Virtauslaskentaan (CFD, Computational Fluid Dynamics) pohjautuva seurausanalyysi tarkentaa onnettomuuksien seurausten arviointia

Virtauslaskentaan (CFD, Computational Fluid Dynamics) pohjautuva seurausanalyysi tarkentaa onnettomuuksien seurausten arviointia

Seurausanalyysi on keskeinen työkalu onnettomuuksien seurausten arvioimiseksi ja riskien minimoimiseksi vaarallisten kemikaalien tuotantolaitoksissa ja teollisuuden prosesseissa. Onnettomuusmallinnuksia on tehty AFRYlla jo vuosikymmeniä erityyppisille kemikaaleille ja laitoksille. Seurausanalyysin onnettomuusskenaariot perustuvat usein riskienarviointeihin (suuronnettomuusvaarojen arviointi MAH), HAZID ja HAZOP).

AFRY auttaa asiakkaitaan kemikaalien varastoinnin ja käytön turvallisuuden parantamisessa monipuolisesti CFD:n eli virtauslaskennan avulla. CFD mahdollistaa onnettomuuksien simuloinnin huomattavasti tarkemmin ja visuaalisemmin kuin perinteinen 2D-mallinnus, koska siinä hyödynnetään 3D-mallia, ja se ottaa huomioon rakenteet, pinnanmuodot sekä muut mahdolliset maastotyypit.

Viime vuosina AFRY on tehnyt virtauslaskentaan perustuvia seurausanalyysejä muun muassa

• vedylle,
• LNG:lle,
• biokaasulle,
• ammoniakille,
• räjähdysvaarallisiin tiloihin sekä kylmäaineille,
• pölyille ja
• hiilivetypohjaisille nesteille ja kaasuille.

Onnettomuusmallinnukset tuottavat tarkkaa tietoa muun muassa tulipalon lämpösäteilystä, syttyvän kaasupilven laajuudesta, räjähdysten painevaikutuksista sekä vaarallisten kemikaalien leviämisestä. Kun skenaariot analysoidaan huolellisesti, onnettomuuksien vaikutukset pystytään arvioimaan perusteellisesti. Tämä tukee myös turvallisuussuunnittelua.

Uusi tuotantolaitos tulee sijoittaa niin, että mahdolliset onnettomuudet eivät aiheuta ihmisille ja ympäristölle sellaisia vaikutuksia, jotka eivät ole siedettäviä tai hyväksyttäviä lainsäädännön tai viranomaiskriteerien mukaisesti. Samalla tulee varmistaa, että laitoksen mahdolliset onnettomuusvaarat eivät vaikeuta laitoksen ympäröivää maankäyttöä.

Seurausanalyysit muodostavat myös perustan hätätilanne- ja pelastussuunnitelmille sekä ympäristövaikutusten arvioinnille. Seurausanalyysistä saadaan tukea päätöksille esimerkiksi tuotantolaitoksen sijoituspaikan kaavan soveltuvuudesta ja ympäristön maankäytön mahdollisista rajoituksista. Se myös ohjaa turvallisen toiminnan suunnittelua. Onnettomuusskenaarioiden mallintaminen tarjoaa toiminnanharjoittajalle konkreettisen työkalun varmistaa tuotantolaitoksella työskentelevien ja sen lähiympäristössä asuvien ihmisten turvallisuus. Lisäksi mallintaminen osoittaa viranomaisille riittävät suoja- ja vaaraetäisyydet kemikaaliturvallisuuslain mukaisesti.

Tehokas seurausanalyysi syntyy tiiviissä yhteistyössä. Huolelliset taustaselvitykset ja asiantuntevat kohdekäynnit tarjoavat arvokasta tietoa tuotantolaitoksen sijainnista ja infrastruktuurista. Kun tähän yhdistetään AFRYn eri alojen asiantuntijoiden osaaminen, saadaan muodostettua kokonaisvaltainen kuva mahdollisista onnettomuusriskeistä. Vaarojen ja riskien arviointi toteutetaan esimerkiksi HAZID-menetelmällä, jonka avulla tunnistetaan keskeisimmät onnettomuusskenaariot ja varmistetaan, että riskit otetaan huomioon suunnittelussa ja turvallisuuden varmistamisessa.

