Utlåtande gällande spridning av biogas avseende gasklocka med gummimembran

Transkript

1 Brand & Risk, Frank Graveus & David Vinberg Utlåtande gällande spridning av biogas avseende gasklocka med gummimembran Grontmij AB Besöksadress E-post Norra Bulltoftavägen 65A Org nr Direkttfn Malmö Styrelsens säte Stockholm Fax

2 Division Dokumenttyp Dokumentnamn Energi, Brand och Risk Utlåtande Författare Datum Arkiv / Uppdrag Frank Graveus David Vinberg Namnteckning Granskad GSF001 Fel! Hittar inte referenskälla.

3 3 (10) 1 Inledning I detta utlåtande redovisas utförda spridningsberäkningar för läckage av biogas från gasklockor med gummimembran. Beräkningar har utförts för ett flertal fall med olika storlekar på gasklockor samt olika meteorologiska förutsättningar. Resultatet redovisas som det längsta avståndet från gasklockan där brännbara koncentrationer (undre brännbarhetsgränsen, LFL) av biogas uppnås, samt på det avstånd där koncentrationen uppnår 25 % av undre brännbarhetsgränsen. Resultatet av beräkningarna skall beaktas vid beslut angående schablonmässiga skyddsavstånd mellan byggnader och gasklockor. Likaså redovisas resultatet av utförda strålningsberäkningar för tänkbara externa händelser som kan påverka det gummimembran som avskiljer biogasen. 2 Spridningsberäkningar 2.1 Dimensionerande scenario Gaslagrets konstruktion kan vara av betong och den inneslutande takkonstruktionen är uppbyggd av två membran. Trycket inne i gasklockan hålls mellan 5-20 mbar. Om det inre eller det yttre membranet går sönder kommer detta tryck ej att upprätthållas. Skulle det av en yttre händelse uppstå ett hål i båda membranen samtidigt kommer biogas ytterst tillfälligt pressas ut i en vad som kan liknas med en jetstråle på grund av tryckskillnaden. Eftersom säkerhetssystem mäter tryckskillnaden i membranen och stänger vid brott av tillförseln av biogas till gasklockan kommer övertrycket i gasklockan snabbt nå atmosfärstryck, och läckaget övergår från att styras av tryckskillnaden till att styras av densitetsskillnader och dispersionskrafter. Denna spridning sker mycket långsammare och bedöms utan vidare utredning ej vara lämplig att använda som dimensionerande scenario. Det dimensionerande scenariot har därför valts till ett totalbrott där hela gasmängden släpps ut momentant och sedan sprids med vinden. Detta är ett mycket konservativt scenario vilket kräver en yttre påverkan för att inträffa. 2.2 Beräkningsmodeller Beräkningarna är utförda enligt handberäkningsmodell för passiv spridning vid momentant utsläpp, som beskrivs i Vådautsläpp av brandfarliga och giftiga gaser och vätskor 1. Beräkningar har även utförts i beräkningsprogrammet ALOHA version för att jämföra handberäkningsresultaten med simulerad spridningsmodell. Programmet är utvecklat för spridning av gas av Office of Emergency Management (EPA) samt Emergency Response Division (NOAA), USA 2. Gasklockan innehåller en gasblandning som maximalt innehåller 65 % metangas samt resterande mängd koldioxid. Det medför att gasens egenskaper skiljer sig från ren metangas. Gasblandningen har en högre densitet än ren metangas vilket påverkar källflödet från ett eventuellt utsläpp samt reducerar energiinnehållet i gasen i jämförelse med ren metangas. Brännbarhetsgränserna skiljer sig även mellan gasblandningen och ren metangas. 1 Försvarets forskningsanstalt (FOA) (1998) 2

