RAPPORT TITTEL: Ranheim LNG spredning fra lagertank Utgitt for kommentar revisjon 0 RAPPORT NR.: R1413 PROSJEKT NR.: 100417 GRADERING: Fortrolig FORFATTER(E): Petter Aune ELEK. ARKIVKODE: Z:\Dist\Prosjekt\100417\Rapport\CIT_R1413_Ran heim_lng_spredning_revisjon0.docx ANSVARLIG: Trond Evanger KVALITETSSIKRING: Kristen Opstad OPPDRAGSGIVER: Profiler AS ANTALL SIDER: 14 OPPDRAGSGIVERS REF.: Einar S. Amundsen DATO: 2014-05-08 SAMMENDRAG: Sammendrag og konklusjon I forbindelse med detaljregulering av Ranheim senterområde, har tiltakshaver Ranheim Utvikling as planer om å utvikle et tomteområde til boligformål. Tomteområdet har avgrensinger til Peterson Linerboard som på sitt område lagrer brann- og explosjonsfarlig gass, LNG (Liquid Natural Gas). Problemstillingen er om aktiviteten til Peterson Linerboard i kombinasjon med bruksendringer av tilstøtende tomter endrer risikobildet. Denne analysen belyser hvor brennbar LNG kan spre seg, samt angir konsentrasjon av denne i omgivelsene, ut fra lokal topografi kombinert med vindforhold. Dette for å vurdere hvordan omkringliggende aktivitet kan påvirke eventuelle hendelser med utslipp av LNG. Resultatene fra simuleringene viser at en eventuell stor lekkasje fra den aktuelle LNG tanken ikke vil representere noen risiko mht. økt tennsannsynlighet av betydning for planlagte Ranheim Senterområde. Den gassen som kan spres utenfor selve anlegget til Peterson Linerboard vil ha konsentrasjoner godt under den som er mulig å antenne under alle værforhold. Studien har ikke sett på mulige konsekvenser av eventuelle branner eller eksplosjoner som kan skje inne på selve anlegget til Peterson Linerboard. ADRESSE TELEFON FAKS E-POST FORETAKSREGISTERET Postboks 1260 Sluppen 73 89 59 00 73 89 59 01 computit@computit.no_ NO 981 248 252 MVA 7462 Trondheim
Innhold 1 INNLEDNING... 3 2 SCENARIO OG INNGANGSDATA... 3 2.1 Topografi og værforhold... 3 2.2 Forutsetninger... 4 2.3 Beregningsmetode... 5 3 RESULTATER FRA BEREGNINGENE... 7 VEDLEGG A - BEREGNINGSMETODE KAMELEON FIREEX KFX... 13 UTVIKLING OG ANVENDELSE... 13 TEORIGRUNNLAG... 13 VALIDERING AV KFX... 14 Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 2
1 Innledning I forbindelse med detaljregulering av Ranheim senterområde har tiltakshaver Ranheim Utvikling as planer om å utvikle et tomteområde til boligformål. Tomteområdet har avgrensinger til Peterson Linerboard som på sitt område lagrer brann- og explosjonsfarlig gass, LNG (Liquid Natural Gas). Problemstillingen er om aktiviteten til Peterson Linerboard i kombinasjon med bruksendringer av tilstøtende tomter endrer risikobildet. Konsentrasjon av gass i omgivelsene og spredningsretning ved en eventuell lekkasje fra LNG-tanken, vil generelt være avhengig av topografi, vær og vind. Denne analysen belyser hvor gassen kan spre seg, samt angir konsentrasjon av denne i omgivelsene ut fra lokal topografi kombinert med vindforhold. Dette for å vurdere om slike gasskyer kan antennes fra tennkilder utenfor selve industriområdet. Det er ikke vurdert mulige konsekvenser dersom slik gassky antennes fra aktivitet innen for selve industriområdet. Slike forhold antas å være ivaretatt av i krav gitt innenfor Lov om vern mot brann, eksplosjon og ulykker med farlig stoff og om brannvesenets redningsoppgaver (brann- og eksplosjonsvernloven). Betydelig ansvar for forsvarlig og sikker drift ligger på eier av anlegget. 2 Scenario og inngangsdata 2.1 Topografi og værforhold I analysen bestemmes mulige spredningsmønstre i området rundt anlegget, avhengig av lokal topografi samt forhold ved utslippet. Topografien er hentet fra offentlige /kartdata/. Basert på disse er det utarbeidet en 3D modell av Ranheim Fabrikker med representativt omkringliggende område. Geometrimodellen som er bruk brukt i analysen er vist i Figur 1. Figur 1 3-dimensjonal geometrimodell brukt som grunnlag for den numeriske modellen (sett fra nord mot sør). Eksisterende bebyggelse er angitt med gult, LNG-tanken med hvitt/grått, mens planlagt ny bebyggelse er angitt med brun/oransje farge. Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 3
