автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Пожарная безопасность атомных станций

На правах рукописи

Пуцев Дмитрий Игоревич

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ

Специальность 05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность, технические науки, отрасль - электроэнергетика.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 9 Я Н В 2012

Москва 2011

005008266

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательском институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Научный консультант: доктор технических наук, старший

научный сотрудник И.Р.Хасанов

Официальные оппоненты: доктор технических наук

С.Г.Цариченко

доктор технических наук, профессор Н.И.Акинин

доктор технических наук Б.А.Бенецкий

Ведущая организация: «Санкт-Петербургский научно-

исследовательский и проектно-конструкторский институт

«АТОМЭНЕРГОПРОЕКТ»»

Защита диссертации состоится «31» января 2012 г. в "10" час "00" мин. на заседании диссертационного совета ДС 203.003.01 в ФГБУ ВНИИПО МЧС России: 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12. Автореферат разослан,//. исх.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в ФГБУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, с.н.с.

Е.Ю. Сушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

Современный период развития науки и техники характеризуется нарастающими противоречиями между высоким промышленным потенциалом и возможностями его безопасного и эффективного использования. В связи с этим все большее значение приобретает практическое решение задач по снижению опасности возникновения аварий, в том числе и на объектах атомной энергетики.

Относительно высокая вероятность возникновения и развития пожара обусловлена технологическими особенностями процесса производства электроэнергии на атомных станциях (АС). С одной стороны на основных производствах используется большое количество горючих веществ и материалов. Так, удельная пожарная нагрузка в кабельных помещениях реакторов ВВЭР-1000 серии В-320 (Ростовская, Балаковская и Калининская АС) может иметь порядок 20 ООО МДж/м2, в одной системе смазки может находиться до 13 тонн горючего масла в реакторном отделении (система смазки подшипников главных циркуляционных насосов) и до 120 тонн в машинном зале (главный маслобак систем смазки и подъема ротора турбины). С другой стороны чрезвычайно высокая энергонасыщенность производства обуславливает наличие большого числа высокоэнергетических источников зажигания. На реакторах типа БН при работе энергоблока на мощности используется до 180 тонн горючего натриевого теплоносителя (в 1-м контуре радиоактивного), разогретого до температуры выше, чем температура самовозгорания. В этих условиях пролив натрия при разгерметизации оборудования автоматически приводит к пожару.

Оценки пожарной опасности технологических процессов на АС свидетельствуют о том, что пожары могут реально угрожать радиационной и ядерной безопасности. Из выполненных работ по вероятностному анализу безопасности АС следует, что доля риска в общем значении частоты повреждения активной зоны реактора, приходящаяся на пожары, может достигать 50 %. Таким образом, вклад пожаров в частоту повреждения активной зоны может быть на уровне вклада от всех других внутренних причин, вместе взятых.

Развившиеся пожары на АС сопровождаются одновременным возникновением множества отказов по общей причине (самопроизвольных включений, отказов автоматики,

электромеханического оборудования, в том числе систем безопасности), возможные последствия которых с большим трудом поддаются экспертным прогнозам и оценкам. Известны тяжелые пожары и вызванные ими технологические аварии на атомных станциях: "Browns

Ferry" (США - 1975 г.), Greifswald - 1 (ГДР - 1975г.), Белоярская АЭС (блок №2 - 1978 г.), Three Mile Island (США, 1979 г.), Армянская АЭС (блок №1 - 1982 г.), Игналинская АЭС (блок №2 - 1988 г.), Чернобыльская АЭС (блок №2 - 1991 г.) и др.

В ряде случаев из-за пожара были полностью потеряны контроль и управление реакторной установкой. Таким образом, в случае пожара на атомной станции ущерб от вторичных опасных факторов пожара (радиационного заражения) может достигать уровня экологической катастрофы и на порядки превышать непосредственный материальный ущерб от воздействия первичных опасных факторов.

Требования о необходимости проведения оценок и анализов пожарной опасности АС включены в российские и международные стандарты, а работы по обеспечению пожарной безопасности АС признаны важными и приоритетными. В то же время Федеральным законом №123 не определены критерии и подходы к обеспечению безопасности ядерной энергетической установки при пожаре. Разработке научно обоснованных критериев, методов обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомных станций при пожаре посвящена настоящая работа.

Цель дссертационной работы - обеспечение пожарной безопасности атомных станций.

Основные задачи работы:

1. Определить критерии пожарной безопасности АС с учетом надежности, степени резервирования элементов системы безопасного останова, расхолаживании, локализации и контроля радиоактивных выбросов.

2. Разработать алгоритм анализа влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность объекта.

3. В рамках методологии влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность предложить:

- методы моделирования динамики пожара с учетом специфики пожарной опасности, компоновочных, объемно-планировочных и технологических решений объектов;

- методы оценки воздействия опасных факторов пожара (ОФП) на несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений;

- методы оценки воздействия ОФП на различные типы оборудования, важного для безопасности атомной станции.

- методы оценки воздействия ОФП на оперативный персонал, выполняющий задачи безопасного останова, расхолаживания и контроля реакторной установки при пожаре.

4. На основе результатов исследований разработать и реализовать

систему гибкого нормирования противопожарной защиты атомных

станций, в том числе:

- предложить критерии, позволяющие различать сценарии развития пожара по степени влияния на безопасность атомной станции;

- определить последовательность выделения пожарных зон атомной станции;

- предложить методы моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара;

- определить критерии определения работоспособности оборудования АС при пожаре;

- предложить методы обеспечения безопасности оперативного персонала, выполняющего свои функции в процессе и после пожара;

- разработать модель динамики пожара, предназначенную для расчета локальных параметров пожара на атомной станции;

- на основе результатов экспериментальных исследований определить параметры расчетной модели горения кабельных трасс;

- выполнить научное обоснование комплекса противопожарных и технологический мероприятий, позволяющих обеспечить требования пожарной безопасности и условий обеспечения ядерной и радиационной безопасности объекта при пожаре;

- провести расчетные исследования пожарной опасности и разработать комплекс противопожарных мероприятий по защите типичных и специфичных зданий, сооружений и помещений атомных станций.

Объект исследования — пожарная безопасность атомных станций.

Методы исследования.

В работе использовались: теоретический и практический анализ обеспечения безопасности систем и элементов АС при пожаре; проведение работ с использованием системного анализа, расчетно-аналитических методов, теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Установлены критерии обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомной станции при пожаре.

2. Разработана методология проведения комплексного пожарного и технологического анализа влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность АС.

3. Предложены критерии, позволяющие выполнить классификацию пожарных зон по степени влияния на безопасность атомной электростанции.

4. Разработан алгоритм выделения пожарных зон на энергоблоке.

5. Определены область назначения и оптимальные параметры для использования различных категорий методов моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара.

6. На основе систематизации и анализа экспериментальных данных определены критерии оценки работоспособности оборудования АС при воздействии опасных факторов пожара.

7. Разработаны методические подходы к обеспечению безопасности оперативного персонала, выполняющего свои функции в процессе и после пожара.

8. Создана и апробирована полевая модель динамики пожара, предназначенная для проведения расчетов с учетом функциональной пожарной опасности и технологических особенностей атомной электростанции.

9. Выполнен анализ методов решения системы уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре на атомной станции. Предложены методы численного решения смешанной системы нелинейных уравнений гиперболического-параболического-зллиптического в приближении существенно-дозвуковых течений. Определены параметры применяемой явной конечно-разностной схемы, позволяющие обеспечить условия аппроксимации, сходимости, точности и устойчивости численного решения.

10. Проведена серия полномасштабных экспериментов с целью уточнения параметров расчетной модели горения кабельных трасс, изготовленных с применением современных изоляционных материалов

11. Разработано научное обоснование системы нормирования пожарной безопасности атомных электростанций.

Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении системы обеспечения безопасности АС при пожаре.

В результате реализации указанной системы предложен и реализован комплекс противопожарных и технологических мероприятий, необходимый для достижения безопасности российских и ряда зарубежных АС при пожаре. Проведено обоснование требований к огнестойкости противопожарных преград, выделение пожарных зон для атомных электростанций.

Внедрены в практику анализа пожарной безопасности атомных станций методы интегрального и полевого моделирования.

Создана и апробирована полевая модель динамики пожара, оптимизированной для использования с учетом специфики АС, оствлена ее реализация в рамках комплекса программного обеспечения «Fire Dynamics».

Разработаны мероприятия для обеспечения безопасности и работоспособности оперативного персонала атомных станций.

