Praktische Beispiele und Erfahrungen zu Störfallauswirkungsbetrachtungen - Freistrahlberechnungen -

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1 Praktische Beispiele und Erfahrungen zu Störfallauswirkungsbetrachtungen - Freistrahlberechnungen - Dr. Bernd Schalau Fachgruppe II.1: Gase, Gasanlagen

2 Gliederung Rahmenbedingungen für Störfallauswirkungsbetrachtungen Bestimmung des Massenstroms Modelle zur Freistrahlberechnung Bewertung der Modelle Kopplung mit der VDI Richtlinie 3783 II.11 Nr. 2

3 Störfallablaufszenarien Störfallablaufszenarien zur Ermittlung der Wirksamkeit von Maßnahmen nach 4 der Störfall-Verordnung. Dabei sind vernünftigerweise nicht auszuschließende Gefahrenquellen zu berücksichtigen. Störfallablaufszenarien zur Ermittlung der Wirksamkeit von Maßnahmen nach 5 Abs. 1 der Störfall-Verordnung. Dabei sind vernünftigerweise auszuschließende Gefahrenquellen (Dennoch-Störfälle) zu berücksichtigen. Störfallablaufszenarien zur Ermittlung der erforderlichen Informationen nach 9 Abs. 1 Nr. 4 der Störfall-Verordnung für die Erstellung externer Alarm- und Gefahrenabwehrpläne. Bei der Beschreibung der Störfallauswirkungen können die Vorkehrungen berücksichtigt sein, die im Betriebsbereich bzw. in der Anlage zur Begrenzung von Störfallauswirkungen getroffen sind. Quelle: Vollzugshilfe zur Störfall-Verordnung, BMU II.11 Nr. 3

4 Störfallauswirkungsbetrachtungen Verfahrensbedingungen (Druck, Temperatur) Stoffeigenschaften Leckgröße Gasförmige Freisetzung Massenstrom - gasförmig, - flüssig, - Zweiphasenströmung Flüssigkeit Siedetemperatur > Umgebungstemperatur Lachenverdunstung Impulsfreie Freisetzung Flüssigkeit Siedetemperatur < Umgebungstemperatur Betriebstemperatur > Siedetemperatur: Spontane Verdampfung Lachenverdampfung Impulsfreie Freisetzung II.11 Nr. 4

5 Störfallablaufszenarium - Leckgröße Bei der Erstellung von Sicherheitsberichten, z. B. im Rahmen von Genehmigungsverfahren, gibt es immer wieder Diskussionen über die Annahmen zu Leckgrößen Die zwischen Betreiber und Behörde abgestimmte Leckgröße ist bei Verfahren mit Öffentlichkeitsbeteiligung immer diskussionswürdig. Es gibt eine uneinheitliche Bewertung der Störfallablaufszenarien durch die Behörden. Es gibt eine uneinheitliche Bewertung der Störfallablaufszenarien in TAA / SFK Berichten. II.11 Nr. 5

6 TAA-GS-03 (1994) Abschlussbericht des Arbeitskreises Novellierung der 2. StörfallVwV Technisch mögliche Leckagen, wie z. B. Größere Leckagen an Dichtflächen / Flanschleckagen (TRB 801 Nr. 25 Anlage) Ansprechen eines Sicherheitsventils oder einer Berstscheibe (definierte Leckfläche) Überfüllung von Behältern Abriss von Schlauchverbindungen Ausfall von Abgasreinigungsanlagen II.11 Nr. 6

7 TAA-GS-03 Abschlussbericht des Arbeitskreises Novellierung der 2. StörfallVwV Hypothetische Leckagen, wie z. B. Auftreten eines größeren Lecks in einer Rohrleitung Vollständiger Rohrleitungsabriss Bei der Festlegung einer hypothetischen Leckage wird an einer Rohrleitung wird ein Leck-vor-Bruch Verhalten durch den Einsatz von zähen Werkstoffen vorausgesetzt. Für die Festlegung von größeren Lecks in Rohrleitungen wird der Ansatz von Prof. Brötz (A=0,1 DN 2 ) verwendet. Die maximale Leckfläche soll 100 mm² betragen. II.11 Nr. 7

8 TAA-GS GS-12 (1997) / TRAS 110 (2002) Ein Abstand zwischen der Ammoniak-Kälteanlage und den Schutzobjekten kann einen wesentlichen Beitrag zur Begrenzung der Auswirkungen eines trotz der störfallverhindernden Vorkehrungen eintretenden Störfall leisten. (Dennoch-Störfall) Es wird der Austritt von Ammoniak aus den Sicherheitsabblaseleitungen und der Maschinenraumlüftung betrachtet. Im Entwurf der TRAS 110 Stand 2008 wird auf das gefahrlose Abblasen gemäß TRB 600 Bezug genommen, da die TRAS 110 für alle genehmigungsbedürftigen Anlagen gelten soll. II.11 Nr. 8

