Modelování následků nehody automobilové cisterny s LPG pomocí numerického programu ALOHA

Existuje řada nástrojů, kterými lze modelovat následky nežádoucích mimořádných událostí, ale ne každý nabízí tak širokou paletu modulů jako program ALOHA.

 

Úvod

Existuje řada nástrojů, kterými lze modelovat následky nežádoucích mimořádných událostí, ale ne každý nabízí tak širokou paletu modulů jako program ALOHA[3]. Ten je odborníkům na prevenci závažných havárií a havarijní plánování znám už několik let, avšak s ohledem na jeho možnosti, validitu poskytovaných výstupů a volnou dostupnost programu na internetu, si jistě zaslouží bližší představení i ostatní odborné veřejnosti. Aby však byl způsob jeho použití v praxi vhodně prezentován, byla ve spolupráci se zástupci Městského úřadu v Odrách provedena analýza modelové události, na které lze možnosti programu demonstrovat v  požadovaném rozsahu. Na internetu je sice možno nalézt obdobné práce, avšak s ohledem na podmínky panující v ČR, mohou být jejich výstupy zavádějící. Důvodem je vzájemná  nesrovnatelnost charakteru našich sídel, stavu komunikací, meteorologických podmínek, místní topografie či hustoty osídlení s podmínkami v jiných zemích. Pro účely této studie byla proto využita reálná data vztahující se přímo k místu uvažované fiktivní havárie.

 

Město Odry se podle počtu obyvatel (7 395 obyv.) řadí mezi menší města naší republiky. Město protíná frekventovaná silnice I. třídy č. 47 spojující Ostravu s Olomoucí. Po této trase projedou denně stovky automobilů, včetně nákladních. Průjezd městem není nijak omezen, takže tudy mohou projíždět také nákladní vozy převážející nebezpečné chemické látky. Silnice prochází samotným centrem města přes náměstí obdélníkového tvaru, které je uzavřeno zástavbou ze všech čtyř stran. V severozápadním cípu náměstí se vyskytuje nebezpečně ostrá pravotočivá zatáčka, kde reálně může dojít k nebezpečné situaci. Tento bod byl proto pro účely této práce vybrán jako místo vzniku fiktivní nehody. Pro účely modelování byla jako zdroj uvažována automobilová cisterna převážející zkapalněný LPG, se kterou je možno běžně se setkávat v dopravě.

Návěsná autocisterna má kapacitu 22 tun LPG. Látka je převážena jako plyn zkapalněný tlakem. Přeprava se řídí platnou dohodou o mezinárodní silniční přepravě nebezpečných věcí tzv. ADR. Běžná cisterna má průměr 2 460 mm a délku 10 510 mm, což odpovídá objemu 50 m3.

 

Při použití programu ALOHA je nejprve nutné zadat lokaci místa havárie a charakter okolní krajiny. V našem případě se jedná o město, a proto volíme městskou zástavbu; nadmořská výška Oder činí 274 m n. m. Dále je potřeba pro výpočet následků znát aktuální meteorologickou situaci v místě havárie. Na základě dostupných zdrojů i informací získaných z Městského úřadu zde převládají západní až severozápadní směry větru. Pro náš případ tedy volíme následující meteorologická data:

  • vítr severozápadní o síle 3 m/s (měřeno ve 3 m nad zemí),
  • obloha je z 50 % pokryta oblačností,
  • teplota vzduchu v době havárie 15 °C,
  • třída stability počasí C,
    bez inverze,
  • vlhkost vzduchu 50%.

 

Cisterna přijíždí ze směru od Fulneku (viz obr. 6 – šipka) a ve zmiňované pravotočivé zatáčce dojde následkem nezvládnutí situace řidičem k převrácení cisterny na bok (viz obr. – křížek). Na vině může být např. nepřizpůsobení rychlosti vozidla stavu a povaze vozovky, nepříznivé povětrnostní podmínky, oslnění řidiče, vběhnutí chodce do vozovky atd.

Při převrácení cisterny dojde k porušení jejího pláště a z díry o uvažovaném profilu cca 10 x 4 cm nacházející se v 1/3 výšky pláště cisterny začne ihned unikat kapalný LPG. Protože má LPG bod varu při atmosférickém tlaku mezi –42 až –0,5 °C (podle poměru jednotlivých složek směsi propan-butanu), bude se kapalná fáze při námi uvažované okolní teplotě 15 °C ihned odpařovat a vytvářet oblak.