Выполнено исследование пожарной опасности, разработка, реализация общих подходов и конкретных противопожарных мероприятий для защиты типичных зданий, сооружений и помещений действующих и строящихся станций:

- блочного щита управления энергоблоком (БЩУ);

- кабельной шахты и коридора с максимальной пожарной нагрузкой;

- подщитового помещения, в котором расположены кабели

нескольких каналов системы безопасности реакторной установки;

- помещения с маслонаполненным оборудованием;

- резервной дизель-генераторной электростанции;

- помещения систем управления защитой реактора;

- машинного зала;

- внешнего трансформатора.

Выполнены исследования пожарной опасности, разработка и реализация противопожарных мероприятий по защите специфичных для определенных типов энергоблоков сооружений и помещений:

- гермозоны ректоров ВВЭР;

- межоболочного пространства ректоров ВВЭР 4-го поколения;

- помещений I и II контуров охлаждения реакторов БН с натриевым

теплоносителем.

Результаты работы использовались при разработке норм пожарной безопасности НПБ 113-99: «Пожарная безопасность атомных станций. Общие требования».

Разработанная система обеспечения пожарной безопасности АС легла в основу документа, определяющего специфические требования пожарной безопасности свода правил СП 13.13130.2009: «Атомные станции. Требования пожарной безопасности».

Результаты работы использованы при составлении «Рекомендации по планированию, организации и ведению боевых действий подразделениями ГПС при тушении пожаров на АЭС в условиях радиационной аварии».

На основе выполненных научно-технических разработок были предложены и внедрены мероприятия по обеспечению пожарной безопасности действующих АЭС России: Балаковской, Белоярской,

Билибинской, Волгодонской, Калининской, Кольской, Курской, Ленинградской, Ростовской, Нововоронежской и Смоленской; строящихся: Балтийской, Ленинградской АЭС-2, Новорворонежской АЭС-2; новых блоков на действующих атомных станциях; Тяньваньской АЭС в Китае и АЭС «Кудан-кулам» в Индии.

На защиту выносятся следующие результаты диссертации:

1. Исследования области применения общепромышленного и специального подхода к системе обеспечения пожарной безопасности АС.

2. Классификации пожарных зон на основе критериев оценки обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомных электростанций при пожаре.

3. Методология анализа влияния пожара на системы безопасного останова, локализации и контроля радиоактивных выбросов.

4. Алгоритм выделения пожарных зон для энергоблока.

5. Исследования назначения и области применения различных методов моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара при анализе пожарной безопасности объекта.

6. Полевая модель динамики пожара, предназначенная для проведения расчетов с учетом функциональной пожарной опасности и технологических особенностей атомной электростанции.

7. Результаты полномасштабных экспериментов, проведенных с целью уточнения параметров горения кабельных трасс.

8. Методы численного решения системы нелинейных уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре в приближении существенно-дозвуковых течений.

9. Исследования пожарной опасности и комплекс противопожарных мероприятий для защиты типичных и специфичных зданий, сооружений и помещений атомных станций.

10. Система гибкого нормирования пожарной безопасности атомных станций.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением современных расчетно-аналитических методов; анализом большого количества экспериментальных данных о протекании пожара как на АС, так и других промышленных и хозяйственных объектах; применением общенаучных методов исследования.

Обоснованность научных положений подтверждается положительными результатами их апробации.

Публикация и апробация работы.

По результатам диссертации опубликовано 22 работы в научно-технической литературе.

Результаты работ докладывались на:

- Межотраслевой конференции «Теплофизика-91». Обнинск, Физико-энергетический институт, 1993;

- XII научно-практической конференции: «Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ» -Москва, ВНИИПО, 1993;

- XV научно-практической конференции. Проблемы горения и тушения на рубеже веков. Москва, ВНИИПО 1999;

- Международном семинаре: «Методы пожарной опасности российских АЭС», Москва, ВНИИАЭС, 2000;

- Научно-практической конференции по теме «Состояние и перспективы развития противопожарной защиты АЭС», г. Сосновый Бор, 2000 г.;

- XVIII-ой Научно-технической конференции по теме: «Снижение риска гибели людей при пожарах», ВНИИПО МЧС РФ, 2003 г.;

- 8-ой Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства противодействия терроризму», С-Петербург, 2005 г.;

- 4-ой Международной конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2005 г.;

- XXI международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности». Москва, 2009 г.;

- XXII международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности». М., ВНИИПО, 2010 г.;

- Седьмой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», МНТК-2010, Москва, «Концерн Росэнергоатом», 2010 г.

Объем и структура диссертации.

Диссертации состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 356 страницах машинописного текста, содержит 248 рисунков и 23 таблицы, 170 библиографических наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации на основании данных о наличие высокой пожарной нагрузки в зданиях и помещениях основного производственного цикла, наличии высокоэнергетических источников зажигания, пожароуязвимости

элементов систем безопасности атомных станций. С учетом имеющихся данных о пожарах на АС, анализа аварий, вследствие которых были нарушены условия ядерной и радиационной безопасности реакторной установки, определяется практическая значимость работы.

Первая глава: «Обзор современных методов обеспечения пожарной безопасности и методов обеспечения безопасного функционирования АС».

При рассмотрении методов анализа безопасности АС при пожаре отмечено, что для АС, в рамках проектных работ и в процессе эксплуатации проводится общий анализ ядерной и радиационной безопасности, т.е. анализ работоспособности и надежности важных для безопасности станции технологических систем. Разработаны общие критерии и подходы к оценке уровня безопасности энергоблока при выходе из строя различного оборудовании, в том числе элементов системы безопасности (СБ) (А.П.Александров, В.А.Легасов, Н.С.Бабаев, В.А.Сидороенко, Н.Расмуссен, Дж. Гэррик, Д.Вудс). Концепция безопасности основана на создании нескольких независимых каналов системы безопасности. При этом каждый из каналов выполняет, в предусмотренном проектом объеме, все функции безопасности системы. Для обеспечения независимости каналов предусмотрено использование нескольких комплектов технологического оборудования, раздельных систем питания, управления и контроля. В то же время, технологически независимые системы безопасности могут быть выведены из строя вследствие развития одного пожара.

В нормативных документах по безопасности ядерных энергетических объектов не содержатся исчерпывающей методологии, которая бы позволяла корректно определять, какие из систем могут быть повреждены при различных сценариях развития реального пожара.

В старых нормативных документах ядерной энергетики пожарная опасность технологических помещений оценивается по количеству пожарной нагрузки. Требования к пределам огнестойкости конструкций: либо жестко нормированы, либо назначаются на основе «стандартной» температурной зависимости для динамики развития пожара. В реальности параметры пожаров могут в значительной степени не соответствовать упомянутым грубым оценкам пожарной опасности, причем уровень пожарной опасности при таких оценках может быть значительно занижен. Методы оценки пожарозащищенности оборудования, в том числе разных каналов СБ, при размещении в пределах одного помещения не определены в принципе

В связи с этим, в первой главе рассмотрены характеристики различных классов разработанных в настоящее время методов

моделирования развития пожара и оценки его последствий (А.К.Микеев, Н.П.Копылов, И.А.Болодьян, А.Н.Баратов, И.С.Молчадский, Г.И.Смелков). Исходя из характеристик и особенностей указанных методов проводится определение области их применения, значение для анализа безопасности объектов ядерной энергетики.

Важнейшим направлением исследования тепломассообмена при пожаре был и остается физический эксперимент. По характеру основных решаемых задач экспериментальные методы исследований, условно, разделяются на три группы:

- лабораторные методы исследования проводятся на различных установках с целью изучения закономерностей изменения различных параметров с использованием методов частичного моделирования. Эти методы исследования должны обладать высокой степенью точности измерений и повторяемостью процессов исследования. Используя методы частичного подобия, сходимость которых должна быть проверена на лабораторных и полигонных испытаниях, на лабораторных установках получают значения различных величин (скорость выгорания, коэффициент недожога, коэффициент теплообмена и т. д.), которые используются для последующего численного эксперимента;

- полигонные испытания проводятся на различных, специально оборудованных фрагментах, имеющих размеры, близкие к реальным. Эти испытания позволяют производить полное и частичное моделирование процессов тепломассообмена при пожарах. Они главным образом должны использоваться для отработки различных моделей, получения функциональных зависимостей для химических и термогазодинамических параметров;

- натурные испытания производятся на реальных объектах. Учитывая большую трудоемкость и высокую стоимость натурных испытаний, основной задачей при их выполнении должны быть проверка уже отработанных моделей и получение экспериментальных данных для дальнейшего развития моделирования.

