Prognozowanie procesu emisji wodoru z obudowy turbogeneratora z powstawaniem palnych mieszanin wodorowo-powietrznych i spalaniem pochodni

Andrzej Tarnavskyi; Roman Veselivskyy; Anna Panasiuk

Tytuły

Abstrakt

Działanie turbogeneratorów elektrowni jądrowych i cieplnych towarzyszy wydzielanie ciepła, które przyczynia siędo nagrzania części składowych generatora i może doprowadzićdo sytuacji awaryjnej (pożar). W związku z tym, że turbogeneratory pracujądługo, ważnąrolęodgrywa proces ciągłego chłodzenia urządzeńgeneratora, ponieważjego przegrzanie może prowadzićdo awaryjnych reakcji łańcuchowych, pożarów, eksplozji itp. Analiza danych statystycznych dotyczących występowania sytuacji awaryjnych (pożarów) związanych z wyciekami wodoru z urządzeńtechnologicznych wskazuje na niewystarczające kwalifikacje operacyjnego personelu operacyjnego, niskąjakośćnaprawy sprzętu, błędy personelu naprawczego i naruszenie przez niego wymagańtechnicznych dotyczących naprawy sprzętu i ich systemów, wady konstrukcyjne urządzeńi systemów zapewniających jego działanie. Ustalono, że przyczynami sytuacji awaryjnych są: wyciek wodoru na skutek nieszczelności urządzeń, samozapłon wodoru, obecnośćprzestrzeni powietrznej w wyposażeniu turbogeneratora, naruszenie przepisów technologicznych, zanieczyszczenie wodoru wilgociąi zanieczyszczenia, rozhermetyzowanie korpusu generatora. Modelowanie procesu spalania wodoru podczas jego uwalniania z obudowy turbogeneratora przeprowadzono na przykładzie maszynowni elektrowni. Badania wykazały, że najdłuższy czas spalania wodoru nastąpi przy jego wypływaniu przez otwory o wielkości geometrycznej d0 z zakresu 0,05–0,1 m (50–100 mm). Przy większych wartościach wielkości geometrycznej otworu d0 > 0,1 m czas spalania wodoru jest nieznaczny, a przy wartościach d0 < 0,005 m długośćpalnika płomieniowego L nie przekracza 1,15 m. Wyniki przeprowadzonych badańpotwierdzają, że w wyniku uszkodzenia turbogeneratora może nastąpićspalenie wodoru w postaci płomienia pochodni. W obliczeniach ustalono potrzebęochrony przeciwpożarowej nośnych konstrukcji metalowych maszynowni, aby zapewnićgranicęodporności ogniowej co najmniej 45 minut pod krzywąwęglowodorów.

Predicting the process of hydrogen emission from the turbogenerator housing with the formation of flammable hydrogen-air mixtures and flare combustion

The operation of turbogenerators of nuclear and thermal power plants is accompanied by the release of heat, which contributes to the heating of generator components and can lead to an emergency situation (fire). Since As turbogenerators operate for long periods of time, the process of continuous cooling of generator equipment plays an important role, as its overheating can lead to emergency chain reactions, fires, explosions, etc. Analysis of statistical data on the occurrence of emergency situations (fires) related to hydrogen leaks from process equipment indicates insufficient operational qualifications of operational personnel, poor quality of equipment repair, errors of repair personnel and their violation of technical requirements for repairing equipment and their systems, design defects in equipment and systems that ensure its operation. It has been established that the causes of emergency situations are: hydrogen leakage due to leaks in equipment, spontaneous ignition of hydrogen, the presence of air space in turbogenerator equipment, violation of technological regulations, contamination of hydrogen with moisture and pollution, unhermetization of the generator body. Modeling of the hydrogen combustion process during its release from the casing of a turbine-generator was carried out using the example of a power plant engine room. The study showed that the longest hydrogen combustion time will occur when hydrogen is released through holes with geometric size d0 in the range of 0.05--0.1 m (50--100 mm). At larger values of the geometric size of the hole d0 > 0.1 m, the hydrogen burning time is insignificant, and at values of d0 < 0.005 m, the length of the flame burner L does not exceed 1.15 m. The results of the study confirm that hydrogen flame torch combustion can occur as a result of turbogenerator failure. The calculations established the need for fire protection of the supporting metal structures of the engine room to ensure a fire resistance limit of at least 45 minutes under the hydrocarbon curve.

