Modelování následků nehody automobilové cisterny s LPG pomocí numerického programu ALOHA

Předpokládaný scénář havárie

Předpokládaný scénář havárie

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.

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.

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

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.

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.