Таким образом, в работе сделан вывод о том, что применение экспериментальных методов анализа динамики пожаров в помещениях АС является целесообразным. В то же время, поскольку эмпирические зависимости часто не отражают физической сути описываемых явлений, а являются приближенными, аппроксимирующими эксперимент, такие зависимости следует использовать строго в пределах их достоверности, т.е. в определенных пределах размеров помещений, степени их негерметичности, расположения, величин и физико-химических характеристик пожарной нагрузки.

В тех же случаях, когда эмпирические зависимости (А.И. Яковлев, И.С.Молчадский, С.В.Зотов) обеспечивают необходимую точность и достаточный объем информации о пожаре, их применение является предпочтительным по сравнению с аналитическими методами. В то же время, поскольку имеющийся объем экспериментальных данных по горению различных материалов при различной геометрии помещений, распределении пожарной нагрузки, различных режимов газообмена не является исчерпывающим, для анализа развития пожара необходимо использование различных классов расчетных методов. Применение расчетных методов особенно актуально для исследования пожаров в помещениях АС, поскольку экспериментальные исследования режимов пожаров в больших помещениях с высоким локальным уровнем пожарной нагрузки, характерных для атомных станций, практически не проводились.

Для математического моделирования динамики пожара на АС решающее значение имеют расчетные методы (А.М.Рыжов, И.С.Молчадский, В.Н.Гутов). В то же время, указанная ранее специфика объектов ядерной энергетики, предъявляет высокие требования к достоверности результатов, получаемых методами численного моделирования, и, следовательно, к необходимости анализа большого объема экспериментальных данных для задания используемых в моделях эмпирических параметров и для проверки результатов численных расчетов.

Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления выделения, передачи тепла и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются видом пожарной нагрузки и конструктивно-планировочными характеристиками здания (помещения). В зависимости от того, каким образом описывается изменение параметров состояния при пожаре в помещениях, различаются основные принципа математического моделирования пожаров.

Интегральные (среднеобъемные) расчетные методы используют моделирование на уровне усредненных характеристик или интегральное моделирование применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния (важнейшими из которых являются плотность среды, давление, температура и концентрация компонентов газовой среды).

Практически важные результаты моделирования пожаров на уровне усредненных характеристик можно дать в том случае, когда газовую среду с достаточной степенью достоверности можно считать однородной и, следовательно, отсутствуют значительные градиенты

определяющих параметров, что дает основание описать их среднеобъемными характеристиками (т. е. среднеобъемные и локальные значения параметров мало отличаются между собой). Практически приведенные условия, ограничивающие применение интегрального метода моделирования, означают, что этот метод можно использовать, когда при пожаре в помещении существует хорошее перемешивание продуктов горения и поступающего воздуха, а горение происходит во всем объеме помещения. Такое состояние среды характерно для объемных пожаров в развивающейся, развитой и затухающей стадиях пожара при горении распределенной пожарной нагрузки.

Таким образом, использование сравнительно простого среднеобъемного метода моделирования ограничивается, в основном, степенью достоверности описания газовой среды едиными усредненными параметрами. Поэтому, в случае АС, можно рекомендовать его применение, если на основании экспериментальных данных или расчетов, выполненных с применением более полного описания пожара, например, полевого, можно гарантировать корректность интегральной модели.

Зонные модели основаны на том, что исследуемый объем разбивается на отдельные зоны, для каждой из которых можно использовать интегральные модели. Зоны выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них газовую среду в очаге пожара можно было с достаточной точностью описать усредненными параметрами.

Поскольку разбиение на зоны является условным и динамика процесса горения может приводить к изменению характера пожара, возникают значительные трудности при определении границ зон внутри помещения. Возможность применения конкретной зонной модели, как и в случае использования интегральных моделей, следует обосновывать на основании экспериментов, оценок возможных режимов пожара или расчетов, выполненных с применением более полного описания пожара. При использовании относительно простых (двухзонных) моделей возникают трудности при попытках адаптации к реальной геометрии помещений. Увеличение числа зон в многозонных моделях, помогает описывать реальные характеристики пожара, но приводит к значительному усложнению таких моделей и приближает их по сложности к полевым. В то же время, поскольку разбиение на зоны является условным и не получается, непосредственно, в процессе решения задачи, проблема определения границ зон является сложной для многих зонных моделей.

Наиболее подробно развитие пожара описывается с помощью полевого моделирования.

Основой этого метода являются фундаментальные законы сохранения количества движения, энергии и массы, записанные для элементарных объемов, на которые разбивается рассматриваемая область пространства.

Совместно с условиями однозначности (начальными и граничными условиями) и зависимостями (или моделями) для расчета коэффициентов переноса, метод позволяет наиболее полно описать динамику пожара. В общем случае решение системы уравнения сопряжено с рядом трудностей, главными из которых являются:

- учет сжимаемости среды, что ведет к большим затратам машинного времени, развитию неустойчивых решений для ряда численных методов;

- решение задачи для практических значений линейных размеров и промежутков времени ставит вопросы, связанные с явлениями турбулентного, радиационного переноса и, как следствие, с необходимостью подключения дополнительных уравнений для замыкания усредненных уравнений теплопередачи;

- определение условий однозначности для реальных процессов сопряжено с большими научными трудностями.

Полевое моделирование позволяет, в принципе, получать наиболее исчерпывающую информацию о величинах скоростей, температур, концентраций окислителя и продуктов горения, тепловых потоков в каждой точке пространства и времени. Однако чрезвычайная сложность его практической реализации данного метода не позволяет в настоящее время полностью использовать потенциальные возможности, заложенные в самом методе. Указанная сложность связана с трудностями организации самого численного эксперимента, включающей в себя технические и научные проблемы, а также вопросы моделирования горения, турбулентности и радиационного переноса. Основной отличительной чертой полевого метода моделирования является то, что он позволяет получать локальные значения термодинамических параметров пожара. Следовательно, основной областью практического его применения должны быть задачи, решаемые на основе данных о локальных значениях определяющих параметров в условиях, когда интегральные характеристики не позволяют получать необходимые данные. Это, прежде всего, задачи: оценки безопасного расстояния между взаиморезервирующим оборудованием; моделирование начальной стадии пожара и локального пожара.

Таким образом, в диссертации определена постановка основной задачи об обеспечении безопасности АС при пожаре - разработки методов оценки влияния пожара на ядерную, радиационную

безопасность и подходов к разработке мероприятий для обеспечения безопасности АС при пожаре. В рамках основной задачи определяется область применения, необходимость верификации, адаптации и доработки количественных методов для оценки опасности пожаров на АС.

Вторая глава: «Теоретические основы обеспечения безопасности объектов атомной энергетики при пожарах».

В главе приведена классификация методов обеспечения пожарной безопасности АС, которые, несмотря на специфические критерии и требования к уровню защищенности объекта, в большинстве случаев принципиально не отличается от методов, применяемых в других отраслях промышленности и хозяйства.

Рассмотрены нормативный и аналитический методы обоснования пожарной безопасности АС. Оценена их роль в системе обеспечения безопасности. На основе выполненных оценок сделан вывод о необходимости применения, как нормативного метода, прежде всего для обоснования мероприятий по ограничению прямого материального ущерба, так и аналитического - в том случае, когда выполняется обоснование системы обеспечения ядерной и радиационной безопасности при пожаре.

В качестве основы обоснования системы ядерной и радиационной безопасности предложена комплексная методика анализа влияния пожара на безопасность АС, основанная на выделении пожарных зон на объекте.

Методика регламентирует основные расчетные зависимости оценки пожарной опасности помещений АС, алгоритм анализа размещения систем (элементов) безопасности по пожарным зонам и оценки опасности пожаров для безопасности энергоблока.

Под пожарной зоной понимается помещение (участок помещения), группа помещений, участок промплощадки АС, в пределах которых постоянно или периодически, в том числе при нарушении технологического процесса, находятся (обращаются) горючие вещества и материалы, отделенный от других помещений (участков помещения), групп помещений, участков промплощадки безопасными (предельными) расстояниями или противопожарными преградами (строительными конструкциями), противопожарными дверями, люками, огнезадерживающими клапанами, а также кабельными, трубопроводными и вентиляционными проходками с регламентированными пределами огнестойкости. Полагается, что помещение представляет опасность для ядерной безопасности энергоблока, если пожар в пожарной зоне не позволяет выполнить

остановку и расхолаживание реактора или приводит к нарушению конструктивной целостности барьеров безопасности, предназначенных для удержания радиоактивных веществ и материалов в проектных пределах.

