Uppdragets syfte var att med CFD-simulering undersöka spridningen av gas vid ett läckage i en tankstation.

Transkript

1 Gasutsläpp Busstankning Syfte Uppdragets syfte var att med CFD-simulering undersöka spridningen av gas vid ett läckage i en tankstation. Förutsättningar Läckage Den läckande gasen var metan med en densitet en faktor 0,7 av luftens densitet. Läckaget motsvarar fritt strömmande gas vid ett brott i en gasledning vid dispensern. Den utsläppta volymen var 17 Nm 3 som släpptes ut under 45 sekunder. Gastrycket resulterar teoretiskt i en utströmningshastighet som begränsas till ljudhastigheten för gasen (440 m/s). Trycket i läckagekällan antogs vara tillräckligt högt under hela förloppet varför läckageflödet var konstant i tiden. Två olika modeller användes för att studera påverkan i luftrörelser hos luften från impulskraften i gasstrålen vid ett läckage samt vi det diffust läckage. I ena fallet släpptes gasen ut som en stråle från ett hål i långsidan från en buss 1 m över marken vilket ger en pådrivande kraft från impulsverkan på omgivande luft vilket resulterar i luftrörelser. Detta läckage motsvarar ett läckage från ett i hål i en vertikal yta. Se Figur 3. I det andra fallet släpptes gasen ut diffust nära bussen (se Figur 3). Med diffust läckage menas att gasen läcker ut från ett ställe i alla riktningar. Gasen har inte en bestämd riktning ytan ymmar ut istället men med samma utsläppsmängd som i fallet med en stråle. Denna typ av läckage motsvarar ett läckage där gasen sprids åt alla håll innanför bussens kaross eller en kåpa och där gasen flödar ut i omgivningen. I båda fallen var läckaget mellan bussen och schaktet för gasledningen. Placeringen valdes för att åstadkomma så stor koncentration av metan som möjligt i ett relativt oventilerat utrymme. SWECO Gjörwellsgatan 22 Box 34044, Stockholm Telefon Telefax Mats Finnson SWECO SYSTEMS AB Telefon direkt Org.nr , säte Stockholm Mobil Ingår i SWECO-koncernen mats.finnson@sweco.se 1 (9)

2 Omgivning Modellen av tankningsplatsen visas i Figur 1 och Figur 2. En buss med måtten längd 18 m, bredd 2,6 m, höjd 3,4 m placerades i tankplatsen. Taket ovanför tankningsplatsen förenklades i planet till en rektangel. I beräkningen antogs att ingen vind fanns. Schakt för gasledning Förråd (Fortum) Tak över tankningsplats Ungefärligt läge hos silos Vägg verkstad Figur 1. Modellens geometri. Vy från ovan. Verkstadens vägg och de röda ytorna är modellens gränser. 2 (9)

3 Vägg, verkstad Tak, tankningsplats Förråd (Fortum) Silos Buss Läckageställe Schakt för gasledning Modellens gräns Figur 2. Modellens geometri. Vy från söder. Bussen syns placerad under taket i tankningsplatsen. 3 (9)

4 Tak, tankstation Buss Schakt Läckage som gasstråle Pil visar flödesriktning Figur 3. Närbild av modell kring bussen. I fallet med läckage som en gasstråle var flödesriktningen enligt den gula pilen i figuren. Det diffusa läckaget strömmade ut ur det gröna området. Nätet i bilden är modellens indelning i beräkningsceller i vilket gaskoncentration, lufthastigheter mm beräknas. Metod Beräkningsmetod För simulering av gasblandning och spridning användes en datorbaserad beräkningsteknik kallad CFD, Computational Fluid Dynamics. Tekniken bygger på finita volymsmetoden med vilket den betraktade fluidvolymen i 3D delas in i ett stort antal celler i vilket masstransport och turbulens beräknas med Reynolds Average Navier-Stokes ekvationer (RANS). CFD-programmet som användes var FLUENT version från Fluent Inc. Geometrierna modellerades i programmet GAMBIT version från Fluent Inc. Diffust läckage, utsläppsområde (grön zon) 4 (9)

