Система предупреждения взрыва пожара высоковольтного электрического оборудования
HIGH-VOLTAGE ELECTRIC EQUIPMENT FIRE EXPLOSION PREVENTION SYSTEM

Настоящее изобретение относится к устройствам для предотвращения взрывов и пожаров в закрытых резервуарах с горючими жидкостями, внутри которых имеется электрическое оборудование, например, в заполненных горючим трансформаторным маслом баках трансформаторов, электрических реакторов, баках переключающих устройств и в коробках кабельных вводов.
При эксплуатации таких резервуаров выполняются технологические работы по сливу и заливу горючей жидкости, работы по отбору проб для анализа свойств жидкости и/или очистки ее от примесей, работы по осмотру, монтажу и/или демонтажу оборудования внутри резервуара. Для этих целей на стенках и/или крышке резервуара имеются технологические трубопроводы с запорной арматурой и люки со съемными крышками.
При повышении внутри резервуара температуры, например, при увеличении температуры окружающей среды или вследствие дополнительного нагрева находящегося внутри резервуара оборудования при перегрузках по току или напряжению, увеличивается объем горючей жидкости и, соответственно, давление на стенки, дно и крышку резервуара. Для компенсации повышения этого давления над резервуаром устанавливают емкость - расширитель, соединенный с резервуаром трубопроводом и частично заполненный горючей жидкостью так, чтобы увеличение объема горючей жидкости в резервуаре компенсировалось увеличением ее объема в расширителе.
Причинами возникновения взрывов и пожаров в резервуарах могут быть:
- нарушение правил пожарной безопасности при выполнении технологических работ;
- появление внутри резервуара электрической дуги, возникающей в электрическом оборудовании при грозовых и коммутационных перенапряжениях, внешних и внутренних коротких замыканиях, при наличии дефектов в изоляции оборудования.
В первом случае сначала происходит возгорание горючей жидкости, а затем, по мере развития пожара, взрыв и разрыв резервуара.
Во втором случае в зоне электрической дуги под действием ее высокой температуры сначала происходит разложение горючей жидкости и появление горючих газов, таких, как водород, ацетилен, метан и других. Быстрое увеличение объема этих газов повышает давление внутри резервуара. В расширителе и его трубопроводе не может быть компенсирован такой быстрый рост, что при определенной мощности электрической дуги и времени ее горения приводит к разрыву резервуара и пожару. То есть, во втором случае сначала происходит взрыв, а затем пожар.
Известны различные автоматические системы газового пожаротушения в закрытых резервуарах с горючей жидкостью. Например, модульные установки (см. патент РФ №26159739, заявка №2015152550 от 08.12.2015 г., опубл. 11.04.2017 г., МПК А62С 2/00). Такие системы практически всегда содержат следующие четыре модуля:
- модуль 1 - устройство для длительного хранения под высоким давлением газового огнетушащего вещества (газа), включая стойку, на которой установлены баллоны высокого давления с инертным газом, предохранительную и переключающую арматуры, средства контроля давления и/или веса газа в баллонах, запорно-пусковое устройство с дистанционным управлением, отвечающее за хранение и выпуск газа;
- модуль 2 - магистральный и распределительные трубопроводы, распределительные устройства для подачи газа в требуемом направлении и вентили на трубопроводах для подачи газа внутрь резервуара;
- модуль 3 - извещатели пожара, включая датчики, приборы сбора, преобразования и передачи сигналов датчиков в модуль 4;
- модуль 4 - блок управления запорно-пусковым устройством модуля 1 по сигналам извещателей пожара модуля 3 и передачей сигнала о срабатывании на панель визуализации и сигнализации оборудования.
В случае первого типа причин возникновения пожара такие системы достаточно эффективно тушат и локализуют пожар в пределах резервуара, чтобы не допустить его распространения на расположенное рядом оборудование.
В случае второго типа причин возникновения пожара такие системы не эффективны, так как отличаются большой инерционностью и не защищают резервуар от взрыва при появлении мощной электрической дуги.
В ряде случаев при малой энергии электрической дуги и коротком времени ее горения для замедления разложения горючей жидкости вместо обычных минеральных трансформаторных масел, например, марки «Nytro 11GX» фирмы «Nynas» используют негорючие трансформаторные масла растительного происхождения, например, марки «FR3™» фирмы «Соорег». При этом взрыв резервуара от повышения внутреннего давления задерживается на время порядка нескольких миллисекунд. Это время является недостаточным для эффективного срабатывания систем газового пожаротушения, однако прочности резервуара может быть достаточно для предотвращения его разрыва.
Для уменьшения времени горения электрической дуги и, соответственно, уменьшения объема выделяемых горючих газов и роста давления для электрического оборудования, находящегося внутри резервуара с горючей жидкостью, применяют газовую и дифференциальную токовую защиты.
Газовая защита содержит устройство, в котором накапливаются выделяемые внутри резервуара газы, и при достижении ими определенного объема срабатывает реле, формируя сигнал на отключение электрического оборудования. Примером такого устройства является газовое реле BF-80/Q, выпускаемое серийно фирмой ЕМВ в соответствии со стандартом EN 50216.
