University of Oulu

Consequence modelling of a hydrogen explosion in a compressor shelter

Saved in:
Author: Larionova, Jaana1
Organizations: 1University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6.5 MB)
Pages: 140
Persistent link: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201912193331
Language: English
Published: Oulu : J. Larionova, 2019
Publish Date: 2019-12-19
Thesis type: Master's thesis (tech)
Tutor: Ahola, Juha
Reviewer: Ahola, Juha
Vaittinen, Johanna
Description:

Abstract

The aim of this study was to model the overpressure effects of a vapour cloud explosion from a significant hydrogen leakage in a compressor shelter. Modelling was performed with the FLACS software for three different cases: Model1, Model2 and Model3. Model1 covered only the compressor shelter, and its surroundings without process equipment and buildings. Model2 included the compressor shelter, surrounding diesel producing unit and a control building. Model3 included the process area with a radius of 100 metres from the compressor shelter. Each model had the same modelling area, computational mesh (grid), and scenario settings in FLACS.

The hydrogen leakage was modelled (dispersion simulation) to examine the effects of two Pasquill weather conditions (2F and 5D) and three different wind directions on the formation and dispersion of a vapour cloud. Based on the results, the worst case dispersion scenario was chosen for each model. The dispersion scenario with the largest flammable vapour cloud (volume and mass) was chosen. Explosion simulations were performed with an equivalent stoichiometric gas cloud based on the volume of the conservative Q8 cloud. Explosion simulations were also run with Q9 clouds which are less conservative than Q8 clouds. The worst case scenario was selected for each case based on the highest overpressure and pressure impulse. Build up overpressures and pressure impulses were measured with monitor points located at several places throughout the model (e.g. nearby process area and control building). The locations of the monitor points remained the same in each model.

The FLACS software used in this study showed that not only the location of the ignition points and volume of the blockage ratio but also the mass of a flammable vapour cloud have a significant effect on the magnitude of the explosion overpressures and pressure impulses. The maximum overpressures were measured in the compressor shelter in Model2 (4.4 bar(g)) and Model3 (3.7 bar(g)) with pressure impulses of 4770 Pas (Model2) and 4400 Pas (Model3). The masses of the flammable vapour clouds were 140 kg in Model2 (cloud volume 7500 m³) and 138 kg in Model3 (cloud volume 7400 m³). The maximum values measured at the control building were in Model1 (0.5 bar(g) and 1650 Pas) where the mass and volume of the flammable vapour cloud were 160 kg and 8200 m³.

This work also showed that the choice of an equivalent stoichiometric gas cloud has a very significant influence on worst case scenario selection since overpressures and pressure impulses varied according to the cloud volume (significantly higher overpressure effects in Q8 cloud than in Q9 cloud). A hydrogen vapour cloud explosion in a compressor shelter can cause a major accident with severe personal injuries, major equipment and structural damage, production interruption and significant financial damage.

Tiivistelmä

Tämän työn tarkoituksena oli mallintaa FLACS-ohjelmistolla kompressorihallissa tapahtuva merkittävä vetyvuoto ja sen jälkisyttymisestä aiheutuvat ylipainevaikutukset. Mallintaminen suoritettiin yhteensä kolmelle eri tapaukselle: Model1 mallinnusalue kattoi kompressorihallin ja ympäröivän ympäristön ilman prosessilaitteita ja rakennuksia, Model2 mallinnusalue kattoi kompressorihallin lisäksi dieseltuotetta tuottavan yksikön sekä keskusvalvomorakennuksen ja Model3 alue kattoi kompressorihallista 100 metrin säteen sisällä olevan prosessialueen. Jokaisessa tapauksessa oli sama mallinnuspinta-ala, laskentaverkko sekä lähtötiedot/parametrit.

Ensiksi mallinnettiin vetyvuoto (dispersiosimulointi), jossa tarkasteltiin kahden eri Pasquill sääolosuhteen (2F ja 5D) ja kolmen eri tuulensuunnan vaikutusta kaasupilven muodostukseen ja leviämiseen kompressorihallissa ja sen ympäristössä. Saatujen tulosten perusteella valittiin jokaisen mallin kohdalla se dispersioskenaario, jossa muodostui suurin (syttymiskelpoisen pilven massa ja tilavuus) syttymiskelpoinen kaasupilvi. Seuraavaksi tälle kaasupilvelle simuloitiin vetykaasun räjähdysskenaario. Räjähdyssimuloinnissa selvitettiin merkittävimmät ylipainevaikutukset sekä paineimpulssit ja syttymispisteiden vaikutusta muodostuviin ylipaineisiin. Räjähdyksen ylipainevaikutuksia ja impulssia monitoroitiin mallinnusalueen eri kohdissa (mm. läheinen prosessialue ja keskusvalvomorakennus). Näissä määritettiin maksimiylipaineet ja paineimpulssit, joita mitattiin eri kohdin mallinnusaluetta. Räjähdyssimuloinnissa käytettiin stoikiometrista kaasupilveä, joka perustui konservatiiviseen Q8 pilven tilavuuteen. Räjähdyssimulointeja tehtiin myös Q9-pilvillä, joka on vähemmän konservatiivinen pilvityyppi FLACS työkalussa. Räjähdyssimuloinneista kunkin tapauksen kohdalla ääritapausskenaarioksi valittiin se tapaus, jossa muodostui suurimmat ylipainevaikutukset sekä paineimpulssit.

Työssä käytetyn FLACS-ohjelman avulla osoitettiin, että syttymispisteiden sijainnin ja estetiheyden lisäksi myös syttymiskelpoisen pilven massalla on merkittävä vaikutus kaasupilviräjähdyksen ylipainevaikutuksen suuruuteen. Maksimiylipaineet mitattiin kompressorihallissa mallinnusskenaarioissa Model2 (4.4 bar(g)) ja Model3 (3.7 bar(g)). Paineimpulssit olivat näissä tapauksissa 4770 Pas (Model2) ja 4400 Pas (Model3). Syttymiskelpoisen pilven massa ja tilavuus olivat 140 kg ja 7500 m³ (Model2) sekä 138 kg ja 7400 m³ (Model3). Valvomorakennukseen kohdistuvat maksimiarvot mitattiin mallinnusskenaariossa Model1 (0.5 bar(g) ja 1650 Pas), jossa syttymiskelpoisen pilven massa ja tilavuus olivat 160 kg ja 8200 m³.

Tämä työ osoitti, että ekvivalenttisen stoikiometrisen pilven valinnalla (Q8 ja Q9) on erittäin merkittävä vaikutus ääritapausskenaarion valinnassa, sillä ääritapausskenaario vaihteli pilvestä riippuen. Vetykaasupilviräjähdys kompressorihallissa voi aiheuttaa suuronnettomuuden, joka aiheuttaa vakavia henkilövahinkoja, merkittäviä laite- ja rakennevaurioita, tuotannon keskeytymisen sekä huomattavia taloudellisia tappioita.

see all

Subjects:
Copyright information: © Jaana Larionova, 2019. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.