9 SFK-GS GS-26 (1999) Abschlußbericht»Schadensbegrenzung bei Dennoch-Störfällen - Empfehlungen für Kriterien zur Abgrenzung von Dennoch-Störfällen und für Vorkehrungen zur Begrenzung ihrer Auswirkungen«Festlegung des Störfallbeurteilungswertes für den zu betrachtenden Stoff Definition des kritischen Aufpunktes und Ermittlung seiner Entfernung Ermittlung desjenigen Quellterms, der bei Stoffausbreitung unter ungünstigen Ausbreitungsbedingungen am kritischen Aufpunkt gerade zu einem Immissionswert in Höhe des Störfallbeurteilungswertes führt. (Hinweis: Gasausbreitungs-Rückrechnung ist zeitabhängig) Ermittlung der Gesamtquellrate aus dem Quellterm durch Rückrechnung unter Freisetzungsbedingungen bei dem zugrunde gelegten Störfallszenario (Ereignisart, Freisetzungsart, Emissionsart) II.11 Nr. 9

10 TAA-GS GS-22 (2001) Abschlussbericht des Arbeitskreises»Flüssiggaslagerung«Der Arbeitskreis stellt mehrheitlich fest, dass die in der TRB 801 Nr. 25 Anlage Flüssiggaslagerbehälteranlage angenommene Quellstärke für die Diskussion vernünftigerweise nicht auszuschließender Ereignisse eine geeignete Grundlage darstellt. Für die Betrachtung von weiteren Szenarien auf Basis größerer Quellterme ist sie jedoch nicht geeignet. Darüber hinaus empfiehlt der Arbeitskreis die Berechnung und Bewertung eines weiter gehenden Szenarios, das von deutlich größeren Quellstärken ausgeht (virtueller Effekt) und den Grundgedanken des 3 (3) der Störfall-Verordnung 2000 Rechnung trägt. II.11 Nr. 10

11 SFK/TAA-GS GS-01 (2005) Empfehlungen für Abstände zwischen Betriebsbereichen nach der Störfall-Verordnung und schutzbedürftigen Gebieten im Rahmen der Bauleitplanung - Umsetzung 50 BImSchG Es werden Dennoch-Störfälle betrachtet Der Verlust des gesamten Inventars, der Verlust der größten zusammenhängenden Menge, Behälterbersten und der Abriss sehr großer Rohrleitungen sind nicht zu berücksichtigen, da sie bei Einhaltung des Standes der Technik zu unwahrscheinlich sind. In der Regel wird als Ausgangspunkt der Überlegung von einer Leckfläche von 490 mm 2 (entspricht DN 25) ausgegangen. Als minimale Grundannahme wird empfohlen, dass eine Leckage von 80 mm² (entspricht DN 10) nicht unterschritten wird. II.11 Nr. 11

12 SFK-GS GS-45 (2005) Schnittstelle Notfallplanung Planungsbereich des allg. Katastrophenschutzes: Überschlägige Ermittlung der Auswirkungsbereiche bei Freisetzung, Brand oder Explosion der größten zusammenhängenden Menge von Gefahrstoffen im Betriebsbereich unter folgenden Randbedingungen: Keine Berücksichtigung konkreter anlagenbezogener Vorkehrungen zur Begrenzung der Auswirkungen. Zugrundelegung der ungünstigsten Ausbreitungssituation (Freisetzungsdauer??) Verwendung von Störfallbeurteilungswerten: für toxische Stoffe falls vorhanden AEGL-2-Werte (60 Minuten) oder ERPG-2-Werte, für Wärmestrahlung 1,6 kw/m² und für Druckbelastung 0,1 bar. II.11 Nr. 12

13 Modelle und Berechnungsverfahren Verfahrensbedingungen (Druck, Temperatur) Stoffeigenschaften Leckgröße Gasförmige Freisetzung Massenstrom - gasförmig, - flüssig, - Zweiphasenströmung Flüssigkeit Siedetemperatur > Umgebungstemperatur Lachenverdunstung Impulsfreie Freisetzung Flüssigkeit Siedetemperatur < Umgebungstemperatur Betriebstemperatur > Siedetemperatur: Spontane Verdampfung Lachenverdampfung Impulsfreie Freisetzung II.11 Nr. 13

