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Analisi delle conseguenze di un evento incidentale derivante dalla perdita di una pompa

L’Unione Europea ha definito dei nuovi obiettivi, nell’ambito del quadro per il clima e l’energia, che devono essere centrati entro il 2030. Tra questi è presente la copertura, mediante l’utilizzo di fonti rinnovabili, di una quota pari al 27% del consumo energetico. In questo contesto pos-sono rivestire un ruolo strategico i biocombustibili, tra i quali va anno-verato il bioetanolo, prodotto da biomasse. Da ciò nasce un’attenzione verso l’analisi delle conseguenze di eventi incidentali (prevalentemente pool fire), derivanti da rilasci accidentali di questo vettore energetico, poiché esso è classificato come un liquido facilmente infiammabile ai sensi del Regolamento CE 1272/2008.

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La Termotecnica, marzo 2018

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 64 LA TERMOTECNICA MARZO 2018 Combustibili & Sicurezza INTRODUZIONE
L'Unione Europea ha definito dei nuovi obiettivi, nell'ambito del quadro
per il clima e l'energia, che devono essere centrati entro il 2030. Tra
questi presente la copertura, mediante l'utilizzo di fonti rinnovabili, di
una quota pari al 27% del consumo energetico. In questo contesto pos-
sono rivestire un ruolo strategico i biocombustibili, tra i quali va anno-
verato il bioetanolo, prodotto da biomasse. Da ci nasce un'attenzione
verso l'analisi delle conseguenze di eventi incidentali (prevalentemente
pool fire), derivanti da rilasci accidentali di questo vettore energetico,
poich esso classificato come un liquido facilmente infiammabile ai
sensi del Regolamento CE 1272/2008. In Italia il Ministero dell'Am-
biente e quello dello Sviluppo Economico hanno proposto il nuovo rego-
lamento per la semplificazione delle procedure di autorizzazione degli
impianti di produzione di biocarburanti, le cosiddette 'bioraffinerie'
(Decreto 9 Ottobre 2013, n. 139). Tale Decreto disciplina gli impianti
di seconda e terza generazione per la produzione di biocarburanti e
prodotti biochimici ad alto valore aggiunto e snellisce gli iter burocratici
per questi insediamenti produttivi, col duplice scopo di promuovere le
'bio-produzioni' nel nostro Paese e facilitare gli investimenti nel settore,
consentendo di estendere ad altri siti le esperienze costruttive e di eser-
cizio acquisite in impianti gi autorizzati. L'impianto, che stato esa-
minato nel lavoro, una bioraffineria di seconda generazione, situata
a Crescentino, che produce bioetanolo (la sua capacit produttiva di
40000 t/anno) utilizzando biomasse lignocellulosiche, non destinate
al consumo alimentare, e residui agricoli. Tale biocombustibile viene
miscelato in proporzioni variabili nei carburanti per l'autotrazione,
nonch venduto da solo per numerose applicazioni industriali e civili
(riscaldamento). Lo sviluppo di questi nuovi insediamenti produttivi
(bioraffinerie) pone, per, alcuni problemi di valutazione e gestione
del rischio, che vanno attentamente considerati, onde evitare incidenti,
che potrebbero generare ripercussioni negative su un settore molto
interessante per l'economia nazionale per svariati motivi (indipenden- za energetica, valorizzazione di terreni marginali per la produzione
agro-industriale, sviluppo occupazionale in tutta la filiera impiantistica,
etc.). Il presente lavoro, prendendo spunto dal crescente interesse verso
la nuova realt delle bioraffinerie, focalizzato sulla valutazione delle
conseguenze sulla salute delle persone di un pool fire, originato dal
rilascio accidentale di bioetanolo dalla pompa di trasferimento. In
particolar modo, mediante l'applicazione di uno specifico software
(Effects), viene studiato l'andamento del flusso termico sprigionato
(espresso in kW/m2 ) e viene caratterizzata la geometria della fiamma
in funzione del grado di oscuramento della superficie radiante, causato
dal particolato incombusto, e dei principali parametri meteorologici
(velocit del vento e umidit relativa dell'aria). Infatti, ai fini dell'analisi
di rischio di un pool fire, non pu essere sottovalutato l'esame delle
caratteristiche geometriche della fiamma (in particolar modo la sua lun-
ghezza), poich queste potrebbero interessare elementi degli impianti
industriali, contenenti composti pericolosi (tossici, infiammabili, etc.),
generando possibili effetti domino, che spesso fungono da amplificatori
