Computational Fluid Dynamics (CFD)-simuleringer er et fantastisk redskab til at evaluere nødsituationer, såsom en kortslutning i et switchgear.
En CFD-analyse kan dokumentere spredningen af farlige gasser og forudsige tryk- og temperaturfordelingen. Det er afgørende, når man skal optimere sikkerhedsprocedurer og switchgearsystemets ydeevne, eller når man vil øge personlig og miljømæssig sikkerhed og gøre de omkringliggende bygningskonstruktioner stærkere.
Hos R&R Consult lavede vi en model af et switchgearanlægs trykfrigørelsessystem under en potentiel lysbuefejl (kortslutning) i samarbejde med en større Vindturbineleverandør.
Outline of switchgear Sikkerhedsventiler Iso-overflade med 1000ppm SF6
Sådan brugte R&R Consult CFD-simuleringer til at hjælpe med at forbedre sikkerhedssystemet
SF6-gas bruges som isolator i switchgear. SF6-gas er normalt meget stabil, men kan blive meget reaktiv under ekstreme temperaturer, høj elektrisk belastning eller ved en kortslutning (lysbuefejl).
En kortslutning kan udløse ekstreme temperaturer på op til 20.000 grader celcius, hvilket får SF6-gassen til at opbygge tryk i det lukkede kabinet. Uden sikkerhedsforanstaltninger vil kabinenettet eksplodere og ekstremt varm luft eller gas vil sprede sig med fare for personer i nærheden og risiko for betydelige materielle skader.
For at forhindre farlige situationer er der installeret en sikkerhedsventil der åbner ved et tryk 180 kPa og frigiver gassen sikkert til omgivelserne.
Koncentration af SF6 gas i bunden af kabinet efter åbning af sikkerhedsventil
Kunden ønskede en evaluering af et trykaflastningssystem i et switchgear i en vindturbine under en kortslutning for at kunne forbedre den personlige og miljømæssige sikkerhed og optimere switchgearanlæggets design.
Men det er vanskeligt at lave en model af sådan en nødsituation, fordi den indesluttede SF6-gas stiger hurtigt i tryk og temperatur og kan generere trykbølger ved høje hastigheder (lydens hastighed). Disse beregninger krævede stor ekspertise og erfaring inden for termo- og fluiddynamik. Derfor kontaktede virksomheden R&R Consult og bad os om at udføre en CFD-simulering og analyse.
Temperaturkonturer ved forskellige tidsintervaller
Resultatet af CFD-analysen
Vores CFD-analyse viste tydeligt de ustabile forhold under en potentiel kortslutning i switchgearet. Modellen forudsagde præcist både spredningen og koncentrationen af farlige gasarter og hvordan trykket og temperaturen steg i switchgearrummet.
Det var afgørende for at kunne evaluere personlig sikkerhed og optimere sikkerhedsforanstaltningerne.
Visualisering af udbredelse som funktion af tiden af SF6 gassen gennem iso-overflader for 1000 ppm koncentration
Sådan kan CFD-simuleringer forbedre sikkerheden
En CFD-simulering har altså mange fordele og praktiske anvendelser, når man skal lave en sikkerhedsevaluering:
- Sikre personlig sikkerhed: En model af gaskoncentrationer og temperaturer i omgivelserne kan hjælpe med at vurdere og forbedre sikkerheden for personer, der arbejder i nærheden af switchgearrummet.
- Test af sikkerhedsforanstaltninger: Med en simulering af en kortslutning kan vi vurdere effektiviteten af sikkerhedsforanstaltninger såsom trykaflastningssystemer. At kunne forudsige gasfordelingen er en stor fordel, når man skal udvikle og forbedre sine sikkerhedsprotokoller.
- Optimering af design: Tryk- og temperaturfordelinger under en kortslutning er afgørende, når man skal optimere det mekaniske design i et switchgear og forbedre dets robusthed og sikkerhed. Tryk- og kraftdata fra modellen kan også bruges til at garantere et robust strukturelt design.
- Beskyttelse af kritiske komponenter: Vores model viste gaskoncentrationer og temperaturer i omgivelserne. Med disse data kan man strategisk placere kritiske komponenter væk fra potentielle kortslutninger eller eksplosioner.
- Dokumentation af overholdelse: Den detaljerede sikkerhedsdokumentation, som CFD-simuleringen genererer, kan vise, om man i nødstilfælde ville overholde lovkrav og sikkerhedsstandarder.
Som casen viser, kan veludførte CFD-analyser give uvurderlig indsigt i systemets design, ydeevne og sikkerhed. Alt sammen uden behov for at opbygge dyre og tidskrævende fysiske modeller.
Et andet af vores eksempler på anvendelse af CFD simulering til at analysere sikkerhedsaspekter kan ses her Ozonlækage i maskinrummet på et skib.
Hvis du er klar til at træffe mere informerede beslutninger og skabe et sikrere miljø, så kontakt eksperterne hos R&R Consult i dag. Med mere end 25 års erfaring inden for CFD kan du være sikker på, at vi også kan skræddersy en løsning, der imødekommer dine unikke udfordringer.
Nedenstående CFD-animation viser SF6 gassen hvor den kommer ud af sikkerhedsventilen i bunden af switchgearet og spreder sig til kammeret der leder gassen sikkert ud i toppen af kabinettet og ud til omgivelserne.
Transient CFD visualisering af koncentration af SF6