Šírenie amoniaku pri hypotetických haváriách v lokalite zimného štadióna

Transcription

1 Konference ANSYS 2009 Šírenie amoniaku pri hypotetických haváriách v lokalite zimného štadióna Ján Remiš VUJE a.s., Okružná 5, Trnava, Slovenská republika, RemisJan@vuje.sk Abstract: The paper deals with numerical modelling of the spread of gaseous ammonia cloud after a hypothetical accident at an ice stadium site, which is situated in a densely populated urban area. Analyses were focused on such an ice rink that uses an older technology of the ice surface cooling. The technology uses approximately 6000 kg of liquid ammonia. The aim of the analysis was to determine the area of the fatal threat (c NH3 >5000 ppm) and the area of the health damage threat (c NH3 > 500 ppm) where different initial and boundary conditions of the accident were considered (wind direction, wind strength, ambient temperature, atmospheric boundary layer, the intensity of the ammonia leakage). Finally, the most adverse conditions of the accident, in which the highest number of people is affected, are evaluated. Abstrakt: Príspevok sa zaoberá numerickým modelovaním šírenia sa plynného oblaku amoniaku po hypotetickej havárii v lokalite zimného štadióna, ktorý je situovaný v husto osídlenom mestskom území. Analýze bol podrobený zimný štadión so staršou technológiou chladenia ľadovej plochy, pri ktorej sa používa približne 6000 kg kvapalného amoniaku. Cieľom analýz bolo vymedziť pásmo smrteľného ohrozenia (c NH3 > 5000 ppm) a pásmo ohrozenia zdravia (c NH3 > 500 ppm) pri uvažovaní rôznych počiatočných a okrajových podmienok havárie (smer vetra, sila vetra, teplota okolia, zvrstvenie medznej vrstvy atmosféry, intenzita úniku amoniaku. Na záver sú vyhodnotené najnepriaznivejšie podmienky havárie, pri ktorých je ohrozených najväčší počet obyvateľov. Klíčová slova a Keywords: Fluent, amoniak, zimný štadión, ammonia, ice stadium accident. 1. Úvod Vysoká miera priemyselnej rozvinutosti Slovenska, ktorá je daná nielen existenciou veľkých výrobných celkov, ale aj rozvojom vybavenosti miest, so sebou prináša aj nárast počtu potencionálnych zdrojov zdraviu škodlivých, alebo kvalitu ovzdušia zhoršujúcich plynov. Pre plánovanie umiestnenia takýchto rizikových zdrojov, ale aj pre realizáciu ochranných opatrení v prípade havárie, je nutné čo najpresnejšie poznať rozloženie koncentrácií zložiek atmosféry vo veľmi komplikovanom prostredí miest a priemyselných zón. Cieľom tohto príspevku je pomocou numerického modelovania determinovať priebeh havárie, ktorá je spojená s únikom škodlivých plynov do atmosféry, tvorbou a následným šírením oblaku toxických plynov, ktorý predstavuje potencionálne riziko ohrozenia zdravia miestneho obyvateľstva. Príkladom rizikového zdroja zdraviu škodlivých plynov sú aj zimné štadióny. Obzvlášť akútnym problémom sú dosluhujúce zimné štadióny, ktoré využívajú zastaranú

