Roma 19 Maggio 2010 prove sperimentali di rilasci e jet-fire di idrogeno in ausilio alla normativa sul trasporto dell’idrogeno PROVE SPERIMENTALI DI RILASCI E JET-FIRE DI IDROGENO IN AUSILIO ALLA NORMATIVA SUL TRASPORTO DELL’IDROGENO N. Mattei, M. Carcassi Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP), e della Produzione (DIMNP), Universit Universit à à di Pisa di Pisa Università di Pisa
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prove sperimentali di rilasci e jet-fire di idrogeno in ausilio alla normativa sul trasporto dell’idrogeno
PROVE SPERIMENTALI DI RILASCI E JET-FIRE DI IDROGENO IN AUSILIO ALLA NORMATIVA SUL
TRASPORTO DELL’IDROGENON. Mattei, M. Carcassi
Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP),e della Produzione (DIMNP),
UniversitUniversitàà di Pisadi Pisa
Università di Pisa
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LA NORMATIVA IDROGENO
La notevole esperienza maturata nei confronti del gas metano spinge spesso ad utilizzare tecniche analoghe anche nel caso dell’idrogeno.
Tuttavia molte delle proprietà dell’idrogeno sono uniche. Possono esserci notevoli differenze tra il comportamento dell’idrogeno e del metano: basti pensare ai loro campi di infiammabilità.
Per questo si è sentita l’esigenza di dare corpo ad una normativa specifica relativa ad impianti di trasporto e di distribuzione di gas idrogeno compresso.
Si cerca di fornire regole pratiche per rendere più agevole al costruttore seguire dei codici e degli standard di sicurezza che saranno poi facilmente autorizzati dagli organi competenti
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PROBLEMI DI SICUREZZA NELLA DISTRIBUZIONE
DI IDROGENO
Gli accorgimenti relativi ai punti sopra indicati, a garanzia della sicurezza sono:
• Specifiche di produzione dei componenti secondo norme (ad es. PED)
• Sezionamento in tronchi e limitazione di portata e pressione
• Distanze di sicurezza dai fabbricati
• Il collaudo in opera
• Protezione dalle azioni corrosive
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L’APPARECCHIATURA SPERIMENTALEHPBT
(Hydrogen Pipe Break Test)
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L’APPARECCHIATURA SPERIMENTALE HPBT
• L’impianto sperimentale HPBT è stato pensato per valutare il comportamento dell’idrogeno una volta che si è verificata una perdita in una tubazione.
• Le distanze di sicurezza rappresentano il principale problema per la definizione della norma.
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LAYOUT HPBT
A – alloggio dei pacchi bombola
B – serbatoi di bassa pressione
C – tubazione
D - vent line
E - edifici
E A
A
B
D
C
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PARAMETRI DELLA SPERIMENTAZIONE
Parametri che sono stati modificati durante i test:
• Pressione interna: fino a 10 bar
• diametro del foro di rilascio: Ø 2.5 - 5 - 11 mm
• tempo di rilascio: tra 60 e 240 s a seconda della pressione interna e della dimensione del foro di rilascio
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PARAMETRI DELLA SPERIMENTAZIONE
Valori che sono stati acquisiti durante i test:
• Pressione, temperatura e concentrazione interna: 3 punti di misura per la concentrazione di H2 e O2 e di temperatura e pressione;
• per il getto si dispone di 9 misuratori di concentrazione di O2;
• per i jet-fire si dispone di telecamere, termocamere e 12 termocoppie;
• le condizioni atmosferiche sono monitorate tramite un anemometro in campo: velocità e direzione del vento.
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ANEMOMETRO
Fornisce il valore della velocitàe della direzione del vento (vettore 3D)
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PUNTI DI ACQUISIZIONEPosizionamento dei punti di misura
x [mm]
y [mm]
z [mm]
X4 290 0 -10
X5 500 0 20
X6 980 0 -10
X7 2000 0 0
X8 2490 0 0
X9 480 0 70
X10 480 0 -50
X11 980 0 100
X12 980 0 -100
HPBT-JR-8
x [mm] y [mm]
z [mm]
X4 620 0 0
X5 930 0 0
X6 2000 320 0
X7 2000 0 0
X8 3060 50 430
X9 2000 -320 0
X10 1230 0 0
X11 2000 0 240
X12
HPBT-JR-19HPBT-JR-8
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PROCEDURE
1 – inertizzazione dell’impianto mediante azoto
2 – alimentazione di idrogeno per spostare l’azoto
L’aria fuoriesce dal vent
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PROCEDURE3 – alimentazione di idrogeno in pressione (max 10 bar)
4 – si effettua il rilascio e si acquisiscono I dati
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RISULTATI
I dati a disposizione permettono:
• di definire per quanto tempo dopo l’inizio del rilascio è possibile considerare “costante” il getto.