Дифференциальная токовая защита содержит устройства, сравнивающие значения входных и выходных токов в электрическом оборудовании, и формирует сигнал на отключение оборудования при превышении разницы токов допустимых значений.
Наличие газовой и дифференциальной токовой защит является обязательным в соответствии с требованием международных и национальных стандартов. При срабатывании одной из защит происходит отключение оборудования от напряжения сети с помощью выключателей. Однако, выключатели содержат механические элементы, которые обладают определенной инерционностью, замедляют отключение и при большой мощности дуги время ее горения остается достаточным для образования такого объема и давления горючих газов, которое может привести к взрыву и большим разрушениям электрического оборудования внутри резервуара.
При увеличении энергии электрической дуги и/или времени ее горения для предотвращения разрыва резервуара при повышении в нем давления на резервуаре устанавливают механические клапаны сброса давления. Эти клапаны имеют пружины, которые обеспечивают закрытие крышки клапана в номинальном состоянии и открытие крышки при превышении на заданную величину разности давления снаружи и внутри клапана. Например, фирма Qvalitrol выпускает клапаны сброса давления типа LPRD и XPRD на превышения давления в 50 бар и 80 бар. Установка клапанов сброса давления предусмотрена требованиями международных стандартов и является обязательной для резервуаров, содержащих мощное высоковольтное электрическое оборудование. Однако, как показывает практика, в этом оборудовании могут возникать электрические дуги большой мощности, создающие такой быстрый рост давления, что механические пружины клапана не успевают среагировать. Это приводит к задержке сброса давления, взрыву и разрыву резервуара.
В случае разгерметизации резервуара при взрыве и соответствующем сбросе давления горючая жидкость из расширителя обратным потоком поступает в резервуар, увеличивая объем пожара. Для устранения этого явления и, соответственно, уменьшения объема пожара в трубопроводе расширителя устанавливают электромагнитный или механический клапан, предназначенный для отсечения горючей жидкости в расширителе от горючей жидкости в резервуаре. Примером таких отсечных клапанов могут служить клапаны марки RDR фирмы СОМЕМ (www.comem.com). Установка отсечных клапанов предусмотрена требованиями международных стандартов и является обязательной для резервуаров, содержащих мощное высоковольтное электрическое оборудование. Отсечные клапаны способствуют уменьшению объема пожара, но не предупреждают их возникновение.
Известна система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре, индийской фирмы «СIТIЕР МАНУФАКТУРIНГ IНДАСТРIС ЛIМIТЕД, ΙΝ» (см. патент Украины №90554 с конвенционным приоритетом от 16.11.2005 г., IN 1425/MUM/2005, опубл. 25.12.2008 г., МПК H01F 27/00, Н02Р 13/00 и патент Украины №99843 с конвенционным приоритетом от 01.01.2008 г., IΝ 00010/MUM/2008, опубл. 10.10.2012 г., МПК H01F 27/00, Н02Н 7/04, 9/00), содержащая одновременно автоматическую установку газового пожаротушения и электромагнитный клапан сброса давления. Электромагнитный клапан срабатывает по сигналу блока управления. По этому сигналу начинает работать и установка газового пожаротушения, подавая инертный газ (например, азот) в нижнюю часть резервуара с электрооборудованием. Формирование управляющего сигнала производится при условии поступления сигналов от каждого из трех извещателей взрыва. В качестве первого извещателя в системе используют электрические сенсорные реле, установленные на входе и выходе обмотки электрооборудования, срабатывающие при превышении установленных допустимых значений разности токов на входе и выходе. В качестве второго извещателя в системе используют газовое реле, срабатывающее при превышении заданных допустимых значений объема накопленного газа. В качестве третьего извещателя используют выключатель, отключающий электрооборудование от напряжения.
Указанная известная система имеет следующие недостатки.
Во-первых, содержащиеся в системе электрические сенсорные реле дублируют устройства дифференциальной токовой защиты. При этом их дополнительная установка, как извещателей взрыва, не требуется. Во-вторых, дополнительное газовое реле - извещатель взрыва, дублирует уже имеющиеся на электрооборудовании в соответствии с требованиями стандартов газовые реле и их дополнительная установка также не требуется. Кроме того, накопление газов в газовом реле происходит намного медленнее, чем рост давления в резервуаре при горении в нем электрической дуги из-за малого диаметра и, соответственно, большого гидравлического сопротивления трубопровода, подводящего горючую жидкость к газовому реле. В-третьих, использование для начала сброса давления сигнала о срабатывании выключателя, из-за наличия в конструкции выключателя инерционных механических узлов приводит к задержке работы электромагнитного клапана сброса давления. В четвертых, в ряде случаев, например, при коротких замыканиях в сети, питающей электрическое оборудование, находящееся в резервуаре, может сработать дифференциальная токовая и газовая защиты и, соответственно, выключатель, но оборудование при этом не повредится или повредится незначительно без разрыва резервуара. Это объясняется тем, что при проектировании и изготовлении этого электрического оборудования и резервуара предъявляются высокие требования к их механической и электрической прочности. Подача сигнала управления на клапан для вскрытия резервуара и сброс горючей жидкости, а также начало вброса газа в резервуар в этих случаях будет ложным.
