч від траси, відповідно)

Як приклад урахування вигорання реального пожежного навантаження, можна привести температурну криву (рис. 11).

Для розглянутого вище варіанта (40% заповнення кабелями траси, що горить, відстань 0,5 м між трасами) були знайдені температурні криві для точок (Tниз, Tправо, Tліво) в об'ємі гермозони, що розташовані у безпосередній близькості від верхньої кабельної траси на відстані 0,02 м. Рівень температурних кривих дозволяє оцінити наскільки відрізняються умови при реальній пожежі, від умов, які описує крива стандартної пожежі Т_{ст. пожежі}. Усереднену криву Т_{среднее} (рис. 11) можна використати для планування випробування кабельної траси у вогневій печі з метою верифікації номограм, наприклад, наведених на рис. 10.

Таким чином, розроблені і застосовані моделі вигорання кабельної траси і її теплообміну в умовах реальної пожежі у гермозоні АЕС, показують більш м'який тепловий вплив на функціонуючий кабель, ніж в умовах стандартного режиму (рис. 11).

Зменшення товщини вогнезахисного покриття або застосування більш технологічних матеріалів типу SP-2А, а в ряді випадків і відсутність необхідності їхнього застосування для умов реальних пожежних навантажень (мал. 10), є основним науковим і практичним результатом даної роботи.

Висновки

Проведений огляд сучасних методів аналізу теплового стану і вогнестійкості кабельних трас показав переваги застосування розрахункових методів у рамках CFD-моделювання для аналізу вогнестійкості кабельних трас. Відзначено, що умови вогневих випробувань, що відповідають кривій стандартного температурного режиму є жорсткими по тепловому впливу на кабельні траси в реакторному відділенні АЕС. Основним матеріалом, що горить, є горюча частина електричних кабелів, що входять до складу кабельних трас, при вигоранні якої характер (темп) зміни та рівень температур значно нижчі.