Приклад 2

Тема дипломного проекту “Модернізація турбогенератора ТВВ-320-2Е енергоблоку потужністю 300 МВт”.

Аналіз об'єкту проектування:

Для охолодження обмоток турбогенератора в процесі його роботи використовується газоподібний водень. З метою поповнення втрат та створення необхідного запасу водню, останній отримують електролізом води в електролізерах типу СЕУ, продуктивністю 40 м³/год. Водень стискається до робочого тиску 1МПа компресорами об'ємного типу. З метою вирівнювання пульсацій тиску встановлюються ресивери об'ємом 20 м³ кожний, які розташовані поза приміщенням одноповерхової цегляної електролізної на відстані 15 м. На відстані 30 м знаходиться машинний зал ТЕС із встановленим обладнанням (споруда із збірного залізобетону), на відстані 150 м розташована цегляна адміністративна будова. Визначити можливість ураження будов і людей під час можливого вибуху при розгерметизації ресивера.

Оцінка обстановки:

1. При можливій руйнації ресивера відбудеться викид в навколишнє середовище водню в кількості , де V - об'єм водню при нормальних умовах, ρ - густина водню при нормальних умовах. 20 м³ водню при тиску 1 МПа за нормальних умов займають об'єм 186,3 м³, ρ=0,09 кг/м³, тоді:

m₁ = 186,3·0,09=16,8 кг.

2. Автоматичне відключення подачі водню в ресивер відбудеться через

τ = 120 с, тому додатково із трубопроводів буде викинуто водню:

m₂ = W·ρ·τ = 0,011·0,09·120 = 0,12 кг,

де: W = 40 м³/год = 0,011 м³/с - продуктивність електролізера.

3. Загальна кількість водню, що потрапить у навколишнє середовище:

m = m₁ + m₂ = 16,8+0,12 = 16,92 кг.

4. Оскільки кількість газоповітряної суміші не перевищує 100 т, для визначення надлишкового тиску у фронті ударної хвилі використовується формула (3.20). Ступінь руйнувань і їхня характеристика визначаються із табл. 3.9 і 3.10. Результати розрахунків зведені в таблицю.

Ступінь і характеристика руйнувань ОГД

Об’єкт	Значення надлишкового тиску, кПа	Ступінь руйнувань	Характеристика руйнувань
Електролізна	34,2	сильні	Значні деформації несучих конструкцій, руйнування більшої частини перекриттів, стін і устаткування.
Машзал ТЕС	11,8	слабкі	Руйнування найменш міцних конструкцій будинків, споруд і агрегатів: заповнень дверних і віконних прорізів, зрив покрівлі; основне устаткування ушкоджене незначно.
Адмін. споруда	1,7	не постраждала	нема

При вибуху водню буде практично зруйноване приміщення електролізної, обладнання буде значно деформоване, що призведе до подальшого викиду водню в атмосферу та розвитку надзвичайної ситуації, люди, що будуть знаходитись у приміщенні електролізної загинуть, або будуть важко уражені. Пошкодження машзалу ТЕС буде незначне, однак може призвести до аварійної зупинки основного обладнання, тобто окремі блоки ТЕС можуть бути аварійно зупинені, або змушені зменшити навантаження. Люди, що знаходяться у адміністративній будові - не постраждають.

Заходи із запобігання надзвичайної ситуації:

­ передбачити технологічний захист електролізних установок, направлений на автоматичне відключення електролізерів при перевищенні тиску в системі вище номінального;

­ запобіжні клапани на ресиверах повинні бути відрегульовані на тиск, що дорівнює 1,15 номінального;

­ запобіжні клапани повинні регулярно перевірятися (не рідше 1 разу на 2 роки).

Заходи із захисту працівників:

­ перевід електролізної установки на автоматичний режим роботи без постійного чергування персоналу;

­ підвищення стійкості приміщення електролізної шляхом встановлення додаткового перекриття, контрфорсів, поздовжніх та поперечних зв'язків.