Słowa kluczowe

wodór, turbogenerator, maszynownia, olej turbinowy, eksplozja, ogień, palnik płomieniowy, zapobiegawcze środki bezpieczeństwa

hydrogen, turbo generator, engine room, turbine oil, explosion, fire, a torch of flame, preventive safety measures

Bibliografia

Abe, S. (2015). The response of the plant owner/operator (TEPCO) to the Fukushima nuclear power plant accident. W: The 2011 Fukushima Nuclear Power Plant Accident (s. 119–134). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100118-9.00004-8.

Balitskii, A., Semerak, M., Balitska, V., Subota, A., Eliasz, J., & VusО. (2018). Analiza bezpieczeństwa przeciwpożarowego i wodnego hal turbogeneratorow na blokach energetycznych elektrowni. Bezpieczeństwo przeciwpożarowe, 21, 13–18.

Bardyk, E., Lukash, M. (2008). Część elektryczna stacji i podstacji. Generatory synchroniczne: przewodnik po studiach. Kijow: NTUU “KPI”.

Bezpieczeństwo przeciwpożarowe. Bezpieczeństwo wybuchowe. Informator (1987). Moskwa: Chemia.

Cechy konstrukcji turbogeneratorow. Pobrane z: http://leg.co.ua/info/elektricheskie-mashiny/osobennosti-konstrukciy-turbogeneratorov.html.

Filatov, A. (1983). Eliminacja wypadków w głównych obwodach stacji elektrycznych i podstacji. Moskwa: Energoatomizdat.

Gakal, P., Ovsiannykova, O., Przybysz, J., Tretiak, O. (2017). Metoda wyznaczania rozkładu temperatur w uzwojeniu wirnika chłodzonego bezpośrednio wodorem. Przegląd Elektrotechniczny, 2, 43–47.

Gruboy, O., Kobzar, K., Cheremisov, I., Khaymovich, L., Bogdanov, O., Gladky, V. (2009). Tworzenie nowych typow i sposobow modernizacji eksploatacyjnych turbogeneratorow dla elektrowni cieplnych: w książce. Energia cieplna – nowe wyzwania czasu. Lwów: NVF Ukraińskie Technologie, 209–225.

Hanane, D., Roberto, S., Chiara, B., Ahmed, O. (2018). Hydrogen Infrastructure for Energy Applications. Academic Press, 153–156. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812036-1.09995-9.

Iwanow, A. (2016). Korozja pustych przewodow miedzianych w układach bezpośredniego chłodzenia wodą uzwojeń turbingeneratora. Universum: Technical Sciences, 11(32). http://7universum.com/ru/tech/archive/item/3943

Kempsell, I.D., et al. (2001). Hydrogen Explosions – an Example of Hazard Avoidance and Control. IChemE, Symp. Series, 148, 523–539.

Kobzar, K., Tretiak, O., Ovsiannykova, O., Poliienko, V., Gakal P. (2018). Designing of high power turbogenerators. Vestnik KazNRTY, 4(128), 164–169.

Lewis, P.R. (2016). Chapter 5. W: Small Containers, Materials, Forensic Polymer Engineering (Second Edition) (s. 147–190). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101055-6.00005-7

Machinery and Energy Systems for the Hydrogen Economy (2022), Elsevier, 650. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90394-3.09990-2.

Maughan, C., Svoboda, M. (2016) Water-cooled stator windings copper oxide issues. Electrical Insulation Conference (EIC), Montreal, Qc, Canada, 145–150.

Olkhovyk, Yu.O., Antonov, A., Denysenko, I., Veselivskyi, R. (2021). Niektore cechy pochowku jedynego związku bitumicznego elektrowni jądrowej Rowne. Nauki o środowisku: czasopismo naukowe i praktyczne, 3(36), 69–72.

Samorodow, Yu. (2014). Przyczyny i skutki wypadkow i awarii turbogeneratorow. Unified Grid Energy, 2(13), 70–80.