Известна система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре (см. патент WO 9712379 с конвенционным приоритетом от 28.09.1995 г., FR 19950011386, опубл. 27.09.1996 г., МПК H01F 27/12, 27/14, 27/40, Н02Н 5/06, 5/08, 7/04). Эта система также содержит одновременно и установку газового пожаротушения, и устройство сброса давления в виде электромагнитного клапана. В отличие от предыдущей известной системы, начало сброса давления и подачу газа в резервуар в этой системе производят при превышении допустимых значений датчиков давления. Датчики давления установлены на наружной поверхности резервуара и соединены с блоком управления.
Известна также аналогичная система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре (см. патент РФ №2215352 с конвенционным приоритетом от 28.09.1995 г., FR 95 11386, опубл. 17.10.2003 г., МПК Н02Н 7/04, 5/06, 5/08, H01F 27/12), в которой начало сброса давления и вброса азота в резервуар осуществляется не только при превышении допустимых значений извещателей - датчиков давления, но и извещателей - датчиков дыма и температуры с выдержкой 20-30 секунд.
Недостатком этих систем является длительное время срабатывания. Когда давление и, тем более, задымленность и температура на наружной поверхности резервуара достигнет недопустимых для резервуара значений, резервуар может взорваться и повреждения электрического оборудования внутри резервуара уже будут значительными.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре, снабженном, по крайней мере, одним съемным люком, расширителем и технологическими трубопроводами, содержащая:
- устройство сброса давления в резервуаре, которое включает механический клапан и разрушающуюся мембрану с соответствующими датчиками срабатывания, соединенными с отключающим высоковольтное электрическое оборудование устройством, и трубы для отвода горючей жидкости в безопасное место;
- клапан, размещенный в трубопроводе расширителя, предназначенный для отсечения горючей жидкости в расширителе от резервуара при сбросе давления;
- модульную установку автоматического газового пожаротушения, которая включает емкость для огнетушащего газа, электромагнитный клапан для выпуска огнетушащего газа из емкости, магистральный и распределительный трубопровод для ввода газа в резервуар, блок управления (см. патент РФ №2263989 с конвенционным приоритетом от 22.03.1999 г., FR 99/03534, опубл. 10.11.2005 г., MПК H01F 27/14, 27/40).
В качестве огнетушащего газа используют азот, а в качестве разрушающейся мембраны - мембрану со встроенным детектором на разрыв, состоящую из зон различной толщины и разрушающуюся при динамическом воздействии давления. Подбором толщин и расположением зон различной толщины мембраны достигают полное без фрагментаций ее раскрытие при превышении заданной величины давления. По сигналу детектора, реагирующего на разрыв мембраны, установка газового пожаротушения начинает вброс азота в резервуар.
Известное техническое решение характеризуется следующими недостатками.
Объем генерируемых электрической дугой горючих газов, создающих избыточное давление в резервуаре, существенно превосходит объем сбрасываемой из резервуара горючей жидкости через разрушающуюся мембрану, что не позволит снизить давление до безопасного и приводит к дополнительным разрушениям высоковольтного оборудования. В то же время, увеличение количества мембран или их площади в известной системе ограничено возможностями резервуара, так как необходимо дополнительное увеличение площади и количества люков для установки мембран, что, в большинстве конструкций резервуаров, практически невозможно.
Решающую роль для выбора времени и допустимой величины давления раскрытия мембраны играет учет реальной конструкции резервуара и высоковольтного оборудования в нем, включая объем горючей жидкости, параметры упругой деформации стенок резервуара, вероятную мощность электрической дуги, на которую рассчитана защита от взрыва. Однако, используемая в прототипе конструкция мембран с изменением толщины ее различных зон сложна, трудоемка и реально не обеспечивает изготовления мембран с индивидуальными характеристиками.
Сигнал на отключение высоковольтного оборудования от системы в прототипе поступает от датчика разрыва мембраны, то есть при достижении опасного давления и вскрытия резервуара, а не до его вскрытия. Это приводит к соответствующему запаздыванию отключения оборудования, более длительному горению дуги и большим разрушениям этого оборудования.
Сигнал на начало подачи огнетушащего газа в резервуар в прототипе происходит с большим запаздыванием, после превышения показаний датчиков температуры, установленных на наружной поверхности резервуара, что также приводит к дополнительным разрушениям оборудования.
Система не обеспечивает защиту от взрыва паров горючей жидкости и горючих газов в имеющихся в прототипе декомпрессионной камере и баке отделения газов от масла, так как до срабатывания системы в этих полостях находится воздух, что приводит к образованию взрывоопасной смеси и большой вероятности возникновения пожара.
Система подачи азота в масляный бак производится с дополнительной задержкой в связи с тем, что распределительный трубопровод сообщается с горючей жидкостью резервуара и имеет большое гидравлическое сопротивление, которое необходимо преодолеть азоту при вбрасывании в резервуар.
Система требует больших затрат при ее использовании для уже находящихся в эксплуатации резервуаров, содержащих высоковольтное оборудование. Это объясняется необходимостью выполнения трудоемких и взрывоопасных сварочных работ на резервуаре для установки отдельных узлов системы и необходимостью наличия специальных дополнительных мест для установки декомпрессионной камеры и специального бака отделения горючих газов от горючей жидкости.