Effekten av vind er vurdert i forhold til alle mulige vindretninger, mens omgivelsestemperaturen er satt til 20 C. (En typisk sommerdag gir mest fordampning av LNG og dermed ugunstige forhold mht. til eksponering mot nabobebyggelse.) Det er valgt å bruke lave vindhastigheter, dvs. 1,5 m/s, 3m/s og 6 m/s, siden dette vil gi høyest konsentrasjon av gass. Høyere vindhastigheter vil generelt føre til at gassen blir mer uttynnet, selv om den spres lengre. Vind med hastighet 1,5 m/s (flau vind iht. Beauforts skala) vil for de fleste oppfattes som vindstille. 2.2 Forutsetninger For LNG lekkasjen er det i simuleringene brukt en lekkasjerate på 28 kg/sek. Lekkasjen er simulert som et rent gassutslipp, dvs. all LNG som lekker ut, fordamper umiddelbart til gassfase. Dette er å anse som konservativt siden det ved et virkelig utslipp vil ta mer tid før den flytende gassen fordamper, og avdampningsratene vil også bli mindre. 28 kg/sek er en meget stor lekkasjerate og representerer fult brudd i et av de større rørene på væskesiden til LNG-tanken. Tabell 1Datagrunnlag for beregning av selve utslippsraten fra LNG - tanken LNG_Release: Symbol Verdi Enhet Molvekt LNG M 16,04 [kg/kmol] Kokepunkt LNG T_boil 111,6 [K] " " -161,55 [ C] Tetthet ρ 423 [kg/m3] Tanktrykk LNG P1 8 [bar] " " 800000 [Pa] Omgivelsestrykk P2 1 [atm] " " 101325 [Pa] Tyngdens akselerasjon g 9,81 [m/s2] Cd_åpning Cd 0,9 [-] Ø_Lekkasje Ø_Leak 40 [mm] A_Lekkasje A_Leak 0,001257 [m2] Indre_Tankhøyde hi_tank 20 [m] Tankvolum V_tank 212 [m3] Fyllingsgrad % fill 50 [%] Væskenivå Z 10 [m] Volum_LNG V_LNG 106 [m3] Masse_LNG m_lng 44838 [kg] Lekkasjerate ṁ_leak 28,30 [kg/s] Hastighet i utløp V_leak 53,24 [m/s] Lekkasjerate Q_leak 0,066906 [m3/s] Lekkasjetid t_leak 1584,3 [s] " " 26,4 [min] " " 0,4 [h] Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 4
2.3 Beregningsmetode I analysen er det brukt full 3-dimensjonal CFD analyse. Beregningsverktøyet er beskrevet nærmere i vedlegg A - Beregningsmetode Kameleon FireEx KFX. Det er benyttet ca. 540 000 kontrollvolum i beregningene. Hver spredningsanalyse er utført fra start av utslippet til stasjonære forhold er nådd, typisk 5 10 minutter. I beregningene er det brukt normalfordelt atmosfærisk vindprofil for turbulens. Dette gir en god beskrivelse av hvordan gass fra en kilde vil spre seg rundt bygg og i topografien over tid. Den vil imidlertid ikke ta hensyn til lokale variasjoner som skyldes eventuell kastevind og andre lokale forhold som kan opptre i et tidsrom innen størrelsesorden ett minutt. Slike effekter vil utjevne seg for alle tidsintervall som er vurdert. I analysen er det lagt vekt på å vise de forhold som forventes å gi størst belastning på omgivelsene, uten spesiell vurdering av sannsynlig vindretning og fordeling av vindretninger. For å finne sannsynlig fordeling av gass, må utslippet kombineres med vindrosen som gjelder lokalt. Vindroser gir et raskt og godt bilde av omtrentlig vindfordeling over tid. Som grunnlag benyttes værobservasjonsdata. Ettersom vindforholdene ofte er ulike på forskjellige tider av året, er det vanlig å lage ei vindrose for hver måned eller hver sesong (årstid). Ytterliggere kan dette kombineres med temperaturdata for den aktuelle årstiden. Siden konsekvensen fra et stort