2 TechSoft Engineering & SVS FEM technológiu chladenia ľadovej plochy. Pri tejto technológii sa na vychladenie jednej ľadovej plochy používa ~6000 kg kvapalného amoniaku. Havarijný únik takéhoto množstva amoniaku predstavuje nezanedbateľné riziko nielen pre návštevníkov zimného štadióna, ale ja pre miestne obyvateľstvo. K havarijnému úniku amoniaku dochádza najčastejšie z dôvodu zlyhania poistného ventilu na okruhu s amoniakom (po jeho zapracovaní zlyhá jeho zatvorenie) alebo z dôvodu straty integrity okruhu s amoniakom. Väčšina amoniaku sa nachádza v kvapalnom stave pri tlaku 0,2-1,0 MPa. Vzhľadom na jeho nízku teplotu varu (-33 C) pri atmosférickom tlaku dochádza pri havarijnom úniku k jeho intenzívnemu varu, ktorý vedie k následnej tvorbe plynného oblaku amoniaku. Pozornosť pri numerickom modelovaní bola venovaná hlavne jeho šíreniu a disperzie v obytnej zóne, ktorá sa nachádza v tesnej blízkosti zimného štadióna. Výpočty boli realizované pomocou CFD výpočtového programu Fluent Popis výpočtového modelu 2.1 Geometrický model V štúdii bol modelovaný zimný štadión, nachádzajúci sa v meste Hlohovec (SK). Blízke okolie štadióna má rovinatý charakter. Z pohľadu analyzovaného smeru vetra (SV 40 ) je náveterná strana rovinatá, s výskytom voľne rastúcej zelene (výška do 12 m) a s minimálnou zástavbou. V záveternej strane sa reliéf zemského povrchu postupne zdvíha. Reliéf zemského povrchu bol modelovaný realisticky, pričom vo výpočtovej oblasti sa nadmorská výška pohybovala v rozmedzí m n. m.. V tejto oblasti sa vyskytuje prevažne vegetácia vo forme izolovaných stromov. V tesnej blízkosti štadióna sa nachádzajú prevažne jednopodlažné rodinné domy. Za týmito domami na nachádzajú viacpodlažné obytné domy. Detail modelovaných objektov je zobrazený na Obr. 1. Obr. 1 Konfigurácia modelovaných objektov v modeli pre smer vetra SV 40

3 Konference ANSYS 2009 Vo výpočtovom modeli (Obr. 2) bol zadefinovaný súradnicový systém tak, aby kladná os x ležala v smere vetra, pričom poloha počiatočného bodu súradnicového systému bola umiestnená na zemský povrch priamo pod únikovým otvorom. Celková dĺžka analyzovanej oblasti rovná 550 m a šírka rovná 330 m. Po vytvorení analyzovanej oblasti bola táto umiestnená do výpočtovej oblasti, ktorej rozmery sú 870x480x(94-110) m tak, že vstupná plocha je vzdialená od miesta úniku 185 m. Obr. 2 Geometrický model analyzovanej oblasti pre smer vetra SV 40 - SV pohľad 2.2 Výpočtová sieť V prvom kroku bola vytvorená v prízemnej oblasti (do 1,456m od zeme) medzná vrstva buniek, ktorá bola zložená z 3 vrstiev prizmatických buniek. Následne bola vytvorená sieť v blízkosti hrán modelovaných objektov. Pre hrany do vzdialenosti ~30 m od únikového otvoru boli použité bunky (štvorsteny) s veľkosťou 0,3 m, pre vzdialenejšie hrany (~ do 200 m) s veľkosťou 0,6 m a pre najvzdialenejšie hrany s veľkosťou 1,0 m. Veľkosť buniek sa v smere od hrany do priestoru rovnomerne zväčšovala s násobkom 1,5x. Maximálna veľkosť elementárnych buniek bola zvolená 6 m. Týmto spôsobom bola vytvorená výpočtová sieť analyzovanej oblasti s celkovým počtom buniek. Zvyšný priestor výpočtovej oblasti bol vysieťovaný pomocou šesťstenov, čím sa celkový počet buniek základnej výpočtovej siete zvýšil na buniek. Základná sieť bola dodatočne adaptovaná vo Fluente, kde boli zahusťované priestory v okolí únikového otvoru, v blízkosti povrchu zeme a v blízkosti stien modelovaných objektov. Výsledná výpočtová sieť bola zostavená z elementárnych buniek (Obr. 3).

