Обоснование противопожарных мероприятий в помещении блочного щита управления АЭС с применением полевого моделирования пожара

Введение

Целью работы является обоснование защиты систем безопасности от отказов по общей причине при пожаре в помещении блочного щита управления (БЩУ) в связи с отсутствием установок пожаротушения на блочном щите управления. На БЩУ расположены элементы оборудования и кабели, относящиеся к разным каналам систем безопасности. Канальное оборудование и кабели расположены в одной пожарной зоне, в результате одного исходного события «пожар» возможен выход из строя оборудования и кабелей разных каналов, расположенных в рассматриваемой пожарной зоне. В этом случае отказы оборудования разных каналов системы безопасности (СБ) следует рассматривать как отказ по общей причине по отношению к исходному событию. Оценка достаточности противопожарной защиты и физического разделения элементов разных каналов систем безопасности, включая элементы САЭ, выполняется на основе расчетно-аналитического анализа влияния пожара на БЩУ на безопасность АЭС.

Для проведения расчета динамики скорости развития и возможных режимов пожара, определения требований к безопасным расстояниям и пределам огнестойкости огнепреграждающих конструкций российскими нормами предусмотрено применение расчетных и экспериментальных методов. В последние годы у нас в стране и за рубежом большое внимание уделяется развитию расчетных методов оценки огнестойкости. Сущность расчета в общем виде сводится к оценке распределения температур по сечению конструкции в условиях пожара (теплотехническая часть) и вычислению несущей способности нагретой конструкции (статическая часть). Однако теория огнестойкости строительных конструкций еще недостаточно разработана, поэтому даже опытному конструктору нелегко спроектировать нужную по качеству огнезащиту силовых элементов конструкций. Первая проблема, которую преодолевает инженер-проектировщик на этом пути, заключается в определении характера распределения температур в сечениях материала строительной конструкции через некоторые интервалы времени. Иными словами, он должен решить задачу нестационарного прогрева материала силового элемента в условиях пожара.

Методики расчета локальных параметров пожара

Для описания термогазодинамических параметров пожара применяются три основные группы детерминистических моделей: интегральные, зонные (зональные) и полевые.

Выбор конкретной модели расчета времени блокирования путей эвакуации следует осуществлять исходя из следующих предпосылок:

а) интегральный метод:

– для зданий, содержащих развитую систему помещений малого объема простой геометрической конфигурации;

– для помещений, где характерный размер очага пожара соизмерим с характерными размерами помещения и размеры помещения соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз);

– для предварительных расчетов с целью выявления наиболее опасного сценария пожара.

б) зонный (зональный) метод:

– для помещений и систем помещений простой геометрической конфигурации, линейные размеры которых соизмеримы между собой (линейные размеры помещения отличаются не более чем в 5 раз).

В отличие от интегральных моделей зональный метод может использоваться:

– для помещений большого объема, когда размер очага пожара существенно меньше размеров помещения;

– для рабочих зон, расположенных на разных уровнях в пределах одного помещения (наклонный зрительный зал кинотеатра, антресоли и т. д.).

в) полевой метод:

– для помещений сложной геометрической конфигурации, а также помещений с большим количеством внутренних преград (атриумы с системой галерей и примыкающих коридоров, многофункциональные центры со сложной системой вертикальных и горизонтальных связей и т. д.);

– для помещений, в которых один из геометрических размеров гораздо больше (меньше) остальных (тоннели, закрытые автостоянки большой площади и т. д.);

– для иных случаев, когда применимость или информативность зонных и интегральных моделей вызывает сомнение (уникальные сооружения, распространение пожара по фасаду здания, необходимость учета работы систем противопожарной защиты, способных качественно изменить картину пожара, и т. д.).

Для определения фактических пределов огнестойкости строительных конструкций использовалась математическая модель расчета прогрева строительных конструкций.

Плотность теплового потока на внешней (огневой) границе стенки определяется из решения моделей пожара или по формулам расчета лучистого теплового потока.

За наступление предела огнестойкости строительной конструкции перехода принимается момент времени от начала пожара, когда температура хотя бы в одном месте конструкции достигает критического значения.

