Содержание к диссертации
Введение
2 Обзор методов анализа пожарной опасности помещений АЭС 15
2.1 Методы анализа состояния технологических систем безопасности АЭС 15
2.2 Методы анализа динамики пожара в помещениях..7Z 16
2.2.1 Экспериментальные и полуэмпирические методы определения параметров пожара 16
2.2.2 Методы расчета динамики пожара 21
2.2.2.1 Интегральные методы моделирования 22
2.2.2.2 Зонные модели 26
2.2.2.3 Дифференциальные (полевые) методы 29
2.2.3 Область применения, необходимость верификации, адаптации и доработки количественных методов для оценки опасности пожаров на АС 34
2.3 Выбор направлений исследований 35
3 Методика определения пожарных зон для энергоблока и оценки их опасности для ядерной и радиационной безопасности АЭС 37
3.1 Методы обеспечения безопасности энергоблока при пожаре 37
3.2 Алгоритм разбиения энергоблока на пожарные зоны 41
4 Дифференциальная модель расчета динамики пожара в помещениях атомной станции 52
4.1 Математическая постановка задачи 52
4.1.1 Выбор системы уравнений 54
4.1.1.1 Решение полной системы уравнений Навье-Стокса 54
4.1.1.2 Приближение Буссинеска и модель вязкой несжимаемой жидкости 55
4.1.1.3 Модель существенно дозвуковых течений (СДТ) 57
4.1.2 Моделирование физико-химических процессов, протекающих при пожаре в помещениях АЭС 62
4.1.2.1 Начальные условия 62
4.1.2.2 Граничные условия 62
4.1.2.3 Методы расчета диффузионных потоков 63
4.1.2.4 Модель горения 64
4.1.2.4.1 Моделирование химических реакций горения 64
4.1.2.4.2 Задание эквивалентных тепловых и массовых потоков 65
4.1.2.5 Модель переноса тепла излучением 67
4.2 Выбор конечно-разностной расчетной схемы 68
4.2.1 Требование согласованности численного алгоритма 69
4.2.2 Требование устойчивости численного алгоритма 69
4.2.3 Сходимость решения маршевых задач 69
4.2.4 Анализ существующих численных методов решения задач газодинамики и теплообмена .. 70
4.2.4.1 Характеристики наиболее распространенных методов решения задач газодинамики и теплообмена 71
4.2.4.2 Выбор оптимальной конечно-разностной схемы расчета динамики пожара в помещениях АС .;. 75
4.3 Компьютерная программа для проведения вычислений v 76
4.4 Расчет пожаров в помещениях и сравнение результатов с экспериментальными данными .77
4.4.1 Экспериментальное исследование распространения опасных факторов пожара в здании 78
4.4.2 Сравнение экспериментальных данных и результатов расчетов 80
5 Результаты расчетов динамики пожара в помещениях систем безопасности АЭС 88
5.1 Расчет динамики пожара и определения требуемого предела огнестойкости осаждающих конструкций кабельной шахты (интегральные методы) : 88
5.1.1 Исходные данные по геометрии и пожарной нагрузке помещения. 88
5.1.2 Результаты расчета параметров пожара в помещении 04324 90
5.1.2.1 Герметичное помещение 04324 90
5.1.2.2 Негерметичное помещение 90
5.1.3 Анализ результатов расчета 91
5.2 Результаты расчетов динамики пожара в машинном зале Кольской АЭС (дифференциальная модель пожара) 93
Выводы 98
Список литературы 99
Приложение.
