TEKNISK NOTAT - DSB · 2020. 6. 8. · Spredningsanalyse for LNG -anlegg i Bodø Teknisk notat Ref. nr.: Gex con -19 -F100944 -TN -1 Rev.: 01 Dato: 09.01.2020 Side 2 av 27 Ansvarsfraskrivels

Gexcon AS Besøksadresse: Telefon: 55 57 43 30 Bank: 5210 05 26018 P.Box 6015 Fantoftvegen 38 Telefax: 55 57 43 31 NO979 879 342 VAT 5892 Bergen, Norway Fantoft www.gexcon.com

TEKNISK NOTAT

Spredningsanalyse for LNG-anlegg i Bodø Dato: 09.01.2020 Forfatter: Øystein Spangelo Prosjektnr.: 100944 Teknisk notat: 1 Kontrollert av: Lillian Kråkmo Godkjent av: Øystein Spangelo

Innhold Ansvarsfraskrivelse ................................................................................................................................. 2

1 Innledning ......................................................................................................................................... 3

2 Om CFD-simulatoren FLACS........................................................................................................... 4

3 Geometrimodell ................................................................................................................................ 4

4 Lekkasjescenarioer .......................................................................................................................... 7

4.1 Prosessbetingelser og lekkasjescenario fra QRA ................................................................... 7

4.2 Kildemodellering ...................................................................................................................... 8

4.3 Lekkasjepunkt .......................................................................................................................... 9

5 Simuleringer av spredning ............................................................................................................. 10

5.1 Scenariomatrise ..................................................................................................................... 10

5.2 Beregningsdomene, -grid og vindfelt..................................................................................... 10

5.3 Resultater fra simulering av LNG utslipp ............................................................................... 12

6 Konklusjon ...................................................................................................................................... 13

7 Referanser...................................................................................................................................... 14

Vedlegg A Resultater fra CFD-simuleringer .................................................................................... 15

Spredningsanalyse for LNG-anlegg i Bodø Teknisk notat

Ref. nr.: Gexcon-19-F100944-TN-1 Rev.:01 Dato: 09.01.2020 Side 2 av 27

Ansvarsfraskrivelse

Gexcon påtar seg ikke ansvar for skader som påføres oppdragsgiver, hans kunder, leverandører eller annen tredjepart, som anvender resultatene av Gexcons arbeid, med mindre det er utvist grov uaktsomhet av Gexcon eller personell som Gexcon har benyttet for å gjennomføre arbeidet.



1 Innledning

Barents NaturGass (BNG) har engasjert Gexcon for å simulere utslipp av LNG fra et forbruksanlegg på Burøya i Bodø. I forbindelse med en planlagt utvidelse av LNG-anlegget med to nye fordampere, er det gjennomført en kvantitativ risikoanalyse (QRA) for anlegget med denne utvidelsen [1]. Risikoanalysen viser at risikokonturen for frekvens 10-5 per år krysser Burøyveien, se Figur 1-1. Denne veien er en offentlig vei som passerer anlegget, og offentlig vei skal ifølge DSBs retningslinjer ikke ligge innenfor det som defineres som indre sone, dvs. risikokonturen for frekvens 10-5 per år. Konsekvensanalysen i risikoanalysen er utført med det empiriske 2D konsekvensverktøyet Phast der effekter av terreng, bygninger og andre objekter på vind og utbredelse av en lekkasje, ikke tas hensyn til. Mellom veien og anlegget er det en skjæring som er ca. 5 meter høy. For å undersøke effekten av terrenget på spredning av lekkasjer fra anlegget mot Burøyveien og eksponering av det skraverte området i Figur 1-1 for brennbar gass, er det utført en analyse av utvalgte utslippsscenarioet med CFD-simulatoren FLACS (CFD = Computational Fluid Dynamics). Simuleringene er dokumentert i dette notatet.

Figur 1-1: Risikokonturer for LNG forbruksanlegg på Burøya fra QRA, Ref. [1]. Burøyveien passerer innenfor Indre hensynssone (lilla kurve) der det er markert med rosa skravering. CFD-beregninger er utført med FLACS for å undersøke spredning av gass fra lekkasjer i anlegget til dette området.