4 TechSoft Engineering & SVS FEM Obr. 3 Výpočtová sieť SV-40 - povrchy a vertikálny rez prechádzajúci osou x 2.3 Počiatočné a okrajové podmienky výpočtov. Vstup - výpočtová oblasť: - prúdiace médium - vzduch, hustota vzduchu bola definovaná ako pre nestlačiteľný ideálny plyn - teplota pri zemskom povrchu - 20 C - rýchlostný profil v o =3m/s (rýchlosť vetra vo výške 10m nad zemským povrchom), vertikálny profil pre strednú rýchlosť prúdenia bol vyjadrený mocninovou závislosťou: α z v = vo * b, pričom parametre α a b sú uvedené v špecifikácii jednotlivých variantov turbulentný profil - prechodová oblasť medzi voľnou krajinou a prímestskou oblasťou: 3 k = ( v * I ) 2, kde v je stredná rýchlosť prúdenia a I je intenzita turbulencie 2 I I 2 x + I 2 y 3 + I 2 z =, I x z = c 10 d I 0, 75I =, I z = 0, 5I x, pričom c=0,19 a d=0,16, y x

5 Konference ANSYS ,5 0,75 k ε = Cµ, kde l = κ ( z + z o ), pričom C µ =0,09, κ=0,41 a z 0 =0,25 m l Vstup - únikový otvor: - prúdiace médium % plynný amoniak (NH3), hustota amoniaku bola definovaná ako pre nestlačiteľný ideálny plyn - počiatočná teplota amoniaku C (teplota varu kvapalného amoniaku pri atm. tlaku) - prietok hmotnostný prietok plynného amoniaku 1,0 alebo 2,0 kg/s - počiatočná intenzita turbulencie - 10 %, hydraulický priemer 1,0 m Výstup: konštantný nulový statický tlak (pressure-outlet) Bočné steny a vrch výpočtovej oblasti: typ okrajovej podmienky symmetry. Povrch zástavby: steny s nulovou hodnotou drsnosti (wall), definovaný nulový tepelný tok Zemský povrch: drsná stena s konšt. drsnosťou 0,3 m (wall), definovaný nulový tepelný tok Matematický model turbulencie: Realizable k-ε Nastavenie diskretizácie úlohy: protiprúda diskretizácia 2-rádu v priestore Nastavenie riešiča: Solver/Gradient Option/Node-Based, Define/Models/Viscous Model/Options/Full Buoyancy Effects koeficienty pre rýchlostný profil koeficienty pre turbulentný profil Typ terénu b α C D mestská oblasť A 0,55 0,29 0,43 0,29 zalesnená oblasť B 0,77 0,21 0,29 0,21 voľná krajina C 1,00 0,16 0,19 0,16 Tab. 1. Parametre vertikálnych profilov prúdenia vzduchu na vstupe do výpočtovej oblasti 3. Analýza výsledkov Výpočtové analýzy boli realizované pri uvažovaní dvoch hmotnostných prietokoch unikajúceho amoniaku (1,0 a 2,0 kg/s) a pri uvažovaní 3 rôznych charakteristík terénu v náveternej strane. Z koncentrácií vypočítaných v meracích bodoch (Tab. 2) je vidieť, že pri uvažovaní tých istých podmienok výpočtu dochádza pri 2-násobnom zväčšení úniku k nárastu koncentrácie v rozsahu %. Najmenší nárast koncentrácie bol vypočítaný v bode č. 1 pre typ terénu C a naopak najväčší nárast bol v meracom bode č. 4 pre typ terénu A. Vo všetkých variantoch bola uvažovaná rovnaká referenčná rýchlosť vetra 3,0 m/s, ktorá je definovaná ako rýchlosť vetra vo výške 10 m nad voľnou krajinou. Avšak pri prechode tohto prúdenia ponad rôzne typy terénu dochádza k zbrzdeniu prúdenia v prízemnej oblasti, čo sa prejaví poklesom rýchlosti a nárastom turbulencie prúdenia v prízemnej vrstve. Pre terén typu B dôjde k