Таким образом, в случаях, когда требуется рассчитать локальные параметры развития пожара или область применения не позволяет использовать эмпирические или среднеобъемные модели для расчета динамики пожара, применяется созданная во ВНИИПО полевая модель. Это относится прежде всего к расчетам пожара в больших помещениях, помещениях с неравномерно распределенной пожарной нагрузкой и сложным режимом газообмена, к задаче определения безопасных расстояний для оборудования систем безопасности. Данная модель создана с учетом требований и рекомендаций по применению методов полевого моделирования и предусматривает решение системы уравнений газодинамики и теплообмена с учетом моделирования процессов горения и переноса тепла излучением.

При расчетах использовались программы, официально зарегистрированные в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Интегральные, зонные и полевые методы расчета динамики опасных факторов пожара, № 2006614238. Определение огнестойкости строительных конструкций с учетом параметров реального пожара, № 2006614237).

Методики определения требований к огнестойкости несущих и ограждающих конструкций на основе расчетов динамики пожара в помещении

Эмпирические методы расчета режима пожара и степени воздействия опасных факторов пожара (ОФП) на конструкции во многих случаях дают непосредственную оценку эквивалентной (по степени воздействия) продолжительности для строительных конструкций. При проведении расчетов динамики пожара в помещении на основе среднеобъемных или полевых дифференциальных уравнений возможны более точные расчеты параметров развития пожара, но непосредственных данных об эквивалентной продолжительности пожара из решения не следует. В этих случаях возможны два подхода к определению требований по огнестойкости:

1. По результатам моделирования пожара определяются его продолжительность и динамика среднеобъемных характеристик. На основе эмпирических методов определяется эквивалентная продолжительность пожара для строительных конструкций.
2. Производится решение сопряженной задачи теплообмена, то есть в процессе моделирования пожара проводится непосредственный расчет режимов прогрева строительных конструкций. По результатам максимального (среднего или локального) прогрева конструкций оценивается возможность ее повреждения в условиях реального пожара. В этом случае необходим более сложный анализ прочности в условиях прогрева, в то же время дающий более точные результаты, так как определяется фактическая огнестойкость, а не пересчет на результаты испытаний в стандартных условиях.

Исходные данные для расчетного анализа

Помещения щитов управления предназначены для размещения в них панелей и пультов контроля, управления и регулирования. В качестве щитовых изделий используются как панели, так и щиты шкафные, на которых устанавливаются вторичные приборы: табло, кнопки и ключи управления и т. д. Ограждающие конструкции БЩУ выполнены с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Двери открываются наружу.

На БЩУ размещены панели и пульты со средствами отображения основных параметров и органы управления основными механизмами и арматурой. С БЩУ осуществляется постоянный оперативный контроль и управление технологическими системами, оборудованием и процессами в основных режимах работы энергоблока. На БЩУ размещаются средства контроля параметров вспомогательных технологических установок, панели автоматического регулирования, защит и блокировок.

Основной пожарной нагрузкой на БЩУ являются кабели: контрольные, управления и электропитания.

На БЩУ предусмотрены приточная и вытяжная системы вентиляции. Во всех приточных воздуховодах при входах в данные помещения и воздуховодах вытяжных вентиляционных систем в местах выходов из данных помещений при пересечении ими противопожарных преград установлены огнезадерживающие воздушные клапаны с электроприводами. На БЩУ располагаются четыре рабочих места оперативного персонала с постоянным их присутствием.

С резервного щита управления (РЩУ) обеспечивается возможность надежного перевода реактора в подкритическое расхоложенное состояние и поддержание его в этом состоянии, а также приведение в действие систем безопасности и получение информации о состоянии реактора. Основную пожарную нагрузку на РЩУ несут кабели контрольные, управления и электропитания. Ограждающие конструкции помещения РЩУ выполнены с пределом огнестойкости не менее 1,5 часа. Проход кабелей в помещение РЩУ осуществляется через кабельные шахты деаэраторной этажерки, не пересекаясь с кабелями БЩУ. Помещение РЩУ оборудовано автоматической установкой газового пожаротушения. Для помещения РЩУ предусмотрены приточная и вытяжная системы вентиляции. На воздуховодах установлены огнезадерживающие воздушные клапаны с электроприводами. По сигналу автоматической установки пожарной сигнализации клапаны автоматически закрываются. Постоянно присутствующего персонала на РЩУ нет.

Системы вентиляции

В помещениях БЩУ, РЩУ, кабельного этажа БЩУ, в которые подводятся кабели от трех каналов безопасности, вентиляция осуществляется отдельными системами для каждого из данных помещений, при этом вентиляционные установки также запитываются от трех каналов. На воздуховодах устанавливаются противопожарные клапаны. Для предотвращения распространения пожара по воздуховодам вентиляционных систем предусмотрены:

– раздельная вентиляция помещений, относящихся к разным каналам безопасности;

– установка огнезадерживающих клапанов в местах пересечения воздуховодами противопожарных перегородок и перекрытий.

