Ю.И. Горбань, ген.директор,
главный конструктор ЗАО "Инженерный центр
пожарной робототехники "ЭФЭР"
- коллективного члена Национальной
академии наук пожарной безопасности.
Е.А. Синельникова, зам. нач. отд., канд. техн. наук
(ФГУ ВНИИПО МЧС России).
Последствия пожара на АЭС включают нарушение ядерной безопасности вероятностью выхода радиоактивных веществ в окружающую среду. По расчетам специалистов МАГАТЭ разрушение одной атомной станции мощностью I млн. кВт было бы сопоставимо с радиоактивным заражением при взрыве ядерной бомбы в I мегатонну. Анализ аварийности атомных установок, проведенных комиссией по атомной энергии в США, показал, что ущерб от пожаров превышает 60% ущерба всех аварий АЭС, причем немало пожаров с прямым убытком свыше I млн. долл. Анализ показал также, что частота пожаров на АЭС составляет величину, равную одному пожару каждые 10 реакторо-лет. Проблема пожарной безопасности атомных электростанций стала особенно острой после целого ряда крупных пожаров и аварий, происшедших как за рубежом, так и в нашей стране. Характерной особенностью АЭС является то, что пожар, если он быстро не ликвидирован, может иметь катастрофические последствия. Время, которое может пройти с начала пожара до начала операций по его тушению, имеет первостепенное значение, так как в этот период создается серьезная угроза безопасности станции. Опыт свидетельствует о том, что тушение пожара АЭС ручными средствами является чрезвычайно трудной задачей и требует много времени. Положение осложняется тем, что пожарные и персонал станции должны иметь специальную экипировку, необходимую для защиты их от облучения. Тушение пожаров с помощью передвижной техники всегда связано с затратой определенного времени на прибытие подразделений к месту пожара, на развертывание и введение средств тушения в действие. За это время пожар, как правило, успевает принять значительные размеры. Приходится считаться с тем, что атомные электростанции расположены на значительном расстоянии (50-200 км) от крупных населенных пунктов, где обычно сосредоточены основные силы пожарной охраны. Быстрое развитие пожаров, задымление всех помещений затрудняет разведку пожара, точнее определение места и развитие его направления, создает опасность поражения электрическим током при введении водяных струй в зону горения, затягивает сам процесс ликвидации пожара. В этих условиях на людей воздействует и психологический фактор вероятности получения радиоактивного заражения.
Тушение пожара в отдельных пожароопасных помещениях АЭС имеет свои особенности: так, при тушении пожаров в машинных залах первоочередной задачей является защита ограждающих конструкций и ферм покрытия маслобаков от воздействия тепловых потоков орошением их струями воды из лафетных стволов.
Во время пожара на Чернобыльской АЭС возникла опасность обрушения кровли над третьим энергоблоком. Благодаря действиям пожарных это удалось предотвратить. Шестеро из них погибли.
Опыт крупных аварий и пожаров на АЭС в различных странах отчетливо выявил необходимость создания дистанционно управляемых аппаратов и устройств предотвращения и тушения пожаров и загораний, в частности пожарных роботов и роботизированных пожарных комплексов на их основе [1].
Необходимо отметить, что использование незащищенных металлических конструкций чрезвычайно эффективно для монтажа большепролетных сооружений (машзалы, ангары, эллинги и т. п.). Это объясняется их низкой себестоимостью, простотой монтажа, возможностью выдержать значительную полезную нагрузку при большой ширине пролета (полезная нагрузка на железобетонные конструкции значительно ниже из-за значительно большей их собственной массы, вследствие чего использовать железобетонные конструкции при большой ширине пролета невозможно) и т. п.
Вместе с тем, незащищенные металлические конструкции, в частности фермы, обладают существенным недостатком - при пожаре эти конструкции интенсивно нагреваются, вследствие чего уже в начальной стадии пожара под действием весовых нагрузок происходит их обрушение на значительных площадях.
В соответствии с действующей нормативной документацией в машинных залах АЭС следует предусматривать охлаждение металлических ферм и стационарно установленных лафетных стволов размещенных на отметке обслуживания турбин. При этом система орошения ферм струями воды из лафетных стволов должна обеспечивать возможность орошения каждой точки фермы двумя компактными струями. Лафетные стволы позволяют при меньшем общем расходе огнетушащих веществ сосредоточить его подачу в заданную зону с большей интенсивностью.
Необходимо отметить, что в инженерной практике известны и другие способы защиты металлических конструкций от воздействия высоких температур пожара. В частности можно использовать дренчерные или спринклерные установки, наносить на поверхность огнезащитные покрытия.