2 Om CFD-simulatoren FLACS

FLACS (Flame Acceleration Simulator) er en programvare utviklet og validert av Gexcon for beregning av ventilasjon, gasspredning, brann og eksplosjoner i 3D. I FLACS løses ligninger for strømning i en 3D-modell, slik at effekter av interaksjon mellom strømning og obstruksjoner som vegger, tak eller utstyr tas hensyn til. FLACS har blitt utviklet kontinuerlig siden 1980 og er verdensledende på beregning av effekter av gasseksplosjoner. Bruk av FLACS for eksplosjonsberegninger er industristandard på norsk sokkel, og vanlig også blant større oljeselskap internasjonalt. Det er utført omfattende validering av FLACS opp mot små-, mellom- og storskala forsøk av ulike typer gassutslipp samt støv- og gasseksplosjoner.

Figur 2-1: Eksplosjonsforsøk for validering av FLACS (øverst til venstre), eksplosjonssimulering med FLACS (øverst til høyre), LNG spredningssimulering med FLACS (nederst til venstre) og brannsimulering med FLACS (nederst til høyre).

3 Geometrimodell

For å etablere en geometrimodell for simuleringene har Gexcon fra BNG fått oversendt en 3D-modell av anlegget (tank og fordampere) og terrenget rundt anlegget. Gexcon har komplettert modellen med en generisk tankbil samt innhentet et flyfoto som er projisert på terrengmodellen for bedre visualisering. Geometrimodellen som importert til FLACS er vist i Figur 3-1. For sammenligning med geometrimodellen, er et bilde av Burøya hentet fra Google Maps med plassering av LNG-anlegget indikert, vist i Figur 3-2. Nærbilder fra modellen av LNG-anlegget er vist i Figur 3-3 og Figur 3-4. Elevasjoner på bakken rundt anlegget samt for Burøyveien der den passerer anlegget, er vist i Figur 3-5.



Figur 3-1: FLACS geometrimodell av Barents Naturgass LNG-anlegg, terreng og nærliggende bygg sett fra nordøst

Figur 3-2: Barents NaturGass LNG-anlegg på Burøya i Bodø (indikert med blått rektangel) sett fra nordøst. Bilde hentet fra Google Maps (3D).



Figur 3-3: Nærbilde fra FLACS geometrimodell for Barents Naturgass LNG-anlegg. Forbruksanlegg med tankbil og fire fordampere i forgrunn.

Figur 3-4: Nærbilde fra FLACS geometrimodell for Barents Naturgass LNG-anlegg. Skjæring med Burøyveien oppå vist i bakkant av bilde.



Figur 3-5: FLACS geometrimodell av Barents Naturgass LNG-anlegg med elevasjoner på bakken rundt anlegget samt Burøyveien indikert.

4 Lekkasjescenarioer

4.1 Prosessbetingelser og lekkasjescenario fra QRA

Hensynssoner for anlegget presentert i QRA [1] viser at Burøyveien som passerer anlegget er innenfor indre sone, dvs. risikokonturen med frekvens 10-5 per år. For å evaluere effekt av terrenget rundt anlegget på spredning av brennbar gass fra en hendelse i anlegget og dermed også på utbredelse av indre sone, er spredning av gass fra utslippsscenarioene i Tabell 4-1 simulert med FLACS.

Tabell 4-1: Relevante lekkasjescenarioer fra QRA [1]

Utslippsscenarioene i Tabell 4-1 er væskelekkasjer fra forskjellige segmenter benyttet i QRAen. Som input til simuleringer med CFD er det benyttet metan i væskeform ved 6 barg trykk og temperatur på - 132 °C.