Tarvittaessa räjähdysvaarallisten tilojen (ATEX) tilaluokituksia tarkennetaan myös virtauslaskennan avulla. CFD-analyysit mahdollistavat entistä tarkemmat arviot räjähdysvaarallisten alueiden laajuudesta, jolloin luokitusten rajat voidaan määritellä huolellisemmin tai todentaa, ettei tilaa tarvitse luokitella lainkaan. CFD-mallinnuksen avulla voidaan esimerkiksi varmistaa, että huonetilassa on riittävä ilmanvaihto. Tämä estää syttymiskelpoisen kaasun kertymisen tai laimentaa mahdollisen vuodon nopeasti, jolloin syttymisvaaraa ei pääse syntymään. CFD-mallinnusta käytetään myös tukemaan vaarallisia kemikaaleja sisältävien prosessien ja rakennusten ilmanvaihdon suunnittelua.

CFD-mallinnus edistää prosessiturvallisuutta

Kehittyneet CFD-mallinnustekniikat ovat mullistaneet prosessiturvallisuuteen liittyvät analyysit. Virtausmallinnuksen avulla voidaan simuloida erilaisia vaaratilanteita ja tuottaa entistä tarkempaa tietoa riskien arvioinnin tueksi. Näin voidaan ennakoida onnettomuuksien vaikutuksia ja kehittää tehokkaampia suojatoimia, jotka parantavat sekä henkilöstön että ympäristön turvallisuutta.

• Kaasun leviämismallinnus: Vaarallisen kaasun leviäminen voidaan mallintaa, jolloin altistumisalueet tunnistetaan ja vaikutetaan layout-suunnitteluun mahdollisimman varhaisessa vaiheessa.
• Lammikkopalosimulointi: Lammikkopalon simulointi antaa tietoa lämpösäteilyn vaikutuksista ympäröiviin rakenteisiin ja laitteistoihin, myös suojaratkaisutt huomioiden.
• Suihkupalon simulointi: Suihkupalon käyttäytymisen tarkka mallinnus – mukaan lukien liekin pituus, lämpötila ja säteilyn intensiteetti – auttaa tehokkaiden suojaustoimenpiteiden suunnittelussa.
• Kaasuräjähdyksen simulointi: Kaasu- ja pölyräjähdysten mallinnuksessa arvioidaan muun muassa ylipainetta, räjähdysvaikutuksia ja rakenteellisia vaurioita.
• Palavat nesteet ja kaasut: CFD voi mallintaa vuotaneiden höyrystyvien nesteiden ja kaasujen leviämistä, simuloida niiden liikkumista ja sekoittumista ympäröivään ilmaan. Tämän avulla voidaan määrittää mahdollisten räjähdyskelpoisten pitoisuuksien muodostuminen, erityisesti tuuletetuissa sisätiloissa tai muissa tilanteissa, joissa tilan geometria ja muut ominaisuudet vaikuttavat merkittävästi räjähdyskelpoisen ilmaseoksen syntyyn.

Video 1. Kaasu- ja pölyräjähdys on ratkaistu 3D CFD-simulaatiolla.

CFD-mallinnustekniikoiden avulla voidaan arvioida onnettomuusvaarojen seurauksia sekä nykyisten turvallisuusratkaisujen ja -toimenpiteiden tehokkuutta. Lisäksi ne tukevat uusien laitosten sijoitus- ja turvallisuussuunnittelua sekä varmistavat alan lainsäädännön ja standardien noudattamisen. Mallinnustekniikoiden avulla minimoidaan myös henkilö-, ympäristö- ja omaisuusvahinkojen riskit.

Kemikaalien leviäminen vuotokohdasta voi aiheuttaa monenlaisia vakavia seurauksia:

• Toksiset vaikutukset: Altistuminen vaarallisille kaasuille uhkaa sekä ihmisten terveyttä että ympäristön hyvinvointia.
• Syttyvyys: Palavat kaasut voivat helposti syttyä, mikä lisää riskiä tulipaloihin ja räjähdyksiin.

