| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Afdækning af muligheder for etablering af standardværktøjer og/eller -kriterier til vurdering af sundheds- og miljørisici i forbindelse med større uheld (gasudslip) på risikovirksomheder

6 Værktøjer til beregning af gasspredning

• 6.1 Risikoanalyse programpakker
• 6.2 Programmer specielt til gasspredningsberegning
• 6.3 Programmer til let-gasspredningsberegninger
• 6.4 Computational fluid dynamics programmer
• 6.5 Avancerede modeller til beredskabsplanlægning, ARGOS
• 6.6 Public domain kontra lukkede værktøjer
• 6.7 Opsummering
• 6.8 Krav til spredningsberegningsværktøjer

Der findes flere typer af software, der kan anvendes til beregning af gasspredninger. Disse kan grupperes som:

• Integrerede pakker af modeller, der dækker et bredt spektrum af scenarier.
• Selvstændige tung-gasspredningsberegningsprogrammer. Disse skal ofte suppleres med kildeberegninger for at kunne anvendes.
• Let-gasspredningsberegningsprogrammer. Disse er for det meste udviklet til vurdering af forurening, men kan anvendes til beregning af spredning af lette gasser og røg fra brande. Nogle af disse programmer er udviklet til at kunne beregne spredning i bymiljøer.
• Computational fluid dynamics programmer.
• Programmer der er udviklet til beredskabsstøtte.

Disse typer af programmer har alle forskellige fordele og ulemper. Det ideelle vil være, at man kombinerer fordelene fra alle programmerne, men i praksis er det sandsynligt, at man vil være tvunget til at kombinere to eller flere programtyper for at kunne dække alle behov.

6.1 Risikoanalyse programpakker

Der er igennem årene blevet udviklet flere programsæt til risikoanalyseformål. Disse inkluderer moduler til beregning af udslipsrate, til jet- og pølspredning, til fordampning, til gasspredning og endelig til konsekvensvurdering. De fleste kan beregne brand og eksplosioner såvel som gasspredning. Eksempler på sådanne programmer er:

• EFFECTS, fra TNO (ref. 71 )
• PHAST, fra DNV (ref. 59 )
• Safeti fra dNV (ref. 72)
• CANARY, fra Quest Consultants (ref. 73 )
• ALOHA, udviklet af NOAA og distribueret gratis som internet download fra US EPA (ref. 74 ), har til primærformål at understøtte beredskabsplanlægning, men har næsten de samme faciliteter som dem nævnt ovenfor.
• QRA Pro fra Taylor Associates (ref. 75)

Det bemærkes, at disse programmer ikke kan beregne alle scenarier som er relevante. De er, med få undtagelser begrænset til beregninger af idealudslipsscenarier på flad mark. Ingen kommercielpakker kunne findes med en fuldtudbyggede pakke til beregninger af indendørs udslip. Kun en af pakkerne indeholder beregninger af konsekvensreducrende foranstaltninger.

QRA Pro, som er anvendt sammen med EFFECTS og PHAST til beregningerne i bilaget, er et specielt programsæt, udviklet af forfatteren til undersøgelse af modelnøjagtighed og risikoanalysenøjagtighed. Det indeholder et meget bredt sæt af modeller, deriblandt modeller til indendørsspredning og til risikoreduktion. Funktioner i de forskellige programmer vises i separat spreadsheet. SAFETI og QRA Pro er udbygget med scenariohåndtering, således at der kan foretages mand tusinde af beregninger der er nødvendig for fremstilling af risikokort for større anlæg. EFFECTS er udbygget med RISKCURVE der tillader gennemførsel af større risikoanalyser.

PHAST, SAFETI, CANARY og EFFECTS er åbne værktøjer idet alle de underliggende modeller er publicerede og dokumenterede, men er lukkede idet det ikke er muligt at modificere programmerne. QRA Pro er åbne idet alle modellerne er publicerede og dokumenterede og er åben for modifikationer fordi brugeren kan inkorporere egne modeller i programpakken. Ingen af værktøjerne til større risikoanalyser er ”public domain”.