delle conseguenze degli incidenti nell'industria di processo. MATERIALI E METODI
L'analisi delle ripercussioni del pool fire di bioetanolo stata condotta
mediante l'utilizzo del software Effects, sviluppato dal TNO, che ha
consentito di valutare l'influenza del livello di oscuramento (parametro
adimensionale indicato dalla lettera ') della superficie radiante, dovuto
al particolato incombusto. Questo aspetto particolarmente rilevante,
poich gli incendi di etanolo presentano delle caratteristiche estrema-
mente diverse da quelli di idrocarburi per quanto concerne il tasso
di produzione di fuliggine. Infatti nel caso dell'etanolo vi un'esigua
formazione di particolato incombusto e la fiamma risulta generalmente
'pulita', mentre l'accensione di idrocarburi caratterizzata da fiamme
fumose, in cui la superficie emettente parzialmente coperta e ci
determina una riduzione dell'irraggiamento trasmesso. Per valutare di R. Lauri, B. Grospietro Produzione di bioetanolo - Analisi delle conseguenze di un
evento incidentale derivante dalla perdita di una pompa Negli ultimi anni si verificato un crescente utilizzo di bioetanolo per sostituire i combustibili fossili con quelli rinnovabili. Un tema molto importante
che la radiazione termica prodotta da un incendio di etanolo pu essere significativamente pi grande di quella di un incendio di un derivato del
petrolio. L'articolo basato sulla valutazione delle conseguenze di un incendio di una pozza di bioetanolo. Lo studio stato finalizzato a determinare
la configurazione geometrica della fiamma e l'irraggiamento prodotto, come funzione dei parametri meteorologici. BIOETHANOL PRODUCTION: ANALYSIS OF THE OUTCOMES OF AN ACCIDENT DERIVING FROM PUMP LEAKAGE
In the last years there has been a growing use of bioethanol in order to replace fossil fuels with renewable fuels. A very important topic is that the heat
flux from an ethanol fire can be significantly higher than that of a petroleum fire. The paper is based on assessment of outcomes of a bioethanol pool fire.
The study has been aimed at determining the geometrical configuration of the flame and thermal radiation as functions of meteorological parameters. Ing. Roberto Lauri - INAIL Ricerca, Dipartimento Innovazioni Tecnologiche e Sicurezza degli Impianti, Prodotti e Insediamenti Antropici
Dott.ssa Barbara Grospietro - Italian Bio Products (Gruppo Mossi-Ghisolfi) Tecnica LA TERMOTECNICA MARZO 2018 65 Combustibili & Sicurezza questo fenomeno, sono stati considerati per la grandezza ' i seguenti
valori: 0,1 (10%), 0,2 (20%) e 0,3 (30%). PERDITE DALLE TENUTE DI POMPE: CAUSE PRINCIPALI
Nelle pompe centrifughe sono presenti alberi rotanti, sui quali l'elemen-
to di tenuta deve minimizzare la fuoriuscita del fluido da un ambiente
verso un altro (generalmente l'atmosfera). Infatti, nonostante lo sviluppo
tecnologico abbia proposto diverse soluzioni per realizzare le tenute,
dei trafilamenti, seppur ridotti, sono sempre presenti. Le perdite di
una tenuta possono essere calcolate teoricamente e dipendono da
molti fattori, quali la velocita di rotazione dell'albero, la pressione, la
natura del liquido, ma anche da aspetti meccanici, che riguardano la
macchina, su cui viene installata. Di seguito si riportano le cause pi
frequenti, responsabili di fuoriuscite di fluido dalle tenute delle pompe: -rottura della tenuta; -tubazioni, che gravano sulla turbomacchina operatrice; -insufficiente lubrificazione; -errata installazione della pompa, che pu dar vita a vibrazioni. Questi fenomeni vibratori sono dovuti anche a: -cuscinetti difettosi; -cavitazione; -portata eccessiva di liquido. IL CASO STUDIO: POOL FIRE DERIVANTE DA RILASCIO
DI BIOETANOLO DA POMPA DI TRASFERIMENTO
L'evento incidentale, di cui sono state studiate le possibili conseguenze,
il pool fire, derivante dal rilascio di bioetanolo dalla pompa centrifuga
4408 (figura 1) dedicata al carico dei vagoni ferroviari. L'emissione del
biocombustibile dovuta alla perdita dalle tenute della turbomacchina
operatrice, che caratterizzata dai seguenti parametri operativi: -portata nominale=75 m3/ h; -prevalenza= 25 m; -pressione di esercizio=2,5-3 bar. Lo studio stato finalizzato a valutare l'andamento e la variazione
dell'irraggiamento (q) e a caratterizzare la geometria della fiamma
(in termini di allungamento del suo diametro nella direzione del vento,
lunghezza e inclinazione), in funzione di ' e della velocit del vento (v).