14 Massenstrom aus einem Leck oder Sicherheitsventil m p0 = A c 2 R Tz Für ein unterkritisches Druckverhältnis: = 1 p p Für ein überkritisches Druckverhältnis = p1 0 p0 1 1 p p 1 0 > II.11 Nr. 14 Ac: Austrittsfläche : Ausflusszahl : Ausflussfunktion P : Druck R : spez. Gaskonstante T : Temperatur z : Realgasfaktor P : Adiabatenexponent

15 Massenstrom eines Sicherheitsventils unter Berücksichtigung der Abblaseleitung Druckverlust infolge Rohrreibung: p = d c 2 2 L Rohrreibungszahl: 1 2, 51 K = 2 lg + Re = Re 3, 71d mit d c Rauhigkeitswert K: 0 4 mm Druckverlust infolge Rohrleitungselementen: p c = 2 2 Widerstandszahl = f(d, Radius des Rohrbogens ) II.11 Nr. 15

16 Massenstrom aus einem Leck in einer Fernleitung II.11 Nr. 16

17 Massenstrom aus einem Leck 490 mm² in einer Fernleitung II.11 Nr. 17

18 Massenstrom bei Rohrabriss II.11 Nr. 18

19 Verfahrensbedingungen (Druck, Temperatur) Stoffeigenschaften Leckgröße Freistrahl Massenstrom - gasförmig, - flüssig, - Zweiphasenströmung Gasförmige Freisetzung Impulsfreie Freisetzung Schwergasausbreitung Leichtgasausbreitung Leichtgasausbreitung Schwergasausbreitung Leichtgasausbreitung Schwergasausbreitung Leichtgasausbreitung II.11 Nr. 19

20 Freistrahlkonfigurationen Senkrechter Freistrahl in ruhende Umgebung - dichteneutrales Gas - leichtes Gas Senkrechter Freistrahl in ruhende Umgebung - schweres Gas y y II.11 Nr. 20

21 Freistrahlkonfigurationen Senkrechter Freistrahl mit Seitenwind - schweres Gas - dichteneutrales Gas - leichtes Gas Senkrechter Freistrahl mit Seitenwind - schweres Gas mit großem Massenstrom U 8 U 8 x x II.11 Nr. 21

22 TÜV Norddeutschland. DN 15; 2,0 kg/s; H=15-17 m; L=30-40 m II.11 Nr. 22

23 Modelle zur Freistrahlberechnung Empirische Modelle Rodi und Chen Hoehne und Luce Hoot, Meroney und Peterka Integral Modelle Schatzmann FRED PHAST CFD Grenzschichtverfahren Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen II.11 Nr. 23

24 Empirische Modelle: Rodi und Cheng Geltungsbereich: Senkrechter Freistrahl in ruhende Umgebung Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse muss kleiner als die Schallgeschwindigkeit sein Dichteneutrale und leichte Gase II.11 Nr. 24

25 Empirische Modelle: Rodi und Cheng F= gd u 0 ( 0 )/ 0 G= F x D G < 0,5 0,5 < G < 5 G >5 u u c c 0 * = 6, 2 = D x D x u u c 0 * x = 7, 26 F D x = 0 44 c, F D u u c 0 * x = 3, 5 F D x = 9 35 c, F D II.11 Nr. 25

26 Empirische Modelle: Hoehne und Luce Geltungsbereich: Senkrechter Freistrahl mit Seitenwind Schwere, dichteneutrale und leichte Gase Re 0 u 110 u > mit Re 0 = 0 u µ 0 0 D ; 0 = p M R T 0 II.11 Nr. 26

27 Empirische Modelle: Hoehne und Luce * M u c = c 0 M u T 0 > 366 K = u 0 D 0 u T 0 < 366 K 4, 37 s = * c 2, 0 s = * c 0, , 97 für c für c * * > 0, 595 0, 595 4, 95 s = * c 215, s = * c 0, , 97 für c für c * * > 0, 595 0, 595 0, 33 y = 1, 63 s für s > 2, 08 y = s für s 2, 08 y x = 2, 05 3, 57 II.11 Nr. 27

28 Integral Modelle: Schatzmann Geltungsbereich: Freistrahl mit und ohne Seitenwind Schwere, dichteneutrale und leichte Gase Axialsymmetrischer Freistrahl mit Gauß-Verteilung der Größen innerhalb des Freistrahls Konstante Windgeschwindigkeit über der Höhe Vernachlässigbare Turbulenz der Anströmung 5 gekoppelte, gewöhnliche Differentialgleichungen Mindestimpuls und geschwindigkeit erforderlich! II.11 Nr. 28