Таким образом, известная система имеет недостаточную эффективность за счет высокого порога срабатывания системы и, как следствие, низкую надежность, сложность установки и высокую стоимость системы.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования системы предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре, в которой путем введения новых элементов и нового конструктивного выполнения элементов обеспечивается повышение эффективности за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы. При этом порог срабатывания системы определяется временем срабатывания датчиков-извещателей о наличии опасной для взрыва ситуации, временем реагирования системы на сигналы датчиков-извещателей об отключении высоковольтного оборудования и прекращении горения электрической дуги внутри резервуара, скоростью сброса давления и объема горючих газов внутри резервуара, скоростью и объемом огнетушащего газа, вбрасываемого в резервуар для предупреждения пожара, скоростью и объемом газа, предупреждающего образование взрывоопасной смеси и, соответственно, пожара при контакте сбрасываемых горючих газов с воздухом.
Поставленная задача решается тем, что в известной системе предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования, находящегося в закрытом заполненном горючей жидкостью резервуаре, снабженном, по крайней мере, одним съемным люком, расширителем и технологическими трубопроводами, содержащей:
- устройство сброса давления в резервуаре, которое включает механический клапан и разрушающуюся мембрану с соответствующими датчиками срабатывания, соединенными с отключающим высоковольтное электрическое оборудование устройством, и трубы для отвода горючей жидкости в безопасное место;
- клапан, размещенный в трубопроводе расширителя, предназначенный для отсечения горючей жидкости в расширителе от резервуара при сбросе давления;
- модульную установку автоматического газового пожаротушения, которая включает емкость для огнетушащего газа, электромагнитный клапан для выпуска огнетушащего газа из емкости, магистральный и распределительный трубопровод для ввода газа в резервуар, блок управления;
новым является то, что система дополнительно содержит: - установленные хотя бы на одном съемном люке резервуара через дополнительно установленный коллектор, по крайней мере, две разрушающиеся мембраны, выполненные с насечками, обеспечивающими возможность разрушения при определенном динамическом давлении в резервуаре и соединенные, соответственно, с датчиками их разрыва,
- по крайней мере, одно реле, срабатывающее при превышении скорости роста давления горючей жидкости внутри резервуара, соединенное с блоком управления, электромагнитным клапаном для выпуска огнетушащего газа из емкости модульной установки автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование,
- по крайней мере, одно реле, срабатывающее при превышении температуры горючей жидкости внутри резервуара, соединенное с блоком управления, электромагнитным клапаном для выпуска огнетушащего газа из емкости модульной установки автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование,
- по крайней мере, один дополнительный электромагнитный клапан и последовательно соединенные с ним дополнительный обратный механический клапан и ручной вентиль, установленные на входе распределительного трубопровода установки пожаротушения в резервуар, которые обеспечивают отсутствие утечки огнетушащего газа в распределительном трубопроводе, причем электромагнитный клапан соединен с блоком управления,
- по крайней мере, один дополнительный распределительный трубопровод, соединяющий установку газового пожаротушения с трубами для отвода горючей жидкости в безопасное место.
Новым также является то, что реле, срабатывающее при превышении скорости роста давления, установлено на дополнительном коллекторе с мембранами.
Новым также является то, что реле, срабатывающее при превышении температуры горючей жидкости внутри резервуара, установлено на дополнительном коллекторе с мембранами.
Новым также является то, что, по крайней мере, один вход распределительного трубопровода установки газового пожаротушения в резервуар выполнен на съемном люке резервуара.
Новым также является то, что, по крайней мере, один конец распределительного трубопровода установки газового пожаротушения соединен с, по крайней мере, одной трубой технологического трубопровода резервуара с помощью установленного на этом конце дополнительного тройника, на первом и втором концах которого дополнительно установлены последовательно ручной вентиль, обратный механический клапан и дополнительный электромагнитный клапан, соединенный с блоком управления.
Новым также является то, что клапан сброса давления установлен на одном из концов коллектора с разрушающимися мембранами.
Новым также является то, что система дополнительно содержит удаленную панель визуализации и звуковой сигнализации, соединенную с блоком управления по проводным и/или беспроводным каналам.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что новые признаки, а именно то, что система дополнительно содержит:
- установленные хотя бы на одном съемном люке резервуара через дополнительно установленный коллектор, по крайней мере, две разрушающиеся мембраны, выполненные с насечками, обеспечивающими возможность разрушения при определенном динамическом давлении в резервуаре и соединенные, соответственно, с датчиками их разрыва;
- по крайней мере, одно реле, срабатывающее при превышении скорости роста давления горючей жидкости внутри резервуара, соединенное с блоком управления, электромагнитным клапаном для выпуска огнетушащего газа из емкости модульной установки автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование;
- по крайней мере, одно реле, срабатывающее при превышении температуры горючей жидкости внутри резервуара, соединенное с блоком управления, электромагнитным клапаном для выпуска огнетушащего газа из емкости модульной установки автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование;
- по крайней мере, один дополнительный электромагнитный клапан и последовательно соединенные с ним дополнительный обратный механический клапан и ручной вентиль, установленные на входе распределительного трубопровода установки пожаротушения в резервуар, которые обеспечивают отсутствие утечки огнетушащего газа в распределительном трубопроводе, причем электромагнитный клапан соединен с блоком управления;
- по крайней мере, один дополнительный распределительный трубопровод, соединяющий установку газового пожаротушения с трубами для отвода горючей жидкости в безопасное место,
в совокупности с известными признаками обеспечивают повышение эффективности за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.