4 I ALOHA är parametrarna för samtliga ämnen fördefinierade och går ej att modifiera. Beräkningar görs därför för ett utsläpp med motsvarande mängd metangas som den 65- procentiga blandningen innehåller (dvs. för en gasklocka på 100 m 3 utförs beräkningar på 65 m procentig metangas). Handberäkningar görs med de värden för densitet och brännbarhetsgränser som överrensstämmer med den faktiska gasblandningen (Handberäkning 1), samt med de värden som används i beräkningarna i ALOHA (Handberäkning 2). 4 (10) ALOHA tar ej hänsyn till spridning i vertikalt led utan beräknar den största möjliga horisontella spridningen vid marknivå. Handberäkningarna kan utföras för olika höjder. I detta utlåtande redovisas endast resultat för samma höjd som utsläppet sker på, eftersom det är på den höjden som den högsta koncentrationen erhålls. I handberäkningarna antas gasmolnet få initialdimensioner enligt ekvation [8:28] i Vådautsläpp av brandfarliga och giftiga gaser och vätskor 3. Källpunkten för de fortsatta beräkningarna har antagits vara i den yttre kanten av det initiala gasmolnet, vilket är en konservativ bedömning. Av de tre beräkningsmodellerna som utförts bedöms Handberäkning 1 nedan vara det bästa sättet att beskriva spridning av biogas i luft. Därför redovisas de övriga beräkningsmodellerna endast i bilaga för jämförelse. 2.3 Underlag för beräkning Följande indata har legat till grund för beräkningarna: Volym på gasklockor : 100, 500, 1000, 2000, 3000 respektive 5000 m 3 Densitet för 65 % metangasblandning : 1,1 kg/m 3 Brännbarhetsområde : från 6 till 26 volym % Lagringstemperatur : Omgivningstemperatur, Ca 10 C Väderförhållanden Följande väderförhållanden används i beräkningarna. Vindhastighet* : 2, 5, respektive 7 m/s Temperatur : 10 C Luftfuktighet : 50 % Underlagets skrovlighet : 1 dm (jordbruksområde) Stabilitetsklass : C, D, (E, respektive F) Stabilitetsklass C och D är vanligast förekommande i Sverige och bedöms som dimensionerande. Stabilitetsklasserna E och F bör dock beaktas i normalfallet och presenteras i beräkningarna. Även i detta fall med det konservativt antagna skadefallet presenteras dessa mest för jämförelse och kännedom. *Vindhastigheten påverkar endast handberäkningarna indirekt eftersom de styr valet av stabilitetsklass. 3 Försvarets forskningsanstalt (FOA) (1998)

5 5 (10) 2.4 Redovisningsnivåer Resultatet redovisas som det längsta avståndet där brännbara koncentrationer av biogas uppnås, samt som det längsta avståndet där koncentrationen uppnår 25 % av undre brännbarhetsgränsen. Detta utförs normalt för att beakta en säkerhetsfaktor i beräkningar och underlag. Dessa värden redovisas i detta dokument för kännedom men bedöms ej som direkt applicerbara då det dimensionerande scenariot valts med stor konservatism. LFL (Lägre gräns för brännbarhetsområde) :6 vol % 4 25 % av LFL :1,5 vol % Om gasmolnet antänds och personer befinner sig inne i det brinnande molnet kommer kontakten med flamfronten att innebära att de med stor sannolikhet får mycket allvarliga eller dödliga skador. Skadorna härrör i första hand från att kläderna antänds, vilket i sin tur ger omfattande brännskador på kroppen. Även byggnader inne i molnet riskerar att antändas och därmed även de människor som finns i byggnaderna på grund av sekundär påverkan. För människor och materiel utanför det brinnande molnet kan man dock räkna med så små skador att de är försumbara jämfört med skadorna inne i molnet Resultat Resultaten från spridningsberäkningarna redovisas i Tabell 1 som avståndet i meter till LFL. Avståndet till 25 % av LFL redovisas i Tabell 2. Stabilitetsklass C D E F Volym Gasklocka 100 m m m m m m Tabell 1: Avstånd i meter till brännbar gasblandning vid marknivå. Stabilitetsklass C D E F Volym Gasklocka 100 m m m m m m Tabell 2: Avstånd i meter till 25 % av LFL vid marknivå. 4 Biogasanvisningar, Svenska gasföreningen (2005) 5 Försvarets forskningsanstalt (FOA) (1998)

