Fundamentals of the applicability of computational fluid dynamics for modelling fire scenarios in process plants

Mit dem steigenden LNG-Anteil am Energiemarkt ist eine Erweiterung der entsprechenden Infrastruktur erforderlich geworden. Bei der Planung verfahrenstechnischer Anlagen sind diese einer sicherheitstechnischen Bewertung zu unterziehen. Dies kann z. B. mittels einer quantitativen Risikoanalyse erfolgen, wobei unter anderem das Ausmaß eines Schadensereignisses zu berechnen ist. Die größte Gefahr im Umgang mit LNG ergibt sich aus der Zündfähigkeit des Erdgases. In der vorliegenden Arbeit wurden Gaswolkenexplosionen in einem Tanklager untersucht. Gaswolkenexplosionen treten auf, wenn die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemischs in einiger Entfernung vom Ort der Freisetzung erfolgt. Die Flamme breitet sich dann durch das zündfähige Gasgemisch in Richtung der Brennstoffquelle aus, wobei es zu einer zerstörerischen Druck- und Wärmeentwicklung kommen kann. Die CFD bietet die Möglichkeit detaillierte Erkenntnisse über das Ausmaß eines Schadensereignisses zu gewinnen. Dabei müssen vergleichsweise wenige Modellannahmen getroffen werden und auch komplexe Brandszenarien können mit einer Vielzahl von Einflussgrößen berechnet werden. Es besteht jedoch das Problem der Validierung der Rechenergebnisse. Brandversuche im Realmaßstab sind kaum zu realisieren, da sie mit enormen Kosten sowie Gefahren für Mensch und Umwelt verbunden sind. Auch eine Übertragung von labormaßstäblichen Versuchen auf eine realmaßstäbliche Anordnung ist speziell für Industrieanlagen ausgeschlossen, da eine vollständige Ähnlichkeit nicht zu erreichen ist. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine neue Herangehensweise verfolgt. Um die Zuverlässigkeit von Vorhersagen von CFD-Simulationen zu steigern, wurde entsprechend der Fragestellung ein experimenteller Aufbau im Labormaßstab konstruiert, der die entscheidenden Phänomene, wie die Brennstoff- und Flammenausbreitung unter dem Einfluss des Tanklagers abbildete. Die Ergebnisse aus den modellmaßstäblichen Versuchen wurden dann zur Validierung von ebenfalls im Modellmaßstab berechneten CFD-Lösungen herangezogen. Damit konnte ein Satz an Modellen bestimmt werden, der zur Simulation des zu untersuchenden Brandszenarios geeignet war. Durch Wiederholungsversuche konnte zudem die Unsicherheit der Messergebnisse in einer Validierungsmetrik berücksichtigt werden. Unter der Voraussetzung skalenübergreifend gültiger Berechnungsmodelle, liefern diese in ihrer Anwendung auf die Großausführung, ohne weitere Validierungsexperimente im Realmaßstab, vertrauenswürdige Ergebnisse. Mit den definierten Modellgleichungen wurde ein Brandszenario in einem realmaßstäblichen Tanklager berechnet und das Schadensausmaß abgeschätzt. Diese Methode stellt eine Erweiterung der bisherigen Praxis dar und kann einen wichtigen Beitrag zur Überprüfung der Anwendbarkeit und Güte von CFD-Modellen leisten.An increased demand in LNG made it necessary to extend the corresponding infrastructure. The risks associated with the operation of such process plants have to be assessed. This can be done by means of a quantitative risk analysis. As part of a quantitative risk analysis the consequences of potential hazardous events have to be evaluated. The major hazard associated with LNG is the flammability of its main component natural gas. Vapor cloud explosions in a storage tank farm were studied in the present work. Vapor cloud explosions occur if the fuel air mixture ignites at some distance away from the gas release. Following ignition, the flame front propagates through the flammable gas cloud towards the source of the release potentially causing destructive overpressures and heat releases. Detailed consequence assessments of hazardous events can be carried out using CFD. When using CFD a comparatively small number of assumptions has to be made and even complex fire scenarios can be simulated taking into account various influencing factors. The validation of CFD fire simulations is, however, problematic. Full scale fire tests are not feasible due to the high costs and the risks to humans and the environment. Small scale test may be performed. However, the results from small scale tests cannot be transferred to full scale scenarios since complete similarity cannot be achieved specifically in the case of complex fire scenarios in process plants. For this reason a novel approach was proposed in the current work. First of all, a small scale experimental setup was designed which allowed an investigation of the governing phenomena such as the influence of the built-up environment on the gas dispersion and the flame propagation. The experimental results were subsequently used to validate results from CFD analyses which were performed to simulate the lab scale fire tests. Based on this, it was possible to identify a set of models suitable for simulating the given fire scenarios. Repeated small scale fire tests made it possible to include the measurement uncertainties by means of a validation metric. Provided that the validated computational models are scale independent, they can be applied to simulate the specific full scale fire scenario with increased reliability without the requirement to perform any further full scale tests. This approach is an extension to current practice and can make an important contribution to the assessment of the quality and applicability of CFD models