Наличие дополнительно установленного коллектора, который выдерживает высокое динамическое и статическое давление, не меньшее чем резервуар, на имеющемся на резервуаре съемном люке позволяет увеличить число мембран и, соответственно, их суммарную площадь без увеличения числа люков на резервуаре. Это повышает скорость и объем сброса горючей жидкости из резервуара, то есть снижается время действия высокого давления на поверхность резервуара при горении в нем электрической дуги. За счет этого снижается порог срабатывания системы и, как следствие, повышается ее надежность и эффективность.
Наличие мембран, у которых давление разрыва и фрагментарность вскрытия регулируется не толщиной и расположением отдельных зон, а специальными насечками заданной формы, глубины и траекторий, наносимыми на поверхность мембраны при ее изготовлении с помощью станков с программным управлением, снижает стоимость мембраны и позволяет изготавливать ее по индивидуальным техническим требованиям, учитывающим податливость к деформациям реальной конструкции резервуара при росте в нем давления за счет горения электрической дуги.
Такие мембраны технологичны в изготовлении, надежны, не дороги и выпускаются серийно. Например, мембраны серии KUB+ZW немецкой фирмы Rembe (www.rembe.de) укомплектованы датчиками их разрыва и аксессуарами для фланцевого крепления. Благодаря учету реальной конструкции резервуара при изготовлении мембраны повышается надежность и эффективность ее срабатывания и, как следствие, повышается надежность и эффективность системы, обеспечивается ее упрощение и удешевление.
Наличие дополнительно установленного реле, срабатывающего при превышении скорости роста давления горючей жидкости внутри резервуара позволяет для обнаружения опасности взрыва и пожара использовать не только датчики, реагирующие на последствия взрыва или пожара (датчики разрыва мембраны), но и датчики, основанные на явлениях, проявляющихся до взрыва и пожара. Таким реле, например, является реле быстрого роста давления марки 900 RPRR или 9030 ЕРМ фирмы Qualitrol (www.qualitrolcorp.com). Это позволяет более надежно предотвратить разрыв резервуара и его разгерметизацию, снижает объем разрушений оборудования внутри резервуара.
Наличие дополнительно установленного в непосредственной близости от мембраны быстродействующего реле превышения температуры горючей жидкости позволяет дать сигнал о начале вброса в резервуар огнетушащего газа из модульной автоматической установки газового пожаротушения на более ранней стадии развития пожара, чем датчики температур, установленные в прототипе на поверхности резервуара. Например, может быть использовано реле модели ТП-2088/10 российской фирмы «Элемер» (www.elemer.ru), установленное в коллекторе в непосредственной близости от мембраны. При разрыве мембраны высокотемпературная смесь горючих газов, образованных электрической дугой, устремится в район мембраны, что обеспечит быстрое срабатывание реле температуры, установленного рядом. Это обеспечивает повышение эффективности за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.
Наличие дополнительно установленных на входе распределительного трубопровода установки пожаротушения в резервуар последовательно соединенных дополнительных клапанов (обратного механического, электромагнитного и ручного вентиля) позволяет заранее (до взрыва и пожара) заполнить распределительный трубопровод огнетушащим газом без его утечки, а не горючей жидкостью, как в прототипе. Для этих целей можно использовать, например, механический обратный клапан и электромагнитный клапан итальянской фирмы MADAS моделей M16/RMO N. С. - M16/RM N. С.(www.madas.it) и ручные бронзовые вентили хорватской фирмы OMVindoil моделей OMV-CV и OMV-B11BZ (www.omvindoil.hr). Заполненный огнетушащим газом распределительный трубопровод обеспечивает более быстрый вброс огнетушащего газа в резервуар без преодоления большого гидравлического сопротивления горючей жидкости, то есть обеспечивает повышение эффективности за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.
Наличие дополнительного распределительного трубопровода с запорной арматурой, соединяющего трубы для отвода горючей жидкости из резервуара в безопасное место с установкой газового пожаротушения, обеспечивает возможность непосредственно в этих трубах погасить пожар, который может возникнуть при контакте сбрасываемой из резервуара высокотемпературной смеси горючих газов и горючей жидкости с воздухом. При этом высокотемпературная смесь охлаждается. Охлажденную смесь жидкости и газа уже можно сбрасывать не в специально установленную дополнительную емкость, как требуется в прототипе, а в размещенную в грунте бетонную емкость, расположенную под или рядом с резервуаром. Наличие таких бетонных емкостей является обязательным требованием многих стандартов по пожарной безопасности. Поэтому, такая емкость практически всегда имеется или предусматривается при строительстве и вводе в действие высоковольтного оборудования. Это обеспечивает повышение эффективности и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.