utslipp uansett vindforhold ikke gir økt fare, vil informasjon om sannsynlighetsfordeling ikke tilføre ekstra informasjon for den planlagte nye bebyggelsen. I analysen er det valgt å se på konsekvensene ved spredning av gass ved lave og middels vindhastigheter. Det er i beregningene valgt å dekke spredning fra alle mulige vindretninger, der vindsektorene er delt inn i intervall på 15. Dette gir totalt 24 vindretninger. Kombinert med 3 vindhastigheter, blir det totalt 72 scenario. Figur 2 viser et eksempel på beregnet spredning ved en gitt atmosfærisk tilstand, med én vindhastighet (i dette tilfelle 1,5 m/s, fra sør mot nord). Dvs. ett av de 72 scenarioene som er analysert. Figur 2 Eksempel på mulig spredning av gass fra den aktuelle LNG-tanken ved 1,5 m/s vind fra sør. Den røde, og den grå delen av skyen viser henholdsvis 100% og 50% LEL (Lower Explosion Limit). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 5
Tabell 2 Oversikt over scenario som er lagt til grunn for analysen. Vindretningene er fordelt fra alle kanter med 15 intervall. Det er brukt vind med hastighet 1,5 m/s, 3 m/s og 6 m/s. Totalt gir dette 24x3=72 resulterende kombinasjoner. Omgivelsestemperaturen er satt lik 20 C i alle simuleringene. Scenarioene er valgt ut fra å skulle bestemme de scenario som gir høyest konsentrasjon av forurensning i nærområdet til utslippspunktet. Totalt 24x3 = 72 kombinasjoner Vindretning Vindhastighehastighehastighet Vind- Vind- Temperatur fra nord [Vinkel ] [m/s] [m/s] [m/s] [ C] 0 1,5 3 6 20 15 1,5 3 6 20 30 1,5 3 6 20 45 1,5 3 6 20 60 1,5 3 6 20 75 1,5 3 6 20 90 1,5 3 6 20 105 1,5 3 6 20 120 1,5 3 6 20 135 1,5 3 6 20 150 1,5 3 6 20 165 1,5 3 6 20 180 1,5 3 6 20 195 1,5 3 6 20 210 1,5 3 6 20 225 1,5 3 6 20 240 1,5 3 6 20 255 1,5 3 6 20 270 1,5 3 6 20 285 1,5 3 6 20 300 1,5 3 6 20 315 1,5 3 6 20 330 1,5 3 6 20 345 1,5 3 6 20 Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 6
3 Resultater fra beregningene Resultater fra beregningene er vist som såkalte isoflateplott i Figur 3 til 10. Den røde og grå delen av gass-skyen på plottene angir henholdsvis 100% og 50% av LEL, dvs. prosentandel av nedre eksplosjonsgrense for den aktuelle gassen. Plottene representerer her en samlet framstilling av de 72 scenarioene som er simulert, og som dekker vind fra alle kanter med vindstyrke 1,5 m/s, 3 m/s og 6 m/s. Utbredelsen av gass som vist i resultatplottene, representer en kombinasjon av alle vindforhold som påvirker mulige spredningsbaner for utslippet. Dvs. områder som ikke er berørt av utslippet i de viste plottene, vil ikke bli berørt uansett vindforhold. Som resultatene viser, kan en konkludere med at spredning av gass fra et utslipp ved den aktuelle LNG-tanken ikke vil medføre eksplosjonsfare ved det planlagte nye byggefeltet for Ranheim senter, som er representert med fargen rød i plottene. Figur 3 Mulig spredning av gass ved 1,5 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nord). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 7
Figur 4 Mulig spredning av gass ved 1,5 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nordvest). Figur 5 Mulig spredning av gass ved 3,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nord). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 8
Figur 6 Mulig spredning av gass ved 3,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nordvest). Figur 7 Mulig spredning av gass ved 6,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nord). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 9
Figur 8 Mulig spredning av gass ved 6,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nordvest). Figur 9 Mulig spredning av gass ved alle beregnede scenarioer, dvs. både 1,5m/s, 3,0m/s, og 6,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nord). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 10