Отдельные системы приточно-вытяжной вентиляции предусмотрены для кабельных этажей нормальной эксплуатации, кабельных этажей каналов безопасности.

Оборудование этих вентиляционных систем установлено в отдельных помещениях, на воздуховодах при пересечении ими противопожарных преград устанавливаются огнезадерживающие клапаны.

Вентиляционные системы, обеспечивающие подпор в лестничные клетки, автоматически включаются от извещателей пожарной сигнализации и дублируются ручным включением – от кнопок у входа на лестничную клетку, а также с пожарной панели, находящейся в БЩУ. Огнезадерживающие клапаны закрываются автоматически от пожарных извещателей, а также от дублирующего термомеханического привода – легкоплавкой вставки, а также дистанционно с пожарной панели БЩУ.

Дублирование выполнения функций безопасности на РЩУ

В инструкциях и оперативных карточках определен порядок действий оперативного персонала при осуществлении управления энергоблоком с РЩУ. В соответствии с приведенными документами определена возможность осуществления основных функций безопасности непосредственно с РЩУ.

Постановка задачи расчетного моделирования и определение сценариев протекания и распространения пожара

При возникновении пожара на БЩУ возможно его тушение первичными средствами пожаротушения оперативным персоналом и прибывающими по вызову пожарными подразделениями.

В то же время, поскольку в помещении отсутствуют обеспечивающие безопасность стационарные установки пожаротушения, тушение пожара не гарантировано. В дальнейшем рассматриваются сценарии, возникающие при неудачном осуществлении операций по тушению, приводящие к развитию пожара на БЩУ. В связи со значительными пожарными нагрузками БЩУ при развитии и распространении пожара возможен его переход из начальной в объемную стадию и потеря всего незащищенного (от воздействия ОФП) оборудования, в том числе оборудования СБ. Расчет максимально возможной скорости развития пожара, временные параметры критического воздействия ОФП на оборудование и оперативный персонал являются основной целью математического моделирования пожара. Вторым этапом анализа пожара является оценка возможности осуществления процедуры безопасного останова и расхолаживания реакторной установки (РУ) в условиях воздействия ОФП при развитии пожара.

Критическим, с точки зрения нарушения процедуры безопасного останова и расхолаживания, предполагается непосредственное развитие пожара в оперативной части БЩУ и работа персонала в условиях воздействия ОФП.

Наиболее консервативным вариантом развития пожара считается начало пламенного горения у одного из пультов управления РУ в результате множественных коротких замыканий. Для определенности выбран вариант пламенного горения пульта № 31. Данный пульт имеет наибольшие размеры (1300 × 1000 мм) и расположен близко к центральной части помещения. Предполагается локализация пожара в пределах одного пульта и отсутствие распространения пожара на соседние пульты до начала критического воздействия ОФП на оперативный персонал. Корректность данного предположения будет оценена по результатам расчетного моделирования динамики пожара.

Определение последовательности действий персонала при переходе на РЩУ

В соответствии с технологическим регламентом эксплуатации энергоблока «Административный» при работе на мощности должен проводиться холодный останов в случае возникновении пожара в помещениях БЩУ, РЩУ. Для ряда аварийных ситуаций, в том числе при пожаре на БЩУ, разработана аварийная процедура.

Таким образом, последовательность действий персонала при пожаре на БЩУ может быть рассмотрена на основе ее положений вне зависимости от режима работы энергоблока. Функции безопасности могут быть выполнены в полном объеме при управлении энергоблоком с РЩУ. Основные функции выполняются персоналом непосредственно на РЩУ, часть функций по контролю состояния РУ выполняется дистанционно, с помощью выделенной телефонной линии. Следовательно, безопасность энергоблока определяется возможностью реализации разработанной процедуры передачи управления на РЩУ в условиях пожара.

Результаты расчетного моделирования

Представление полей ОФП

Динамика полей ОФП представляется в общем объеме БЩУ. Пример аксонометрической проекции с указанием элементов оборудования и конструкций приведен на рис. 1.

Место начала пожара, пульт № 31, выделено на графике (рис. 2).

Результаты расчетов динамики пожара

Результаты расчетов динамики пожара представлены на рис. 3–14.