6.2 Programmer specielt til gasspredningsberegning

Der findes mange programmer, der er udviklet alene til tunggasspredningsberegning. Nogle af disse er ”public domain” modeller, hvor kildekoden, teorien og i mange tilfælde undervisningsmateriale er tilgængelig og ofte er gratis. Andre er kommercielle programmer. Eksempler er:

• SLAB, fra Lawrence Livermore Laboratoriet (public domain) (ref. 76 )
• DEGADIS, fra NOAA og US EPA (public domain) (ref. 77 )
• HGSYSTEM, fra Shell Research og US DOE (public domain) (ref. 78 )
• GASSTAR, fra CERC (Kommercielt) (ref. 79 )
• GREAT, fra Risø National Laboratoriet (ref. 80 )

Public domain modellerne er på ingen måde “dårlig”, men kommercielle programmer har ofte en løbende udvikling, således at de kan tage højde for de nyeste eksperimenter.

Specielle programmer til tung-gasspredningsberegning vil ikke kunne stå alene. Der vil altid være et behov for at støtte dem med udslipsrateberegningsprogrammer (kildestyrke programmer). Programmerne er sjældent udstyret med databaser og beregningspakker til bestemmelse af stofdata eller toksicitet.

6.3 Programmer til let-gasspredningsberegninger

Beregninger for spredning af lette gasser (lettere end luft eller neutrale gasser med densitet omtrent lig lufts densitet) er i så godt som alle tilfælde baseret på gaussiske spredningsmodeller med spredningskonstanter fastsat empirisk. De oprindelige modeller blev opstillet af Pasquill men ændrede empiriske konstanter blev senere opstillet af Smith og af Turner og Pasquill og med modeller for fanestigning af Briggs (ref. 81 to 85). Reviderede konstanter til anvendelse i bymiljø er givet af McElroy og Pooler (ref.86)

Tidlige modeller beregner spredningskonstanter på basis af faktorer som er lette at observere, så som vindhastighed og stabilitetsklasser. Nyere modeller anvender en mere avanceret teori, der ikke kræver faste stabilitetskategorier, og som tager hensyn til ændring i vindhastigheden med højde. De er også udviklet til at tage højde for variationer i terrænhøjde. Eksempler er AERMOD modellen fra US EPA, ADMS modellen fra Cambridge Environmental Research Consultants og OML modellen fra Dansk Miljø Undersøgelsen (refs 55 til 57). Bemærk, at brugere af moderne modeller ofte vil anvende input data baseret på vindhastighed og stabilitetsklasser, fordi der ikke er anden let tilgængelig information. Således vil usikkerheder, der stammer fra valg af disse kategorier, ikke kunne undgås. Det er muligt at forbedre nøjagtigheden ved anvendelse af vindatlas data. Risø’s vindatlas er offentlig tilgængelig på CD ROM, men det kræver måske en mere specifikke bearbejdning for at kunne anvendes til spredningsberegninger.

Nyere udviklinger medfører, at modellerne også kan anvendes til bymiljøer, og industrielle zoner for eksempel (ref.87). Modeller AERMOD, OML og ADMS har været meget lidt anvendt til beregning af akutvirkninger fra kemisk uheld. Der er gode grunde til at overveje deres anvendelse, idet de nyere modeller passer bedre til eksperimentdata end simple gaussiske modeller og er mere fleksibel til beregning af spredning i områder med bygninger.

6.4 Computational fluid dynamics programmer

Navier Stokes ligningen er den fundamental ligning, der beskriver gasstrømning. Ligningen er svær at løse, og forenklinger af ligningen anvendes til beregning af gasspredning ved uheldssituationer. CFD modeller løser ligninger for gasspredning ved at opdele det relevante område i et net af celler, og approximerer Navier Stokes ligningerne i hver celle i nettet.

