Safetec Nordic:

Risiko knyttet til gassutslipp under vann

Jan Dahlsveen - www.safetec.no

Petroleumstilsynets seminar - Stavanger – 15. november 2006

2

Safetec – hva gjør vi?

● Safetec har siden 1984 levert konsulenttjenester innen sikkerhet, beredskap, pålitelighet og vedlikehold.

● Vi arbeider for at våre kunder skal unngå tap og uønskede hendelser med negative konsekvenser for menneskeliv, helse, materielle verdier og miljøet. 

3

Introduksjon

● Bakgrunn – problemstilling● Eksempler fra virkeligheten – undervannsutblåsninger

● Teori – gassutslipp under vann● Modell - beregninger

● Vind● CFD simulering

● Resultater● Case 1 – 50 kg/s● Case 2 – fullt brudd av gasseksportrørledning

● Diskusjon og konklusjon

4

Gassutslipp under vann

● Konsekvenser av gassutslipp under havoverflaten kan være katastrofale dersom:● Tennkilder befinner seg i

nærheten● Oljeinstallasjon/ skip befinner

seg i nærheten

Utblåsning – Union oil Platform A

Utblåsning – Snorre A (ref. Tekna Brann og eksplosjonssikring i petroleumsvirksomheten, Trondheim 2005, L. Sandberg, Statoil)

Utblåsning – Ref. P. D. Yapa – Clarkson univ, NY

5

Formål og basis for studiet

● Presentere Safetec Nordics måte å studere gassutslipp under vann, inkludert modellering av gasspredning på havoverflaten

● Benytte metoden på to case spesifisert av Ptil● Beskrive grunnleggende teori, metodikk samt resultater fra

casestudiene

Case:● Gassutslipp på havbunnen med både stasjonær utslippsrate på

50 kg/s og transient utslippsrate tilsvarende fullstendig brudd på Statpipe Heimdal-Draupner

● Utslippene finner sted på havdybde på 70 meter og 300 meter● Det simuleres med vindhastigheter på 2, 7 og 15 m/s for alle

scenariene

6

Teori

Gass-utslipp under vann - beskrivelse:

● Ved undervanns gasslekkasje fra et rør eller krater på havbunnen vil det dannes en jet og gassen vil stige mot havoverflaten som følge av oppdriftskrefter på grunn av tetthetsforskjell mellom gass og vann

● Gassbobler trekker med seg vann i en turbulent ’bubble plume’ som danner en konisk form mot havoverflaten

● Når ’plumen’ nærmer seg havoverflaten vil stømningen, som følge av overflatespenninger mellom luft og vann/gass, presses i horisontal retning

7

Teori (forts.)

Utviklingen av en undervannsjet klassifiseres i følgende regioner:

1. Etableringsfase. Oppdrift neglisjerbar - strømningsmønsteret bestemmes kun av impulsen fra gassjeten.

2. Overgangsfase. Strømningen er avhengig av både impuls og oppdrift.

3. Etablert ’bubble plume’. Strømningen primært er avhengig av oppdriftskrefter

4. Nær overflate område. Radiell strømning fra plumens senter forårsaket av at massefluks av gass rett underoverflaten er større enn massefluks av gass som slippes fra overflaten

’Nær overflate området’ er tynt men dominerende ved beregning av gass-spredning videre fra havoverflaten.

Fanneløp et. al., Hydrodynamics of underwater blowouts (1980)

8

Teori (forts.)

Benytter Fanneløp-modellen for plume-spredning:

● Størrelsen på gass-poolen som dannes ved havoverflaten er avhengig av havdybden; økt vanndybde gir større pool-diameter.

● Diameteren til poolen på havoverflaten er beregnet fra følgende relasjon:

D = 2 * 0.115 * Z

der Z er vanndybden og 0.115 er ’entrainment’ koeffisienten

● Tar ikke hensyn til strømforhold i havet Fanneløp et. al., Hydrodynamics of

underwater blowouts (1980)

9

Store utslipp på på grunt vann

● Ved ekstreme utslippsrater, spesielt på grunt vann, estimeres pool-diameteren på havoverflaten basert på antagelsen om en gitt vertikal gasshastighet fra havoverflaten. ● Gjennomsnittlig gasshastighet midlet over hele arealet antas å være lik den

vertikale stigehastigheten i senter av plumen rett under havoverflaten. ● En vertikal gjennomsnittlig gasshastighet på 2 m/s er antatt for hele det transiente

utslippsforløpet (Ref. [i]). ● Safetec har ikke funnet informasjon eller studier som gir total diameter til

gass-plume, der man inkluderer også området like under overflaten ’zone of surface flow’.

