Use of physical modeling tools in the design of fire-protection systems for an electric transformer in an underground hydroelectric Power Plant

Abstract

The design of fire protection systems in underground power plants goes beyond what is solely prescriptive. This is because, in addition to the risks of the operation of rotating and electrical equipment, there is difficulty in evaluating the time required for the evacuation of personnel due to the long distances between the access portal and the power plant. Therefore, it is necessary to carry out performance-based designs to reduce the level of uncertainty left by prescriptive designs and verify that personnel can evacuate properly. In this monograph, three different physical modeling tools (PMTs) were analyzed: Fire Dynamics simulator (FDS), Consolidated Model of Fire Growth and Smoke (CFAST) and ANSYS-FLUENT, in a case of application of fire in an oil-insulated transformer with an estimate heat release rate of 8746 kW, for which five different fire scenarios were analyzed. A prescription-based approach to the characterization of a fire protection system and a fire risk analysis in hydroelectric power plants was initially undertaken. This part was particularly devoted to a fire in an electric transformer and lead to the design of a fire protection system exclusively based on prescriptive recommendations. Five fire scenarios that considered either a confined system (the transformer cell) or an unconfined system (the transformer cell and the adjacent hallway) as well as the availability of smoke evacuation and water deluge protection were then modeled with all the three PMTs. The results from all the PMTs simulations were compared, particularly those related with smoke temperature and predicted Heat Release Rate (HRR). The available evacuation times (ASET) calculated by the PMTs and associated to risks related to changes in temperature, concentration of carbon monoxide, carbon dioxide and oxygen and thermal radiation were compared with the required evacuation time (RSET) calculated by the prescriptive method. It was identified that the time required for the evacuation of personnel is less than the time available. The results of the smoke layer temperatures reported by the PMTs were compared with those calculated by the prescriptive method for the definition of the smoke extraction system. Finally, the functionality of each PMT to model the proposed fire scenarios was evaluated. FDS could be used simulate the five proposed scenarios. CFAST demanded to artificially adjust the HRR to represent the deluge extinguishing system. Even though a more detailed representation of the geometry was possible with FLUENT, only the steady-state cases could be modeled in a similar computational time frame that of FDS and with a personal computer. Even though CFAST was deemed as the easiest to use PMT, FDS was confirmed as the standard to use when modeling fires as its mathematical complexity allows for a more reliable fire representation. Although FLUENT has potential for fire simulation, its application by fire safety engineering (FSE) practitioner would be limited to steady state simulations if the simulations are to be carried out in the time frame and with the typical computational facilities available in industry.

Los diseños de los sistemas de protección contra incendios en las centrales de generación subterráneas van más allá de lo netamente prescriptivo. Lo anterior se debe a que, adicional a los riesgos de la operación de los equipos rotativos y eléctricos, existe una dificultad para evaluar el tiempo necesario para la evacuación del personal debido a las largas distancias entre el portal de acceso y la casa de máquinas. Por lo tanto, se hace necesario realizar diseños basados en desempeño con el propósito de disminuir el nivel de incertidumbre que dejan los diseños prescriptivos y verificar que el personal pueda evacuar de manera adecuada. En este trabajo de grado se analizaron tres diferentes herramientas de modelación física: Fire Dynamics Simulator (FDS), Consolidated Model of Fire Growth and Smoke (CFAST) y ANSYS-FLUENT, en un caso de aplicación de un incendio de un transformador de potencia refrigerado por aceite con una tasa de liberación de calor estimada de 8746 kW, para el cual se analizaron cinco escenarios de incendios diferentes. Inicialmente se caracterizó con base en el método prescriptivo un sistema de protección y de riesgos contra incendios en centrales hidroeléctricas, específicamente en lo relacionado con el transformador eléctrico. Esta caracterización permitió el diseño de un sistema protector contra incendios a partir de recomendaciones prescriptivas. Se simularon cinco escenarios de incendios que consideraban sistemas confinados (la celda del transformador) o no confinados (la celda del transformador y el pasillo aledaño) así como la disponibilidad de extractores de humo y sistemas de diluvio. Los resultados de las simulaciones de todas las herramientas de modelación física se compararon, especialmente aquellos relacionados con la temperatura del humo y la velocidad de liberación de calor (HRR, Heat Release Rate). Inicialmente, los tiempos de evacuación disponibles (ASET) calculados por métodos computacionales para niveles de riesgo relacionados con los cambios en la temperatura, la concentración de monóxido de carbono, dióxido de carbono y oxígeno y la radiación térmica se compararon con el tiempo de evacuación requerido (RSET) calculado por método prescriptivo. Se identificó que el tiempo requerido para la evacuación del personal es menor al tiempo disponible, por lo cual, el personal puede evacuar a una zona segura. Posterior a esto, se compararon los resultados de las temperaturas de la capa de humo reportadas por las herramientas de simulación física con las calculadas por el método prescriptivo para la definición del sistema de extracción de humos. Finalmente, se evaluó la funcionalidad de cada una de las herramientas de modelación física para adaptarse a los escenarios propuestos. FDS permitió simular los cinco escenarios; con CFAST fue necesario de forma artificial ajustar la HRR para representar el sistema de extinción por diluvio. En el caso de FLUENT solo fue posible simular, dentro de un tiempo de cómputo similar al de FDS y en un computador personal, dos escenarios que se presentaban en estado estable. Si bien CFAST es la herramienta de modelación física más fácil de usar, FDS se ratificó como el estándar de uso en la simulación de incendios pues la complejidad de su desarrollo matemático le permite una mejor caracterización del incendio. Si bien FLUENT tiene potencial para simular un incendio, su aplicación por parte de profesionales especializados en el área de seguridad contra incendios se limita a simulaciones en estado estable dentro de la capacidad de cómputo normalmente disponible para este tipo de análisis en la industria. (Texto tomado de la fuente)