Figur 10 Mulig spredning av gass ved alle beregnede scenarioer, dvs. både 1,5m/s, 3,0m/s, og 6,0 m/s vind fra alle mulige retninger (sett fra nordvest). Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 11
Referanser /SINTEF/ /Kartdata/ Sikkerhetsvurderinger knyttet til LNG-anlegget ved Peterson Linerboard. Teknisk rapport, TR F5208, SINTEF Energiforskning, 2000-05-19. Tredimensjonale kartdata for området anskaffet via https://www.infoland.no/ Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 12
Vedlegg A - Beregningsmetode Kameleon FireEx KFX Utvikling og anvendelse Beregningene av varmetransport er utført ved hjelp av KAMELEON FIREEX, KFX er en 3- dimensjonal transient CFD (Computational fluid dynamics) kode. Den er spesielt tilpasset beregning av strømning og varmetransport i reaksjonelle fluider. Dette inkluder full termodynamikk og forbrenning. KFX er utviklet ved NTNU/SINTEF/ComputIT og har i stor utstrekning blitt benyttet i brann- og gasspredningsanalyser for offshore-installasjoner i nesten 30 år. I dag benyttes KFX i et stort antall industrielle analyser over hele verden. KFX er utviklet med støtte fra bl.a. Statoil, Total, ENIgruppen, ConocoPhillips, Gaz de France og Sandia National Laboratories. Geometrimodelleringen i KFX er basert på importering av CAD-modeller. Geometrier i CADmodellen konverteres automatisk til faste konstruksjoner eller flate-/volumporøsiteter. Porøsiteter blir automatisk beregnet for objekter som er mindre enn maskevidden på beregningsnettverket. KFX kan importere elektroniske kart over terreng, bygninger, moduler og prosessanlegg fra flere ulike CAD systemer. Integrert brannanalyse: KFX har grensesnitt mot strukturanalyseprogrammet USFOS (inkludert FATHS), slik at detaljert analyse av dynamisk strukturell respons på grunn av brann kan beregnes. Analyser for optimalisert bruk av passiv brannbeskyttelse og analyser for optimalisert bruk av vannsystemer for aktiv brannbekjemping Teorigrunnlag KFX benytter en endelig-volummetode på et ikke-uniformt, kartesisk nettverk. Den løser 3-dimensjonale og transiente feltlikninger for grunnleggende fysiske lover. Grunnleggende konserveringslikninger løses for hvert enkelt kontrollvolum: impuls (3 hastighetskomponenter) masse (trykkorreksjon) energi (totalentalpi) massefraksjoner av stoff turbulens (to likninger; k-ε-modell) sot (to likninger) I tillegg inneholder KFX mange submodeller: Magnussens EDC-modell for turbulent reagerende strømning EDC sotmodell strålingsmodell pølmodell for fordampning og spredning av oljelekkasjer spraymodell for vannslukkesystemer og spraybrann vegglov for turbulent grensesjikt og varmeovergang Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 13
pseudokildemodeller for høytrykks gassutslipp modeller for subgridhåndtering av geometri m.m. Validering av KFX KFX er omfattende validert, og valideringsarbeidet er en kontinuerlig pågående aktivitet i utviklingen av programsystemet. KFX er validert på mange ulike nivåer mot analytiske løsninger, mot vitenskapelige eksperimenter med stor grad av nøyaktighet, og mot realistiske tester fra småskala til storskala, submodelltester og integrerte tester. Valideringsarbeid er utført gjennom multiklient KFX -utviklingsprosjekter, gjennom samarbeid med internasjonalt anerkjente laboratorier, som f.eks. Sandia National Laboratories og SINTEF NBL, via Interne og eksterne ComputIT-prosjekter av selskaper og institusjoner som benytter KFX. Rapport nr.: R141313 revisjon 0/ Dato 2014-05-08, Ranheim LNG spredning fra tank 14