- Методы анализа динамики пожара в помещениях..7Z
- Моделирование физико-химических процессов, протекающих при пожаре в помещениях АЭС
- Анализ существующих численных методов решения задач газодинамики и теплообмена
- Результаты расчета параметров пожара в помещении 04324
Методы анализа динамики пожара в помещениях..7Z
Физический эксперимент позволяет получать необходимую информацию об исследуемом процессе и проверять достоверность разрабатываемых моделей. Экспериментальные методы исследования предназначены для определения различных физических величин и теплофизических коэффициентов с использованием метода подобия. Экспериментальные исследования должны обладать хорошей степенью повторяемости, высокой точностью и достоверностью получаемых результатов. Лабораторные исследования главным образом предназначены для получения и анализа основных закономерностей изменения параметров, определяющих характер развития пожара. Используя частичные методы моделирования, в лабораторных условиях определяются основные законы изменения тепловыделения при пожарах, теплообмена и газообмена очага, которые используются при проведении численных экспериментов с помощью соответствующих моделей и имеют самостоятельное научное значение. Развитые методы математического моделирования пожара поставили новые задачи перед физическим экспериментом. По характеру основных решаемых задач экспериментальные методы исследований разделяются на три группы [21]: 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 термогазодинамических параметров, в том числе и их вероятностных характеристик; натурные испытания производятся на реальных объектах. Учитывая их большую трудоемкость и высокую стоимость, основной задачей при их выполнении должны быть проверка уже отработанных моделей и получение экспериментальных данных для дальнейшего развития моделирования.
В настоящее время накоплен значительный объем экспериментального данных и на их основе выведены эмпирические зависимости для описания теплового режима пожаров в помещениях различного назначения [22], [23] и разработаны методы определения требуемой огнестойкости строительных конструкций и максимального количества пожарной нагрузки [22]., [23], [24], [25]. Специфика АЭС, а именно: большая экологическая опасность объектов, высокая стоимость сооружений и оборудования, непрерывный график практически исключают возможность проведения натурных, испытаний. Полигонные эксперименты по определению параметров пожаров в помещениях атомных станций, обычно имеющих значительные размеры, требуют больших капитальных затрат и в настоящее время практически не проводятся. Применение полуэмпирических зависимостей для расчета динамики среднеобъемной температуры, например, рекомендуется методикой [22]: при пожаре, регулируемом нагрузкой; при пожаре, регулируемом вентиляцией; T, Tmax, Т0 - текущая, максимальная и начальная среднеобъемные температуры, соответственно; l tmax - текущее время и время достижения максимума температуры; : Я Чкр " значения удельной и критической удельной пожарных нагрузок, соответственно. Приведенные зависимости, а также полуэмпирические зависимости для определения средней температуры перекрытий, среднего теплового потока в строительные конструкции, методы определения требуемой огнестойкости и т.д. имеют достаточную степень достоверности (так как они бьши полученны в результате экспериментов), и их применение для анализа динамика пожаров в помещениях АЭС 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 и т.д. Так, например, выражение (2) может употребляться при отношении площадей открытых проемов к площади пола в „пределах 2,5-35 .%,. В тех. же случаях,, когда эмпирические зависимости 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 и т.д. не является исчерпывающим, для анализа развития пожара необходимо использование различных классов расчетных методов. Применение расчетных методов особенно актуально для исследования пожаров в помещениях АЭС, поскольку экспериментальные исследования режимов пожаров в больших помещениях, характерных для атомных станций, практически не проводились. Для математического моделирования динамики пожара на АС решающее значение имеют расчетные методы. 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
Моделирование физико-химических процессов, протекающих при пожаре в помещениях АЭС
Реально протекающие химические процессы горения апроксимируются одноступенчатой химической реакцией горения [53,54]: топливо(ш)+окислитель(ох)=:продукты (рг). При этом предполагается, что скорость протекания процесса горения лимитируются не скоростью протекания самой химической реакции, а скоростью взаимной диффузии компонент, т.е. горение носит явно выраженный диффузионный характер. Массовая скорость выгорания топлива в единице объема рассчитывается по R формуле: С/и, Сох, - массовые концентрации топлива, окислителя и продуктов реакции, соответственно; s - стехиометрическое соотношение реакции; сг - эмпирическая безразмерная константа, равные 2,0 [54].