ALOHA pro tento případ nabízí tyto relevantní scénáře [2]:

  1. Zkapalněný plyn bude z poškozené cisterny unikat, aniž by došlo k jeho iniciaci. Pro tuto látku a tento typ scénáře nabízí ALOHA výpočet tří možných následků:

    1. vymezení oblasti zasažené toxickými účinky dané látky,
    2. vymezení oblasti s nebezpečnými koncentracemi LPG z hlediska možnosti výbuchu vzniklého oblaku (v tomto modelu se vychází z horní a dolní meze výbušnosti dané látky) a
    3. vymezení oblasti možného působení přetlakové vlny vzniklé při opožděné iniciaci a explozi oblaku par (tzv. jev VCE).
  2. Zkapalněný plyn bude z poškozené cisterny unikat, ihned bude iniciován a začne hořet – vznikne tzv. Jet Fire. Unikající plyn může být iniciován různými způsoby [4]:

    1. od horkých částí havarovaného vozidla (motor, plochy zahřáté třením při nehodě),
    2. od ostatních projíždějících vozidel,
    3. od osob nalézajících se v blízkém okolí (např. od nedopalku cigarety apod.)
  3. Dojde k totálnímu roztržení cisterny a vzniku ohnivé koule (Fire Ball) vlivem jevu BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion). Toto může nastat tehdy, když se pod cisternou vytvoří kaluž kapaliny, která začne hořet. Pro tento případ ALOHA modeluje účinky tlakové vlny a tepelné radiace.

Z praxe je známo, že pro havárie cisteren převážejících LPG je nejpravděpodobnější scénář, kdy je unikající plyn v krátkém čase (tj. do 1 minuty) iniciován a začne hořet v podobě tryskového plamene.

Ačkoli jsme si nyní vysvětlili možné varianty uvažované havárie a vybrali tu nejpravděpodobnější, přesto je pro samotné modelování nutné nejprve zadat typ zdroje. Jelikož se jedná o autocisternu, je vybrána varianta „Tank“. K tomu, aby mohl být proveden výpočet, je dále třeba zadat základní technické údaje, tj. rozměry či objem nádrže. V námi uvažovaném případě se jedná o ležatý válcový zásobník o průměru 2 460 mm a délce 10 510 mm. Program si pomocí těchto hodnot sám dopočte objem zásobníku (viz obr. 1).

Následuje určení skupenství, ve kterém se látka v zásobníku nachází. Na výběr máme ze tří možností: (1) zásobník obsahuje pouze kapalinu, (2) zásobník obsahuje pouze plyn, anebo (3) skupenství není známo.

Klikněte pro zvětšení

V našem případě víme, že přepravovaná látka je tlakem zkapalněný plyn mající stejnou teplotu, jako je teplota okolního vzduchu (cisterna není vybavena chladicím zařízením) o celkovém množství 22 tun. Po zadání této hodnoty do příslušného dialogového okna, program sám dopočte celkový objem kapalné fáze přítomné v cisterně a kolik procent objemu nádrže zaujímá. Zbytek objemu nádrže pak zaujímají páry.

Teprve nyní je uživatel vyzván k výběru uvažovaného havarijního scénáře. Pro účely této studie byla zadána okamžitá iniciace s následným tryskovým požárem (Jet Fire). Při označení této volby program nabídne výpis potencionálních rizik spojených s tímto scénářem (viz obr. 2 – spodní rámeček) a také případná výpočtová omezení.

Klikněte pro zvětšení

V dalším kroku je nutno specifikovat porušení cisterny. Již v úvodu jsme předpokládali, že převrácením cisterny vznikne ruptura přibližně obdélníkového tvaru o rozměrech 10 x 4 cm a tento otvor se bude nacházet v 1/3 výšky pláště cisterny.

Poté uživatel zvolí v hlavním menu záložku „Display“ a dále „Threat zone“. Software nabídne modelování tří úrovní zón ohrožení tepelnou radiací (viz obr. 3). Zde může uživatel nastavit různé prahové hodnoty tepelného záření v odpovídajících jednotkách. Pokud nemodelujeme speciální případy vznikající např. při složitých průmyslových haváriích, je vhodné využít navrhovaných prahových hodnot, protože tyto hodnoty jsou kritické ve vztahu
k poškození lidského zdraví a jsou všeobecně uznávány.