Спринклеры предназначены для автоматического включения пожаротушащих систем и орошения огнетушащим веществом очага пожара при достижении максимально допустимой температуры окружающей среды в защищаемых помещениях, где не требуется высокого быстродействия. Чувствительным элементом спринклеров являются тепловые легкоплавкие замки, рассчитанные на плавление при фиксированных температурах 60, 5; 72; 93; 141; 182 град. С.
Выбор материала припоя теплового замка зависит от максимально допустимой температуры воздуха производственных помещений и осуществляется в соответствии с нормами пожарной безопасности НПБ 88-2001.
Дренчерным и спринклерным установкам присущи следующие недостатки:
использование спринклерных и дренчерных установок для орошения ферм покрытий машинных залов предполагает крепление разветвленной сети трубопроводов с оросителями непосредственно к фермам, удерживающим покрытие. Это приведет к значительному увеличению нагрузки на эти фермы и колонны, особенно в случае наполнения трубопроводов водой, вследствие чего может быть исчерпана полная несущая способность данных конструкций;
обслуживание спринклерных и дренчерных систем достаточно сложно и трудоемко, поскольку предполагает работу человека на большой высоте;
проверка работоспособности спринклерных и дренчерных систем также сложна и трудоемка из-за значительной высоты трубопроводов и оросителей, протяженности трубопроводов и т. п.;
установка спринклерных и дренчерных установок для защиты ферм покрытий на уже построенных энергоблоках невозможна, поскольку это вызовет перегрузку ферм сверх запланированного уровня;
при интенсивном нагревании пожаром трубопроводов водозаполненных спринклерных установок возможно образование пара внутри трубопровода, что может привести к резкому увеличению давления и разрыву газопровода, или срабатыванию большого количества спринклеров;
низкая устойчивость вертикальных трубопроводов и горизонтальных трубопроводов, расположенных на значительной высоте, к воздействию взрыва (по данным анализа последствий аварии на Чернобыльской АЭС), в этом случае нарушение целостности или герметичности одного из распределительных или питающих трубопроводов приведет к отказу всей секции.
Нанесение огнетушащих покрытий на поверхность ферм также значительно увеличит весовую нагрузку на фермы и колонны, поскольку огнезащите должна быть подвергнута значительная площадь. Кроме того, нанесение огнезащитного покрытия на поверхность фермы в условиях построенного объекта трудноосуществимо и не позволяет обеспечить необходимого уровня качества покрытия.
На основе вышесказанного следует сделать вывод, что в условиях уже построенных и эксплуатируемых машинных залов АЭС (их количество в стране превышает 20) наиболее приемлемым способом защиты металлических ферм покрытия являются их охлаждение струями воды, подаваемыми из лафетных стволов. Это подтверждает также технико-экономическое обоснование различных вариантов защиты, которое показало наибольшую целесообразность решения, которое в дальнейшем нашло отражение в ВСН 01-87 "Противопожарные нормы проектирования атомных станций", где предписано использование лафетных стволов.
Проведенный анализ возможности использования устанавливаемых в машинных залах АЭС стационарных управляемых вручную лафетных стволов показал ряд существенных сложностей по их применению, что объясняется следующими обстоятельствами:
- управление лафетными стволами предполагает работу человека в зоне воздействия открытого огня, повышенной температуры, токсичных продуктов горения, дыма, возможного обрушения конструкции и взрыва, а в отдельных случаях радиации;
- использование лафетных стволов не позволяет обеспечить достаточную точность наведения струй воды на металлические фермы, поскольку это наведение происходит визуально в условиях сильного задымления. Так, например, как показывают проведенные исследования, сгорание всего только 8 кг турбинного масла в типовом помещении машинного зала влечет за собой снижение видимости до 3 м на отметках свыше 7,4 м.;
- ввиду быстрого обрушения конструкций ферм подача охлаждающих струй воды должна осуществляться с самого момента обнаружения пожара. Однако дежурный персонал машинного зала при обнаружении пожара должен предпринять целый ряд действий по защите оборудования и не может обеспечить одновременное ручное управление несколькими лафетными стволами;
кроме того, управление ручными стволами требует отвлечения большого количества людей из числа подразделений, прибывших на пожар и в случае, когда до их прибытия обрушения фермы не произошло; управление лафетными стволами предполагает работу человека в зоне воздействия открытого огня, повышенной температуры, токсичных продуктов горения, дыма, возможного обрушения конструкции, а в отдельных случаях радиации.