Et eksempel på en sådan beregning vises i figur 6.1 for en gasspredning omkring en bygning. Billedet viser hvorledes gas samler sig foran og bag bygningen, en effekt der kan være vigtig for medarbejdere og for beredskab (beregning og billede af J C. Bennetsen).

Figur 6.1 Eksempel på CFD simulering for gas flow forbi en bygning.

Hall (ref. 88 og 89) har undersøgt anvendelsen af gasspredningsberegninger til risikovurdering. Resultaterne blev sammenlignet med eksperimentresulater fra markforsøg og fra vindtuneller. God kvalitativ overensstemmelse blev opnået. Sammenligningerne viste en acceptabel gennemsnitsberegning af koncentrationer, men undertrykkelse af kortvarige variationer (naturlig nok siden undertrykkelse af kortvarige variationer anvendes til at opnå kortere beregningstider). Beregning af gennemsnitskoncentrationer over 30 sekunder afveg fra målinger med en forskel på 10 % til 20 %. Beregningstiderne var mellem en halv og tre timer på datidens arbejdsstationer for et simpelt problem og 20 til 60 timer for et praktisk eksempel af udslip på en kemifabrik.

Udviklingen i ligningsløsningsmetoder og i computer hastigheder har betydet, at resultaterne kan opnås meget hurtigere i dag. Praktiske modeller med simpel geometri (rektangulære bygninger etc.) løses i løbet af få timer med generel software. Metoderne er for det meste stadigvæk for langsomme til anvendelse i risikoanalyse af store installationer som f.eks. raffinaderier, men anvendes i dag til undersøgelser af individuelle uslipsscenarier. Nogle enkelte programmer kan beregne selv komplicerede spredningsforhold i tider ned til ca. 10 minutter per scenario ved at lave et initial sæt af vindfeltsberegninger.

CFD programmer anvendes i dag som en supplering til risikoanalysepakker. De er specielt nyttige til vurdering af spredning i bygninger, omkring bygninger og til vurdering af konsekvensreducerende tiltag.

CFD programmer er blevet anvendt rutinemæssig i Belgien og Frankrig, og af større olie kemivirksomheder til projektering. Nogle få fuldskalarisikoanalyser er blevet lavet, men de har krævet relativ stor regnekraft. Hanna, Hansen og Dhamavaram (ref. 90) beskriver 40 til 50 beregninger på simple situationer lavet med FLACS programmet, ved anvendelse af ti 1 GHz PC’er i løbet af nogle få dage. Forfatterens kolleger har opnået lignende resultater ved anvendelse af CFX og EXIM programmerne (ref. 91 til 96). Zhe Fahn et al har til sammenligning lavet store simuleringer af et udslip i New Yorks gader med en samling på 32 modern grafikkort af den type der anvendes til computerspil, med en regnetid på nogle sekunder (ref. 98 ).

Programmet Panache PANEPR (ref 97) er et kommercielt CFD program som er lavet specielt til gasspredningsberegning. Relative hurtige beregninger er opnået (ca. 10 minutter for en praktisk industriel situation) til risikoanalyse efter opstilling af modellen og en initiale beregning af vindfeltet. (Man skal normalt anvende nogle dage til at opstille modellen lige som for andre CFD modeller). Programmet anvendes af mange olie og kemivirksomheder udenfor Danmark.

Programmet FDS (Fire Dynamics Simulator) er udviklet primært til beregning af brand og røgspredning, men er også blevet anvendt til gasspredning. Det har en speciel status fordi det distribueres gratis af NIST (ref. 99), fordi det anvendes bredt i Danmark til brandbeskyttelsesdimensionering. Det er godt kendt blandt beredskabs- og brandchefer, og fordi det derfor kendes godt af de fleste beredskabschefer. Programmet har begrænsninger sammenlignet med de kommercielle programmer, men vil kunne anvendes til mange tilfælde med en tilstrækkelig omhyggelig vejledning.