То, что реле, срабатывающее при превышении скорости роста давления, и реле, срабатывающее при превышении температуры горючей жидкости внутри резервуара, установлены на дополнительном коллекторе с мембранами позволяет, кроме указанных выше преимуществ, выполнить монтаж этих устройств без проведения дорогостоящих и пожароопасных сварочных работ на резервуаре, так как патрубки для их монтажа можно заранее изготовить на поверхности коллектора.
То, что вход распределительного трубопровода установки газового пожаротушения в резервуар выполнен на съемном люке резервуара, позволяет обеспечить ввод распределительного трубопровода в резервуар без проведения дорогостоящих и пожароопасных сварочных работ на резервуаре, так как патрубки для ввода можно заранее изготовить на отдельном люке и установить его на монтаже вместо съемного люка резервуара.
То, что, по крайней мере, один конец распределительного трубопровода установки газового пожаротушения соединен с, по крайней мере, одной трубой технологического трубопровода резервуара с помощью установленного на этом конце дополнительного тройника, на первом и втором концах которого дополнительно установлены последовательно ручной вентиль, обратный механический клапан и дополнительный электромагнитный клапан, соединенный с блоком управления, позволяет выполнить дополнительный ввод огнетушащего газа в резервуар без выполнения на нем дорогостоящих пожароопасных сварочных работ. Сокращение на монтаже дорогостоящих пожароопасных сварочных работ и, соответственно, повышение надежности, упрощение и удешевление системы особенно актуально при монтаже системы на резервуарах, которые уже находятся в эксплуатации.
То, что клапан сброса давления установлен на одном из концов коллектора с разрушающимися мембранами, позволяет при достаточно высокой мощности электрической дуги создать такое высокое давление, которое откроет и клапан, и мембрану, обеспечив дополнительную площадь для сброса горючей жидкости. В случае медленного нарастания давления сработает только клапан, а мембраны не сработают, поскольку они рассчитаны на превышение динамического, а не статистического давления. При этом коллектор изготавливается так, чтобы он одновременно выдерживал статическое и динамическое давление, большее, чем выдерживает резервуар. В качестве такого клапана можно использовать, например, серийно выпускаемые фирмой Qualitrol клапаны марки XPRD или LPRD (www.qualitrolcorp.com). Это обеспечивает повышение эффективности за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.
То, что система дополнительно содержит удаленную панель визуализации и звуковой сигнализации, соединенную с блоком управления по проводным и/или беспроводным каналам, обеспечивает оперативный контроль всех реле, датчиков и состояния электромагнитных клапанов системы, что повышает эффективность и надежность, обеспечивает упрощение и удешевление системы.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показана заявляемая система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования;
- на фиг. 2 - устройство быстрого сброса давления в резервуаре;
- на фиг. 3 - различные варианты выполнения конструкции дополнительного коллектора;
- на фиг. 4 - схема расположения и соединения дополнительных электромагнитного клапана, механического обратного клапана и ручного вентиля на входе распределительного трубопровода через съемный люк;
- на фиг. 5 - схема расположения и соединения дополнительных электромагнитных клапанов, механических обратных клапанов, ручных вентилей и дополнительного тройника на входе распределительного трубопровода в резервуар через трубы технологического трубопровода.
Заявляемым техническим решением является система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования 1, соединенного с устройством включения/отключения (на чертежах не показано) с помощью высоковольтных вводов 2. Высоковольтное электрическое оборудование 1 находится в закрытом, заполненном горючей жидкостью 3, резервуаре 4, имеющем съемные люки 5, технологические трубопроводы 6 и расширитель 7 с трубопроводом 8 (см. фиг. 1). Заявляемая система содержит устройство 9 сброса давления, модульную установку 10 автоматического газового пожаротушения и отсечной клапан 11 в трубопроводе 8. При этом установка 9 сброса давления включает клапан 12 сброса давления с датчиком 13, извещающим о его срабатывании при превышении допустимого значения статистического давления, и разрушающиеся мембраны 14 с датчиками 15, извещающими об их срабатывании при превышении допустимого значения динамического давления, трубы 16 для отвода горючей жидкости 3 в безопасное место 17. Модульная установка 10 автоматического газового пожаротушения включает емкости 18 - баллоны высокого давления с огнетушащим газом 19, например, азотом, магистральный и распределительные трубопроводы 20 для ввода огнетушащего газа в резервуар 4, электромагнитный клапан 21 для сброса огнетушащего газа из емкостей 18 и блок 22 управления.
Заявляемая система предупреждения взрыва и пожара высоковольтного электрического оборудования 1 содержит также (см. фиг. 2) установленные хотя бы на одном съемном люке 5 резервуара 4 через дополнительно установленный коллектор 23, по крайней мере, две разрушающиеся мембраны 14, выполненные с насечками и соединенные, соответственно, с датчиками 15 их разрыва.
Система также содержит, по крайней мере, одно реле 24 превышения скорости роста давления горючей жидкости 3 внутри резервуара 4, соединенное с блоком 22 управления, электромагнитным клапаном 21 модульной установки 10 автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование 1, через вводы 2.
Система также содержит, по крайней мере, одно реле 25 превышения температуры горючей жидкости 3 внутри резервуара 4, соединенное с блоком 22 управления, электромагнитным клапаном 21 модульной установки 10 автоматического газового пожаротушения и устройством, отключающим высоковольтное оборудование 1, через вводы 2.