Поля абсолютной температуры представлены в аксонометрических проекциях. Поля массовой концентрации продуктов горения – в горизонтальной угловой проекции, сечения перпендикулярны продольной оси машинного зала, оси X на графиках (рис. 3–14).

Расчет времени перехода из БЩУ в РЩУ

Два независимых варианта перехода оперативного персонала из БЩУ в РЩУ определены на плане эвакуации. Максимальная длина пути эвакуации, вариант № 2, составляет 87 м. Время перехода может быть оценено на основе скорости движения людей при эвакуации. Плотность потока менее минимальной, скорость движения – 100 м/мин. Время перехода на РЩУ – не более 53 секунд. Реализация персоналом процедуры перевода управления на РЩУ и ее составных частей с учетом имеющегося времени до потери БЩУ может быть оценена следующим образом:

– Задействование автомата защиты в течение первой минуты с начала пламенного горения – высокая вероятность, поскольку останов является стандартной процедурой, предусмотренной техническим регламентом по эксплуатации РУ.

– Принятие решения по переходу на РЩУ в течение 90 секунд с начала пламенного горения – высокая вероятность с учетом регламентированности процедуры и наблюдаемого интенсивного развития пожара.

– Переход части персонала на РЩУ в течение 53 секунд. Контроль РУ оставшимся на БЩУ персоналом до наступления критического воздействия ОФП.

– Начало действий по контролю РУ на 143-й секунде, покидание персоналом БЩУ до начала потери управления на блочном щите. Общий вывод по результатам расчетного анализа динамики развития пожара на БЩУ и оценки возможности реализации функций безопасности энергоблока на РЩУ: с учетом консервативного рассмотрения аварийной ситуации, связанной с пожаром на БЩУ, определена возможность безопасной реализации функций управления и контроля РУ в рамках предусмотренной на энергоблоке № 1 процедуры передачи управления на РЩУ.

Заключение

1. Созданная и апробированная полевая модель динамики пожара предназначена для проведения расчетов с учетом специфики пожарной опасности и технологических особенностей атомной станции. Полевая модель динамики пожара оптимизирована с учетом специфики АЭС, осуществлена ее реализация в рамках комплекса программного обеспечения Fire Dynamics.
2. Применение предложенной полевой модели позволяет обосновать достаточность принятых пределов огнестойкости строительных конструкций зданий и помещений исходя из обеспечения нераспространения пожара за пределы пожарной зоны в течение расчетного времени свободного выгорания всей пожарной нагрузки.
3. Описан методический подход к определению требований к огнестойкости несущих и ограждающих конструкции помещений АЭС с применением полевого моделирования пожара. Полевой метод является наиболее универсальным из существующих детерминистических методов, поэтому он широко может использоваться для определения/уточнения требований к огнестойкости несущих и ограждающих конструкции помещений АЭС.

На основе анализа документации по обеспечению безопасности энергоблока № 1 Калининской АЭС при пожаре на БЩУ и расчетно-аналитического исследования протекания пожаров можно сделать следующие основные выводы:

1. Значительные пожарные нагрузки, отсутствие стационарных систем пожаротушения на БЩУ определяют пожарную опасность данного помещения. Применение ручных средств пожаротушения не гарантирует тушения пожара при его интенсивном развитии. При интенсивном развитии пожара полное задымление помещения может наступить менее чем через 300 секунд после начала пламенного горения. В этом случае эффективные действия пожарных подразделений по тушению пожара на начальной стадии маловероятны из-за сравнимого и большего времени следования к месту тушения, разведки и развертывания. Примерно через 480 секунд после начала пламенного горения одного пульта практически во всем объеме помещения достигается избыточная температура на уровне 2500 °C.
2. С учетом автоматического отключения вентиляции по сигналу АПТ ожидаемое развитие пожара на начальной стадии в объеме помещения происходит в режиме возникновения и опускания притолочного слоя продуктов горения. При рассмотренном консервативном сценарии развития пожара время подъема избыточной температуры до 700 °C и время потери видимости из-за роста концентрации продуктов горения практически совпадают и составляют 90 секунд – на уровне верха дверных проемов c выходами на пути эвакуации; 120 секунд – на уровне головы стоящего человека; 150 секунд – на уровне расположения компьютерных экранов на столах АРМ оперативного персонала. Поскольку персонал оснащен индивидуальными средствами защиты, лимитирующим фактором выполнения функций безопасности на БПУ может считаться потеря видимости.