Výsledkem modelování je grafický a textový výstup. V grafickém výstupu jsou zobrazeny jednotlivé zóny ohraničené příslušnou hodnotou tepelného záření (viz obr. 4). Červená zóna znázorňuje oblast, kde tepelné záření dosahuje hodnot 10 kW/m2 a více, což při působení po dobu 60 sekund může přivodit smrt člověka. V oblasti ohraničené oranžovou barvou dosahuje tepelná radiace 5 až 10 kW/m2, což při působení po dobu 60 sekund způsobí na nechráněných částech lidského těla popáleniny 2. stupně. V zóně vybarvené žlutou barvou dosahuje tepelná radiace hodnot 2 až 5 kW/m2, což při působení po dobu delší než 60 sekund může způsobovat silnou bolest [2].

Obr. 3 – Kritické hodnoty tepelné radiace

Klikněte pro zvětšení

Velikost těchto zón je samozřejmě závislá také na okolí, resp. na přítomnosti a rozmístění například budov, hustého porostu apod., které mohou tepelný tok výrazně snižovat. Proto je potřeba si uvědomit, že zmíněné zobrazení je platné pouze pro volný prostor. Modelujeme-li ve městě, jako v našem případě, je proto nezbytné vypočtené údaje náležitě interpretovat a nikoli jen mechanicky přebírat.

Klikněte pro zvětšení

Důležitou informací o možné délce havárie je znalost doby úniku nebezpečné látky z poškozené cisterny. ALOHA dokáže počítat rychlost výtoku a výsledek vynést do grafu (viz obrázek 5). V našem modelovém případě v prvních cca 4 minutách vytéká LPG rychlostí přes 3 500 kg/min. Jakmile poklesne hladina kapalné fáze na úroveň výšky otvoru, dojde ke zpomalení výtoku. Dále pak již látka z cisterny uniká pouze ve formě plynu.

Klikněte pro zvětšení

 

Textový výstup pak shrnuje jak zadané údaje, tak i výsledky modelování.
Jeho podoba je následující:

SITE DATA:

Location: ODRY, CESKA REPUBLIKA
Building Air Exchanges Per Hour: 1 (user specified)
Time: April 17, 2007 0917 hours ST (user specified)

CHEMICAL DATA:

Chemical Name: PROPANE
Molecular Weight: 44.10 g/mol
TEEL-1: 2100 ppm TEEL-2: 2100 ppm TEEL-3: 2100 ppm
IDLH: 2100 ppm LEL: 20000 ppm UEL: 95000 ppm
Ambient Boiling Point: -42.3° C
Vapor Pressure at Ambient Temperature: greater than 1 atm
Ambient Saturation Concentration: 1,000,000 ppm or 100.0%

ATMOSPHERIC DATA: (MANUAL INPUT OF DATA)

Wind: 3 meters/second from w at 3 meters
Ground Roughness: urban or forest
Cloud Cover: 5 tenths
Air Temperature: 15° C
Stability Class: C
No Inversion Height
Relative Humidity: 50%

SOURCE STRENGTH:

Leak from hole in horizontal cylindrical tank
Flammable chemical is burning as it escapes from tank
Tank Diameter: 2.46 meters
Tank Length: 10.51 meters
Tank Volume: 50.0 cubic meters
Tank contains liquid
Internal Temperature: 15° C
Chemical Mass in Tank: 22000 kilograms
Tank is 86% full
Opening Length: 10 centimeters
Opening Width: 4 centimeters
Opening is 0.81 meters from tank bottom
Max Flame Length: 41 meters
Burn Duration: 13 minutes
Max Burn Rate: 3,720 kilograms/min
Total Amount Burned: 21,413 kilograms
Note: The chemical escaped from the tank and burned as a jet fire.