6 TechSoft Engineering & SVS FEM zníženiu rýchlosti na hodnotu 2,31 m/s a pre terén typu A na hodnotu 1,65 m/s. Zníženie rýchlosti a zvýšenie turbulencie prúdenia sa výrazne prejavili v úvodnej fáze tvorby plynového oblaku, tým že sa mohli výraznejšie prejaviť účinky vztlakových síl na formujúci sa oblak plynu. Na Obr. 4 je vidieť, že pri teréne typu A dochádza k výraznejšiemu vystúpaniu oblaku plynu v blízkosti únikového otvoru, čo zintenzívňuje jeho prúdenie vo vyšších vrstvách. Na Obr. 5 je naopak vidieť, že pri teréne typu C, kedy okolité prúdenie má väčšiu hybnosť, nedochádza k tak výraznému vystúpaniu oblaku plynu, ale tento je okolitým prúdením strhávaný k zemskému povrchu, čím je zintenzívnené jeho prúdenie v prízemnej oblasti. Obr. 4 Koncentrácia amoniaku vo vertikálnom reze (y=0m) pre variant P-20-A Obr. 5 Koncentrácia amoniaku vo vertikálnom reze (y=0m) pre variant P-20-C

7 Konference ANSYS 2009 Uvedené efekty sa na výsledkoch prejavia tak, že najmenšie koncentrácie amoniaku v prízemnej vrstve boli dosahované pri uvažovaní terénu typu A (mestská oblasť) a naopak najväčšie pri uvažovaní terénu typu C (voľná krajina). Uvedené trendy sa prejavil aj vo veľkosti zamorených oblastí (200 a 500ppm). Na Obr. 6 je vidieť, že najväčšie zamorenie bolo dosiahnuté pri uvažovaní terénu typu C a najmenšie pri teréne typu A. Obr. 6 Oblasti zamorenia (200 a 500 ppm) vo výške 1,6m pre varianty s prietokom NH3=2,0kg/s Obr. 7 Oblasti zamorenia (500ppm) pre varianty P-10-C a P-20-C Variant P-10-A P-10-B P-10-C P-20-A P-20-B P-20-C Výpočtový bod č. 1, [85; 0; 1,6] Výpočtový bod č. 2, [170; 0; 1,6] Výpočtový bod č. 3, [290; 0; 1,6] Výpočtový bod č. 4, [525; 0; 1,6] Tab. 2 Koncentrácia amoniaku vo výpočtových bodoch pre výpočtový model SV 40, [ppm]

8 TechSoft Engineering & SVS FEM 4. Reference 1. J.H. Amorin, A.I. Miranda, C. Borrego: Air pollutants dispersion disturbance due to urban vegetation: A porous media modeling approach to Lisbon city centre. NATO Advanced Study Institute, May 4-15, 2004, Kiev, Ukraine 2. ERCOFTAC (January 2000), Best Practrice Guidelines, Version FLUENT 6.1, User s guide (elektronická verzia), 2001, Lebanon, UK Oficiálna web stránka k projektu CEDVAL 5. G. D. Kaiser, J. D. Price, J. Urdaneta: Technical Background Document For Offsite Consequence Analysis For Anhydrous Aqueous Ammonia, Chlorine, And Sulfur Dioxide, U.S. Environmental Protection Agency, Virginia, April H. Lauerbach, J. Eichhorn: Flow through deciduoud tree crowns: Comparison of measurments and high resolution numerical modelling. NATO Advanced Study Institute, May 4-15, 2004, Kiev, Ukraine 7. V. Michalcová: Experimentálne a numerické modelovanie účinkov zaťaženia konštrukcií vetrom, Ostrava, F. Pedersen, R. S. Selig: Predicting the consequences of short-term exposure to high concentrations of gaseous ammonia. Journal of Hazardous Materials, 21 (1989), p Wei Li, Fan Wang, Simon Bell: Modelling Airflow in an Urban Landscape P. Westbury, S. Miles: Practical tools to assess wind effects on buildings for environmental and hvac design. CIBSE Conference 2002 Uvedené práce boli realizované v rámci riešenia projektu APVT , ktorého riešenie prebiehalo v rokoch , a ktorý bol podporovaný Agentúrou na podporu rozvoja výskumu a vývoja (APVV).