Алгоритм разбиения энергоблока на пожарные зоны представлен на Рис. 1.

С целью проведения анализа пожарной опасности вводится следующая классификация пожарных зон по степени вляния пожара на ядерную и радиационную безопасность АС:

- в данной пожарной зоне находятся элементы всех независимых каналов системы безопасности, она имеет тип 1;

- сугцествует только один канал системы безопасности, все элементы которой расположены за пределами данной пожарной зоны, зона имеет тип 2;

- имеется, как минимум, два канала системы безопасности, все элементы которых расположены за пределами данной пожарной зоны, она имеет тип 3;

- если в зоне отсутствуют элементы системы безопасного останова и расхолаживания энергоблока, но имеются (обращаются) радиоактивные вещества и материалы, зона имеет тип 4.

Исходные данные по АЭС

Переопределение зон

Начальное определение зон (предварительное зонирование)

Определение типа пожарной зоны

Тип зоны 1,2

..........................................................(.........Безоп

Противопожарный анализ внутренних связей (типы 1 -7) для помещений типа 1,2 Расчет безопасных

расстояний для

технологического оборудования разных каналов системы

безопасности

Тип зоны 3,4

Полевая модель динамики дожара,

Оиасн.

"Ч-

I

Противопожарный анализ внешних связей (типы 1 -7) Расчет требований к огнестойкости границ пожарной зоны_

Методы расчета

эквивалентной продолжительности пожара (интегральная, зонная, полевая модель)

■■■(........Ьезон.

Соседняя зона № 1

Соседняя зона №2

Соседняя зона

Заключение об обеспечении пожарной безопасности зоны и исключение из дальнейшего рассмотрения

Рис. 1. Блок-схема алгоритма зонирования.

Для оценки пожарной опасности энергоблока: Производится предварительное определение пожарных зон для энергоблока.

Предварительное разбиение на пожарные зоны выполняется на основе экспертных оценок с использованием исходной информации об энергоблоке. На этой стадии расчеты не производятся. Возможно разбиение с использованием неполной исходной информации. В этом случае недостающая информация учитывается на следующей, расчетной стадии анализа.

Определяется тип каждой пожарной зоны (помещения) по степени влияния на ядерную и радиационную безопасность.

Производится анализ пожарной опасности для зон типа 1 и 2. Для анализа требуются данные о распределении пожарной нагрузки внутри зоны.

Производится анализ пожарной опасности для помещений типа 1 и 2 внутри зоны (при их наличии).

Для этой цели применяются расчетные методы определения параметров пожара в помещении.

Вычисления (расчет локальных значений опасных фактров пожара) для оценки наличия безопасного расстояния между взаимно резервирующим оборудование различных каналов системы безопасности реакторной установки производятся с использованием полевой математической модели динамики пожара в помещении. Расчетные варианты возникновения и развития пожара выбирается в соответствии с двумя схемами:

- если имеются горючие материалы в конструкции одной из систем безопасности, пожар возникает на сегменте расположения данной системы (данного элемента);

- пожар возникает на сегменте, представляющем самую большую пожарную опасность для элементов систем безопасности.

По результатам расчетов принимается, что пожар представляет опасность для систем (элементов) безопасности в том случае, если величины значений опасных факторов пожара превышают максимально допустимые значения для соответствующих видов оборудования или конструкций системы безопасности реакторной установки.

Производится анализ пожарной опасности внутренних (внутри данной зоны) связей типов 1-7.

Для анализа пожарной опасности связей типа 1 -7 применяются те же методы, как и при анализе опасности внешних связей, описанных в следующем параграфе.

В случае обеспечения пожарной безопасности всех внутренних связей данной зоны проводится, как и в случае зоны типа 3, анализ безопасности внешних связей.

Для зон типа 3 строится схема взаимосвязей зон с другими пожарными зонами.

Для этого связи пожарных зон маркируются по типам связей:

1 тип связи - через общие строительные конструкции;

2 тип связи - пространственное разделение;

3 тип связи - через различные проемы (двери, люки, ворота);

4 тип связи - по кабельным линиям;

5 тип связи - по вентиляционным коммуникациям;

6 тип связи - по трубопроводным коммуникациям;

7 тип связи - через соседние помещения с большой пожарной нагрузкой.

Для каждой пожарной зоны определяются вид пожара, по среднеобъемной методике, температурный режим пожара и эквивалентную продолжительность пожара для конкретного вида конструкций. В необходимых случаях применяют более сложные (зонные, полевые) расчетные модели.

В случае, если анализируемая связь не удовлетворяет требованиям по обеспечению пожарной безопасности (нераспространению пожара по этой связи):

- зоны, между которыми возможно распространение пожара объединяются и анализ повторяется, либо;

- разрабатываются рекомендации по обеспечению безопасности данной связи (повышение пределов огнестойкости, создание дополнительных противопожарных барьеров и оснащение системами пожаротушения, уменьшение пожарной нагрузки и т.д.).

Сочетание подходов технологического анализа безопасного останова и расхолаживания РУ, локализации и контроля радиоактивных выбросов с методами пожарного анализа при определении пожарных зон позволяет формализовать и однозначно определить критерии ядерной и радиационной безопасности АС при пожаре. Пожары в зонах типа 1, а, с учетом принятого в ядерной энергетике принципа единичного отказа (необходимости учета единичного дополнительного отказа) в системах станции и в пожарных зонах 2-го типа могут привести к нарушению условий ядерной и радиационной безопасности.

Таким образом, по результатам пожарного анализа создается список пожарных зон, пожар в которых представляет опасность для безопасности энергоблока, т.е. имеющих типы 1 и 2. Для обеспечения безопасности энергоблока разрабатываются комплекс технологических и

противопожарных мероприятий, которые обеспечивают безопасность АС при пожаре.

Анализ безопасности для помещений, содержащих радиоактивные отходы, предполагает анализ возможности распространения опасных факторов пожара за пределы помещений и АС (и вместе с ними - радиоактивных веществ) и полностью эквивалентен анализу пожарной зоны 3-го типа.

Для осуществления приведенного выше алгоритма анализа пожара в помещениях АС необходимо использовать различные методы прогнозирования динамики пожара. Данному вопросу посвящена следующая глава диссертации.

Третья глава: «Методы математического моделирования пожаров на АС»

Эмпирические методики оценки режима динамики пожара в помещении и определения требований к огнестойкости конструкций

На основе многолетнего комплекса работ по исследованию динамики пожара в помещении во ВНИИПО были созданы методики, позволяющие определить вид возможного пожара в помещении, определить температурный режим пожара и выработать требования к необходимому пределу огнестойкости конструкций помещения на основе методов расчета эквивалентной продолжительности пожара.

В зависимости от величины пожарной нагрузки, ее размещения по площади и параметров помещения определяется вид возможного пожара:

-локальный;

- объемный, регулируемый пожарной нагрузкой;

- объемный, регулируемый вентиляцией.

Получаемая в результате расчета эквивалентная продолжительность пожара ?экв. характеризует продолжительность стандартного пожара, последствия от воздействия которого эквивалентны воздействию реального пожара на строительную конструкцию. Эквивалентная продолжительность пожара определяется на основании данных о фактических характеристиках помещения по результатам расчетов с учетом вида пожара и типа ограждающих конструкций, например, зависимость эквивалентной продолжительности пожара от времени пожара для железобетонных и огнезащищенных металлических конструкций покрытия в условиях локальных пожаров приведена на Рис. 2.

и мин

Рис. 2. Зависимость эквивалентной продолжительности пожара от времени пожара для железобетонных и огнезащищенных металлических конструкций покрытия в условиях локальных пожаров для: 1 - Н/луР <1,2; 2-1,5; 3-1,8; 4 - 2,2; 5 - 2,4; 6 - 3,6.

В диссертации отмечено, что описанные методы определения эквивалентной продолжительности пожара для несущих и ограждающих конструкций не нуждаются в доработке для использования на АС и могут быть использованы для определения требований к границам пожарных зон. В работе, также, отмечено, что приведенные методы расчета динамики пожара и требований к огнестойкости строительных конструкций являются достаточно достоверными, отличаются относительно невысокой трудоемкостью при использовании, но имеют ограниченную область применения. Поскольку данные расчетные методы построены на основе результатов экспериментальных исследований, область применимости приведенных зависимостей определяется интервалом варьирования различных параметров в ходе соответствующих экспериментов. Область применения конкретных зависимостей описана в оригинальных работах по исследованию динамики пожара в помещениях.