Зміст та обсяги РНР:

­ надзвичайна ситуація внаслідок руйнації ресивера та вибуху водню, що його супроводжує, не відноситься до масштабних надзвичайних ситуацій, тому евакуації персоналу проводити непотрібно;

­ проводиться пошук потерпілих, що можуть знаходитися в приміщенні електролізної;

­ припиняється подача електроенергії в електролізну;

­ при виникненні пожежі, організується гасіння силами добровільної пожежної дружини.

Таблиця 3.9

Ступені руйнувань елементів промислового об’єкта

при різних значеннях надлишкового тиску ударної хвилі, кПа

Елементи об’єкта	Руйнування
слабке	середнє	сильне	повне
1. Виробничі, адміністративні та житлові будови
— масивні промислові будови з металевим каркасом і крановим обладнанням вантажопідйомністю 25-50 т	20-30	30-40	40-50	50-70
— те ж саме, з крановим обладнанням вантажопідйомністю 60-100 т	20-40	40-50	50-60	60-80
— бетонні та залізобетонні будови і будови антисейсмічної конструкції	25-80	80-120	120-200	>200
— будови з легким металевим каркасом та безкаркасної конструкції	10-20	20-30	30-50	50-70
— промислові будови з металевим каркасом та бетонним заповненням	10-20	20-30	30-40	40-50
— промислові будови з металевим каркасом та суцільним заповненням стін та даху	10-20	20-30	30-40	40-50
— багатоповерхові залізобетонні будови з великою площею засклення	8-20	20-40	40-90	90-100
— будови зі збірного залізобетону	10-20	20-30	30-50	50-60
— одноповерхові будови з металевим каркасом і стіновим заповненням з листового металу	5-7	7-10	10-15	>15
— те ж саме, з дахом і стіновим заповненням з хвильової сталі	7-10	10-15	15-25	25-30
— цегляні безкаркасні виробничо-допоміжні будови з перекриттям (покриттям) з залізобетонних збірних елементів одно- і багатоповерхові	10-20	20-35	35-45	45-60
— те ж саме, з перекриттям з дерев’яних елементів	8-15	15-25	25-35	>35
— будови фідерної або трансформаторної підстанції з цегли або блоків	10-20	20-40	40-60	60-80
— складські цегляні будови	10-20	20-30	30-40	40-50
— легкі склади-навіси з металевим каркасом і шиферним дахом	10-25	25-35	35-50	>50
— адміністративні багатоповерхові будови з металевим або залізобетонним каркасом	20-30	30-40	40-50	50-60
— цегляні малоповерхові будинки (один-два поверхи)	8-15	15-25	25-35	35-40
— будови ГЕС	50-100	100-200	200-300
— затвори гребель	20-70	70-100	>100	-
2. Деякі види обладнання
— крани і кранове обладнання	20-30	30-50	50-70
— підйомно-транспортне обладнання		50-60	60-80
— стрічкові конвеєри в галереї на залізобетонній естакаді	5-6	6-10	10-20	20-40
— ковшові конвеєри в галереї на залізобетонній естакаді	8-10	10-20	20-30	30-50
— гнучкі шланги для транспортування сипучих матеріалів	7-15	15-25	25-35	35-45
— електродвигуни, потужністю до 2 кВт, відкриті	20-40	40-50	50-60	60-80
— те ж саме, герметичні	30-50	50-70	70-80	80-100
— електродвигуни, потужністю від 2 до 10 кВт, відкриті	30-50	50-70	70-80	80-90
— те ж саме, герметичні	40-60	60-75	75-85	85-100
— електродвигуни, потужністю 10 кВт і більше, відкриті	50-60	60-80	80-100	100-120
— те ж саме, герметичні	60-70	70-80	80-100	100-120
— трансформатори від 100 до 1000 кВт	20-30	30-50	50-60	>60
— трансформатори блочні	30-40	40-60	>60	-