Система также содержит, по крайней мере, один дополнительный электромагнитный клапан 26 и последовательно соединенные с ним дополнительный обратный механический клапан 27 и ручной вентиль 31, установленные на входе в резервуар 4 распределительного трубопровода 20 установки 10 автоматического газового пожаротушения, которые обеспечивают отсутствие утечки огнетушащего газа 19 в распределительном трубопроводе 20, причем электромагнитный клапан 26 соединен с блоком 22 управления.
Также содержится, по крайней мере, один дополнительный распределительный трубопровод 28, соединяющий установку 10 автоматического газового пожаротушения с трубами 16 для отвода горючей жидкости 3 в безопасное место 17.
По крайней мере, один вход 29 распределительного трубопровода 20 установки 10 автоматического газового пожаротушения в резервуар 4 может быть выполнен на съемном люке 5 резервуара 4; по крайней мере, один конец распределительного трубопровода 20 установки 10 автоматического газового пожаротушения может быть соединен с, по крайней мере, одной трубой технологического трубопровода 6 резервуара 4 с помощью установленного на этом конце дополнительного тройника 30, на первом и втором концах которого дополнительно установлены последовательно ручной вентиль 31, обратный механический клапан 27 и дополнительный электромагнитный клапан 26, соединенный с блоком 22 управления. Клапан 12 сброса давления может быть установлен на одном из патрубков коллектора 23 с разрушающимися мембранами 14. Система может дополнительно содержать удаленную панель 32 визуализации и звуковой сигнализации, соединенную с блоком 22 управления по проводным и/или беспроводным каналам.
На фиг. 3 показаны различные возможные конструкции дополнительного коллектора 23. Коллектор 23 имеет три группы патрубков для фланцевых соединений, причем первая группа подсоединяется к резервуару 4, вторая - к клапану 12 сброса горючей жидкости 3 при превышении допустимого статического давления, а третья - к мембранам 14, разрушающимся при превышении допустимого для резервуара 4 динамического давления. Там же показаны возможные места расположения реле 24 быстрого роста давления и реле 25 превышения температуры горючей жидкости 3 в коллекторе 23 и, соответственно, в резервуаре 4.
На фиг. 4 показана схема расположения и соединения дополнительных электромагнитного клапана 26, механического обратного клапана 27 и ручного вентиля 31 распределительного трубопровода 20 установки 10 автоматического газового пожаротушения, установленных, по крайней мере, на одном съемном люке 5 для вброса огнетушащего газа 19 в резервуар 4.
На фиг. 5 показана схема расположения и соединения дополнительных электромагнитных клапанов 26, механических обратных клапанов 27, ручных вентилей 31 и дополнительного тройника 30 распределительного трубопровода 20 установки 10 автоматического газового пожаротушения, установленных, по крайней мере, на одном технологическом трубопроводе 6 для вброса огнетушащего газа 19 в резервуар 4.
Заявляемая система работает следующим образом.
При номинальном режиме эксплуатации высоковольтного оборудования 1 в резервуаре 4 температура и давление горючей жидкости 3 не превышает допустимых значений. Поэтому в этом режиме отсечной клапан 11 в трубопроводе 8 расширителя 7 открыт; а в установке 9 сброса давления клапан 12 и мембраны 14 закрыты, реле 24 быстрого роста давления и реле 25 температуры не срабатывают, съемный люк 5, на котором установлено устройство 9 сброса давления открыт на монтаже и в коллекторе 23, сообщающемся с резервуаром 4, находится горючая жидкость 3.
В установке 10 автоматического газового пожаротушения все электромагнитные клапаны 21 и 26 закрыты, все ручные вентили 31 открыты, распределительный трубопровод 20, соединяющий установку 10 автоматического газового пожаротушения с резервуаром 4, заполнен на монтаже огнетушащим газом 19 под низким давлением и соответствующие обратные клапаны 27 совместно с электромагнитными клапанами 26 препятствуют проникновению горючей жидкости 3 в этот распределительный трубопровод 20. В распределительном трубопроводе 28, соединяющем установку 10 автоматического газового пожаротушения с трубами 16, находится воздух; в блок 22 управления не поступают аварийные сигналы.
При различных других режимах (перегрузках по мощности, по току или по напряжению; коммутационных или грозовых перенапряжениях; внешних или внутренних коротких замыканиях; проявлении внутренних дефектов в высоковольтном оборудовании) система работает различным образом, в зависимости от роста давления и температуры внутри резервуара 4 с горючей жидкостью 3.
Если рост давления не превышает допустимое статическое давление для конкретной конструкции резервуара 4, то увеличение объема горючей жидкости 3 компенсируется расширителем 7 резервуара 4. Если при этом произойдет превышение скорости роста давления без превышения температуры, то сигналы от соответствующих реле 24 и 25 системы передадутся в блок 22 управления, который передаст только предупреждающий сигнал на соответствующую панель 32 управления. Тем самым, для таких режимов снижается риск срабатывания системы по ложному сигналу. Примером таких режимов могут быть режимы включения или отключения группы охладителей, установленных на резервуаре 4.