Метод расчета среднеобъемных параметров пожара в помещении.

Моделирование на уровне усредненных характеристик или интегральное моделирование применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния (важнейшими из которых являются плотность среды, давление, температура и концентрация компонентов газовой среды). Уравнения развития пожара описывают

изменение среднеобъемных параметров состояния во времени. Эти уравнения получены из основных законов физики — закона сохранения массы и первого закона термодинамики. Система дифференциальных уравнений, описывающая развитие пожара, состоит из: уравнений материального баланса (газовоздушной смеси и ее компонент, продуктов горения). Следует отметить, что в коэффициенты данных уравнений включают описание многих физико-химических явлений, протекающих при пожаре: процессы выделения тепла и продуктов горения, конвективный и излучательный теплообмен с конструкциями, оборудованием в помещении, газообмен с окружающей средой или соседними помещениями. Для корректного описания эти процессов в ходе развития пожара необходимо использовать результаты экспериментальных и аналитических работ по исследованию пожара.

Наиболее эффективно интегральный метод моделирования используется для прогнозирования поведения строительных конструкций в условиях пожара, поскольку прогрев конструкций в большинстве случаев наиболее интенсивен в развитой стадии пожара. Проведенные исследования локальных пожаров и начальной стадии пожара позволили определить границы применения интегрального моделирования для решения практических задач пожарной безопасности и, в частности, для исследования устойчивости строительных конструкций в условиях пожара.

Таким образом, методы расчета среднеобъемных параметров пожара рекомендованы в качестве аналитических методов определения требований к границам пожарных зон для АС в тех случаях, когда полуэмпирические расчетные методы не могут быть использованы из-за ограничений их области применения.

Расчет локальных параметров пожара (полевое моделирование)

Для полевого моделирования динамики пожара в работе предложена система уравнений газодинамики и теплообмена в так называемом приближении существенно-дозвуковых течений (СДТ).

Система уравнений имеет следующий вид: уравнение неразрывности газовой смеси др | Э (ри) | д (ру) | д (рм>) _ 0

дх дх ду дг

уравнения движения газовой смеси в проекции на оси координат (записаны для Декартовой системы)

д{ри ) , д(рии - Тхх) д {риу — т ху ) д(рим> - тх, ) Эр

—---[-------1--—--

о1 дх ду дг дх

д{ру) | д {руи - Т ух ) ^ ¿(/7УУ-Г)у) | д{ру\у -Ту2) =

д( дх ду дг ду

Э(ри>) ¿"(РН'М -Г,г) ^(/ОИ'У - г ) -г ) Э/>

—---1-----1---1--=---g

д1 дх ду дг дг

где тензор напряжений г_

( ди1 ди) Л —---

, х,}, к =1,2, 3;

уравнение энергии

дИ | д(и!г) | д(у1г) | д(\у!г) _ 1 )

д1 дх ду дг р

уравнения переноса для различных компонент газовой смеси дС, д{иС() д{уС<) ¿(нС,) .

— + —— + —-+---=--{dlv(J.)-q¡)

от ах с/у аг р

уравнения состояния компонентов газовоздушной смеси

/>=Р(Р*,Т,0) , где:

х,у,г - пространственные координаты;

и,у,\¥ - компоненты скорости газовоздушных потоков в направлении координат х,у,г;

Ре Л I ,Аг - суммарные (молекулярные и турбулентные) коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии, соответственно; р - локальное давление; Р* - среднеобъемное давление; р- плотность среды; Т, Ь - температура и энтальпия;

С; - массовая концентрация соответствующего компонента;

q - удельный тепловой поток;

qv - тепловыделение в единице объема;

^ - удельный массовый поток ¡-го компонента;

^ - скорость образования (поглощения) ¡-го компонента в единице объема.

Уравнения решаются совместно с законами определения диффузионных потоков: ¿7 = -Х^гайТл- Е/г,-/-j¡ = -рВ^гайС^

Для определения турбулентного переноса массы и энергии используется гипотеза турбулентной вязкости Буссинеска. При расчете

распределения коэффициента турбулентной вязкости применяется к-е модель турбулентности. В этой модели распределение коэффициента турбулентной вязкости ц находится на основе решения двух дифференциальных уравнений для кинетической энергии к турбулентности и скорости ее диссипации е:

д{рк) д{риЩ д(р^к) д{риЩ д(^ск

--1---1---1--__--

3. ск до ск ас

д{рё) д{/Х1£) д{/»£) , <?(/М£) _ д

--1---1---1---— ——

с? ск ск да

Р \дс

+-

+-

А

д +—

А

ц^де

+&

+8е

Область применимости системы уравнений СДТ

С точки зрения полноты описания течений многокомпонентных химически реагирующих газовых смесей, сформулированные выше математическая модель СДТ занимаюет промежуточное место между полной системой уравнений и рассмотренными моделями вязкой несжимаемой жидкости Буссинеска. Если обозначить индексом «мах» максимальные значения параметров:

- относительного изменения плотности ер;

- числа Маха М;

- коэффициента гравитационной сжимаемости

р\Ъг)т

гиперзвукровые течения

околозвуковые течения

Рис. 3. Границы применимости различных приближенных моделей существенно дозвуковых течений по величинам квадрата числа Маха, параметра гидростатической сжимаемости.

Область определения существенно-дозвуковых течений приведена на Рис. 3.

Условия однозначности для решения системы уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре

Модель горения

Горение моделировалось при помощи задания эквивалентных тепловых и массовых потоков в очаге горения. Поскольку моделирование реальных химических реакций горения веществ, характерных для АС (машинное масло, топливо, кабели) практически невозможно из-за сложности и недостаточной изученности химических процессов, протекающих при горении указанных веществ, во многих случаях целесообразно не проводить расчета химических реакций. В этом случае для корректной постановки задачи при решении уравнений Навье-Стокса необходимо задать адекватные граничные условия на поверхностях или областях горения, т.е. удельное тепловыделение q и массовые потоки компонент газовоздушной смеси

Для проведения расчетов, как при использовании модели расчета скорости химических реакций, так и при задании эквивалентных горению граничных условий необходима информация о характеристиках химической реакции горении конкретных веществ. Это прежде всего:

— удельная скорость выгорания горючего вещества XV, кг/(м2 с);

— удельная низшая теплота сгорания топлива 0ул", Дж/кг;

— требуемый для сгорания удельный расход окислителя (воздуха,

кислорода) ш и выход компонент продуктов горения гг^, кг/кг.

В ходе работ по расчетам динамики пожаров для АС преимущественно применяется задание эмпирических значений эквивалентных тепловых и массовых потоков в очаге горения. При этом в процессе расчетов используются имеющиеся экспериментальные данные, как о самой скорости выгорания горючего материала, так и о влиянии локальной концентрации окислителя (кислорода), величины падающего теплового потока на скорость выгорания.

Условия на границе газо-воздушной среды

Пограничный слой на границе гозо-воздушной среды и окружающих конструкций рассчитывался на основе эмпирического логарифмического приближения. Для параметров переноса тепла излучением в пограничном слое использовалось приближение оптически тонкого слоя.

Начальные условия

В качестве начальных условий использовались данные о нормальных условиях протекания технологического процесса на АС.

Численный метод решения системы уравнений

Для решения системы уравнений газодинамики и теплообмена применяется явная конечно-разностная схема, основанная на методе конечных объемов. Для описания пространственного распределения неизвестных используется «шахматная» сетка со смещением узлов определения компонент скорости газового потока от центра на границу контрольного объема. Локальные значения давления среды определяются при помощи итерационной процедуры на основе локальной ошибки в уравнении неразрывности.

Четвертая глава: «Экспериментальные исследования, используемые доработки и адаптации методов анализа безопасности АС при пожарах»

Эксперимент по горению кабелей в кабельном тоннеле

Во ВНИИПО была проведена серия экспериментов по развитию пожара в кабельных помещениях, Для верификации математических моделей и программных кодов были выполнены расчеты динамики пожара кабелей и сравнение результатов с данными экспериментов для пожара, возникающего на 8 кабельных трассах. Горение кабельных трасс инициировалось керосином, залитым в противень, размером 0,5x0.5 м, в количестве 10 литров. Были проведены эксперименты для различной пожарной нагрузки кабельных трасс, различных режимов газообмена и вентиляции. Были, также проведены, дополнительные эксперименты с целью выявить влияния горения керосина на динамику развития пожара с целью оценки степени влияния мощности и длительности действия источника зажигания.