Требуемые для расчета скорости реакции локальные значения кинетической энергии турбулентности к и скорости ее диссипации є находятся в процессе решения уравнений, входящих в модель турбулентности (п. 4.1.2.3). Плотность определяется на основе уравнения состояния газовой смеси. 4.1.2.4.2 Задание эквивалентных тепловых и массовых потоков Поскольку моделирование реальных химических реакций горения веществ, характерных для АЭС: машинного масла и кабелей практически невозможно из-за сложности и недостаточной изученности химических процессов, происходящих 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 горения т.е. тепловой поток q и массовые потоки компонент газовоздушной смеси jj. Примечание: задание теплового потока и массовых потоков компонент в качестве граничных условий, предусматривает исключение зоны химических реакций из расчетной области, что еозмоэюно только при протекании основных химических реакций вблизи границ расчетной области. Таким образом, указанный подход не применим для расчетов горения при струйном истечении и горении топлива.
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 W, кг/(м2 с); удельная низшая теплота сгорания топлива Qy/, Дж/кг; требуемый для сгорания удельный расход окислителя (воздуха, кислорода) т, кг/кг; линейную скорость распространения пламени Y, м/с. В рамках разработки данной модели расчета пожаров для АЭС предполагается использование эмпирических значений указанных величин [11,55] и т.д. Так, например, используемые для расчета возможного пожара на турбоагрегата 4-го энергоблока Кольской АЭС (п. 5.2) характеристики турбинного масла Т-22 [11]: удельная скорость выгорания горючего вещества W=0,02-0,025 кг/(м2 с); удельная низшая теплота сгорания топлива Qy/=43,800 МДж/кг; В общем случае источниковый член qv в уравнении энергии включает баланс излучаемой и поглощаемой по всем направлениям энергии [56]: qv=KJqs(a)dn-47dn?(T)- . (39), где К - локальный коэффициент излучения-поглощения; L(T) - интегральная излучательная способность абсолютно черного тела; Q. - телесный угол; qs - удельный тепловой поток, переносимый излучением, в направлении s телесного угла Q. При горении характерных для АЭС веществ: машинного масла и оболочки кабелей образуется дым со значительным содержанием сажи. В этом случае дым обладает большой оптической плотностью и основную долю в процессы излучения и поглощения тепла вносят частицы сажи и могут быть приняты следующие допущения: дым можно считать «серым» газом, т.е. спектр излучения газообразных продуктов горения подобен спектру излучения абсолютно черного тела; процесс рассеяние лучистого потока в среде продуктов горения не играет существенного значения при переносе тепла излучением и его можно исключить из рассмотрения. Если принять указанные допущения, для плотности потока излучения можно получить следующую зависимость [57]:
Анализ существующих численных методов решения задач газодинамики и теплообмена
Для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику развития пожара в помещении требуется выбрать метод интегрирования этой системы. Поскольку не существует аналитических методов решения данной системы уравнений в общем виде, необходимо реализовать численные методы решения. Для решения аналогичных систем применяют следующие методы построения их алгебраического аналога: использование разложения решения в ряды Тейлора; аппроксимация решения полиномами; вариационные методы, включая методы взвешенных невязок, в том числе метод контрольного объема; методы конечных элементов; интегральные методы. Результаты построения дискретных аналогов различными методами часто похожи. При этом, вне зависимости от способа построения дискретных аналогов, для достижения корректного решения поставленной задачи должны быть выполнены определенные требования. ,:, 4.2.1 Требование согласованности численного алгоритма Согласованной называется разностная схема, аппроксимирующая исходные уравнения в частных производных, т.е. схема с погрешностью аппроксимации стремящейся к нулю при измельчении временной и пространственных сеток. Это требование безусловно выполняется если погрешность аппроксимаций имеет порядок (Ах, At) или более высокий. 4.2.2 Требование устойчивости численного алгоритма Для последовательного по времени решения исходной системы уравнений, т.е. для решения так называемой маршевой задачи, необходимо обеспечение устойчивости численного алгоритма. Расчетная схема называется устойчивой, если на каждом шаге по маршевой координате любая ошибка (погрешность аппроксимации, ошибки округления и т.д.) не возрастает при переходе от одного шага к другому. 4.2.3
Сходимость решения маршевых задач Выполнение условий устойчивости и согласованности достаточно для сходимости разностной схемы. Под сходимостью решения в данном случае понимают стремление решения алгебраического аналога исходной системы уравнений к действительному решению (для одинаковых начальных и граничных условиях) при измельчении сетки. Для линейных уравнений в частных производных доказана теорема Лакса: «Необходимым и достаточным условием сходимости разностной схемы для решения корректно поставленной задачи с начальными данными для линейного уравнения в частных производных является выполнение условий согласованности и устойчивости». В дальнейшем предполагаем справедливость этой теоремы и для решения системы уравнений динамики пожара в помещении, хотя для нелинейных уравнений в частных производных эта теорема не доказана.