Если скорость роста давления и значение температуры превысит допустимые значения, то по сигналу соответствующих реле 24 и реле 25, установленных в коллекторе 23, через блок 22 управления передастся сигнал на отключение высоковольтного оборудования 1 через вводы 2.
Если давление в резервуаре 4 и, соответственно, в коллекторе 23 превысит допустимое статическое давление, то срабатывает клапан 12 сброса давления и происходит частичный сброс горючей жидкости 3 из резервуара 4 в безопасное место 17 через трубы 16. Мембраны 14 при таком давлении не срабатывают. Сигнал о срабатывании клапана 12 через блок 22 управления также передается на панель 32 сигнализации и визуализации и на устройство отключения высоковольтного оборудования через вводы 2.
Если давление в резервуаре 4 превысит допустимую величину динамического давления, то скорость роста также превысит допустимое значение. По сигналу соответствующего реле 24, установленного в коллекторе 23, через блок 22 управления передастся сигнал на отключение высоковольтного оборудования 1 через вводы 2. Если рост давления продолжится, то сработают мембраны 14, так как они более чувствительны к разрыву, чем клапан 12, и произойдет частичный сброс горючей жидкости 3 из резервуара 4 в безопасное место 17 через соответствующие трубы 16 сброса давления. Сигнал о срабатывании мембран 14 через блок 22 управления также передается на панель 32 сигнализации и визуализации и на устройство отключения высоковольтного оборудования через вводы 2.
Если давление в резервуаре 4 и, соответственно, в коллекторе 23 будет продолжать расти, то откроются не только все мембраны 14, а успеет в дополнение к ним открыться и клапан 12 сброса давления. При этом, достаточно большой объем и скорость сброса смеси горючей жидкости 3 и горючих газов из резервуара 4 совместно с ранним отключением высоковольтного оборудования 1 снизит порог срабатывания системы, повысит ее эффективность и надежность в предупреждении разрыва резервуара 4 и его взрыва.
Если температура жидкости в коллекторе 23 превысит допустимое значение по показаниям реле 25 температуры, соответствующий сигнал передастся в блок 22 управления. При наличии этого сигнала и хотя бы одного из сигналов от датчиков 15 о срабатывании мембран 14 блок 22 управления подает сигнал установке 10 автоматического газового пожаротушения на начало вброса огнетушащего газа 19 в резервуар 4 и соответствующие трубы 16. При этом закрывается отсечной клапан 11 в трубопроводе 8 расширителя 7 и горючая жидкость 3 в нем отсекается от резервуара 4 с повышенным давлением. Электромагнитный клапан 21 на емкостях 18 с огнетушащим газом 19 открывается и под высоким давлением (порядка 1-1,5 атм.) огнетушащий газ 19 добавляется к имеющемуся в распределительном трубопроводе 20 огнетушащему газу 19 с низким давлением, что приводит к вбросу этого газа в резервуар 4 без задержки через открывающиеся по этим же сигналам электромагнитные клапаны 26 на входе распределительного трубопровода 20 в резервуар 4. Обратные клапаны 27, установленные там же, не препятствуют потоку газа 19, вбрасываемому в этом направлении. Так происходит при вбросе газа 19 в резервуар 4 через съемные люки 5. В случае вброса огнетушащего газа 19 в резервуар 4 через технологические трубопроводы 6 перед аналогичным процессом подается сигнал дополнительным электромагнитным клапанам 26, установленным на части тройника 30, соединенного с трубопроводом 6 на закрытие потока горючей жидкости 3, а затем подается сигнал на открытие электромагнитных клапанов 26, обеспечивающих вброс газа 19 в резервуар 4.
Вброс огнетушащего газа 19 в трубы 16 для отвода горючей жидкости из резервуара 4 происходит по сигналу блока 22 управления при срабатывании соответствующего датчика 15 мембран 14. При этом происходит смешивание огнетушащего газа 19 с высокотемпературной смесью горючей жидкости 3 и горючих газов, сбрасываемых из резервуара 4, и эффективное тушение пожара, если он успел начаться.
Окончание вброса газа 19 в резервуар 4 и трубы 16 и перевод электромагнитных клапанов 11, 26 и клапана 12 в исходное состояние осуществляется обслуживающим персоналом вручную либо автоматически по данным реле 25 температур и реле 24 роста давления, по объему и длительности вброса огнетушащего газа 19 в резервуар 4 и в трубы 16 для отвода горючей жидкости 3 из резервуара 4.
Клапан 26 может быть установлен в шкафу модуля пожаротушения и использоваться для перекрытия распределительного трубопровода в случае ложного срабатывания клапана 21.
Как видно из предыдущего описания, при изготовлении системы используют серийно выпускаемые ведущими фирмами, проверенные и испытанные элементы (мембраны, различные виды клапанов и вентилей, баллоны с огнетушащим газом и другие). Требования к трубопроводам, металлоконструкциям, крепежу и фланцевым соединениям соответствуют стандартным требованиям.
Требования к электронным компонентам блока управления и панели сигнализации и визуализации также соответствуют общим техническим требованиям для аналогичных устройств. Таким образом, система технически выполнима, работоспособна, обеспечивает повышение эффективности предотвращения взрыва и пожара за счет снижения порога срабатывания системы и, как следствие, повышение надежности, упрощение и удешевление системы.