Kemikaalilaitosten palot muodostavat huomattavan riskin niin ihmisille, ympäristölle kuin omaisuudellekin. Tulipalojen seurausten perusteellinen ymmärtäminen on välttämätöntä, jotta laitosten turvallisuus ja toiminnan jatkuvuus voidaan varmistaa mahdollisimman tehokkaasti.

CFD-mallinnusta voidaan hyödyntää laajasti erilaisten vaaratilanteiden arvioinnissa ja laitoksen turvallisuussuunnittelussa – ei ainoastaan kaasun leviämisen mallintamiseen:

• Kaasupilven räjähdykset: syttyvän kaasupilven aiheuttamien räjähdysten simulointi
• Tulipalon lämpösäteilyn vaikutusten arviointi: lämpösäteilyn vaikutus ihmisiin ja rakenteisiin sekä mahdollisuus aiheuttaa vahinkoa tai sytyttää muita materiaaleja
• Tehokkaiden paloturvallisuusjärjestelmien kehittäminen: paloilmoitin-, sammutus- ja evakuointijärjestelmien suunnittelu ja optimointi
• Dominovaikutusten lieventäminen: mahdollisten dominovaikutusten tunnistaminen, kuten palon tai vaarallisen kemikaalin leviäminen viereisiin laitoksiin sekä suojausratkaisujen suunnittelu

Kaasuräjähdykset ovat merkittävä turvallisuusriski

Kaasuräjähdykset ovat vakava uhka teollisuuslaitoksille ja yhteisöille. Tällaiset räjähdykset syntyvät, kun vuotanut syttyvä kaasu sekoittuu ilmaan ja syttyy, mikä johtaa nopeaan energian ja paineen vapautumiseen. Kaasuräjähdykset voivat aiheuttaa merkittäviä henkilö- ja omaisuusvahinkoja sekä jopa kuolemantapauksia.

CFD-mallinnusta voidaan hyödyntää monipuolisesti räjähdysten mallinnuksessa:

• Räjähdysten simulointi: kaasun syttyminen, palavan ja laajenevan kaasun leviäminen sekä deflagraatio
• Ylipaineen ja räjähdysvaikutusten ennustaminen: räjähdyksen huippupaineen, keston ja voiman määrittäminen
• Rakenteellisten vaurioiden arviointi: rakennusten, laitteistojen ja muun infrastruktuurin mahdollisten vaurioiden määrittäminen
• Turvallisten etäisyyksien määrittäminen: turvalliset suojaetäisyydet räjähdyksen lähteistä
• Räjähdyksen paineenkevennysrakenteiden suunnittelu ja optimointi: paineenkevennysrakenteiden koko ja toiminta paineen turvalliseen vapauttamiseen räjähdyksen aikana

Video 3. CFD-kaasuräjähdysanalyysi räjähdysluukkujen ja ATEX-säännösten mukaisesti.

AFRY tarjoaa virtauslaskennan konsultointia

AFRY tarjoaa virtauslaskentaa (CFD) erilaisille laitoksille kaikilla teollisuudenaloilla. Autamme sinua niin kertaluontoisissa kysymyksissä kuin pitkäaikaisissa T&K-projekteissakin. Palvelumme kattavat muutakin kuin prosessilaitokset ja seurausmallinnukset.

Meillä on yli 100 asiantuntijan tiimi, joka tarjoaa laadukasta ja monipuolista laskentaa sekä simulointia. Käytämme johtavia kaupallisia ohjelmistoja.

Jos haluat tietää lisää virtauslaskennasta (CFD) tai seurausmallinnuksista, otathan meihin yhteyttä. Kerromme mielellämme lisää ja tarjoamme ratkaisun, joka sopii parhaiten laitoksellenne.

Artikkelin kirjoitti Ismo Talka, HSE specialisti, Global Project Services, Prosessiteollisuus Suomi.