6 6 (10) 3 Strålningsberäkningar Strålningsberäkningar har utförts för olika brandstorlekar. Det resultat som redovisas är på vilket avstånd en infallande strålning på 25 kw/m 2 uppnås, vilket är den strålningsnivå där spontan antändning av bomullstyg och trä uppnås vid långvarig strålningspåverkan utan närvaro av en låga. Det gummimaterial som membranen består av bedöms minst tåla samma strålningsnivå som trä och bomullstyg. Den metod som används är en vedertagen förenklad metod som presenteras i brandskyddshandboken 6 samt verifiering och förfining genom simuleringar i programmet Thermal Radiation Analysis, TRA 7. Synfaktor har beräknats för två parallella plan. I verkligheten ligger membranet ovanpå gasklockan, vilket medför en lägre infallande strålning jämfört med det beräknade fallet. Vissa delar av membranet nära väggarnas kanter bedöms dock kunna utsättas för den beräknade strålningsnivån. Flamtemperatur har antagits till 950 C. Resultatet redovisas i Tabell 3. Observera att den strålande ytan innefattar den tänkta faktiska flamhöjden vid brand, inte måtten på en husvägg eller dylikt. Emissiviteten på både den strålande flamman samt det mottagande materialet påverkar vilken strålningsnivå som erhålls. I dessa beräkningar har flamman konservativt antagits ha en emissivitet på 0,95. Den mottagande gummiduken har antagits ha en emissivitet på 0,85 efter bedömning av liknande material. Storlek på strålande yta (L x B) [m 2 ] Avstånd till 25 kw/m 2 [m] 20 x x x x 4 5 Tabell 3: Avstånd i meter till 25 kw/m 2 infallande strålning. 4 Diskussion I Tabell 1 redovisas de avstånd där en brännbar gasblandning kan förväntas uppstå vid totalbrott av en gasklocka, förutsatt olika stabilitetsklasser. De vanligast förekommande stabilitetsklasserna i Sverige är C och D, men E och F kan dock inträffa så pass ofta att de inte helt kan uteslutas. Hur pass vanligt förekommande de är kan även skilja sig mellan olika platser i Sverige. Stabilitetsklass B kan förekomma, men har utelämnats ur beräkningarna eftersom den ger lägre säkerhetsavstånd jämfört med de andra stabilitetsklasserna och förekommer mer sällan än C och D. Stabilitetsklass A är extremt sällsynt i Sverige och har därför utelämnats. När säkerhetsavstånd väljs bör hänsyn tas till sannolikheten för de olika stabilitetsklasserna. På grund av de osäkerheter som finns i beräkningsmodellerna bör även någon form av säkerhetsfaktor normalt läggas till. I Bilaga A redovisas en jämförelse mellan olika beräkningsmodeller samt diskussion kring osäkerheterna. När säkerhetsavstånd väljs bör hänsyn även tas till infallande strålning från en brand i närliggande byggnader. Även här bör en säkerhetsfaktor på något sätt väljas. Vid beräkning av säkerhetsavstånd med avseende på brandfarlig gas, vätska, strålning eller liknande bör ett rimligt och tänkbart scenario undersökas varvid resultaten förses med en 6 Brandskyddshandboken. Rapport 3134, Brandteknik, Lunds tekniska högskola, Lund Thermal Radiation Analysis, v1,3 2008, Salisbury Fire Engineering Software

7 7 (10) säkerhetsfaktor på grund av osäkerheter i beräkningar samt i modeller. I detta fall påvisar tänkbara scenarier ett mycket lågt skyddsavstånd. Denna enklare form av analys bedöms dock ej vara tillämpar för att rekommendera eller påvisa ett mycket lågt skyddsavstånd utan större inblick och analys av statistik, skadebild samt djupt ingående förståelse i gasklockornas utformning. Istället utförs beräkningarna för ett worst case scenario som teoretiskt kan inträffa. Dessa beräkningsresultat kan då antas som rekommenderade utan ytterligare påtvingande säkerhetsfaktorer. Rekommendationen är dock att fortsätta den här studien och att eftersöka statistik för sannolikheten för olika scenarier som kan inträffa i samband med dessa gasklockor för att komma fram till realistiska skadekriterier och konsekvenser av dessa. 5 Slutsats Av denna analys har det framkommit att med den dimensionerande händelsen bedöms det vara lämpligt att vid fastställandet av skyddsavstånd till uppdateringen av Biogasanvisningarna införa en tabell där gasvolymen i gasklockan varieras. Den infallande strålningen från en byggnad är dock i många fall dimensionerande vilket även tyder på att införandet av en brandtekniskt klassad fasadkonstruktion* i klass EI 60 samt med en obrännbar takkonstruktion bör kunna nyttjas för att reducera det totala rekommenderade skyddsavståndet i de fall där det beräknade skyddsavståndet med avseende på spridning av biogas i luft medger detta. Beräkningarna visar att följande avstånd kan tillämpas: Skyddsavstånd Spridning I luft Strålning Rekommenderat Skyddsavstånd Volym Gasklocka 100 m (12,5*) 500 m (15*) 1000 m (18*) 2000 m (23*) 3000 m m * Med en brandklassad fasad i klass EI60 samt med obrännbar takkonstruktion. Brandbelastningen i närliggande byggnad bör understiga 50 MJ/kvm alternativt vara försedd med en automatisk sprinkleranläggning enligt SBF 120:6 eller motsvarande.