THREAT ZONE:

Threat Modeled: Thermal radiation from jet fire
Red: 65 meters --- (10.0 kW/(sq m) = potentially lethal within 60 sec)
Orange: 93 meters --- (5.0 kW/(sq m) = 2nd degree burns within 60 sec)
Yellow: 145 meters --- (2.0 kW/(sq m) = pain within 60 sec)

 

Námi uvažovaná fiktivní havárie proběhla v místě, kde je šíření tepelného toku do volného prostoru možné jednak ve směru dovnitř náměstí a jednak směrem přes park k obchodnímu domu
(A) a přilehlému tržišti (B). Tato dvě místa jsou vzdálena od místa havárie cca 60 metrů; nejvzdálenější místo náměstí (v opačném směru) pak 120 metrů. Podle výpočtu modelu může tepelný tok vyšší jak 10 kW/m2 zasahovat až do vzdálenosti 65 metrů (viz obr. 4 a textový výstup), což pro volné prostranství vymezuje kruhovou oblast, kde lze očekávat úmrtí nechráněných zasažených osob. Pro náš reálný případ se však jedná o oblast, jejíž tvar a velikost je určena především okolními budovami, které zamezují šíření tepelného toku do větších vzdáleností. V obrázku 6 je tato oblast zobrazena tučnou červenou čarou.

Pro havarijní plánování je jistě důležitou informací, kolik lidí může být ohroženo. Dá se předpokládat, že v okolí místa havárie se v danou denní dobu během pracovního dne bude vyskytovat mnoho lidí – a už na náměstí (lidé na cestě na oběd, nakupující, návštěvníci města apod.), tak i lidé nacházející se v okolí obchodního domu a na tržišti. Odhadem se může jednat o 50 až 100 osob vyskytujících se na volném prostranství. Všichni tito lidé mohou být tedy bezprostředně ohroženi na životě a zdraví.

Klikněte pro zvětšení

 

Jak bylo uvedeno v úvodu, tento článek si kladl za cíl demonstrovat možnost využití SW nástroje ALOHA v praxi. Ovšem účelem bylo nejen podat pouhý návod k použití, ale také demonstrovat rozsah následků havárie spojené s přepravou nebezpečných látek (v tomto případě LPG), která může být na místních samosprávách často mylně opomíjena nebo považována za nepravděpodobnou. Je-li v místě velký chemický podnik či skladiště, vždy tato skutečnost vyvolává pozornost nejen veřejnosti, ale i úřadů. Avšak přeprava nebezpečných látek často uniká pozornosti, a to i přes to, že riziko vzniku havárie automobilu je o několik řádů vyšší, než například havárie chemické technologie, která podléhá potřebnému dozoru, revizím a údržbě. I když se v našem případě jednalo o fiktivní událost, přesto není radno riziko vzniku takové havárie podceňovat.

Obdobný případ se totiž skutečně stal dne 11. července 1978 v San Carlos da la Rapita ve Španělsku, kde havarovala v blízkosti kempu autocisterna převážející propylen. Následkem vzniklé exploze byly až do vzdálenosti 75 m zdemolovány všechny budovy a z celkem pěti set osob přítomných v kempu následky havárie nepřežilo 211 lidí [1]. I v našem případě tedy jistě stojí za pozornost uvažovaná nejhorší varianta, která by si mohla vyžádat smrt až několika desítek osob.

Stane-li se havárie v průmyslu, zaměstnanci podniku jsou proškoleni a poučeni, jak se v takových situacích chovat a kde se ukrýt, jsou vybaveni potřebnými ochrannými pomůckami, k dispozici je zásahová jednotka, avšak v případě běžného obyvatelstva tomu tak není. Proto by havarijní připravenost a osvěta měla patřit mezi priority jak na straně zaměstnavatelů, tak i úřadů či škol.

 

[1] Portál Ministerstva vnitra, zdroj internet: http://www.mvcr.cz/2003/casopisy/112/0409/mika_info.html
[2] The CAMEO® Software System, ALOHA® 5.4 (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) (2006). User´s manual, U.S. Environmental Protection Agency and National Oceanic and Atmospheric Administration.
[3] ALOHA® 5.4 (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) (2006), U.S. Environmental Protection Agency and National Oceanic and Atmospheric Administration, dostupné na adrese: http://www.epa.gov/swercepp/cameo/aloha.htm
[4] TNO. (1999). GUIDELINES FOR QUANTITATIVE RISK ASSESMENT, CPR 18E "Purple Book", 1st Edition, Netherlands. 

Nabízíme Vám možnost BEZPLATNÉHO odběru e-mailového zpravodajství

Nové příspěvky publikované na informačním serveru BOZPinfo.cz

Kde nás najdete

Provozovatel portálu

Výzkumný ústav bezpečnosti práce, v. v. i.
Jeruzalémská 1283/9
110 00 Praha 1
+420 221 015 844
X

Přihlášení

Zapomněli jste heslo?
zašleme vám nové na váš e-mail