4.2 Kildemodellering

For å beregne utslippsrater er det gjort beregninger med verktøyet FRED, og det er antatt at væsken passerer et rør med lengde 10 cm og diameter 50 mm før den strømmer ut gjennom hullet. (Dette tilsvarer en typisk rørlengde fra tanken til første ventil med diameter tilsvarende det største røret som er tilkoblet tanken.) For en hullstørrelse på 25 mm gir FRED en initiell utslippsrate på ca 6 kg/s, som etter 12 s er redusert til 2 kg/s, som følge av flashing av væske i røret. Deretter holder utslippsraten seg konstant rundt 2 kg/s for beregningstiden for utslipp i FRED som er 3600 sekunder. I simuleringene brukes en konstant utslippsrate av metan tilsvarende den tidsmidlede raten over de første 300 sekundene av FRED- beregningen som er 2.09 kg/s. For en hullstørrelse på 50 mm gir FRED en initiell utslippsrate på ca 12 kg/s, som reduseres til 11.4 kg/s etter ca. ett sekund, og deretter gradvis avtar til 10 kg/s i løpet av beregningstiden for utslipp i FRED som er 3600 sekunder. I simuleringene brukes en konstant utslippsrate av metan tilsvarende den tidsmidlede raten over de første 300 sekundene av FRED-beregningen som er 11.32 kg/s. LNG er i utslippspunktet metan i væskefase og lekkasjen vil opptre som en væskespray. De store dråpene i en væskespray vil falle på bakken og danne en væskepøl, mens de mindre dråpene vil fordampe. FLACS simulerer spredning for gassfase, og en væskelekkasje modelleres derfor med to typer kilder til gass som slippes inn i beregningsområdet: (1) en væskepøl på bakken som frigir gass gjennom sin overflate, og (2) en gassjet spesifisert nedstrøms væskesprayen på det punktet all væske er enten fordampet eller felt ut til pølen på bakken. For pølen på bakken benytter FLACS en integrert pølmodell som ved beregning av avdampningsrate tar hensyn til at pølen sprer seg utover, nedkjøling av bakken som følge av varmeovergang til væsken og varmeovergang til pølen gjennom stråling fra solen eller en brann. Gassjeten beregnes med FLACS-verktøyet Flash og gis som input til simuleringen i FLACS. Beregnede inputparametere for de simulerte lekkasjene er presentert i Tabell 4-2. (Oppgitt hullareal tilsvarer arealet som gir ønsket utslippsrate ved initielle prosessbetingelser basert på beregninger i FRED.)

Tabell 4-2: Inputparametere for gassjet til FLACS beregnet med Flash

Lekkasje-scenario

Input til Flash Output fra Flash (input til gassjet i FLACS)

Hull-areal fra

FRED (m2)

Utslipps-rate

metan (kg/s)

Avstand til full

fordampning (m)

Jet-areal (m2)

Jet-rate (metan og luft) (kg/s)

Jet-hastighet

(m/s)

Jet-temperatur

(°C)

Ekvivalens-forhold

metan-luft

Case 1 (25 mm hull)

0.000162 2.09 2.15 0.1719 6.98 14.65 -171 7.36

Case 2 (50 mm hull)

0.000876 11.32 4.99 0.9294 37.82 48.96 -171 7.36

Flash beregner også andelen av væsken som regner ut i en pøl på bakken. For de to simulerte scenarioene, Case 1 og Case 2, er denne andelen beregnet til å være neglisjerbar (under 1 %). Utslippene simuleres derfor i FLACS som rene gassjetter. Det er oppgitt av Barents NaturGass at en lekkasje vil oppdages og stenges ned på under 90 sekunder. Det er allikevel simulert med en varighet på 5 minutter med konstant utslippsrate. På dette tidspunktet har simuleringene nådd en såkalt «steady state», dvs. at gasskyen utvikler seg ikke mer som funksjon av tid. Da lekkasjene er forventet å vare kortere enn 90 sekunder, vil en slik «steady state» løsning representere en konservativ og større utstrekning av den brennbare skyen enn om lekkasjen stoppes på et tidligere tidspunkt.



4.3 Lekkasjepunkt

Det benyttes samme utslippspunkt for alle lekkasjescenarioene som simuleres. Dette plasseres mellom LNG-tank, fordampere og tankbil som illustrert med en rød pil i plottene i Figur 4-1.

Figur 4-1: Utslippspunkt visualisert med en rød pil i geometrimodellen sett fra forskjellige vinkler.



5 Simuleringer av spredning

5.1 Scenariomatrise

Scenariomatrise som oppsummerer de simulerte utslippsscenarioene, er vist i Tabell 5-1. Det er gjennomført en sensitivitet på geometrimodellen der det er lagt inn et 45 meter langt og 2 meter høyt tett gjerde/vegg plassert på toppen av skjæringen mellom Burøyveien og anlegget. Denne veggen er vist i rosa farge i Figur 3-4 og Figur 3-5. Sensitivitetssimuleringene er beskrevet i Tabell 5-1 som «Sensitivitet 1 (vegg langs Burøyveien)».