Контрольный пример результатов эксперимента по динамике пожара в кабельном тоннеле приводится далее.

Схема экспериментального участка тоннеля приведена на Рис. 4,

Рис. 5.

11620 и

8500

5500

3000

500

2060

2250

Кабельные трассы

Поддон

Рис. 4. Схема участка тоннеля для проведения огневых экспериментов.

0.25 0,25 0.25 0.25 о 25 О 25 1 м

Г Г -г { -г Г -Г—*

. 3 4 3 й 7 22

4 4

13

14

4

15

...... И,

< > ,, < - * > • > <5

^ 18 19

/ / / / / / / / / / / / //

Рис. 5. Распределение термопар над кабельными трасами.

Результаты воздействия пожара на кабели и динамика значений локальных температур при горении в кабельном тоннеле приведено на Рис. 6, Рис. 7.

Рис. 6. Повреждение кабельных трасс после огневых экспериментов в кабельном тоннеле.

Зависимость температуры от времени по длине тонеля при открытом люке и закрытой двер (очаг 500x500 5 литров керосима+0,5 метра кабелей)

900 800 700 600 500 400 ЗОО 200

но 1 □

/ .к

кт \

- % XV» \

гиг - хчх к !

./77/ ' —1 !

—— —

\ \ !. : ! .: .! ГТт"

0 1 2 3 4 5 6 7

12 13 14 15 16 17 18 19

20 21 22 23 24 25 Время, мин

-Ряд1

- Ряд2 РядЗ Ряд4

- Ряд5

- Рядб

-Ряд7

- Ряд8 Ряд 10 Ряд 1 1 Ряд 12 Ряд 13 Ряд 14 Ряд 15 Ряд 16

- Ряд17 Ряд 18 Ряд 1 9 Ряд20 Ряд21 Ряд22

Рис. 7. Результаты измерения избыточной температуры (по данным эксперимента).

В главе, также, приведены результаты натурных экспериментальных исследований по развитию пожара пролива горючей жидкости в машинном зале, воздействию опасных факторов пожара на элементы оборудования систем безопасности атомных станций.

Пятая глава: «Результаты расчетно-аналитических исследований пожаров для типичных помещений и технологических установок АС»

Пожар на БЩУ

В работе приведены исследования динамики пожара на БЩУ 3-го энергоблока Кольской АЭС.

В ходе работ по повышению пожарной безопасности Кольской АЭС был выполнен анализ динамики возможных пожаров на БЩУ и определена возможность и временная последовательность повреждения оборудования и нарушения условий выполнения функции безопасности реакторной установки.

Внутренний объем блочного щита управления приведен на фото, Рис. 8, Рис. 9.

со входа на БЩУ-3 по ряду Б.

Результаты расчетов при горении единичной стойки управления в закрытой от персонала зоне представлены на Рис. 10 - Рис. 14. Поля массовой концентрации продуктов горения через 300 сек. после начала горения.

Рис. 10. Место начала горения. Вид на плане помещения.

Рис. 11. Поля абсолютной температуры через 20 сек. после начала горения, К.

Рис. 12. Поля абсолютной температуры через 60 сек. после начала горения, К.

Рис. 13. Поля абсолютной температуры через 300 сек. после начала горения, К.

эис. 14. Поля массовой концентрации продуктов горения через 300 сек. после начала горения.

Расчеты динамики возможных пожаров и анализ вариантов его развития показали следующее.

1. Наиболее вероятная ситуация развития аварии при возникновении пожара - это тушение пожара на начальной стадии персоналом.

2. В случае, если меры по тушению не привели к успеху (большая начальная мощность источника зажигание, развитие пожара в подпольном пространстве или другом труднодоступном месте и т.д.) длительное горение даже одного шкафа электротехнических устройств приводит к потере БЩУ.

3. Потеря БЩУ происходит, в первую очередь, по причине потери видимости. Время потери видимости для зала составляет ~ 5 мин. для зального помещения, ~ 10 мин. для пожара в защитовом пространстве. Прибытие и начало успешных действий пожарных подразделений при данных сценариях развития пожара маловероятно. Быстрое и эффективное тушение после указанных характерных времен также маловероятно, поэтому большая часть оборудования БЩУ при таком сценарии развития пожара будет потеряно. В то же время уровень избыточной температуры в течении ~ 10 мин. пожара в нижней части невысок и не представляет опасности для персонала и пожарных. В этот период возможно только линейное распространение пожара по кабелям и стойкам, возгораний в различных частях помещения из-за прогрева от продуктов сгорания не произойдет. Возможен выход из строя элементов электротехнических устройств после достижения уровня их расположения прогретым слоем продуктов гореня.

4. В случае, если первичные мероприятия по тушению пожара не привели к успеху, дальнейшие развитие пожара в условиях отсутствия видимости может привести к дальнейшему прогреву и общей вспышке

горючих материалов в помещении через 15-20 минут после начала пожара. В этом случае все оборудование БЩУ будет потеряно. Возможны множественные короткие замыкания и ложные запитки кабелей различного оборудования систем, важных для безопасности. 5. Поскольку за время потери видимости на БЩУ существенного выгорания кислорода не происходит и первым критическим опасным фактором пожара является потеря видимости: рекомендуется изменить схему работы вентиляции. Вытяжная вентиляция не должна отключаться после начала пожара, а должна работать в режиме максимального расхода до момента покидания помещения персоналом.

Пожар на внешнем трансформаторе

Анализ воздействия пожара внешнего трансформатора на конструкции и оборудование АС приводится на основе работ, выполненных 1, 2 энергоблоков Кольской и 4-го энергоблока Новоронежской АЭС. При рассмотренной компоновке, типичной для многих энергоблоков, проводится оценка воздействия опасных факторов пожара на конструкции и оборудование примыкающего к трансформатору машинного зала, Рис. 15.

Рис. 15. Стена машзала в осях 1-7.

Результаты расчетов полей опасных факторов пожара при различных скоростях ветрового потока, направленного в сторону машинного зала представлены на Рис. 16 - Рис. 19.

По результатам анализа были разработаны следующие основные выводы и рекомендации

1. Для ограничения площади возможного пролива (и пожара) рекомендуется создание барьеров по периметру площадки каждого из трансформаторов. Существующие боковые перегородки между трансформаторами могут выполнять функции ограничительных барьеров на соответствующих частях периметров. С целью ограничения излучательного и конвективного термического воздействия на конструкции и оборудования машзала рекомендуется доведение защитного барьера со стороны машинного зала до уровня подводящих шин трансформатора.

2. Огнестойкость ограждающих конструкций выбирается из условия устойчивости конструкций до момента прибытия, развертывания и начала тушения пожарными подразделениями. Для конструкций, изготовленных из железобетона, 2-хсантиметровый защитный слой обеспечивает устойчивость конструкции в течении 0.5 часа при максимальном воздействии пожара пролива трансформаторного масла. Этого времени достаточно для тушения пожара силами, как минимум двух пожарных частей на любой, из анализируемых АС, чем достигается необходимый уровень безопасности.

Создание ограждающих трансформатор конструкций, описанных в п. 1, отвечающих требованию п. 2 по огнестойкости, обеспечивает пожарную безопасность машинных залов при пожарах не внешних трансформаторах, в том числе при отказе системы пожаротушения, и при любых погодных условиях. В этом случае проведение каких-либо дополнительных мероприятий по защите конструкций и оборудования машинных залов от пожара на внешних трансформаторах не требуется.

Рис. 16. Распределение полей абсолютной температуры при установившемся режиме пожара и скорости ветра 5 м/с. Общий вид.

ис. 17. Распределение полей абсолютной температуры при установившемся режиме пожара и скорости ветра 15 м/с. Общий вид.

Рис. 18. Распределение полей абсолютной температуры при установившемся режиме пожара и скорости ветра 10 м/с. Общий вид.

Рис. 19. Распределение полей абсолютной температуры при установившемся режиме пожара и скорости ветра 24 м/с. Общий вид.

В главе также содержатся результаты аналитических исследований и общие рекомендации по защите следующих зданий и помещений атомных станций:

- кабельных помещений;

- помещений с маслонаполненным оборудованием;

- дизель-генераторных станций;

- помещений систем управления защитой реактора (СУЗ);

- машинного зала.

Шестая глава: «Применение результатов исследований для обеспечения безопасности атомных электростанций с различными типами реакторных установок»

В данной главе приведен анализ пожарной безопасности и предложены противопожарные и технологические мероприятия для помещений или групп помещений, специфичных для конкретного вида 1 реактора.