• In base a questo è possibile individuare le distanze alle quali la concentrazione non costituisce fattore di pericolo.
• (riguardo i jet fire) possiamo valutare le distanze massimeraggiunte dalla fiamma visibile in funzione dei parametri di rilascio.
• Un confronto tra prove di solo rilascio e jet fire permette di valutare distanze e attendibilità dei test.
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HPBT-JR-8D=2,5mm - P=10 bar
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
0,00 50,00 100,00 150,00 200,00
time [sec]
P 1P2P3X4X5X6X7 X8 X9X10X11X12T1T2T3
Inizio del rilascio Temperatura [°C]
interna
Temperatura [°C]esterna
Pressione interna[barg]
Concentrazionedi ossigeno [%vol]
ESEMPIO DEI DATI ACQUISITI(Ø 2,5mm - P = 10bar)
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DATI RIELABORATI
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5
0
5
10
15
20
25
30HPBT-JR-10 D=5mm P=5,2bar
X4X5X6X7X8X9X10X11X12
tempo [s]
conc
. H2
[%vo
l.]
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0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200-5
0
5
10
15
20
25
30
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5HPBT-JR-10 D=5mm P=5,2bar
X4X5X6X7X8X9X10X11X12modulo
tempo [s]
conc
. H2
[%vo
l.]
velo
cità
[m/s
]
DATI RIELABORATI
Modulo del vettorevelocità del vento
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angolo del vettorevelocità del ventorispetto alladirezione delgetto
DATI RIELABORATIModulo del vettorevelocità del vento
Conc. di H2 Coordinate deipunti di misura
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Codice di calcolo (numerico): EFFECTS 7.6
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Codice di calcolo (CFD): FLACS v9.0
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RISULTATI.Confronto tra dati sperimentali e calcolati
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
5
10
15
20
25
30HPBT-JR-7 D=2.5mm - P=5.9bar
v=0.7 m/sv=2.1 m/sEFFECTSFLACS 0.7 m/sFLACS 2.1 m/s
time [s]
H2
[%vi
l.]
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JET-FIRE
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4m2m
IMMAGINI DEI JET-FIRE
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GRAFICO RIASSUNTIVO
10
5,5
5
2,2
10,2
6,8
5,6
5,1
2,3
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Lunghezza di fiamma [m]
Pressione interna [bar]
Ø = 2.5 mm
Ø = 11 mm
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In che modoi risultati sperimentali sono
stati tradotti in valoriutili alla normativa?
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In rosso i valori sperimentali.In blu i valori calcolati.
CONFRONTO LUNGHEZZA JET-FIRECALCOLATA E SPERIMENTALE
Ø 11mm
Ø 2,5mm
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0 2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
8
Diametro 11 mm
Lunghezza di fiamma calcola-ta (vento 5 m/s)Lunghezza di fi-amma sperimentaleColonna H
pressione [bar]
Lung
hez z
a di
fiam
ma
[met
ri]
In rosso i valori sperimentali.In blu e verde i valori calcolati con EFFECT.
LUNGHEZZA JET-FIRE
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0 2 4 6 8 10 120
1
2
3
4
5
6
7
8
Diametro 11 mm
Lunghezza di fiamma calcola-ta (vento 5 m/s)Lunghezza di fiamma sper-imentaleLunghezza di fiamma sper-imentale (assenza di vento)
pressione [bar]
Lung
hezz
a di
fiam
ma
[met
ri]
In rosso i valori sperimentali.In blu e verde i valori calcolati con EFFECT.
LUNGHEZZA JET-FIRE
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DIMENSIONI DEL GETTO SPERIMENTALE
4 m
0,7 m
Vista laterale Vista frontale
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MODELLO IRRAGGIAMENTO (EFFECT)
Il modello rappresenta il getto mediante un cono (modello Chamberlain) che emette in modo uniforme sulla superficie.