Det er fælles for CFD programmerne at resultaterne kan se meget troværdige ud, men kan samtidig være totalt misvisende. Problemet opstår, fordi løsninger er afhængige af hvor finmasket beregninger laves, dvs. hvor mange punkter eller tredimensionelle celler man stiller op i beregningen. Det er ikke en gang sikkert, at en meget finmasket beregning vil give det mest nøjagtig resultat. Af denne grund bør et CFD program aldrig anvendes som standardværktøj, uden at der findes en grundig vejledning i anvendelse af værktøjet til gasspredningsberegning, og at der findes en procedure for efterkontrol af resultaterne. UK HSE har givet vejledninger for myndighedens efterkontrol af beregningerne. (ref. 100)

6.5 Avancerede modeller til beredskabsplanlægning, ARGOS

Der er nogle programmer, der er udviklet til beredskabsstøtte under aktuelle uheld. Mange af disse blev udviklet til beredskab ved nukleare uheld eller angreb. Modellerne kan være meget sofistikerede. Kun en af disse nævnes her, fordi disse programmer normalt er konstrueret med mange flere faciliteter end dem som er nødvendig ved kommuneplanlægning. Det danske program af denne type, ARGOS, nævnes fordi det er en seriøse kandidat for anvendelse som en standardmodel og det er det nuværende basis for beredskabsstøtte i Danmark samt mange andre lande.

ARGOS systemet (ref. 101) er et eksempel på et sådan programsæt. Det er udviklet til at beregne den dynamiske udvikling af en gasspredning og kan tage højde for mange detaljer som f.eks. bygninger, terræn og skift i meteorologiske betingelser. Systemet kan tage meteorologisk data fra mange målestationer, og kalkulerer vindforhold løbende.

ARGOS anvender RIMPUFF programmet (ref. 102) til selve spredningsberegningen. Programmet behandler en spredning som et stort antal ”puffs”, der følger efter hinanden således, at udbredelsen kan beregnes med skiftende udslipsforhold, skiftende vindretning og andre vejrforhold. Spredning omkring bygninger kan beregnes ved at ”dele” puffs således, at en del af gassen bliver hængende ved bygningen og andre dele bevæger sig forbi. Empiriske modeller anvendes til puff-deling og spredning.

Fremgangsmåden ved puff baseret modellering er ekstrem fleksibel. Selve ARGOS/RIMPUFF (ref. 103), i den nuværende form, er ikke egnet til spredning af tung gas eller til spredningsberegning i nærfeltet, idet modellen der anvendes er ”mesoscale” dvs. egnet fra 1 km til 1000 km. Systemet er blevet udstyret med Urban Dispersion Model (UDM) udviklet af Defence Science and Technology Laboratory i UK (ref. 104). UDM er en puff model, som er udviklet med henblik på beregning af gasspredning i et bymiljø og er velegnet til en mindre skala. Modellen er udviklet på basis af et stort antal vindtunnel eksperimenter. Valideringsstudier viser en god sammenhæng imellem forudsigelser og eksperimentmålinger med resultater for det meste indenfor en faktor 2 af målte værdier (ref.105).

ARGOS er blevet udviklet til at kunne beregne kemiske udslip. UDM beregner ikke tung gas spredning og der er derfor anvendt Risø’s nyeste tung gas spredningsmodel til dette formål.

Der har været problemer ved anvendelsen af UDM modellen i ARGOS, fordi det er en lukket model, der er oven i købet belagt restriktioner vedrørende anvendelsen, fordi det betragtes som vigtig i militær sammenhæng. En erstatning for UDM komponenten i ARGOS er i øjeblikket under udvikling. Der er ved denne udvikling en mulighed for, at den ny model, som anvender RIMPUFF konceptet (RIMPUFF URBAN) ikke kun vil være en åben model, men også mere nøjagtig.

Under en demonstration af ARGOS blev forfatteren hurtigt overbevist om fordelene ved sådanne programmer. Deres primær formål er til støtte for beredskabsstyrker under et aktuelt uheld. Men de vil have betydelige fordele under beredskabsplanlægning og træning, fordi modellerne er meget realistiske og ved at dynamisk 3D visning medfører betydelig bedre forståelse for uheldene. At se udviklingen med tiden frembringer en særlig dyb forståelse for spredningsprocessen.