Tabell 5-1: Scenariomatrise

Simulering nr. Beskrivelse Lekkasjestørrelse Lekkasjeretning Vindretning Vindstyrke

025302 Base case (uten vegg langs Burøyveien)

25 mm Mot Burøyveien Mot Burøyveien

2.5 m/s

025303 5.0 m/s

025304 10.0 m/s

050302 50 mm 2.5 m/s

050303 5.0 m/s

050304 10.0 m/s

125302 Sensitivitet 1 (vegg langs Burøyveien)

25 mm 2.5 m/s

125303 5.0 m/s

125304 10.0 m/s

150302 50 mm 2.5 m/s

150303 5.0 m/s

150304 10.0 m/s

5.2 Beregningsdomene, -grid og vindfelt

FLACS benytter et ortogonalt grid, dvs. rettvinklet. For å tilpasse geometrimodellen til gridet er denne rotert slik at LNG-tanken er parallell med nærmeste akse i gridet som er Y-aksen. Som følge av dette går Burøyveien omtrent parallelt med X-aksen, og virkelig (geografisk) nord ligger noe til vest for X-aksen som er nord i simuleringsmodellen. Simuleringer med FLACS er gjort i to steg, først simulering av vind gjennom anlegget, deretter benyttes vindfeltet som grensebetingelse og initialbetingelse for simulering av spredning fra et utslipp i anlegget. Til simulering av vindfeltet er det benyttet et beregningsdomene som strekker seg 770 meter i X-retning, 800 meter i Y-retning og 200 meter i Z-retning, mens for simulering av spredning er gridet 220 meter langt i X-retning, 250 i Y-retning og 50 meter i Z-retning. Bruk av et mindre beregningsområde for simulering av spredning gjør det mulig å benytte en finere celleinndeling rundt lekkasjepunktet. Simuleringsgridene som er benyttet består av omkring 2 millioner celler både for simulering av vind og for simulering av spredning. Beregningsområdet benyttet for simulering av spredning er vist i Figur 5-1. I Figur 5-2 er strømlinjer gjennom LNG-anlegget for et vindfelt med 5 m/s vist.



Figur 5-1: Beregningsdomene for spredningssimuleringer

Figur 5-2: Strømlinjer som visualiserer vindfeltet gjennom anlegget. Det viste vindfeltet er fra simulering av vind med 5 m/s hastighet fra sjøen på østsiden av Burøya og mot LNG-anlegget og Burøyveien.



5.3 Resultater fra simulering av LNG utslipp

Resultater fra hver av de simulerte utslippsscenarioene i LNG-anlegget er presentert i vedlegg A. I dette vedlegget er brennbar sky, dvs. gassky som har konsentrasjon i luft høyere enn eller lik 5.3 vol. % som er nedre brennbarhetsgrense (LFL) for metan, vist etter 5 minutter utslipp med konstant rate. På dette tidspunktet har alle de simulerte utslippene nådd «steady state» i forhold til utbredelse, dvs. at den brennbare skyen ikke utvikler seg ytterligere som funksjon av tid så lenge utslippsraten er uendret. Fra resultatene i vedlegg A kan det sees at utslippene fra Ø25 mm hull ikke eksponerer Burøyveien. I lav vind, dvs. 2.5 m/s medvind, når brennbar gass fra utslippet frem til skjæringen i fjellet som veien går oppå, men brennbar gass kommer ikke opp til veien og eksponerer denne. I sterkere vind er utbredelsen av brennbar gass kortere fordi vinden sørger for å blande luft og metan slik at konsentrasjonene blir lavere. For utslipp fra Ø50 mm hull, kan det sees fra resultatene i vedlegg A, at brennbar gass nærmer seg Burøyveien, men eksponerer fortsatt ikke selve veibanen. I lav og medium vind (2.5 m/s og 5 m/s medvind) sprer brennbar gass seg frem til og opp på skjæringen som veien er plassert på toppen av, men gass med brennbare konsentrasjoner når ikke frem til selve veibanen. I sterkere vind (10 m/s) sees det tilsvarende som for Ø25 mm hull, at utbredelsen av brennbar gass er kortere fordi sterkere vind blander ut metan i luft raskere slik at konsentrasjonene av metan blir lavere. Sensitiviteten med å plassere en 2 meter høy og 45 meter lang tett vegg langs Burøyveien har en liten men positiv effekt for utslippene fra 50 mm hull i lav og medium vind. Veggen bidrar for disse scenarioene med å holde brennbar gass litt lenger unna veibanen. Sensitiviteten med utplassering av tett vegg langs Burøyveien er illustrert i Figur 5-3 der resultatene fra simuleringene med 50 mm hull, lav og medium vind og med og uten vegg er vist sammen. Sammenligning av disse plottene viser godt effekten på utbredelse av brennbar gass ved å sette opp en slik vegg langs Burøyveien.