Semerak, M., Kovalishyn, V., Dominik, A., Kyrylow, Y. (2011). Opor cieplny konstrukcji maszynowni elektrowni jądrowej. Bezpieczeństwo przeciwpożarowe, 7–12.

Semerak, M., Subota, A., Zhelyak, V. (2013) Modelowanie parametrow termogazodynamicznych strumienia wodoru w przypadku rozszczelnienia korpusu turbogeneratora elektrowni. Biuletyn Lwowskiego Państwowego Uniwersytetu Bezpieczeństwa Życia, 7, 225–229.

Semichaevskii, C., Svirskyi, V., Alimov, B., Stylyk, I. (2021). O zagrożeniu pożarowym maszynowni przedsiębiorstw energetycznych. Notatki naukowe Narodowego Uniwersytetu Tauriyya im. V.I. Seria Wernadsky: Nauki techniczne, 32(71), 6.

Tarnavskyi, A. (2023). Emergency situations of turbogenerators of thermal electric plants and ways of preventing them. W: Challenges and threats to critical infrastructure (s. 31–35). Detroit: NGO Institute for Cyberspace Research.

Tretyak, A., Kovriga, A., Repetenko, M., Nurmetov, R. (2019). Badanie stanu termicznego hydroeratora typu parasolowego metodami CAE. Biuletyn NTU „KhPI”. Seria: Procesy i instalacje w energetyce i ciepłownictwie, 3(1328), 42–46.

Wenyao Li, Ruohan Cao, Lining Xu, Lijie Qiao. (2021). The role of hydrogen in the corrosion and cracking of steels – a review. Elsevier, 23–32. https://doi.org/10.1016/j.corcom.2021.10.005.

Xuefeng Lyu, Shuai Liu, Ke Ji, Yang Feng, Shengfei Wang, Zhichao Huang. (2020). Research on hydrogen risk and hydrogen control system in marine nuclear reactor. Annals of Nuclear Energy, 141. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2020.107373.

Xuefeng Lyu, Zeyun Xun, Ke Ji, Xiaobo Lee, Shengfei Wang, Yu Yu, Long Chen. (2018). Analysis on hydrogen control system in AP1000 NPP. Annals of Nuclear Energy, 113, 279–285. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2017.11.031.

Zhuk M., Ilchyshyn Ya. (2021). Systemy wczesnego wykrywania sytuacji awaryjnych w obiektach wysokiego ryzyka. Materiały Ogólnoukraińskiej konferencji naukowo-praktycznej podchorążych i studentów „Nauka o obronie cywilnej sposobem na rozwój młodych naukowców” (s. 278–279). Czerkasy: Czerkaski Instytut Bezpieczeństwa Pożarowego im. Narodowego Centrum Bohaterow Czarnobyla Ukrainy.

Zuettel, A. (2003). Materials for hydrogen storage. Mater Today, 24–33.

Normy i wytyczne

Departamentowe standardy budowlane Ukrainy VBN V.1.11-034-2003. Normy ochrony przeciwpożarowej przy projektowaniu elektrowni jądrowych z reaktorami wodno-wodnymi.

Zarządzenie Ministra Energetyki i Przemysłu Węglowego Ukrainy z dnia 26 września 2018 r. nr 491. Zasady bezpieczeństwa pożarowego w firmach, przedsiębiorstwach i organizacjach sektora energetycznego Ukrainy.

Zarządzenie Państwowego Komitetu Ukrainy w sprawie nadzoru ochrony pracy z dnia 6 października 1997 r. Zasady bezpiecznej eksploatacji instalacji elektrycznych.

Informacje

Informacje: Ochrona ludności i dziedzictwa kulturowego, 2023, 3/2023, s. 109 - 129

DOI: https://doi.org/10.4467/29563763.OLDK.23.016.19139

Typ artykułu: Oryginalny artykuł naukowy

Tytuły:

Polski:

Prognozowanie procesu emisji wodoru z obudowy turbogeneratora z powstawaniem palnych mieszanin wodorowo-powietrznych i spalaniem pochodni

Angielski:

Predicting the process of hydrogen emission from the turbogenerator housing with the formation of flammable hydrogen-air mixtures and flare combustion