Таким образом, для получения численного решения требуется подобрать численный алгоритм, обладающей необходимыми свойствами согласованности и устойчивости. 4.2.4 Анализ существующих численных методов решения задач газодинамики и теплообмена Существует две категории методов решения маршевых задач: явные и неявные. Явные методы аппроксимируют исходную систему дифференциальных уравнений таким образом, что конвективный и диффузионные чдены рассчитываются с использованием переменных на предыдущих временных слоях и в численный аналог уравнений входят неизвестные переменные только в. _.одной пространственной точке (при вычислении производных по времени). Неявные методы рассчитывают пространственные потоки с использованием переменных на рассчитываемом временном слое. Это позволяет смягчить требования к устойчивости расчетной схеме, но приводит к необходимости решать систему алгебраических уравнений для каждого шага по времени.
Требования к устойчивости явных схем обычно более жесткие, что приводит к значительным ограничениям на шаги по временной координате, но в этом случае не нужно решать систем алгебраических уравнений. В следующем разделе приводятся наиболее распространенные методы решения задач газодинамики и теплообмена и приводится их краткая характеристика. Метод Лакса. Для одномерного уравнения движения газовой среды (17) имеет первый порядок точности, как по времени, так и по пространству (At, Дх), и условие устойчивости Ки=— 1 J Ах Результаты расчета движущегося разрыва представлены на рис. 4-2. Двухшаговый метод Мак-Кормака Метод имеет второй прядок точности решения уравнения Бюргеса как по пространству, так и по времени. Метод Бима-Уорминга Центрированный по времени неявный метод Бима-Уорминга имеет второй «с прядок точности решения уравнения Бюргеса как по пространству, так и по времени. Согласно Биму и Уормингу, неявная разностная схема безусловно устойчива. В то же время для сглаживания возникающих в процессе решения осцилляции необходимо введение явным демпфирующего члена, создающего дополнительную, схемную вязкость. Результаты расчета движущегося вправо разрыва по центрированной по времени неявной разностной схеме показаны на рис.4-4 Очевидно, что решение, полученное по схеме без демпфирования, неприемлемо. При введении в разностную схему демпфирующего члена по формуле получаются существенно лучшие результаты.