Противопожарная защита гермозоны ректоров ВВЭР

В корпусных реакторах ВВЭР

имеется герметичный объем (ГО) , расположенный внутри корпуса реактора - -внутренне пространство под оболочкой. На

различных типах

реакторов ВВЭР

применяется одинарная или двойная оболочка,

во втором случае имеется группа

помещений в

межоболочном пространстве, Рис. 20. Гермообъем - это группа помещений или отсеков, в основном связанных между собой проемами и входящих в общий

Рис. 20. Разрез здания реактора с двойной объем- Г0 отличается оболочкой. от ДРУГИХ помещений

большим объемом, сложной конфигурацией, наличием высокого уровня локальной пожарной нагрузки от смазочного масла главных циркуляционных насосов (ГЦН) и кабельных трасс систем питания, управления и контроля элементов реакторной установки, наличие оборудования всех систем безопасности реакторной установки. При этом существуют жесткие требования по герметичности оболочки, в том числе и при пожаре, требования по ограничению распространения пожара с цель не допустить повреждение оборудование различных каналов безопасности. С учетом трудности практической реализации активных систем тушения пожара, требований обеспечения ядерной и радиационной безопасности при пожаре, для обеспечения безопасности гермообъема необходимо применять специфические методы анализа и защиты, рассмотренные в настоящем разделе. Методы противопожарной защиты ГО представлены на примере Тяньваньской АЭС в Китае. Общий (герметический) объем гермозоны - 83 637 м3, объем строительных конструкций в гермозоне -14140 м3.

На Рис. 21 - Рис. 23 приведен пример графической информации о пересечении кабельных трасс различных систем безопасности между отметками +8.0 и +16.0. Далее приводятся расчеты безопасного расстояния между кабельными трассами различных каналов системы безопасности на отм.+8 при пожаре.

Рис. 21. Пересечение №2. Рис. 22. Пересечение №2а.

Общий вид.

Расстояния между потоками.

Рис. 23. Вид сверху на расположение кабельных трасс между отметками +8.0 и+16.0

Примеры результатов расчетов полей скоростей и температур при горения кабельных трасс с учетом влияния оболочки и перекрытий гермозоны реактора на структуру газо-воздушных потоков приведены на Рис. 24 - Рис. 26. В случаях получения пульсирующего пламени приведены серии последовательных по времени графиков. На Рис. 26, представлены расчеты обтекания пламенем верхнего короба, защищенного экраном из огнезащитного материала.

Рис. 24. Поле скоростей и Рис. 25. Поле скоростей и

температур при горении всего температур при горении всего 1

кабельного потока. Сечение кабельного потока. Сечение

коробов: 500x200 и 2 короба коробов: 2 короба 500x200 и 2 1

200x100 мм. короба 200x100 мм I

Рис. 26. Динамика газо-воздушных потоков при горении двух нижних горизонтальных кабельных коробов, параллельных оболочке в пространстве между оболочкой и бетонной стеной. Верхний короб защищен горизонтальным огнезащитным экраном, шириной 600 мм. ' Расстояние между коробами - 500 мм. Расстояние от оболочки до стены -1500 мм. Временной интервал - 0,25 с. |

На Рис. 27 показан результат расчета динамики давления в гермообъеме при пожаре пролива смазочного масла главных циркуляционных наносов (ГЦН) на всю площадь отсека ГЦН. Из результатов следует, что повышение давления при пожаре может привести к непреднамеренному срабатыванию спринклерной системы аварийного охлаждения реактора и нарушению проектных условий функционирования реакторной установки.

Давление, Па.

181200,00

168800.00 156400.00 144000.00 131600.00 119200.00 106800.00

0.1 3.5 7.0 10.4 13.9 17.3 20.8

Время, мин.

Рис. 27. Зависимость давления в подоболочном пространстве от времени при площади горения 44 м2.

По результатам анализа режимов горения кабельных трасс и масла главных циркуляционных насосов в гермообъеме были разработаны следующие дополнительные проектные противопожарные мероприятия: | установка огнезащитных конструкций в местах опасного сближения 1 кабельных трасс; применение пассивных устройств тушения проливов ] смазочного масла в отсеках главных циркуляционных насосов. В результате проведенных НИОКР были созданы специальные устройства самотушения проливов горючих жидкостей, осуществляющие тушение в объеме поддона с ячеистой структурой определенной конфигурации. На такие устройства получен патент Российской Федерации.

Исследования пожара на кабельных трассах межоболочного пространства ректоров ВВЭР

Основные задачи исследования - моделирование динамики пожара и разработка мероприятий, которые гарантируют нераспространение пожара между кабельными трассами различных систем безопасности, сохранность оборудования систем безопасности, шлюзов, кабельных, трубопроводных проходок и оболочки реактора при пожаре в межоболочном пространстве. Для расчетов использовалась описанная выше 3-х мерная математическая модель динамики пожара.

Исходные данные об объемно-планировочных решениях в верхней части межоболочного пространства представлены на Рис. 28 , Рис. 29 .

Рис. 28. Вид межоболочного пространства в плане и описание кабельных трасс выше отм.+16.0.

Рис. 29. Вертикальная развертка межоболочного пространства в районе транспортного шлюза.

Рассчитывались параметры пожара при множественном горении кабельных трасс, находящихся в зоне транспортного шлюза. Предполагалось загорание всех кабельных потоков в следствии множественных коротких замыканий и распространения пожара между соседними трассами. Пример результатов расчетов представлен на Рис. 30.

?ис. 30. Распределение полей (пространственные изолинии)

; температуры, К, при установившемся режиме горении.

На основе полученных результатов были сделаны следующие выводы и рекомендации:

1. В результате распространения пожара на участке трасс в межоболочном пространстве, после нескольких минут горения, наступает режим пожара, близкий к стационарному.

2. При пожарах кабелей в верхней части межоболочного , пространства перехода пожара в объемную стадию не происходит из-за , относительно большого объема и высоты помещения, значительной 1 площади (при кольцевой геометрии) и теплопоглощающей способности 1 ограждающих конструкций.

1 3. При горении нескольких кабельных лотков наблюдается , значительное локальное увеличение температуры над горящими I трассами. Особенно значительно повышение температуры над

| вертикальными участками кабельных потоков. Возможны локальные

1

критические воздействия опасных факторов пожара на близлежащие кабели и незащищенные металлические конструкции и оборудование. 4. Как среднеобъемные, так и локальные значения опасных факторов пожара не превышают (в основном значительно ниже) аналогичных значений при «стандартном пожаре». Поскольку характерное время

горения кабельных трасс 1-1.5 часа, проектная степень огнестойкости несущих и ограждающих конструкций,

равная 2 часам, является достаточной для обеспечения нераспространения горения за проектные противопожарные барьеры.

5. Для защиты конструкции транспортного шлюза от воздействия опасных факторов пожара при горении кабельных трасс в межоболочном пространстве предложено

устройство огнезащитного экрана, Рис. 31.

Аналогичный анализ развития пожара и воздействия опасных факторов пожара на конструкции и оборудование выполнялся для нижних, секционированных отсеков межоболочного пространства.

Обеспечение безопасности помещений I и II контуров охлаждения реакторов БН

Приведены результаты расчетных исследований с целью оценки интенсивности локальных воздействий опасных факторов натриевых пожаров на системы и элементы энергоблока БН-800 на Белоярской АС, определения возможности самотушения пожара в следствии выгорания кислорода в объеме горящего помещения. На Рис. 32 - Рис. 34 представлено развитии пожара в трубопроводном коридоре при горении пролива натрия на площади 9 м2.

Рис. 31. Расположение защитного экрана.

Рис. 32. Поля абсолютной температуры после 10 сек. горения на площади 9 м2

Рис. 33. Поля абсолютной температуры после 30 сек. горения на

Рис. 34. Поля абсолютной температуры после 700 сек. горения на площади

9 м2

Выполненные расчеты динами пожара горения проливов теплоносителя на разные площади для помещений различной геометрии при различных условиях работы вентиляции позволили оценить параметры среднего и локального воздействия пожара на окружающие конструкции, времена достижения условий самотушения в объеме в случае герметизации помещений.