I parametri fondamentali:
Rf: lunghezza del cono
W1: larghezza della base minore
W2: larghezza della base maggiore
α: agolo tra l’asse del foro e l’asse del cono
b: lunghezza che intercorre tra il punto di rilascio e l’inizio della fiamma
b
Rf
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9-10
0
10
20
30
40
50
60
0
2
4
6
8
10
12
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI DELL’IRRAGGIAMENTO
Nella realtà il cono può avere qualunque direzione nello spazio. Si èconsiderato il caso di rilascio orizzontale perché è quello che comporta le
condizioni più pericolose.
metri
metri
metri
3,6 m4,7 m
idrogeno
metano
0 1 2 3 4 5 60
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4Valori sperimentali idrogeno
kW/m
2
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VALIDAZIONE DEL MODELLO DI CALCOLOIl modello di calcolo EFFECT si è dimostrato affidabile nel
riprodurre le dimensioni del getto
metri
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
0 1 2 3 4 5 6 70
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
kW/m
2
metri
5,4
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0 1 2 3 4 5 6 7-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI (EFFECT)Raffronto tra le lunghezze del getto dell’idrogeno e del metano
a parità di condizioni di rilascio
metri
metri
Idrogenogetto orizzontale
metano
Idrogenogetto verticale
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Raffronto tra le radiazioni termiche dell’idrogeno e del metano a parità di condizioni di rilascio
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
metri
kW/m
2
5,4 6,8
metano
idrogeno
RISULTATI DELLE SIMULAZIONI (EFFECT)
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Purpose of safety distances
• Safety distances : a generic means for mitigating the effect of a foreseeable incident and preventing a minor incident escalating into a larger incident, as defined in EIGA IGC 75/05
• All readily applicable prevention and mitigation measures should be applied before considering mitigation by means safety distances. These are to be considered as one element of a
h i f t hTC197 WG 11 – TG1 report – 2010-02-24&25
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Risk informed safety distances – constitutive elements
Targeted hazardous effect:
Flammable atmosphere
Targeted hazardous effect:Thermal effects
SD = 1,02 * LD * SP0,46
Or alternatively:
SD = 1,34 * LQ0,5
SD = 0,84 * LD * SP0,46
Or alternatively:
SD = 1,11 * LQ0,5
With LQ = 0,58 * LD2 * SP0,92, which is
equivalent to LQ = 0,73 * LA * SP0,92
1. Probability that the leak will generate dangerous phenomena : probability of ignition
2. Probability that the phenomena will impactthe exposure : geometric factor
3. Probability that the phenomena (flash fire, fire, overpressure) will have the feared effecton the exposure (typ. 1)
Leak size frequency distribution of system
Consequence model
Probability that the leak will have the feared impact on the exposure O
cc. / yr
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
Safetydistance (m)
Target
Safety distanceto be applied
Referenceleak size
Application of risk criterion on Frequency of feared event
Feared effectC
umulated frequency
Occ. / yr
Leak rate (g/s)0,10,01 101 100
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Leak rate (g/s)0,10,01 101 100
SD : safety distance in m ; LD : leak diameter in mm SP : service pressure in MPa ; LQ : leak flow in g/s ; LA : leak area in mm2
1 103 30
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Determination of safety distance by application of risk criteria
Occ
. / yr
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
Safetydistance (m)
Target
Safetyto applied
Referenceleak size
Feared effectC
umulated
frequency
Leakrate (g/s)0,10,01 101 100
1 103 30Occ
. / yr
10-610-6
10-510-5
10-410-4
10-310-3
10-210-2
Safetydistance (m)
Target
distancebe
Feared effectC
umulated
frequency
Leakrate (g/s)0,10,01 101 100
1 103 30
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TC197 WG 11 – TG1 report – 2010-02-24&25
Standard safety distances for passive GH2 systems - NEW
Distance in meters
VS S C VS S C S C
Occupied buildings - openable openings and air intakes 1,5 4,0 6,0 2,0 5,0 8,0 7,0 10,0
High voltage lines and trolley or train power line - -
Other overhead power lines - -