— генератори на 100-300 кВт	30-40	50-60	>60-	-
— відкриті розподільчі пристрої	15-25	25-35	>35	-
— масляні вимикачі	10-20	20-30	>30	-
— контрольно-вимірювальна апаратура	5-10	10-20	20-30	>30
— магнітні пускачі	20-30	30-40	40-60	>60
— електролампи у плафонах	-	-	-	10-20
— електролампи відкриті	-	-	-	5-7
— парові котли, парогенератори	50-70	70-100	100-150	>150
3. Технологічні та комунально-енергетичні споруди і мережі
— газгольдери та наземні резервуари для паливо-мастильних та хімічних речовин	15-20	20-30	30-40	>40
— підземні металеві та залізобетонні резервуари	20-50	50-100	100-200	>200
— частково заглиблені резервуари	40-50	50-80	80-100	>100
— наземні металеві резервуари та ємності	30-40	40-70	70-90	>90
— водонапірні вежі	10-20	20-40	40-60	>60
— котельні, регуляторні станції та інші споруди у цегляних будовах	7-13	13-25	25-35	35-45
— металеві вежі суцільної конструкції	20-30	30-50	50-70	>70
— теплові електростанції	10-15	15-20	20-25	25-40
— розподільчі пристрої та допоміжне обладнання електростанцій	30-40	40-60	60-80	80-120
— трансформаторні підстанції закритого типу	30-40	40-60	60-70	70-80
— кабельні підземні лінії	200-300	300-600	600-1000	1000-1500
— кабельні наземні лінії	10-30	30-50	50-60	>60
— повітряні лінії високої напруги	25-30	30-50	50-70	>70
— повітряні лінії низької напруги	20-60	60-100	100-160	>160
— підземні сталеві трубопроводи на зварці діаметром до 350 мм	600-1000	1000-1500	1500-2000	>2000
— те ж саме, діаметром понад 350 мм	200-350	350-600	600-1000	>1000
— підземні чавунні та керамічні трубопроводи на розтрубах, азбоцементні на муфтах	200-600	600-1000	1000-2000	>2000
— трубопроводи, заглиблені на 20 см	150-200	250-350	>500	-
— трубопроводи наземні	20-50	50-130	>130	-
— трубопроводи на металевих та залізобетонних естакадах	20-30	30-40	40-50	>50
— оглядові колодязі та засувки на мережах комунального господарства	200-400	400-600	600-1000	>1000
— мережі комунального господарства (водопровід, каналізація, газопровід) заглиблені	100-200	400-1000	1000-1500	>1500
4. Захисні споруди
— сховища, які стоять окремо, що розраховані на надлишковий тиск ударної хвилі 500 кПа	500-600	600-700	700-900	>900
— сховища, які стоять окремо та вбудовані, що розраховані на надлишковий тиск ударної хвилі 300 кПа	300-400	400-550	550-650	>650
— ті ж самі, що розраховані на 200 кПа	200-300	300-370	370-450	>450
— ті ж самі, що розраховані на 100 кПа	100-140	140-180	180-220	>220
— ті ж самі, розраховані на 50 кПа	50-70	70-90	90-110	>110
5. Засоби транспорту, будівельна техніка, мости, загати
— вантажні автомобілі і автоцистерни	20-30	30-55	55-90	90-130
— автобуси і спецавтомашини з кузовами автобусного типу	15-20	20-45	45-60	60-80
— гусеничні тягачі і трактори	30-40	40-80	80-110	110-130
— шосейні дороги з асфальтовим та бетонним покриттям	120-300	300-1000	1000-2000	2000-4000
— залізничні колії	100-150	150-200	200-300	300-500
— металеві мости з довжиною прольоту 30-40 м	50-100	100-150	150-200	200-300
— те ж саме, з прольотом 100 м і більше	40-80	80-100	100-150	150-200
— бетонні греблі	1000-2000	2000-5000	5000-10000	>10000
— земляні загати шириною 80-100 м	150-700	700-1000	>1000	-