На основе выполненных исследований предложен комплекс пожарно-технических и организационных мероприятий для обеспечения противопожарной защиты натриевых помещений I и II контуров охлаждения ректора БН-800, включая: установку поддонов самотушения во всех рассмотренных помещениях; оснащение всех помещений системами дымоудаления при пожаре, выполненной как обеспечивающая безопасность АС; металлическая облицовка всей поверхности стен для предотвращения контакта натрия с бетонными конструкциями; защита всех помещений системами автоматической пожарной сигнализации.

Выводы

В рамках диссертационной работы:

1. Предложены области применения общепромышленного и специального подхода к обеспечению пожарной безопасности АС.

2. Определены критерии, позволяющие оценить условия обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомных станций при пожаре.

3. Разработана методология анализа влияния пожара на системы безопасного останова, локализации и контроля радиоактивных выбросов.

4. Разработана классификация пожарных зон по степени опасности воздействия пожара на системы и элементы АС.

5. Предложен алгоритм выделения пожарных зон для энергоблока с целью достижения условий безопасности объекта.

6. Определена роль и область применения различных методов моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара при анализе пожарной безопасности.

7. Создана и апробирована полевая модель динамики пожара, предназначенная для проведения расчетов с учетом специфики пожарной опасности и технологических особенностей атомной станции.

8. Проведена серия полномасштабных экспериментов с целью уточнения параметров расчетной модели горения кабельных трасс, изготовленных с применением современных изоляционных материалов

9. Выполнен анализ методов решения системы уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре на атомной станции.

Предложены методы численного решения смешанной системы нелинейных уравнений гиперболического-параболического-зллиптического типа в приближении существенно-дозвуковых течений. Определены параметры применяемой явной конечно-разностной схемы, позволяющие обеспечить условия аппроксимации, сходимости, точности и устойчивости.

10. Разработан и верифицирован комплекс программного обеспечения, позволяющий проводить расчеты с использованием полевой модели динамики пожара.

11. Выполнено обоснование подхода к разработке комплекса противопожарных и технологический мероприятий, позволяющих обеспечить требования пожарной безопасности и условий обеспечения ядерной и радиационной безопасности объекта при пожаре.

12. Проведено исследование пожарной опасности и разработан комплекс противопожарных мероприятий по защите типичных и специфичных зданий, сооружений и помещений атомных станций.

13. Разработана и внедрена система гибкого нормирования пожарной безопасности атомных станций.

Основные научные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Кущук В.А., Пуцев Д.И. Расчетное изучение параметров пожара натрия в помещениях I и П-го контуров АЭС с БН. - Доклад на межотраслевой конференции «Теплофизика-91». - Обнинск, Физико-энергетический институт, 1991.

2. Болодьян И.А., Глухов И.С., Пуцев Д.И. Математическое моделирование переноса газо-аэрозольных смесей в объеме помещения. Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ. - Материалы XII научно-практической конференции. - М., ВНИИПО, 1993.

3. Борисов В.Н., Пуцев Д.И., Угорелов В.А. Общие требования к противопожарной защите атомных станций. - Проблемы горения и тушения на рубеже веков. Материалы XV научно-практической конференции. - М., ВНИИПО, 1999.

4. Борисов В.Н., Пуцев Д.И., Угорелов В.А. Методика оценки теплового воздействия пожара на оборудование АЭС. - Проблемы горения и тушения на рубеже веков. Материалы XV научно-практической конференции. - М., ВНИИПО, 1999.

5. Глухов И.С., Пуцев Д.И. Результаты предварительного зонирования 4-го энергоблока Кольской АС. - Материалы международного семинара: «Методы пожарной опасности российских АЭС». - М., ВНИИАЭС, 2000.

6. Пуцев Д.И. Методы, рекомендуемые для дальнейшего анализа пожарной безопасности 4-го энергоблока Кольской АЭС. Краткая характеристика и некоторые результаты применения расчетных методов.

- Материалы международного семинара: «Методы пожарной опасности российских АЭС». - М., ВНИИАЭС, 2000.

7. И.А Болодьян., Н.В.Нигоренко, Д.И. Пуцев, И.В. Терехов. Анализ безопасности энергоблока с реактором ВВЭР-440 при возникновении пожара в машинном зале и кабельных помещениях систем расхолаживания реакторной установки. - Доклад на XVIII-ой Научно-технической конференции по теме: «Снижение риска гибели людей при пожарах». - ВНИИПО МЧС РФ, 2003.

8. И.А Болодьян., Н.В.Нигоренко, Д.И. Пуцев, И.В. Терехов. Анализ безопасности энергоблока АЭС при пожаре на внешнем трансформаторе. Доклад на XVIII-ой Научно-технической конференции по теме: «Снижение риска гибели людей при пожарах». - ВНИИПО МЧС РФ, 2003.

9. И.А. Болодьян, Д.И. Пуцев, H.A. Лобанова. Анализ безопасности кабельных трасс при пожаре в гермозоне реактора проектируемой Тяньваньской АЭС в Китае. - Доклад на XVIII-ой Научно-технической конференции по теме: «Снижение риска гибели людей при пожарах». -ВНИИПО МЧС РФ, 2003.

10. H.A. Лобанова, В.И. Потякин, Д.И. Пуцев. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по созданию устройств самотушения проливов ЛВЖ и ГЖ для использования на АЭС.

- Труды 8-ой Всероссийской научно-практической конференции: «Технические средства противодействия терроризму», том 1. - С-Петербург, 2005 г.

11. H.A. Лобанова, Д.И. Пуцев. Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР при пожаре в контайменте. - Сборник трудов 4-ой Международной конференции: «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». - Подольск, 2005 г.

12. H.A. Лобанова, В.И. Потякин, Д.И. Пуцев. Устройство для самотушения горючих жидкостей на объектах атомной энергетики. -Пожарная безопасность: научно-технический журнал. - 2005, №2.

13. H.A. Лобанова, В.И. Потякин, Д.И. Пуцев. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по созданию устройств самотушения проливов ЛВЖ и ГЖ для использования на АЭС.

- Вопросы оборонной техники: научно-технический журнал. Сер. 16, Технические средства противодействия терроризму, 2005, N 9/10. С.33-3

14. Болодьян И.А., Бородкин А.Н., Карпов A.B., Пуцев Д.И. Развитие полевого метода моделирования пожара в помещениях. - Юбилейный

сборник трудов ФГУ ВНИИПО МЧС России. - М.: ВНИИПО, 2007, с.54-121.

15. Лобанова H.A., Пуцев Д.И., Томилин A.B., Хасанов И.Р. Обеспечение пожарной безопасности энергоблоков АЭС нового поколения. XXI международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы пожарной безопасности". Тезисы докладов - 4.1.

- М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009, с. 105-108.

16. Борисов В.Н. Пуцев Д.И., Томилин A.B. Методика вероятностного анализа безопасности АЭС при пожаре. XXI международная научно-практическая конференция "Актуальные проблемы пожарной безопасности". - Тезисы докладов - 4.1. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009, с.108-111.

17. Борисов В.Н., Пуцев Д.И., Томилин A.B., Хасанов И.Р. Пожарные риски для атомных станций. - Материалы Седьмой международной научно-технической конференции: «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики»» - МНТК-2010, М.: «Концерн Росэнергоатом», 2010.

18. В.Н.Борисов, Д.И.Пуцев, A.B.Томилин. Методика определения пожарных зон, влияющих на безопасность. - Материалы XXII международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности». - М.: ВНИИПО, 2010. С.32-38.

19. В.Н.Борисов, Д.И.Пуцев, А.В.Томилин. Определение частоты возникновения пожара в выбранных пожарных зонах АЭС. Материалы XXII международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности». М.: - ВНИИПО, 2010. С.279-283.

20. Пуцев Д.И. Обеспечение безопасности персонала при пожаре в зоне контролируемого доступа в период проведения планово -профилактического ремонта. Проблемы горения и тушения пожаров. Сборник научных трудов. ДСП. М, 2010, ВНИИПО. С. 218-229.

21. Пуцев Д.И. Специальные требования пожарной безопасности для атомных станций. Пожарная безопасность: научно-технический журнал.

- N 3 - М.: ВНИИПО, 2010. С. 138-140.

22. Дешевых Ю.И., Гилетич А.Н., Комков П.М., Пуцев Д.И., Томилин A.B. Развитие системы нормирования пожарной безопасности атомных станций. - Пожарная безопасность: научно-технический журнал. - N 3-М.: ВНИИПО, 2011. С.66-70.

Заказ № 53 . Подписано в печать Усл. печ. л 1,39. Уч.-изд. л. 1,19. тираж - 100 экз. Типография ФГБУ ВНИИПО МЧС России. 143903, Московская обл., г.Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12