Результаты расчета параметров пожара в помещении 04324
Для случая негерметичного помещения (при открытой двери): - среднеобъемная температура в объеме помещения достигает значения 960 С (Рисунок 5-3); - горение продолжается до полного выгорания пожарной нагрузки; 3) В помещении возможно развитие объемного пожара (Рисунок 5-3). Характерная продолжительность объемного пожара составляет: в -герметичном помещении - 45 мин. (Рисунок 5-2), в негерметичном - 86 мин. (Рисунок 5-3) 4) Эквивалентная продолжительность пожара (требуемая огнестойкость конструкций): для герметичного помещения - 1 час, для негерметичного помещения - 3,5 часа Выводы: в случае герметичного помещения температурные нагрузки не представляют опасности для строительных конструкций помещения. В случае пожара при открытой двери тепловые нагрузки значительные, требуемый уровень огнестойкости (эквивалентная продолжительность пожара) составляет 3,5 часа. В этих условиях рекомендуется обеспечить герметизацию помещения для ограничения поступления кислорода в зону горения. Рекомендуется система автоматизации закрытия активных огнепреграждающих элементов. 5.2 Результаты расчетов динамики пожара в машинном зале Кольской АЭС (дифференциальная модель пожара) В качестве примера анализа безопасности энергоблока с использованием дифференциальной модели пожара, приводится расчет параметров пожара при проливе машинного масла на турбоагрегате №8 4-го энергоблока в машинном зале Кольской АС. Основные задачи расчетов: определить возможность и время выхода из строя оборудования систем безопасного расхолаживания реакторной установки, находящегося в машинном зале и примыкающем помещении здания ЭЭТУ; определить возможность и время обрушения несущих конструкций машзала в результате пожара на турбоагрегате.
Расчет проводился с использованием дифференциальной математической модели, реализованной в программном коде "Fire Dynamics". Исходные данные для расчета. горючий материал - турбинное масло Т-22 (теплота сгорания - 34,8 МДж/кг, скорость выгорания - 0,02-0,025 кг/(м2сек); площадь пожара - 60 м2 на отметках 9.6 и 4.0; моделируется реальная геометрия машзала, вентиляционные люки в крыше полностью закрыты; Проведены тестовые расчеты для оценки режимов газодинамики потоков в припотолочных слоях. Геометрия машзала (разрез) приведена на рисунке 5-8: I. характеристики газо-воздушной среды в припотол очном слое, и на основе полученных характеристик, термические нагрузки на конструкциитфовли; П. характеристики газо-воздушной среды в районе смежного помещения ЭЭТУ на отметке 15.6 м и возможность повреждения оборудования систем безопасности (например, стопорных клапанов турбины), находящегося в данном помещении; III. параметры газо-воздушной среды и, на основе полученных данных, воздействие на конструкции в месте примыкания машзала к различным помещениям ЭЭТУ, в том числе БЩУ. На основе анализа результатов расчетов был получен вывод о возможности повреждения оборудования системы безопасности реактора в помещения ЭЭТУ на отметке 15.6 м примерно через 7 мин. после начала пожара и предложены меры для предотвращения указанной ситуации. В настоящей работе: 1.
Разработана методика, предназначенная для комплексного анализа ядерной и радиационной безопасности энергоблока при возникновении пожара на атомной станции. 2. Предложен алгоритм выделения пожарных зон для оборудования систем безопасности энергоблока. 3. Разработана классификация пожарных зон по степени влияния возможного пожара на ядерную и радиационную безопасность. 4. Определена роль различных категорий методов моделирования динамики пожара в анализе обеспечения ядерной и радиационной безопасности. 5. Выработан подход к разработке комплекса противопожарных и технологический мероприятий, позволяющих обеспечить ядерную и радиационную безопасность энергоблока при пожаре. 6. Создана дифференциальная (полевая) модель динамики пожара, оптимизированная для применения в условиях АЭС. 7. Разработан и верифицирован комплекс программного обеспечения "Fire Dynamics", реализующий дифференциальную расчетную модель. Основные результаты работы использовались при разработке норм пожарной безопасности НПБ 113-99: «Пожарная безопасность атомных станций. Общие требования» [18]. Результаты работы вошли в руководство по анализу безопасности концерна Росэнергоатом для российских АЭС [19]. На основе выполненных расчетов были разработаны мероприятия по повышению уровня противопожарной защиты Кольской, Болаковской и др, российских АЭС, Тяньванской АЭС в Китае.