Il software utilizza la seguente equazione per calcolare q: In cui: -E (kW/m2) indica l'emissivit superficiale della fiamma, che dipende da v per quanto concerne i parametri meteorologici; - t a (parametro adimensionale) la trasmissivit atmosferica, che indi- ca la frazione di energia trasmessa dall'atmosfera verso il bersaglio
ed influenzata sia dalla distanza che dall'umidit relativa dell'aria; -F (parametro adimensionale) rappresenta il fattore di vista (view factor), che dipende dalla velocit del vento, dalla geometria della
fiamma e dalla distanza esistente tra elemento radiante e bersaglio
e consente di valutare la quota del flusso termico, che pu investire
un potenziale recettore. La velocit del vento stata desunta dall'Atlante eolico dell'Italia,
dalla cui consultazione stato riscontrato un valore medio annuale di
v inferiore a 3 m/s alla quota di 25 m per la localit di Crescentino.
Pertanto nel caso studio sono stati considerati i valori di 3, 4 e 5 m/s.
Poich il software richiede come input la velocit del vento riferita a 10
m di altezza, stata effettuata la conversione applicando la seguente
equazione: Dove: -v(z) la velocit del vento (espressa in m/s ) alla quota z; -v 10 indica la velocit del vento all'altezza di 10 metri; -p un parametro adimensionale, che dipende dalla tipologia dell'am- biente. In questa circostanza, essendo il territorio a carattere rurale,
stato posto p=0,07. Nella tabella 1 sono riportati i valori calcolati.
In tutti i casi esaminati stata assunta un'umidit dell'aria pari al 50% e
come direzione prevalente, in cui spira il vento, la nord. bene precisa-
re che la geometria della fiamma influenzata solamente dalla velocit
del vento, facendo riferimento ai parametri meteorologici. Mediante
Effects stato applicato un modello a doppio strato (two-layers model) FIGURA 1 - Pompa dedicata al carico
dei vagoni ferroviari
(1) (2) Tecnica 66 LA TERMOTECNICA MARZO 2018 Combustibili & Sicurezza per calcolare l'emissivit superficiale. Tale modello permette di consi-
derare l'effetto di schermatura della fiamma, causato dal particolato
incombusto (fiamma fumosa), che tende a ridurre l'energia termica
trasmessa. Con questo approccio metodologico la superficie radiante
viene divisa in due parti, quella inferiore, non schermata, a cui asso-
ciata la massima emissivit superficiale (E MAX), e quella superiore, che risente del fenomeno di oscuramento, provocato dal fumo: Dove: - - ' indica la frazione della superficie emettente coperta dal particolato; -E p (kW/m 2 ) rappresenta l'emissivit del particolato. RISULTATI E DISCUSSIONE
Ai fini dello studio del rilascio e della successiva stima delle conse-
guenze del pool fire stata esaminata la tubazione (la sua lunghezza
pari a 15000 mm), che collega il serbatoio TK 4406 (figura 5) alla
pompa 4408. A tal proposito stata ipotizzata, dopo la consultazione
dei dati riportati in letteratura, la formazione di un foro di emissione,
avente un diametro (D f) pari al 10% di quello della condotta. Il flusso termico stato valutato all'altezza di 1,7 m rispetto al suolo al fine di
considerare la possibile presenza di persone. Nella seguente tabella 2
si riportano i valori delle grandezze utilizzate per lo studio del rilascio
del bioetanolo dalla turbomacchina operatrice. Con tali parametri
stata ricavata, mediante il software Effects, una portata massica
rilasciata pari a 1,48 kg/ s, che genera nel bacino di contenimento
una pozza, avente un volume di circa 1,15 m3 e un'area di circa 77 m2 (il diametro della pozza pari a 9,9 m). Per quanto concerne la
valutazione degli effetti del pool fire sono state prese dalla letteratura
le soglie riportate in tabella 3 ed stato assunto un tempo massimo
di esposizione pari a 60 secondi. I risultati dello studio condotto,
vengono mostrati nelle figure 2, 3 e 4, illustranti rispettivamente
l'andamento della trasmissivit atmosferica (t a), del fattore di vista (F) e dell'irraggiamento (q) in funzione della distanza dal centro della
fiamma, del parametro ' e della velocit del vento. Dalle figure 2 e
3 emerge il fatto che le curve descrittive dei trend di t a e F tendono a sovrapporsi. Ci riscontrabile anche per l'andamento del flusso
termico trasmesso, ma solamente a partire dalla distanza di circa 10
m dalla fiamma.