● En grov antagelse er at nær havoverflaten vil gass-plumen spres utover som følge av radiell strømning og gi en pool-diameter gitt ut i fra masse-bevarelse. Ved å anta midlere gass slipphastighet lik maksimal observert gasshastighet på 2 m/s (midlet over poolen) vil man finne den effektive gass-pool diameteren.

●[i] J.Milgram and R. J. Van Houten. Plumes from subsea blowouts.

10

Gass-spredning på havoverflaten

Følgende hovedantagelser benyttes som input til gasspredningsberegningene:

● Fanneløps modell for spredningsvinkel som gir pool-diameter på havoverflaten.

● For spesielt store utslipp vil det korrigeres pool-diameter ved å anta maksimum slipphastighet fra havoverflaten

● Konsentrasjon av gass på havoverflaten er antatt å være 1 over hele pool-overflaten. Dvs. at det antas at det er kun gass som trenger ut gjennom havoverflaten innen for angitt pool

11

Modell - beregninger

● Gass-spredning på havoverflaten beregnes ved hjelp av CFX-10.0 (www.ansys.com/cfx). CFX blir brukt av ingeniører og forskere for beregning og vurdering av ulike dispersjon, varme og forbrenningsproblemer

● Midlere vindhastighet er er avhengig av avstanden fra sjøoverflaten, z, og er ofte uttrykt ved et standard atmosfærisk grensesjikt over havoverflaten, dvs. null hastighet på havoverflaten, og vindhastighet økende med høyde:

Der z0 er overflate-ruheten og u* er friksjonshastigheten.

Referansehøyden, dvs. høyden der vindhastigheten er angitt i simuleringene, er 10 meter.

I simuleringene er det brukt en omgivelsestemperatur på 10˚C.

0

* lnz

zuu

12

Vind – den viktigste parameteren

0

5

10

15

20

25

30

1994

1994

1995

1995

1996

1996

1997

1997

1998

1998

1999

2000

2000

2001

2001

2002

2002

2003

2003

Observasjoner

Vin

dh

asti

gh

et (

m/s

)

0

5

10

15

20

25

1 8 15 22 29 5 12 19 26 5 12 19 26 2 9 16 23 30

Observasjoner (dato)

Vin

dh

asti

gh

et (

m/s

)

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7

Observasjoner (dato)

Vin

dh

asti

gh

et (

m/s

)

● Vindhastigheten endres over tid

● I analyser benyttes meteorologiske data (vind- hastighet og retning)

● Sannsynlighet for eksponering av brennbar gasskonsentrasjon kan estimeres

Observasjoner i løpet av 9 år Observasjoner i løpet av 3 måneder

Observasjoner i løpet av 7 dager

13

● I simuleringene antaes:● Konstant vindhastighet gjennom hele utslippsforløpet● Konstant vindretning gjennom hele utslippsforløpet

● Ved langvarige utslipp øker sannsynligheten for at vindhastigheten endres i løpet av utslippet:● Lav vindhastighet gir ofte størst sannsynlighet for å

eksponere topside på oljeinstallasjoner ved utslipp rett under installasjonen

14

Simulerte Case

● Stasjonært utslipp på 50 kg/s.

● Transient utslipp med maksimal rate på 31822 kg/s:

● For det transiente tilfellet er det valgt å simulere fra initiell lekkasjerate til og med en rate på 2500 kg/s som inntreffer etter omtrent 13 minutter og 45 sekunder.

● Maksimal lekkasjerate inntreffer etter omtrent 3 sekunder.

15

Masserate – transient case

Lekkasje Statpipe 35

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0.00 1000.00 2000.00 3000.00Time [s]

Ru

ptu

re [k

g/s

]

Lekkasje Statpipe 35

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

Time [s]

Ru

ptu

re [

kg/s

]

5000 kg/s 1000 kg/s

31822 kg/s

15000 kg/s

2500 kg/s

Utslippsforløpet tilsvarer fullstendig brudd på Statpipe Heimdal-Draupner, beregnet med OLGA, med utstrømning fra rørene oppstrøms og nedstrøms bruddet

16

Simulerte case

Scenario Utslippstype Masserate (kg/s) Vanndybde (m) Vindhastighet (m/s)

1 Stasjonært 50 300 2 2 Stasjonært 50 300 7 3 Stasjonært 50 300 15 4 Stasjonært 50 70 2 5 Stasjonært 50 70 7 6 Stasjonært 50 70 15

7 Transient 0 - 2500 kg/s (max. 31822 kg/s etter 3 sek.) 70/300 2

8 Transient 0 - 2500 kg/s (max. 31822 kg/s etter 3 sek.) 70/300 7

9 Transient 0 - 2500 kg/s (max. 31822 kg/s etter 3 sek.) 70/300 15

Komponent Volumfraksjon Massefraksjon Tetthet i kg/m3 (1atm., 10°C)

CH4 0.85 0.734 0.691

C2H6 0.12 0.195 1.295

C3H8 0.03 0.071 1.899

17

Stasjonært utslipp – 50 kg/s

● For en stasjonær lekkasjerate på 50 kg/s vil det i følge Fanneløp-modellen dannes en gass-pool på omtrent 16 meter og 70 meter i diameter for en lekkasje på henholdsvis 70 meter og 300 meter dyp.