5 Exempel på cellindelning visas i Figur 3. Cellantalet uppgick till ca 1 miljon med förtätning vid läckagekällan samt kring taket ovan tankningsplatsen. Val av scenario Två olika parametrar som kan påverka resultatet studerades, dels om vind förekommer eller ej, dels läckaget sker med en stråle eller om det är diffust. För att se skillnad i utsläpp utan och med vind valdes läckage med gasstråle. I fallet med applicerades vindhastighet 4 m/s i riktning från verkstaden mot silos. Läckaget antogs pågå under oändligt lång tid. För att se skillnad mellan läckage från gasstråle och från diffust läckage applicerades fanns ingen vind i modellen. Läckaget antogs pågå under oändligt lång tid. I fallet med läckage i form av en stråle modellerades strålen där dess hastighet var ca 130 m/s eller Mach-tal ca 0,3. Delen av strålen som ej beräknades finns endast ett mycket kort stycke nedströms läckagestället och med mycket liten diameter, varför denna förenkling bedömdes inte påverka resultatet. Det fallet av ovan som gav störst koncentration valdes ut för beräkning av koncentrationens ökning i tiden. Gasblandningen beräknades varje sekund tills läckaget upphörde efter 45 sekunder. Därefter simulerades ytterligare några minuter för att se utspädningen efter att läckaget upphört. Metangasen hade i simuleringarna samma temperatur som omgivande luft, då gasen antogs snabbt att blandas om väl med omgivande luft och omgivande ytor. 5 (9)

6 Resultat Med och utan påverkan av vind Koncentrationen av metan blir högre om det är vindstilla jämfört mot vindhastighet 4 m/s, se Figur 4 och Figur 5. Figur 4. Läckage, vindstilla. Vy från söder och ovanifrån. Taket avlägsnat i figuren. Figur 5. Läckage, vind 4 m/s i riktning från verkstaden mot silos (riktning mot höger i figuren). 6 (9)

7 Utan vind stiger gasen upp mot taket och breder ut sig. Gasen sprids ut mot takets ändar där det strömmar runt takets kanter och åter stiger igen och blandas snabbt ut med luften. Med vind uppstår luftrörelser kring bussen och läckande gas späds ut. Resultatet visar att vindstilla är värsta fallet. Jämförelse av koncentration med läckage som stråle eller diffust läckage Diffust läckage resulterade i något större koncentrationer (jämfört mot läckage med stråle) i plymen mellan bussen och schaktet samt vid takänden mot silona. Se Figur 6 (diffust läckage) och jämför mot Figur 4 (läckage med stråle). Jetstrålen skapar luftrörelser vilket blandar ut gasen. I modellen med jetstråle sker läckaget något närmare bussens ena ände vilket skulle kunna vara orsak till lägre koncentration genom bättre utblandning i luften. Under taket är koncentrationen högre med diffust läckage. Diffust läckaget vid bussens halva längd valdes därför i modellen. Figur 6. Diffust läckage. Koncentrationsökning i tiden - diffust läckage utan vind Vindstilla och diffust läckage gav högsta koncentrationer enligt avsnitten ovan varför de villkoren användes i simulering av koncentrationshöjning i tiden. Beräknad koncentration av metan vid olika tidpunkter visas i Figur 7 till Figur (9)

8 Koncentrationen överstiger 5 volym-% metan i ett område mellan bussen och schaktet för gasledningar samt vertikalt uppåt mot taket hos tankstationen. Koncentrationen blir mycket mindre än 5 volym-% i riktning mot silona. Gasens koncentration blir konstant utbredd i luften efter ca 20 sekunder. Efter att läckaget har upphört är gasens koncentration mindre än 1 volym-% efter ca 1 minut. Figur 7. Isoyta för metankoncentration 5 volym-% efter 10 sekunder. Utanför ytan är koncentrationen lägre. Figur 8. Isoyta för metankoncentration 5 volym-% efter 20 sekunder. 8 (9)

9 Figur 9. Isoyta för metankoncentration 5 volym-% efter 45 sekunder. > 10 Figur 10. Metankoncentration [volym-%] i en sektion genom läckagestället. Tidpunkt 45 sekunder. Taket över stationen är avlägsnat i figuren. 9 (9)