Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon

Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Bestemmelse av
trykkforhold ved oljedamp
sekundæreksplosjon
– Metodikk og eksempler
Francesco Chillè
Arnt-Lennard Fuglestad
GexCon Italy
francesco@gexcon.com
GexCon Italy
arntl@gexcon.com
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
1
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Oversikt
• Teoretisk bakgrunn for transformatoreksplosjoner
• Primæreksplosjoner
• Sekondæreksplosjoner
• Risikoanalyse for transformatoreksplosjoner vha. FLACS
• Eksempler fra prosjektarbeid
• Blaafalli III
• Blaafalli Vik
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
2
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Risikoanalyse for eksplosjoner av oljefylte
komponenter
Flere mekanismer bidrar til
å skape en
sekundæreksplosjon.
Disse kan deles inn i:
• elektriske faktorer
• kjemiske faktorer
• fysiske faktorer
• mekaniske faktorer
Det er altså nødvendig å bruke en metodikk fra mange
faglige disipliner for å kunne beskrive et slikt scenarie.
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
3
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Bestemmelse av elektriske feilscenarier
Lysbueenergi defineres som:
Pyrolysis
reaction
Der:
i
L
n
t
er lysbuestrømmen
er lysbuelengden
er antall lysbuer
er varigheten av lysbuen
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
Electric
arc
4
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Scenarier for sekundæreksplosjoner
HV 1
HV 2
Gen
Arcs
HV 1
HV 2
Gen
L
(mm)
200
300
400
200
300
400
50
75
100
Probability
L
t=80 t=150 t=240
(mm) ms
ms
ms
200 9.0% 3.0% 0.4%
300 12.0% 4.5% 0.7%
400 7.5% 2.2% 0.3%
200 7.5% 1.5% 0.3%
300 10.5% 2.2% 0.4%
400 6.0% 1.8% 0.1%
50
7.5% 2.2% 0.3%
75 10.5% 3.0% 0.4%
100 4.5% 1.5% 0.1%
Energy exceedance curve
1.00E-02
Prob
1.49E-06
4.48E-06
1.79E-05
1.49E-06
2.99E-06
2.24E-05
4.48E-06
2.99E-06
1.49E-05
5.98E-05
1.49E-05
7.47E-06
2.99E-06
2.99E-05
2.24E-05
0.000105
4.48E-06
4.48E-05
4.48E-05
2.24E-05
7.47E-05
7.47E-05
0.000105
2.99E-05
0.00012
7.47E-05
8.97E-05
Energy
101.7898
76.23209
65.49155
63.45158
50.67437
49.04772
47.31012
42.85886
39.96863
34.92432
32.60389
32.09772
31.16867
29.80101
28.47459
26.15541
21.33658
21.32509
20.18347
19.63338
17.3865
16.43498
15.04899
14.1756
12.30843
9.914517
8.181881
SProb
1.49E-06
5.98E-06
2.39E-05
2.54E-05
2.84E-05
5.08E-05
5.53E-05
5.83E-05
7.32E-05
1.33E-04
1.48E-04
1.55E-04
1.58E-04
1.88E-04
2.11E-04
3.15E-04
3.20E-04
3.65E-04
4.10E-04
4.32E-04
5.07E-04
5.81E-04
6.86E-04
7.16E-04
8.36E-04
9.10E-04
1.00E-03
1.00E-03
Frequency (%)
Arcs
Arc energy
t=80 t=150 t=240
ms
ms
ms
8.2
14.2 21.3
12.3 21.3 32.1
16.4 28.5 42.9
17.4 32.6 50.7
26.2 49.0 76.2
34.9 65.5 101.8
9.9
19.6 31.2
15.0 29.8 47.3
20.2 40.0 63.5
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
1.00E-04
1.00E-05
1.00E-06
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Arc Energy (MJ)
Arc Energy Classes
class
1
2
3
4
MJ
25.5
51
76.5
102
Probability
6.85E-04
2.90E-04
2.39E-05
1.49E-06
5
110
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Scenarier for sekundæreksplosjoner
Definisjon av oljetåkeklasser og tilhørende frekvenser
• Oljetåkeklasser defineres som en mengde oljetåke som
har n ganger så mye forbrenningsenergi som den
spaltede gassen.
• Frekvensene til oljetåkeklassene blir også definert som
en funksjon av energiklasser
Oil Mist Class
Probability (%)
Arc Energy
Class
Oil Mist Classes
class oil x
oil mist fraction
1
1
20.2
3
3
60.6
7
7
141.5
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
1
2
3
4
1
45%
35%
25%
20%
Oil Mist Class
3
35%
40%
40%
35%
7
20%
25%
35%
45%
6
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
CFD-eksplosjonsanalyser
For å kunne modellere hvordan overtrykk og flammer brer seg
gjennom et anlegg, er det viktig å ha en god 3D modell av
trafocellen med alle tilhørende volumer og ventilasjonsveger
korrekt representert.