● For en gitt pool-diameteren og lekkasjerate vil en gjennomsnittlig vertikal gasshastighet fra overflaten kunne beregnes.

18

Resultater – Stasjonært 50 kg/s

19

Resultater – Stasjonært 50 kg/s

20

Transient utslipp – fullt brudd

● Initielt vil lekkasjeraten være 31822 kg/s● Det vil formes en stor gassboble som strømmer mot

overflaten som følge av oppdriftskrefter. ● En typisk ’bubble plume’ fase, som beskrevet av

Fanneløp, etableres etter dette initielle forløpet. ● For å ta høyde for ekstreme utslippsrater, estimeres pool-

diameteren på havoverflaten basert på antagelsen om en gitt maksimal vertikal gasshastighet fra havoverflaten.

● Pool-diameteren estimeres til 160 meter, uavhengig av

havdybden.

21

Resultater transient – fullt brudd

22

Oppsummering resultater

Scenario nr. Maksimal utstrekning på gass sky

Maksimal lengde [m] Maksimal høyde [m]

LFL 100% LFL 50% LFL 20% LFL 100% LFL 50% LFL 20%

1 – Dybde 300 meter, Vind 2m/s 150 220 330 10 35 65

2 – Dybde 300 meter, Vind 7m/s 75 85 205 2 2 10

3 – Dybde 300 meter, Vind 15m/s 10 70 90 2 2 4

4 – Dybde 70 meter, Vind 2m/s 80 120 190 40 50 70

5 – Dybde 70 meter, Vind 7m/s 100 170 300 7 10 15

6 – Dybde 70 meter, Vind 15m/s 55 100 180 4 6 10

Scenario nr. Maksimal utstrekning på gass sky

Maksimal lengde [m] Maksimal høyde [m]

Tid LFL 100%

LFL 50% LFL 20% Tid LFL 100%

LFL 50% LFL 20%

7 – Vind 2m/s 350 sek. 350 >400 >450 40 sek. >200 >200 >200

8 – Vind 7 m/s 200 sek. 720 950 >1000 100 sek. 120 150 190

9 – Vind 15 m/s 100 sek. >1000 >1000 >1000 80 sek. 45 65 90

23

Konklusjon

● Safetec Nordic har presentert metoden selskapet benytter når man studerer spredning av gass på og over havoverflaten som følge av undersjøiske gassutslipp.

● Metoden innebærer at man tar utgangspunkt i Fanneløps plumespredningsmodell, antar at konsentrasjonen av gass innenfor pool-diameteren er 1 og at man eventuelt korrigerer pool-diameteren ved store utslipp på grunt vann ved å anta maksimal slipphastighet på 2 m/s.

● Gasspredningsberegningen gjøres ved hjelp av CFD-programmet CFX-10.● Simuleringene viser at ved mindre stasjonære utslipp (50 kg/s) vil størst

utstrekning inntreffe ved lav vindhastighet. I dette tilfellet vil den brennbare delen av skyen kunne bre seg 150 meter nedvinds utslippet. Tilsvarende vil maksimal høyde på brennbar sky være 40 meter for lav vindhastighet.

● Simuleringene viser at ved store transiente utslipp på grunt vann, tilsvarende fullt brudd på en gasseksportledning, vil brennbar sky kunne bre seg over 1000 meter nedvinds på sjøoverflaten. Ved lave vindhastigheter vil den brennbare delen av gasskyen stige mer enn 200 meter. Størst horisontal spreding inntreffer ved høy vindhastighet (15 m/s).

● Det understrekes videre at dersom det befinner seg større legemer på havoverflaten (plattformer/ båter) vil spredningsforløpet påvirkes betydelig.

24

Diskusjon

● Usikkerhet knyttet til store utslipp på grunt vann:● Pool geometri – diameter og gass-stigehastighet

avhengig av sonen under havoverflaten – radiell spredning

● Konsentrasjonsprofil på havoverflaten – konservativt å velge C=1

● Endring i vindretning i løpet av utslippet påvirker spredningen – storskala turbulens

● Strømforhold kan påvirke plume-spredning

25

... i virkeligheten ...

.. befinner det seg installasjoner på overflaten som påvirker spredningsbildet betydelig..

75 kg/s – 2 m/s 75 kg/s – 8 m/s