Beregning av eksplosjonslaster i oljekjølte trafobygg

Abstract

Målet med denne oppgaven har vært å analysere og kartlegge hva som påvirker og bør ivaretas ved beregning av ulykkeslast i trafosjakter med oljetransformatorer. Ulykkeslasten som er undersøkt nærmere er oljedamp sekundæreksplosjon i trafosjakter. Fokuset har vært å undersøke hvilke parametere som har betydning når man skal dimensjonere mot denne eksplosjonen ved å undersøke eksisterende beregningsmetoder for ulykkesforløpet. Det er mange kompliserte parametere som medgår til eksplosjonen som gjør den utfordrende å beregne og dimensjonere mot. Målet har vært å kartlegge disse parameterne og se på hvilke av disse som vil være mest avgjørende, og hvilke som vil være mer komplekse og vanskelige å ta høyde for. Det finnes flere forenklede metoder for å beregne denne ulykkeslasten. Det er her ønsket å analysere to av dem for å se hvordan de brukes for å dimensjonere mot sekundæreksplosjoner, og hvilke parametere som blir inkludert i disse beregningsmetodene. Som del av oppgaven er det gjennomført flere intervjuer med fagpersoner innen fagfeltet for å få bedre innsikt i transformatorer og transformatorbygg, beregningsmetoder, risikovurderinger og ulykkesforløpet for oljedamp sekundæreksplosjoner. Intervjuobjektene har bidratt til å kartlegge parametere som inngår i ulykkesforløpet og som kan være viktige ved dimensjoneringen mot ulykkeslasten. Det er også gjennomført en sammenligningscasestudie der det er foretatt beregninger med forskjellige metoder for et trafobygg. Metodene som er benyttet er etter NFPA68 og SEBK metodikk. Med disse beregningseksemplene er det forsøkt å konkretisere betydningen av parameterne som er avdekket som viktige fra intervjuobjektene, samt å sammenligne metodene og svarene de gir. Metodene er brukt for å regne på flere type scenarier for tydelig fremstille forskjellen og svare de vil gi. Det som kom frem fra intervjuobjektene som viktige parametere var effekten av lysbueenergi, romvolum og trykkavlastning som vil forekommer under eksplosjon. I tillegg ble det tydeliggjort viktigheten av, romgeometri med tanke på turbulens og forbrenningshastighet, i tillegg til gassammensetningen med gasskomponenter og mengde oljedamp. Fra beregningene kom det frem overdrevent konservative resultater fra NFPA68 sammenlignet med SEBK metodikken. Metodene har i tillegg et veldig ulikt utgangspunkt til hvordan eksplosjonstrykket er beregnet. Det er derfor stor forskjell i hvordan metodene baserer seg på de kritiske faktorene og selve ulykkesforløpet forklart fra intervjuobjektene. NFPA68 vil holde seg veldig konservativ ved å ta utgangspunkt i et rom fylt med hydrogen, i tillegg til at det settes krav til avlastning. Dette har resultert i veldig høye trykk eller krav til avlastningsareal. Resultatet kommer ikke nødvendigvis av at standarden er dårlig, men heller av at den ikke er like godt egnet til formålet. Metodikken fra SEBK baserer seg mer på faktorer som er relevant basert på selve ulykkesforløpet og resulterer i en relativt lav last uten avlastning. Faktorene som inngår her, vil kunne knyttes til en del usikkerhet og det kan derfor være krevende å få beregnet en veldig presis last.

The aim of this thesis has been to analyze and assess factors influencing and requiring consideration in the calculation of accident loads in transformer building with oil-filled transformers. Specifically, the accident load examined is a secondary explosion in transformer buildings caused by oil vapor. The focus has been to explore the parameters significant for calculating resistance against this explosion by examining existing calculation methods for the accidental scenario. Numerous complex parameters contribute to the explosion, making it challenging to calculate. The objective has been to examine these parameters, identifying the most critical ones and identify those more complex and challenging to account for. Several simplified methods exist for calculating this accidental load, and the aim has been to analyze two of them, to understand how they are utilized to calculate the pressure occurring from a secondary explosions and which parameters are included in these calculation methods. Several interviews have been conducted with experts in the field to gain insight into transformers and transformer buildings, calculation methods, risk assessments, and the accident sequence for secondary explosions caused by oil vapor. The interviewees have helped to identify parameters involved in the accident sequence and essential for dimensioning against the accident load. Additionally, a comparative case study has been conducted, where calculations were performed using different methods for a transformer building. The methods used are according to NFPA 68 and SEBK methodology. Through these calculation examples, it is attempted to illustrate the importance of parameters identified as crucial by the interviewees and to compare the methods and the results they provide. The methods have been used to calculate various types of scenarios to clearly demonstrate the differences and the answers they provide. The important parameters highlighted by the interviewees included the effect of arc energy, room volume, and pressure relief occurring during the explosion. Additionally, the significance of room geometry concerning turbulence and combustion rate, as well as gas composition with gas components and the amount of oil vapor, was clarified. The calculations showed excessively conservative results from NFPA 68 compared to the SEBK methodology. Additionally, the methods have very different approach in how the explosion pressure is calculated. That is why there is a significant difference in how the methods rely on critical factors and the accident sequence explained by the interviewees. NFPA 68 remains highly conservative by assuming a room filled with hydrogen, in addition to imposing requirements for relief vents. This has resulted in very high pressure or relief area requirements. The result may not necessarily arise from the inadequacy of the standard but rather from its lack of suitability for the purpose. The SEBK methodology relies more on factors relevant to the accident sequence, resulting in a relatively low load without relief vents. The factors included here, may come with some uncertainty, making it challenging to calculate a very precise load.