Таблиця 3.10

Характеристика ступенів руйнування ударною хвилею

елементів промислового об’єкта

Елементи об’єкта	Руйнування
слабкі	середні	сильні
Виробничі, адміністративні та житлові будови	Руйнування найменш міцних конструкцій будинків, споруд і агрегатів: заповнень дверних і віконних прорізів, зрив покрівлі; основне устаткування ушкоджене незначно. Відбудовні роботи зводяться до середнього відбудовного ремонту.	Руйнування покрівлі, перегородок, а також частини устаткування, ушкодження підйомно-транспортних механізмів. Відновлення можливе при капітальному відбудовному ремонті з використанням збережених основних конструкцій і устаткування.	Значні деформації несучих конструкцій, руйнування більшої частини перекриттів, стін і устаткування. Відновлення елемента можливе, але власне, кажучи, зводиться до нового будівництва з використанням деяких збережених конструкцій і устаткування.
Промислове обладнання	Ушкодження шестерні і передавальних механізмів, обривши маховиків і важелів управління. Розрив приводних ременів. Відновлення можливе без повного розбирання, із заміною ушкоджених частин.	Ушкодження й деформація основних деталей, ушкодження електропроводки, приладів автоматики. Використання устаткування можливо після капітального ремонту.	Зсув із фундаментів, деформація станин, тріщини в деталях, вигин валів і осей, ушкодження електропроводки. Ремонт і відновлення, як правило, недоцільні.
Газгольдери, резервуари і ємності для нафтопродуктів, зріджених газів і хімічних продуктів	Невеликі вм’ятини на оболонці, деформація трубопроводів, ушкодження запірної арматури. Використання можливе після середнього (поточного) ремонту і заміни ушкоджених деталей.	Зсув на опорах, деформація оболонок, трубопроводів, ушкодження запірної арматури. Використання можливе після капітального ремонту.	Зрив з опор, перекидання, руйнування й деформація оболонок, обриви трубопроводів і запірної арматури. Використання й відновлення неможливе.
Технологічні та комунальні споруди й мережі	Часткове ушкодження стиків труб, контрольно-вимірювальної апаратури, верхньої частини стінок оглядових колодязів. При відновленні міняються ушкоджені елементи.	Розрив і деформація труб в окремих місцях, ушкодження стиків, фільтрів, відстійників, баків, вихід із ладу контрольно-вимірювальних приладів. Руйнування і сильна деформація резервуарів вище рівня рідини. При відновленні виконується капітальний ремонт із заміною ушкоджених елементів.	Руйнування й деформація більшої частини труб, ушкодження відстійників, насосного й іншого устаткування. Ушкодження запірної арматури. Відновлення неможливе.
Рухомий поїзд, автотранспорт, інженерна техніка, підйомно-транспортні механізми, кранове обладнання	Часткове руйнування і деформація обшивання й даху, ушкодження скла кабін, фар і приладів. Потрібно поточний (середній) ремонт.	Руйнування кузовів, критих вагонів, ушкодження кабін (кузовів), відривання дверей і ушкодження зовнішнього устаткування, розрив трубопроводів систем живлення, охолодження й змащення. Використання можливе після ремонту із заміною ушкоджених вузлів.	Перекидання, відривання окремих частин, загальна деформація рами, руйнування кабіни (кузова, вантажної платформи), відривання й пошкодження радіаторів, крил, підніжок, зовнішнього устаткування двигуна. Використання неможливе, потрібне капітальний ремонт у заводських умовах.

Примітка: при повних руйнуваннях в будовах і спорудах повністю зруйновані всі основні несучі конструкції і перекриття, трубопроводи й кабелі розірвані, опори зруйновані, обладнання деформоване, відновлення елементів неможливе

Таблиця 3.11

Дія ударної хвилі на людину

Величина надлишкового тиску, кПа	Види травм	Характер ураження
>100	Украй важкі	Одержувані травми дуже часто приводять до смертельного результату
60 – 100	Важкі	Сильна контузія всього організму, ушкодження внутрішніх органів і мозку, важкі переломи кінцівок. Можливі смертельні випадки.
40 – 60	Середньої важкості	Серйозні контузії, ушкодження органів слуху, кровотеча з носа й вух, сильні вивихи і переломи кінцівок.
20 - 40	Легкі	Легка загальна контузія організму, тимчасове ушкодження слуху, забиті місця й вивихи кінцівок.