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
7
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
CFD-eksplosjonsanalyser
Etter at
geometrimodellen er
laget, defineres de
sekundære
eksplosjonsscenariene
på grunnlag av
gassammensetning,
størrelse av gassky og
plassering av
tennpunkt
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
8
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
CFD-eksplosjonsanalyser
Numeriske CFD-analyser blir utført for å beregne hvordan
flammer og trykk forplanter seg, for hvert av
eksplosjonsscenariene. Til dette formålet brukes den
numeriske programvaren FLACS.
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
9
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Bestemmelse av designlaster
Bruk av exceedancekurver for design og vurderinger
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
10
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Bestemmelse av designlaster
Bruk av exceedancekurver for optimalisering av Layout
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
11
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Bestemmelse av designlaster
Denne metoden gjør det mulig å si noe om hvilket trykknivå
vi kan forvente som følge av en trafoeksplosjon i et gitt
anlegg.
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
12
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Oversikt Eksempeltilfeller
• Blaafalli III
• Exceedancekurver brukes til å sammenligne ulike
løsninger for å ventilere trykket
• Blaafalli Vik
• Sensitivitet for hvordan usikkerhet i elektriske parametre
påvirker resultater
• Trykkseksjonering
• Sensitivitet for åpningstrykket til trafoporten
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
13
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
• Blaafalli III
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
14
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
• Blaafalli III
• Vannkraftverk med to generatorer
• Transformatorcellene befinner seg rett under gulvet i
maskinsalen
• Det har blitt utført simuleringer med to forskjellige typer
luker over transformatorcellene
• Layout A, tung luke, betongelement
• Layout B, lett luke, stålplate
• Det har blitt utført simuleringer med tre forskjellige
lysbueenergiklasser og tre oljetåkeklasser
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
15
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III geometri
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
17
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III, trykk vs. tid i transformatorcellen
Layout A, tung luke
Layout B, lett luke
ØKENDE
LYSBUEENERGI
- Lav andel oljetåke
- Middels andel oljetåke
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
- Høy andel oljetåke
19
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III, trykk vs. tid i maskinsalen
Layout A, tung luke
Layout B, lett luke
ØKENDE
LYSBUEENERGI
- Lav andel oljetåke
- Middels andel oljetåke
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
- Høy andel oljetåke
20
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Hvis vi kombinerer resultatene fra eksplosjonssimuleringene med
de estimerte sannsynlighetene for de elektriske feilscenariene får vi:
• Exceedancekurver for eksplosjonstrykket
• Disse kurvene kan beregnes for:
• Forskjellige mål inne i anlegget
• Ulike løsninger for å ventilere trykket, som i dette
tilfellet vil si forskjellige typer luker over trafocellene
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
21
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III, exceedancekurver for trykk i trafocellen, simuleringer
med tunge og lette luker
Pressure/frequency curve
Monitoring Panels
Transformer Cells
1.0E-03
A Cell 1, Wall 1
Frequency [per year]
B Cell 1, Wall 1
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
Pressure [barg]
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
22
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III, exceedancekurver for trykk i maskinsalen, simuleringer
med tunge og lette luker
Pressure/frequency curve
Monitoring Panels
Main Gallery
1.0E-03
A Floor Main Gallery
Frequency [per year]
B Floor Main Gallery
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
Pressure [barg]
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
23
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli III, resultater fra exceedancekurver for trykk oppsummert i
en tabell :
Worst case DAL
[barg]
Layout A Layout B Layout A Layout B Layout A Layout B
0.32
0.12
0.80
0.19
1.28
0.28
0.02
0.03
0.25
0.14
0.28
0.18
0.05
0.03
0.26
0.13
0.35
0.18
10-04 DAL [barg]
Target
Transformer Cell no. 1
Transformer Cell no. 2
Main Gallery
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
10-05 DAL [barg]
25
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle I
Blaafalli IIII Konklusjon:
• Det har blitt utført simuleringer med to ulike løsninger for å
ventilere trykket
• Layout A, tung luke, betongelement
• Layout B, lett luke, stålplate
• Resultateme fra simuleringene viser at de lette lukene
(layout B) gir mindre trykk i både trafocellen og i
maskinsalen
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
26
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, vannkraftverk
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
27
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, vannkraftverk
•
Formålet med studien var å forsikre seg om at
trykkseksjoneringen er slik at:
•
•
Eksplosjoner opp til 1,0 bar begrenses til trafocellen
•
Alle eksplosjoner begrenses til trafogangen
Det har blitt utført simuleringer med to forskjellige åpningstrykk
for porten til trafocellen
•
•
Layout A, påpning = 1,0 bar, iht. prosjektbeskrivelse
•
Layout B, påpning = 0,2 bar, sensitivitet
Det har blitt utført simuleringer med fire forskjellige
lysbueenergier og tre forskjellige oljetåkeklasser