Roadways - -
3,0
5,0
5,0
Cat. 3(Q > 100 kg)
10,0
5,0
3,0
5,0
Safety distances (m)
Expo
sure
s or
Sou
rces
of h
azar
d
Category 1 (SP <= 55 MPa)
Category 2 (55 < SP <= 110 MPa)
5,0
5,0
5,0
5,0
Passive hydrogen systems
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• toto Joints
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
0.01% 0.10% 1.00% 10.00% 100.00%Leakage Area (% Flow Area)
Leakage Frequency (/yr)
Generic MeanGeneric MedianHydrogen MeanHydrogen MedianPublished FrequenciesHydrogen Data
H2 Leak Frequency Model
Valves
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
0.01% 0.10% 1.00% 10.00% 100.00%Leakage Area (% Flow Area)
Leakage Frequency (/yr)Hoses
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
1.0E+03
0.01% 0.10% 1.00% 10.00% 100.00%Leakage Area (% Flow Area)
Leakage Frequency (/yr)
Generic MeanGeneric MedianHydrogen MeanHydrogen MedianPublished FrequenciesHydrogen Data
H2 Leak Frequency Model
Compressors
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
1.0E+01
1.0E+02
0.01% 0.10% 1.00% 10.00% 100.00%Leakage Area
Leakage Frequency (/yr)
Derivation of leak frequency model from component leak statistics(from SNL analysis)
TC197 WG 11 – TG1 report – 2010-02-24&25
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GRAZIE
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MISURATORI
La composizione del gas all’interno dell’apparecchiatura èmonitorata mediante tre sensori di ossigeno e tre sensori di idrogeno.
Sensore di ossigeno
Sensore di idrogeno
Per monitorare la temperatura all’interno dell’impianto vengono utilizzate delle termocoppie tipo K.
Per alimentare la corretta portata ai misuratori di concentrazione si utilizzano dei riduttori di pressione e dei flussimetri.
FlussimetroRiduttore di pressione
Termocoppia
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STRUMENTAZIONE
Per monitorare la variazione di pressione all’interno dell’impianto sono stati utilizzati dei trasduttori di pressione.
Le valvole sono automatizzate mediante degli attuatori pneumatici controlloati in remoto. E’ possibile conoscere la posizione della valvola in ogni momento grazie a degli switch.
Corpodellavalvola
Alimentazioneariacompressa
switch
attuatore
aperto
chiuso
Cavo del segnale
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STRUMENTI DI MISURA
Misuratori di concentrazione di ossigeno
flussimetri
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EXAMPLE OF RESULTS OF TESTWind data acquired
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PUNTI DI ACQUISIZIONE
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RISULTATI
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“LIFT-OFF” DELLA FIAMMA
Punto di rilascio
b
b
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MODELLO TEORICO PER IL CALCOLO DELL’IRRAGGIAMENTO
Il flusso termico viene calcolato mediante il seguente
modello matematico (yellow book):
Q�x�=SEP�Fview�τ aDove:
SEP=Fs�QA
Potere emissivo superficiale: è funzione del calore di combustione Q e della frazione di
energia trasmessa Fs
Fview Fattore geometrico (dipende dalla forma del cono e dalla distanza x)
τ a Trasmissività dell’atmosfera
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SIMULAZIONI MEDIANTE IL MODELLO EFFECT
In queste simulazioni si è trovata una stima delle lunghezze di fiamma e delle distanze di sicurezza in funzione della soglia di riferimento di radiazione termica.
Come valore di soglia di riferimento è stato preso il valore di 12,5 kW/m2
Rif.: D. M. 9 maggio 2001 (Tab. 2 – Valori di soglia) per un incendio (radiazione termica stazionaria) il valore di soglia è 12,5 kW/m2 cui corrispondono “danni alle strutture / effetti domino” ed “elevata letalità”.
Inoltre il documento NASA “Safety standards for hydrogen and hydrogen sistems” riporta (Table A2.5) il valore 12.6 kW/m2 come valore minimo necessario ad incendiare il legno e a poter creare danni a manufatti di acciaio molto sottile.
![ABACO DELLE MURATURE - Netfarm · 2008 Sub Task 3b.3 “Indagini diagnostiche su tipologie murarie” [1]. Ai fini della comprensione delle descrizioni e specifiche delle prove sperimentali,](https://static.documenti.site/doc/80x56/5fc3b3fe199f32581a09659b/abaco-delle-murature-2008-sub-task-3b3-aoeindagini-diagnostiche-su-tipologie.jpg)