Варіант 5. Розрахунок блискавкозахисту виробничих приміщень

Конструкції блискавковідводів та їх розрахунок

Грозові розряди атмосферної електрики небезпечні для життя людей. До того ж блискавка при ударі в будівлю або споруду може завдати великих руйнувань, викликати пожежу.

Блискавовідводи мають різні конструкції: стрижневі, антенні та сіткові. Найбільш поширені стрижневі.

Блискавковідводи складаються з таких елементів: блискавкоприймача, струмовідводу, заземлювача та мачти.

Одиночний стрижневий блискавковідвод створює навколо споруди, біля якої він встановлений, захисну зону у вигляді подвійного конуса з круглою основою. Радіус його в півтора рази більше висоти блискавкоприймача.

Захисну зону блискавкоприймача можна відобразити графічно. Проведемо горизонтальну лінію та перпендикулярно до неї в масштабі висоту блискавкоприймача, рівну R (рис.3.2).

Рис. 3.2. Схема захисту будівлі від блискавки одинарним

стрижневим блискавковідводом

На горизонтальній лінії із точки О в обидва боки в тому ж масштабі відкладемо радіуси основи r, що дорівнюють 1,5 h. Кінці радіусів позначимо літерою Б. На лінії ОН, на відстані 0,8 h від основи, відзначимо точку В, а на лінії радіусів – точки Г, котрі ділять радіуси на дві рівні частини.

За одержаними даними можна побудувати переріз подвійного конуса – зони захисту. Для цього проведемо прямі лінії з точки Н до точки Г, а з точки В до точки Б. Після такої побудови одержимо трикутник, при обертанні якого навколо осі ОН утвориться зона захисту з блискавковідводом висотою h.

Горизонтальний переріз зони захисту на висоті споруди h _x зображує коло радіусом r _x, яке називається радіусом захисту.

При одинарному стрижневому блискавковідводі висотою менш 60 м радіус захисту визначають за такими співвідношеннями:

а) при (3.21)

б) при . (3.22)

Зона захисту одиночного стрижневого блискавковідводу висотою більше 60 м, але не вище 100 м, за формою аналогічна зоні захисту одиночного стрижневого блискавковідводу висотою менше 60 м, за основу конуса приймається коло радіусом 90 м.

Радіус захисту r _x при висоті споруди h _x, для цього випадку визначається такими виразами:

а) при: (3.23)

б) при: . (3.24)

При захисті довгих споруд встановлюють два стрижневих блискавковідводи. Зона захисту рівних за висотою (h не більш 60 м) блискавковідводів із відстанню між ними а зображена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема захисту будівлі від блискавки двома

стрижневими блискавковідводами

Торцева частина зони захисту визначається як зона одиночних стрижневих блискавковідводів. Верхня межа зони являє собою дугу кола, що проходить через вершини блискавковідводів з центром, який знаходиться на перпендикулярі, проведеному зі середини відстані на висоті 4h.

Окреслення зони захисту в перерізі вертикальною площиною посередині між блискавковідводами визначають за правилом побудови зони захисту одинарного стрижневого блискавковідводу висотою h₀ (рис. 3.4), при цьому радіус основи r₀ = 1,5 h₀ .

Рис. 3.4 Схема захисту будівлі від блискавки одинарним

тросовим блискавковідводом.

Висоту зони в середині подвійного стрижневого блискавковідводу h₀, при відомій висоті h та довжині будови а визначають за формулою:

(3.25)

При побудові подвійного стрижневого блискавковідводу слід враховувати, що при а > 5h спільна дія одиночних блискавковідводів порушується, оскільки в такому випадку h₀ = 0.

Висоту блискавковідводу при відомих h₀ та а розраховують за формулою:

(3.26)

За дуже довгих побудовах, коли блискавкозахист не можна виконати двома стрижневими блискавковідводами, влаштовують одиночні або подвійні тросові (антенні) блискавковідводи.