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
28
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik geometri
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
29
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, vannkraftverk
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
31
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, elektriske feilscenarier
•
Følgende data har blitt brukt for å beregne de elektriske
feilscenariene og de tilhørende sannsynligheter:
•
Frekvensen til en alvorlig transformatorfeil
•
Sannsynlighet for elektrisk feil på lavspent og høyspent side
•
Pålitelighet effektbryter, pålitelighet til generatorbryter
•
Lysbuens varighet
•
Lysbuelengde
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
32
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, elektriske feilscenarier
•
Elektriske feilscenarier med tre forskjellige lysbuelengder har blitt
vurdert
•
Lavspent side: 150 mm, 200 mm and 250 mm
•
Høyspent side: 210 mm, 310 mm and 410 mm
•
Den partielle sannsynligheten til disse lysbuelengdene er ikke kjent
•
En sensitivitetsstudie har blitt utført
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
33
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, elektriske feilscenarier
•
Et sensitivitetsstudie har blitt utført
•
sannsynligheten til den lengste lysbuelengden er lik 100% av
sannsynligheten til den korteste lysbuelengden
•
sannsynligheten til den lengste lysbuelengden er lik 70% av
sannsynligheten til den korteste lysbuelengden
•
sannsynligheten til den lengste lysbuelengden er lik 50% av
sannsynligheten til den korteste lysbuelengden
•
sannsynligheten til den lengste lysbuelengden er lik 20% av
sannsynligheten til den korteste lysbuelengden
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
34
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, elektriske feilscenarier
Fault
Arc energy [MJ]
Arc at LV without breaker fault. Arc Voltage 375 V
Arc at LV with fault in Generator breaker. Arc Voltage 375 V
Arc at LV with fault in Circuit Breaker 300BT1E. Arc Voltage 375 V
Arc at LV without switch failure. Arc Voltage 500 V
Arc at LV with the failure of the generator breaker. Arc voltage 500 V
Arc at LV with the failure of the circuit breaker 300BT1E. Arc voltage 500 V
Arc at LV without switch failure arc voltage 625 Volt
Arc at LV with the failure of the generator breaker. Arc voltage 625 V
Arc at LV with the failure of the circuit breaker 300BT1E. Arc voltage 625 V
Arc at HV side without switch failure. Arc voltage 525 V
Arc at HV side of the failure of the generator switch. Arc voltage 525 V
Arc at HV side of the failure of the circuit breaker 300BT1E. Arc voltage 525 V
Arc at HV side without switch failure. Arc voltage 775 V
Arc at HV side of the failure of Generator switch. Arc voltage 775 V
Arc at HV with the failure of the circuit breaker 300BT1E. Arc voltage 775 V
Arc at HV side without switch failure. Arc voltage 1025 V
Arc at HV side of the failure of Generator switch. Arc voltage 1025 V
Arc at HV side of the failure of the circuit breaker 300BT1E. Arc voltage 1025 V
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
10,4
130,8
20,9
13,9
174,5
27,8
17,4
218,1
34,8
2,1
31,7
4,3
3,1
46,8
8,3
4,2
61,8
8,3
35
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, elektriske feilscenarier
Exceedancekurver for
lysbueenergi,
med sensitivitet
for forskjellige
sannsynligheter
av
lysbuelengder
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
36
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, exceedancekurver for trykk i trafocellen, to forskjellige
åpningstrykk for trafoporten
1.0E-02
Layout A,Transformer cell 100%
Layout A, Transformer cell 20%
Layout B, Transformer cell 100%
Layout B, Transformer cell 20%
Frequency [per year]
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
Pressure [barg]
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
37
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik, exceedancekurver for trykk i trafogangen, to
forskjellige åpningstrykk for trafoporten
1.0E-02
Layout A, Right wall, end corridor (100%)
Layout A, Right wall, end corridor (20%)
Layout B, Right wall, end corridor (100%)
Layout B, Right wall, end corridor (20%)
Frequency [per year]
1.0E-03
1.0E-04
1.0E-05
1.0E-06
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
Pressure [barg]
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
38
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik Konklusjon:
• To sensitiviteter har blitt undersøkt
1) Sensitivitet av fordelingen av sannsynlighet for
forskjellige lysbuelengder
• Påvirker frekvensene til de elektriske feilscenariene
• Eksplosjonsscenariene endres ikke
2) Åpningstrykket til porten til trafocellen
• To sett med eksplosjonssimuleringer
• Denne metoden tillater oss å optimalisere sensitive
designparametre
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
40
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik Konklusjon:
• Det har blitt utført simuleringer med to forskjellige
åpningstrykk til porten til trafocellen
• Layout A, påpning = 1,0 bar, iht. prosjektbeskrivelse
• Layout B, påpning = 0,2 bar, sensitivitet
• Exceedancekurven viser
• Layout A gir litt høyere trykk inne i trafocellen
• Layout B gir nesten identiske resultater for
trafogangen
• Dette skyldes at volumet av trafogangen ikke er stort
nok til at trykkbølgen kan ekspandere
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
41
Bestemmelse av trykkforhold ved oljedamp sekundæreksplosjon - Brannforum 2015, Sarpsborg, 3. – 4. februar 2015
Eksempeltilfelle II
Blaafalli Vik Konklusjon:
• NB! Layout med høye åpningstrykk :
• Fordrer at man bruker mer ressurser på
styrkeberegninger av trafocellen
• Forsikrer seg om at man ikke får en hendelse som
eskalerer nar porten først åpner
© GexCon Italy s.r.l.
www.gexcon.com
42