8 8 (10) Bilaga A Jämförelse mellan beräkningsmodeller I denna bilaga redovisas jämförelse mellan resultaten från ALOHA, Handberäkning 1 samt Handberäkning 2. Underlag för beräkning Volym på gasklockor : 100, 500, 1000, 2000 respektive 3000 m 3 Densitet för 65 % metangasblandning : 1,1 kg/m 3 Brännbarhetsområde : från 6 till 26 volym % Densitet för 100 % metangas : 0,69 kg/m 3 Brännbarhetsområde : från 4,4 till 15 volym % Lagringstemperatur : Omgivningstemperatur, Ca 10 C Väderförhållanden Följande väderförhållanden används i beräkningarna. Vindhastighet* : 2, 5, respektive 7 m/s Temperatur : 10 C Luftfuktighet : 50 % Underlagets skrovlighet : 1 dm (jordbruksområde) Stabilitetsklass : C, D, E, respektive F *Vindhastigheten påverkar endast handberäkningarna indirekt eftersom de styr valet av stabilitetsklass. Redovisningsnivåer Resultatet redovisas som det längsta avståndet där brännbara koncentrationer av biogas uppnås, samt det längsta avståndet där koncentrationen uppnår 25 % av undre brännbarhetsgränsen. LFL (Lägre gräns för brännbarhetsområde) : 4,4 respektive 6 vol %* 25 % av LFL : 1,1 respektive 1,5 vol % *ren metangas respektive biogas med 65 % metan. Resultat Resultaten från spridningsberäkningarna redovisas i Tabell 4 som avståndet i meter till LFL samt avståndet till 25 % av LFL: Stabilitetsklass C D E F Beräkningsmodell 100 m 3 LFL Handberäkning

9 9 (10) Handberäkning ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA m 3 Handberäkning Handberäkning

10 10 (10) ALOHA m 3 25 % av LFL Handberäkning Handberäkning ALOHA Tabell 4: Avstånd i meter till brännbar gasblandning vid marknivå. Diskussion Modellerna för atmosfärsspridning innehåller många osäkerheter. I detta avsnitt diskuteras och jämförs resultaten mellan de olika beräkningsmodellerna. Resultaten från ALOHA bör framförallt jämföras med resultaten från Handberäkning 2, eftersom de utgår från samma grundförutsättningar, spridning av 100-procentig metangas motsvarande den mängd metan som finns i gasklockan. En gasblandning med 65 % metan och 35 % koldioxid innebär en lägre risk än motsvarande mängd ren metangas, vilket återspeglas i skillnaderna mellan Handberäkning 1 och 2. För de mindre volymerna ( m 3 ) och stabilitetsklass C och D överrensstämmer resultaten för samtliga beräkningsmodeller mycket bra vid 25 % av LFL. Här spelar skillnaderna mellan ren metangas och biogas mindre roll. För de större volymerna ökar skillnaden mellan de olika beräkningsmodellerna, men skillnaderna mellan Handberäkning 1 och 2 är fortfarande små. ALOHA ger dock nästan dubbelt så långa avstånd jämfört med Handberäkning 1. Osäkerheterna är stora under den initiala spridningen. För avståndet till LFL skiljer sig resultaten mellan de olika beräkningsmodellerna mer. Handberäkning 2 ger upp till dubbelt så långa avstånd till LFL jämfört med Handberäkning 1, och ALOHA ger upp till 3 gånger så långa avstånd jämfört med Handberäkning 2 vid stabilitetsklass C och D. Vid stabilitetsklass E och F kan gasmoln spridas över längre avstånd utan att spädas ut med omgivande luft, vilket medför risk för brännbara koncentrationer på mycket långa avstånd. Här spelar den initiala utblandningen och skillnaderna i brännbarhetsgränser mycket stor roll, vilket återspeglas i de stora skillnaderna mellan beräkningsmodellerna. ALOHA bygger på samma typ av spridningsmodell som används i Handberäkningarna. Dokumentationen för programmet redogör dock inte i detalj vilka ekvationer och antaganden som används, vilket medför svårigheter i att förklara vad skillnaderna i resultaten beror på. Till exempel finns en mängd olika sätt att bestämma de standardavvikelser som används och hur den initiala omblandningen sker.