В этой связи представляется целесообразным использовать пожарные роботы (ПР) с единой системой управления, образующие роботизированный пожарный комплекс (РПК), обеспечивающий устойчивость незащищенных металлических конструкций ферм за счет струй воды, подаваемых ПР, оснащенными программируемой системой управления, обеспечивающие необходимый режим сканирования ствола в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Преимуществом ПР, работающих в составе с промышленными телевизионными установками, по сравнению с управляющими вручную лафетными стволами является возможность замены человека машиной в экстремальных условиях, высвобождение значительного числа пожарных для решения других тактических задач по борьбе с пожарами, способность в зависимости от характера пожара действовать по различным программам.
Для расчета основных параметров орошения рассмотрим механизм прогрева ферм покрытий и их охлаждение струями воды.
На рис.1. представлены результаты расчетов динамики изменения температур в наиболее опасном сечении фермы при горении масла и системы управления или смазки на отметке обслуживания турбины.
Рис.1
Расчеты проведены для случаев, когда площадь пожара составляет 35, 50 и 80 м кв. при этом предполагалось, что ось очага горения проходит через центр фермы (наиболее опасный случай взаимного расположения очага горения и фермы). Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования [2] поведения металлических конструкций при пожаре показывают, что при нормативном уровне статических нагрузок нагрев фермы свыше 500 град. С приводит к их деформации, потере прочности и как следствие - обрушению. Поэтому факт достижения любым элементом фермы температуры 500 град. С принимается за предельное ее состояние по прогреву.
Как видно из рис. 1, предельное состояние фермы по прогреву (и как следствие-деформация и обрушение) при площадях очага горения 80,50 и 35 м кв. наступает соответственно через 5, 9 и 16 мин. от начала горения. Данные теоретического прогноза по прогреву и обрушению ферм в машинном зале в достаточной степени стыкуются с практическим опытом борьбы с пожарами на этих объектах [2] .
Необходимо отметить, что в реальных условиях количество вышедшего наружу масла из систем управления и смазки турбины может достигать нескольких тонн. Это объясняется наличием маслобака, емкость которого доходит до 10 м куб, и разветвленной сети высоконапорных маслопроводов. При разрыве маслопровода происходит падение давления во всей системе. В зависимости от инерционности запорного устройства до отключения системы в целом наружу выйдет то или иное количество масла, которое будет стекать на нижние отметки. Вместе с тем все проемы (отверстия) в перекрытиях подвала машинного зала должны быть ограждены бортиками высотой не менее 0,1м. Данные бортики будут препятствовать стоку масла на нижние отметки, вследствие чего значительная часть горящего масла будет находиться между отметкой обслуживания турбины и нулевой отметкой.
Горение масла на промежуточных отметках так же, как и горение на отметке обслуживания турбины, представляет значительную опасность для незащищенных ферм покрытия. Это объясняется тем, что горючие продукты горения поднимаются вверх, скапливаются под перекрытием и разогревают металлические фермы.
В ряде случаев возможен пожар, как на отметке обслуживания турбины, так и на промежуточных отметках.
Охлаждение конструкции ферм струями диспергированной воды представляет собой простой по технической реализации и эффективный способ снижения их температуры.
Исследованиями [2] показано, что при низких температурах поверхности нагрева (отсутствии кипения) имеет место конвективное охлаждение ее стекающей пленкой жидкости. Начиная приблизительно с 70 град. С увеличение температуры поверхности влечет увеличение интенсивности теплообмена до тех пор, пока существует пленка жидкости. Максимальное значение коэффициента теплоотдачи наблюдается при интенсивном испарении воды, когда пленка только начинает разрушаться, обнажая участки сухой поверхности, то есть наступает своеобразный кризис процесса (диапазон 110-170 град. С).
Если при температурах поверхности ферм 100-200град.С капли воды при ударе о стенку смачивают ее, то при температурах выше 400град.С следует рассматривать систему "поверхность-паровая прослойка-жидкая капля", когда капля, сталкиваясь с поверхностью, пребывает в сфероидальном состоянии, которое характеризуется тем, что теплообмен между твердой и жидкой фазой осуществляется через паровую прослойку, образующуюся в результате испарения капли. В этом случае процесс испарения тепла от поверхности с высокой температурой отличается большой сложностью вследствие суммарного действия нескольких механизмов теплопереноса: теплоотдачи через тонкий паровой слой, отделяющий капли от поверхности, теплопроводностью и излучением, конвекции пара у поверхности.
На основе вышеизложенного следует сделать вывод, что подача струй воды на охлаждение металлических ферм покрытий в машинных залах АЭС должна начинаться с момента, когда температура поверхности ферм не превышает 100 град. С, что обеспечит наиболее эффективный режим охлаждения. Подача воды на охлаждение ферм после их прогрева до высоких температур представляется менее эффективной, поскольку интенсивность теплосъема в этих условиях охлаждения низкая. В этой связи следует сделать вывод, что подача воды на охлаждения ферм покрытия из роботизированных установок пожаротушения должна осуществляться сразу после возникновения очага горения, что возможно осуществить, как это показано свыше только с помощью ПР.