У такому блискавковідводі верхня частина захисту обмежується горизонтальною прямою, яка проходить через точку максимального провисання троса. Зона захисту в вертикальному перерізі, перпендикулярному тросу посередині між опорами, за своєю формою стрижневим блискавковідводам, але радіус основи зони захисту при тросовому блискавковідводі r ₀ = 1,25. При розрахунках зони захисту, що утворюється тросовим блискавковідводом у перерізі А – А (рис. 3.4), треба додержуватись формули:

а) при: (3.27)

б) при: (3.28)

Розрахункова висота опор троса складається з розрахункової висоти троса блискавковідводу h₀ та величини стріли провисання троса. Стріла провисання для стального троса перерізом 35–50 мм² приймається:

- для прольотів довжиною до 120 м – 2 м;

- для прольотів довжиною від 120 до 150 м – 3 м.

При застосуванні одинарного або подвійного стрижневого блискавковідводу переріз блискавкоприймача повинен бути не менше 100 мм². За струмоприймач можна використовувати стальний дріт діаметром 6 мм.

Опір заземлення розтіканню струму при стрижневому блискавковідводі повинен бути не більше 10 Ом.

Конструкція контуру заземлення може бути різною. Але частіше всього вона виконується із трубчастих або виготовлених з кутиків стержнів, які вбиваються в ґрунт до незамерзаючого шару.

Конструкція контуру заземлення та його розрахунок

Верхні кінці стрижнів з’єднуються між собою металевою штабою за допомогою круглого залізного прута або електрозварюванням. До контуру також електрозварюванням приєднують товстий залізний провід (перетином не менше 50 мм²), який з’єднується зі струмопроводом.

Надійність захисного заземлення залежить від величини його опору.

Опором заземлення називають опір, який віддає земля поширенню електричного струму із заземлювача в ґрунтовий шар.

Опір розповсюдженню одиночних трубчастих або стержневих заземлювачів, верхній кінець якого знаходиться на рівні поверхні землі (рис. 3.5, а), визначається за формулою:

(3.29)

При заглибленні труби (стрижня) нижче рівня поверхні (рис. 3.5, б) розрахунок ведеться за формулою:

(3.30)

Відповідно до горизонтального смугового заземлювача (рис. 3.5, в) опір можна знайти за допомогою формули:

(3.31)

де: – питомий опір ґрунту, Ом·см;

–довжина заземлюючої труби або стрижня, см;

d – діаметр труби або стрижня, см;

b – ширина штаби, см;

h – відстань від поверхні землі до середини заземлювача, см.

Рис. 3.5. Типи одинарних заземлювачів:

а) – верхній кінець стрижня на рівні землі; б) – верхній кінець стрижня

заглиблений; в) – горизонтальний смуговий заземлювач

Питомий опір ґрунту залежить від стану ґрунту, його структури, наявності солей та його вологості. При розрахунках застосовують середнє значення питомого опору ґрунту (табл. 3.12).

Таблиця 3.12

Питомий опір ґрунту,

Характер ґрунту (за вологості 10–20%)	Межа вимірювань = 104 Ом·см	Рекомендується для розрахунків , Ом·см
Пісок	4,0–10,0	7,0 . 104
Супісок	1,5–4,0	3,0 . 104
Суглинок	0,5–1,5	1,0 . 104
Глина	0,1–0,7	0,4 . 104
Чорнозем	0,1–5,8	2,0 . 104

У відповідності до правил встановлення стрижневих блискавковідводів при захисті тваринницьких приміщень щогли та заземлювачі розміщують не ближче 4 м від будови. З метою попередження враження кроковою напругою місце заземлення повинно бути огороджено, щоб тварини не змогли підійти ближче 3 м.

При влаштуванні декількох блискавковідводів заземлювач повинен бути загальним для всіх блискавковідводів.

Оскільки грозовий розряд відбувається миттєво, то через блискавковідвод перебігає імпульс електричного струму. Опір заземлювача поширенню імпульсного струму менший, ніж для струму промислової частоти. Ця різниця враховується імпульсним коефіцієнтом (табл. 3.13).

Опір розтіканню імпульсного струму R_i знаходять за формулою:

(3.32)

де: – імпульсний коефіцієнт;

R_i– опір розтіканню струму промислової частоти, Ом.

Таблиця 3.13

Наближене значення імпульсних коефіцієнтів