Μελέτη και παραμετρική ανάλυση διασποράς τοξικών ρύπων από πυρκαγιά σε δεξαμενές υγρών καυσίμων με χρήση μεθόδων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

H πρόληψη αλλά και η μελέτη των επιπτώσεων ενός μεγάλου βιομηχανικού ατυχήματος (Β.Α.Μ.Ε) αποτελεί ένα ιδιαίτερα σημαντικό κομμάτι των σύγχρονων βιομηχανιών και ιδιαιτέρως των «εν δυνάμει» επικίνδυνων βιομηχανιών όπως των διυλιστηρίων αλλά και των χώρων αποθήκευσης υγρών καυσίμων. Παρά τις μεγάλες βελτιώσεις που έχουν σημειωθεί τα τελευταία χρόνια στον τομέα της βιομηχανικής ασφάλειας, έχει αποδειχθεί πως δεν είναι αρκετές για την διασφάλιση μηδενικού αριθμού ατυχημάτων. Για τον παραπάνω λόγο δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην όσο δυνατόν καλύτερη και πιο ακριβή πρόβλεψη των επιπτώσεων που μπορεί να έχει ένα τέτοιο συμβάν, τόσο για την μετέπειτα αντιμετώπιση των επιπτώσεων του όσο και για την προστασία του προσωπικού που καλείται για την αντιμετώπιση του. Στην παρούσα διπλωματική εργασία συνεχίζεται η προσπάθεια για περαιτέρω διερεύνηση των επιπτώσεων από την διασπορά τοξικών ρύπων που πραγματοποιήθηκαν από τους Argyropoulos et al., 2006; 2008 καθώς και από τη Μονάδα Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Ε.Μ.Π με την προσθήκη επιπλέον δεξαμενής και με διαφορετικές μετεωρολογικές συνθήκες. Η διερεύνηση του φαινομένου γίνεται με χρήση υπολογιστικών μεθόδων προσομοίωσης και πιο συγκεκριμένα με χρήση μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics, CFD). Αναλυτικότερα γίνεται προσομοίωση πυρκαγιάς στην επιφάνεια σε δεξαμενές καυσίμων ύψους 20 m και με διάμετρο 70 m και 85 m για 3 διαφορετικά είδη καυσίμων τα οποία είναι αργό πετρέλαιο, ντήζελ και βενζίνη. Επιπλέον, κάθε δεξαμενή περιβάλλεται σε απόσταση ίση με το ήμισυ της διαμέτρους της από τοιχίο ασφαλείας πάχους 0.5 m και ύψους 4 m. Ώς προς τις επικρατούσες μετεωρολογικές συνθήκες στην συγκεκριμένη προσομοίωση η ατμόσφαιρα τέθηκε ως ουδέτερα στρωματοποιημένη ενώ εξετάζονται τα σενάρια για ταχύτητες ανέμου 8 m/s, 10 m/s και 12 m/s. Τέλος το οριακό ατμοσφαιρικό στρώμα (Α.Ο.Σ) έχει ύψος 800 m. Επιπλέον γίνεται καθορισμός των ζωνών ασφαλείας μέσω την κατασκευή διαγραμμάτων διασποράς των τοξικών ρύπων στο επίπεδο εδάφους. Για την προσομοίωση των παραπάνω σεναρίων έγινε χρήση του εμπορικού κώδικα PHOENICS της εταιρείας CHAM ltd. Για την διακριτοποίηση του πεδίου ροής ο συγκεκριμένος κώδικας χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων όγκων ελέγχου (Finite Volume Method, F.V.M) ενώ για αλγόριθμο επίλυσης χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο σύζευξης πίεσης-ταχύτητας SIMPLEST. Τέλος για την διακριτοποίηση των διαφορικών εξισώσεων γίνεται χρήση του υβριδικού σχήματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως σε καμία περίπτωση στις ζώνες ασφαλείας δεν παρατηρούνται τιμές μεγαλύτερες από όρια IDLH και LC50.

The prevention and the study of the consequences of an industrial accident constitute an important part of the modern industry and more precisely of oil refineries and oil storage depots that may be described as infrastructure of high risk. Despite improvements that have been achieved during the recent years in the area of industrial safety it has also been proven it is not enough to generate zero-risk conditions in industry. Hence it is essential that an “as much accurate” prediction of the consequences of an industrial event not only for environmental reasons, but also for the health of the response units that will be called to deal with the event. The purpose of this diploma thesis is to continue the earlier research that was conducted by Argyropoulos et al. 2006; 2008 and the Computational Fluid Dynamic Unit of the school of Chemical Engineering of N.T.U.A, for the dispersion of toxic pollutants from fires in oil tanks. This was accomplished with the further development of the code, with the addition of an extra oil tank in the three – dimensional flow field and by simulating scenarios for different meteorological conditions. More specifically the tanks’ sizes that are simulated are of 70 m and 85 m diameter and height of 20 m. Every oil tank is surrounded with safety bunds, which are 0.5 m width 4 m height and with distance between the outer side of the tank and the inner side of the bund as half of the tank diameter. The fuel types that have been examined are crude oil, diesel oil and gasoline. The prevailing atmospheric conditions that were used for the simulations is neutrally stratified atmosphere with the boundary atmospheric layer reaching the altitude of 800 m, and for wind velocity of 8 m/s, 10 m/s and 12 m/s respectively. Additionally, safety zones have been defined near and around the tanks with the calculation of the ground-level toxic pollutants dispersion that are presented in the form of diagrams. The above-mentioned scenarios were simulated with the commercial Computational Fluid Dynamic (CFD) code PHOENICS that is distributed from CHAM ltd. The specific code discretisation of the flow field follows the finite volume method (F.V.M) and the hybrid scheme is used for the discretisation of the differential equation. The algorithm for the solution of the algebraic equations that has been used is SIMPLEST. The results indicate than the concentration’s level does not exciding the IDLH and LC50 limits, but the concentration’s limit for STEL and TWA, for specific distances are excided. For the above-mentioned reason has been that, only staff with proper equipment should approach and encounter similar situations.