Dall'analisi della figura 4 si evince che le ripercussioni del pool fire
sono contenute entro 20 m dalla fiamma, poich, per i nove casi
esaminati, a tale distanza il flusso termico ha un valore massimo di
1,45 kW/m2 (in una sola circostanza), mentre gli altri sono compresi
tra 1,1 e 1,39 kW/ m2.
Facendo riferimento alle soglie di 12,5 kW/m2, 7 kW/m2, 5 kW/m2
e 3 kW/m2 sono stati definiti, attraverso la simulazione effettuata, dei
range (la loro estensione risultata limitata) per le distanze massime,
alle quali sono riscontrabili i suddetti valori dell'irraggiamento (tabel-
la 4). L'emissivit superficiale ha subito delle variazioni confrontabili
in funzione di ' e di v. Infatti, a parit di velocit del vento, l'incre-
mento di ' da 0,1 a 0,3 ha determinato un decremento dell'emissivit
superficiale di circa il 7% per v=2,8 m/s, del 7,6% per v=3,7 m/s
e del 8% per v=4,7 m/s. Invece, a parit di livello di schermatura
della fiamma, il passaggio di v da 2,8 m/s a 4,7 m/s ha causato un
aumento di E pari al 7,2% per '=0,1, al 7,1% per '=0,2 e al 6,2%
per '=0,3. Ci discende dall'algoritmo utilizzato per calcolare E max, in cui c' una proporzionalit inversa tra L f (lunghezza della fiamma) e E max (il decremento di Lf comporta una crescita dell'emissivit super- ficiale massima a parit delle altre grandezze fisiche). Come lecito
aspettarsi l'aumento della frazione della superficie radiante coperta
dal particolato determina una riduzione dell'incremento di E.
In figura 5 vengono infine rappresentate graficamente le zone di im-
patto dell'incendio da pozza, che sono state tarate sui valori di 12,5, 7
e 5 kW/m2, poich sono quelli, a cui si associano le conseguenze pi
gravi. In particolare le aree delimitate dal colore celeste sono riferite
alla soglia di 12,5 kW/m2, quelle dal grigio a 7 kW/m2 e quelle
dal blu a 5 kW/m2. Facendo riferimento al valore di 12,5 kW/m2 si
nota che l'irraggiamento in grado di minare l'integrit strutturale
dell'adiacente pompa di trasferimento 4407 (la distanza tra le due Quota di riferimento (z=25 m) Quota di riferimento (z=10 m) Velocit del
vento (m/s) 3 2,8 4 3,7 5 4,7 TABELLA 1 - Conversione della velocit del vento (3) Parametri Valori densit del bioetanolo (kg/m3) 781 temperatura di rilascio (C) 30 lunghezza della tubazione (mm) 15000 diametro della tubazione (mm) 152 diametro (D f) del foro (mm) 15,2 volume di bioetanolo nel serbatoio (l) 1198285 grado di riempimento del serbatoio (%) 82 coefficiente di scabrezza della tubazione (mm) 0,045 coefficiente di efflusso 0,7 durata del rilascio (s) 600 TABELLA 2 - Rilascio di bioetanolo da pompa:
parametri utilizzati
Effetti Valori di soglia [kW/m2] elevata letalit/danneggiamento di serbatoi metallici 12,5 inizio letalit 7 lesioni irreversibili 5 lesioni reversibili 3 nessuno per persone vestite, anche per lunghe esposizioni 1,4 TABELLA 3 - Effetti degli incendi Tecnica LA TERMOTECNICA MARZO 2018 67 Combustibili & Sicurezza FIGURA 2 - Andamento della trasmissivit atmosferica
FIGURA 3 - Andamento del fattore di vista
Tecnica 68 LA TERMOTECNICA MARZO 2018 Combustibili & Sicurezza turbomacchine di 1,5 m) e delle tubazioni limitrofe (presenti nel
raggio di 11 m) in cui fluisce il bioetanolo, costituendo una possibile