29 Integral Modelle: FRED Geltungsbereich: Freistrahl mit Seitenwind Schwere, dichteneutrale und leichte Gase Verwendet wurde AEROPLUME Version aus dem Programmpaket FRED der Firma SHELL GLOBAL SOLUTIONS Stabilitätsklasse nach Pasquill und Oberflächenrauhigkeit können vorgegeben werden Mit FRED wurden die Freistrahlberechnungen im DVGW- Arbeitsblatt G 442 Explosionsgefährdete Bereiche an Ausblaseöffnungen von Leitungen zur Atmosphäre an Gasanlagen durchgeführt Hinweis: Es werden bei FRED über den Querschnitt gemittelte Größen ausgegeben! II.11 Nr. 29

30 Integral Modelle: PHAST Geltungsbereich: Freistrahl mit Seitenwind Schwere, dichteneutrale und leichte Gase Verwendet wurde PHAST Version 6.5 von DNV Stabilitätsklasse tsklasse nach Pasquill und Oberflächenrauhigkeit könnenk vorgegeben werden Hinweis: Vorläufer des Modells war TECJET Die Berechnungen mit FRED und PHAST wurden in Zusammenarbeit mit Dr. Groh, E.ON Ruhrgas AG durchgeführt II.11 Nr. 30

31 Modellvergleich, Testfall Birch Randbedingungen Senkrechter Freistrahl in ruhende Luft Erdgas Fall 1: Unterschallströmung Fall 2: Überschallströmung Modelle: Rodi und Chen für Testfall 1 Schatzmann für beide Fälle II.11 Nr. 31

32 Birch,, Testfall 1 II.11 Nr. 32

33 Birch,, Testfall 2 II.11 Nr. 33

34 Modellvergleich, Testfall Keagy und Weller Randbedingungen Senkrechter Freistrahl in ruhende Luft Helium, Stickstoff, Kohlendioxid Austrittsgeschwindigkeit: 122 m/s Modelle: Rodi und Chen für Helium und Stickstoff Schatzmann für alle drei Fälle II.11 Nr. 34

35 Helium II.11 Nr. 35

36 Stickstoff II.11 Nr. 36

37 Kohlendioxid II.11 Nr. 37

38 Modellvergleich, Testfall Fink Randbedingungen Waagerechter Freistrahl in parallele Luftströmung Luft Austrittsgeschwindigkeit: 22 m/s Modelle: Schatzmann FRED PHAST II.11 Nr. 38

39 Fink II.11 Nr. 39

40 Fink, berechnet mit FRED II.11 Nr. 40

41 Modellvergleich, Testfall Hoehne und Luce Randbedingungen Senkrechter Freistrahl mit Seitenwind Butan, Methan Verhältnis Austrittsgeschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit: 13 bis 71 Modelle: Hoehe und Luce Schatzmann FRED PHAST II.11 Nr. 41

42 Hoehne und Luce, Testfall Butan II.11 Nr. 42

43 Hoehne und Luce, Testfall Butan II.11 Nr. 43

44 Hoehne und Luce, Testfall Butan II.11 Nr. 44

45 Kopplung mit impulsfreier Gasausbreitung Randbedingungen Senkrechter Freistrahl mit Seitenwind 3 m/s Chlor Abblaseleitung DN 50 Massenstrom 1 kg/s Modelle: Hoehe und Luce Schatzmann VDI-Richtline 3783 Blatt 1 II.11 Nr. 45

46 Kopplung mit impulsfreier Gasausbreitung II.11 Nr. 46

47 Kopplung mit impulsfreier Gasausbreitung Mittlere Ausbreitungssituation Aufschlaghöhe: 2 m Bodenrauhigkeit: wenig rau Höhe Abblaseleitung: 10 m Windgeschwindigkeit: 3m/s II.11 Nr. 47

48 Zusammenfassung des Modellvergleichs Es gibt einfache Modelle zur Berechnung von einzelnen Ausbreitungssituationen. Die Abweichungen zu den Experimenten sind teilweise deutlich und nicht immer konservativ. FRED und Schatzmann liefern gute Übereinstimmungen und im Fernbereich eher höhere Konzentrationen PHAST berechnet zu geringe Konzentrationen und damit zu geringe Zünddistanzen usw. FRED und PHAST können die Turbulenz der Windströmung berücksichtigen, was sich bei geringen Freistrahlgeschwindigkeiten bemerkbar macht. Für die Kopplung der Freistrahlberechnung mit der impulsfreien Gasausbreitung sind die Freistrahlhöhe und die Fläche der fiktiven Quelle relevant. II.11 Nr. 48

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