Figur 5-3: Visualisering av brennbar sky (konsentrasjon ≥ LFL) fra utslipp fra 50 mm hull rettet mot Burøyveien i 2.5 m/s medvind (øverst) og 5 m/s medvind (nederst), uten tett vegg langs Burøyveien (venstre) og med tett vegg langs Burøyveien (høyre).



6 Konklusjon

Dette notatet dokumenterer simuleringer av utvalgte utslippsscenarioer simulert for BNGs LNG-anlegg på Burøya i Bodø med CFD-verktøyet FLACS. Formålet med simuleringene har vært å vise effekten av terreng i og rundt anlegget på spredning av gass fra en lekkasje av LNG, og om høydeforskjellen mellom LNG-anlegget og Burøyveien vil kunne gi en positiv effekt på utbredelse av brennbar gass mot Burøyveien og eksponering av veibanen. Scenarioene som er valgt for simulering er lekkasjescenarioer fra QRA for anlegget [1] og som er rettet mot Burøyveien i vind i samme retning. Resultatene viser at terrenget rundt anlegget har en god effekt på spredning av gass fra en LNG-lekkasje og at høydeforskjellen mellom anlegget og Burøyveien forhindrer eksponering av veibanen for de utslippsscenarioene som er simulert.



7 Referanser

[1] DNV GL, «BNG Bodø QRA - QRA for BNG LNG unit at Burøya (Bodø),» Report no. 2018-0924, 2019.



Vedlegg A Resultater fra CFD-simuleringer

Dette vedlegget dokumenterer resultater fra simuleringene utført for utslippsscenarioer i LNG-anlegget. Scenarioene som er simulert er oppsummert i simuleringsmatrisen i Tabell A 1. På de følgende sider er utbredelse av brennbar sky, dvs. sky som har gasskonsentrasjon lik eller høyere enn nedre flammegrense (LFL), visualisert i geometrimodellen for hver av simuleringene som er utført. Resultatene er visualisert fra samme synsvinkel som er valgt slik at eksponering av Burøyveien skal kunne vurderes. Resultatene er tatt ut etter 5 minutter (300 sekunder) med utslipp med konstant rate, på dette tidspunktet har alle gasskyene nådd «steady state», dvs. at resultatet ikke endrer seg som funksjon av tid.

Tabell A 1: Simuleringsmatrise

Simulering nr. Beskrivelse Lekkasjestørrelse Lekkasjeretning Vindretning Vindstyrke

025302 Base case (uten vegg langs Burøyveien)

25 mm Mot Burøyveien Mot Burøyveien

2.5 m/s

025303 5.0 m/s

025304 10.0 m/s

050302 50 mm 2.5 m/s

050303 5.0 m/s

050304 10.0 m/s

125302 Sensitivitet 1 (vegg langs Burøyveien)

25 mm 2.5 m/s

125303 5.0 m/s

125304 10.0 m/s

150302 50 mm 2.5 m/s

150303 5.0 m/s

150304 10.0 m/s



Figur A 1: Utslipp av LNG simulert for BNGs LNG-anlegg ved Burøyveien i Bodø, simulering nr 025302: hullstørrelse Ø25 mm (2.09 kg/s LNG væskerate), rettet mot Burøyveien i 2.5 m/s medvind (vind fra øst). Brennbar sky (gasskonsentrasjon ≥ LFL) vist i blå-hvit fargeskala sett fra nord langs Burøyveien etter 300 sekunder med konstant rate.



Figur A 7: Utslipp av LNG simulert for BNGs LNG-anlegg ved Burøyveien i Bodø, sensitivitet med 2 m høy og 45 m lang tett vegg langs Burøyveien, simulering nr 125302: hullstørrelse Ø25 mm (2.09 kg/s LNG væskerate), rettet mot Burøyveien i 2.5 m/s medvind (vind fra øst). Brennbar sky (gasskonsentrasjon ≥ LFL) vist i blå-hvit fargeskala sett fra nord langs Burøyveien etter 300 sekunder med konstant rate.

Documents

TEKNISK NOTAT - DSB · 2020. 6. 8. · Spredningsanalyse for LNG -anlegg i Bodø Teknisk notat Ref. nr.: Gex con -19 -F100944 -TN -1 Rev.: 01 Dato: 09.01.2020 Side 2 av 27 Ansvarsfraskrivels