sorgente di innesco di potenziali effetti domino. Di questo fatto, come
di altre simili criticit riscontrate, si tenuto conto durante la fase di
scelta e dimensionamento del sistema antincendio a protezione del
deposito. Il software Effects permette di considerare la fiamma come
un emettitore solido cilindrico (tutta la sua superficie partecipa alla
radiazione) e ne consegue un avvicinamento pi consistente alla re-
alt rispetto al modello 'puntiforme', che assume che tutta l'energia
venga irraggiata dal centro geometrico della superficie radiante.
Lo studio stato completato con la definizione delle caratteristiche
geometriche della fiamma, che risultano influenzate dalla variazione
di v. A tal proposito si riportano in tabella 5 i valori calcolati per D d (allungamento del diametro della fiamma nella direzione del vento),
L f e ' (angolo di inclinazione). Il passaggio di v da 2,8 m/s a 4,7 m/s determina un incremento di D d pari al 7,2%, un decremento della lunghezza della fiamma pari al 11,1% e un aumento del 14,9% di '. CONCLUSIONI
L'entit dei danni derivanti da un evento incidentale pu essere quantifi-
cata solamente per mezzo di un'accurata modellazione delle conseguen-
ze dell'evento stesso. Purtroppo i risultati di questi studi sono affetti da un
inevitabile grado di incertezza a causa della natura stessa dello scenario
incidentale. Infatti generalmente possibile effettuare solamente una
stima approssimativa di alcuni fattori, che influenzano le ripercussioni
dell'incidente: caratteristiche geometriche della sorgente di emissione
(ad esempio la dimensione del foro presente in una tubazione o in un
serbatoio), incompleta rappresentazione dei fenomeni chimico'fisici
descritti nel modello di simulazione utilizzato, etc.. Infatti se il rilascio
avviene attraverso un dispositivo di scarico di emergenza (ad esempio
una valvola di sicurezza) la sezione nota, mentre se si ipotizza una
rottura la dimensione deve essere ipotizzata sulla base della tipologia di Irraggiamento [kW/m2] Range individuato [m] 12,5 10-11 7 12-13 5 12-14 3 14-16 TABELLA 4 - Distanze di impatto
del pool fire (bioetanolo)
FIGURA 4 - Andamento dell'irraggiamento Velocit del vento [m/s] D d [m] L f [m] T [] 2,8 12,5 6,3 47 3,7 12,9 5,9 51 4,7 13,4 5,6 54 TABELLA 5 - Caratteristiche geometriche della fiamma Tecnica LA TERMOTECNICA MARZO 2018 69 Combustibili & Sicurezza incidente analizzata (per esempio, rottura di un tronchetto di tubazione,
perdita da flangia, pompa, etc.). In questi casi la consultazione dei dati,
riportati in letteratura, pu costituire un ragionevole compromesso, ma
non vi un consenso generale sulla sezione di rottura da ipotizzare. Nello
studio degli incendi di etanolo l'applicazione di un modello a doppio
strato per valutare l'entit dell'irraggiamento particolarmente vantag-
giosa, poich essi sono caratterizzati da una modesta produzione di
particolato incombusto e questo ha un indubbio beneficio sulla riduzione
del margine di incertezza dei risultati, che potrebbe essere ulteriormente
ridotto con l'utilizzo di modelli CFD. RINGRAZIAMENTI
Si ringrazia il Gruppo Mossi-Ghisolfi per la collaborazione. BIBLIOGRAFIA
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