6.6 Public domain kontra lukkede værktøjer

Det er ønskeligt at programmer der skal anvendes som standardværktøjer er ”åbne”. Kravet er ikke kun et spørgsmål om videnskabelig og administrativ anstændighed. Åbenhed medfører at det bliver muligt at vurdere modellens antagelse, begrænsninger og anvendelighed til specielle forhold. Det er sjældent at modellens oprindelige forfattere kan gennemskue alle de forskellige former for anvendelse som deres programmer bliver udsat for.

Public domain værktøjer er værktøjer der stilles til rådighed til generel anvendelse, oftest gratis eller til meget lave priser. De er ofte blevet lavet til en myndighed (næsten udelukkende i USA) og understøttes af massiv dokumentation. Nogle af programmerne har ”Open code”, dvs. at programteksten også er frit tilgængelig. Anvendelse af open code programmer gør det muligt at bruge velafprøvede og validerede metoder, men samtidig at opretholder fleksibilitet. Det er normalt muligt at videreudvikle en public domain model med nye faciliteter. Kommercielle udviklinger er derimod normalt fastfrosset i længere perioder og kan sjældent udvikles til specielle situationer (i hvert fald ikke indenfor rimelige budgetter og tidsskalaer). Der er et mellemtrin, hvor åbne konsortier udvikler programmer i fællesskab. Programmerne SLAB OG Degadis er eksempler hvor koden er frit tilgængelig. Programmet er blevet udvidet af tredje part, for eksempel til gasspredninger forbi vægge.

Der er god grund til at foretrække en eller anden form for åbent system til spredningsberegning. Det medfører, at både myndigheder og enkelte virksomheder får adgang til de samme beregningsmetoder, og der kan opbygges en bred erfaring i anvendelse af beregningerne. CAMEO systemet, beskrevet ovenfor, har haft god gavn af at være åbent således, at det i dag er den mest anvendte software til beregning af spredning af toksiske gas, trods en noget forældet interface og stærk begrænsninger i anvendelsesområdet.

Nogle af ”Open code” programmerne har haft nogle af de bedste resultater i sammenligninger med eksperimenter. Der er offentliggjort artikler hvor programmerne er blevet justeret til at tage højde for de seneste eksperimentresultater (ref 106)

6.7 Opsummering

Det mest oplagte valg til anvendelse af spredningsberegning i dag er en af de tilgængelige risikoanalyseberegnings værktøjspakke f.eks. EFFECTS eller PHAST. Disse er efterhånden stabile og lige så nøjagtige, som det er muligt at lave den slags software, når man tager i betragtning, at selve eksperimenterne indeholder betydelige usikkerheder. Programværktøjerne er rimelig nøjagtige til beregning af simple tilfælde med spredninger over åbne marker og brede bymiljøer. Der er dog i dag intet værktøj, hverken åben domain eller proprietary, der opfylder samtlige beregningsbehov.

Det er dog ønskeligt, at få software som er ”åbent” således, at det er muligt at inkludere nye modeltyper, fordi det nuværende software begrænser sig til et undersæt af de relevante scenarier (dækker mellem halvdelen og to tredjedele af scenarierne beskrevet i kapitel 2).

Det er usandsynligt, at eksisterende konsekvensberegningsprogrampakker vil opfylde hele behovet i fremtiden. Der er et stigende ønske om beregning af udslip i og omkring bygninger. Hertil vil det være nødvendigt at anvende programmer som UDM eller CFD modeller.

6.8 Krav til spredningsberegningsværktøjer

Det er muligt at udlede funktionelle krav til standardberegningsmetoder på basis af de ovenstående modelvurderinger. Andre krav der stammer fra anvendelsesbehov, specielt ved beredskabsberegninger, udledes senere i kapitel 7.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Marts 2007, © Miljøstyrelsen.