Обобщенные данные работ [2] позволяют оценить значения коэффициентов теплоотдачи от диспергированных струй воды к нагретым металлическим поверхностям ферм в диапазоне изменения критериев Вебера (0,4-391)/100000000, Рейнольдса 12, 4 -1200 и Прандтля 3,9-7,95.
На основании данных этих работ проведены расчеты динамики изменения температур в различных сечениях металлических ферм при пожаре в машинном зале типового энергоблока. Временной интервал от начала пожара до подачи струй воды роботизированными установками пожаротушения принимался равным 30 с. При этом не учитывалось влияние эффекта экранирования отраженными от покрытия каплями воды.
Обобщенные результаты расчетов показывают, что достаточно эффективное охлаждение конструкций ферм струями воды, подаваемых ПР, будет обеспечено при амплитуде сканирования 10-12 м относительно центра фермы и периоду сканирования 1-1,5 мин.
На рис. 2 представлены результаты расчетов динамики изменения температур в наиболее опасном сечении фермы типового машинного зала при пожаре, вызванном разливом и воспламенением турбинного масла на площади 60 м кв.
Рис.2
Предполагалось, что очаг горения находится на отметке обслуживания турбины. Охлаждение ПР осуществлялось по следующему режиму: амплитуда сканирования относительно центра 10 м при периоде 1 мин.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод, что без охлаждения фермы ее нагрев до критической температуры произойдет через 7,5 мин. от начала пожара, после чего последует деформация и обрушение покрытия. Охлаждение фермы с помощью ПР позволяет значительно снизить ее температуру, а следовательно, обеспечить устойчивость конструкции в течении более чем 30 мин. (за это время пожарные подразделения смогут локализовать и потушить пожар). Время охлаждения ферм струями воды, как показывает опыт борьбы с пожарами в машинных залах АЭС, составляет от 8-20 часов.
В экстремальных условиях при авариях на АЭС пожарные роботы особенно необходимы.
Отличительной особенностью применения пожарных роботов является возможность выполнять свои функции в отсутствии полной видимости при сильном задымлении, характерном для пожаров в турбинных залах. Точно выверенная программа охлаждения перекрытий составляется и проверяется заранее. При ЧП достаточно только указать зону загорания на мнемосхеме или пульте управления все остальное пожарные роботы делают в автоматическом режиме.
Пожарные роботы нового поколения имеют программу самотестирования, что позволяет поддерживать боевую готовность и своевременно проводить профилактические мероприятия.
На рис. 3 приведена функциональная схема АУП РПК.
Рис.3
На сегодняшний день имеется положительный опыт применения пожарных роботов для защиты объектов АЭС. Пожарные роботы использовались при ликвидации последствий на Чернобыльской АЭС в 1986 году; устанавливались в машинном зале Ленинградской АЭС по проекту ГПИ "Спецавтоматика". Разрабатывались также проекты защиты машинных залов АЭС с применением пожарных роботов на Игналинской АЭС в Литве и АЭС в Энергодаре, Украина.
Есть примеры применения пожарных роботов для защиты машинных залов ТЭЦ. Так, по рекомендации ВНИИ противопожарной обороны пожарные роботы были внедрены для противопожарной защиты машинных залов на Петрозаводской ТЭЦ, где они эксплуатировались с 1997 года. С 2007 года по истечении срока службы производится замена пожарных роботов на современные образцы нового поколения. (см. рис.4-5).
Рис.4-5
Также в настоящее время АУП РПК широко используются для защиты таких объектов, как морские причалы нефтепорта и объекты КТК-Р г.Новороссийска, нефтяные терминалы "Лукойл-2" г.Высоцка, причальный комплекс для перегрузки нефти и нефтепродуктов Морского специализированного порта "Витино" г. Кандалакши Мурманская обл., сливо-наливная эстакада ТНК-ВР в Петрозаводске и др.
------
[1] - Технический проект по НИОКР "Разработка конструкторской документации на пожарные роботы для машзалов АЭС", утвержденной председателем Бюро Совета Министров СССР по ТЭК от 02.04.1988 г.
[2] Доклад "Использование роботизированных установок пожаротушения для защиты металлических конструкций в машинных залах АЭС" (А.В.Гомозов, ВНИИПО). //Всесоюзное совещание по проблемам безопасности на атомных электростанциях, г.Воронеж, 1987 г.
