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Anlagensicherheit

Stör­fälle beherr­schen, damit es im Betrieb nicht knallt

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Produk­ti­ons­an­la­gen und Maschi­nen müssen für Arbei­ter und Umwelt sicher sein. Das gilt nicht nur für den regu­lä­ren Betrieb, sondern auch für den Fall, dass unvor­her­ge­se­hene Ereig­nisse eintre­ten. Denn Dampf und heiße Gase sowie zünd­fä­hige Gasge­mi­sche stel­len insbe­son­dere bei Stör­fäl­len ein erheb­li­ches Risiko dar. Drei Praxis­bei­spiele zeigen, wie sich mit fluid­dy­na­mi­schen Berech­nun­gen kriti­sche System­zu­stände simu­lie­ren und Sicher­heits­maß­nah­men ablei­ten lassen.

Dr. Jörg Sager

Wasser­dampf und Gase wie Druck­luft, Wasser­stoff oder Methan kommen in zahl­rei­chen Produk­ti­ons­pro­zes­sen zum Einsatz, etwa als Ener­gie­trä­ger und Arbeits­mit­tel bei ther­mi­schen Verfah­ren. In vielen ande­ren Fällen werden sie als Edukt bezie­hungs­weise Produkt verar­bei­tet oder bei pneu­ma­ti­schen Anwen­dun­gen einge­setzt. Damit die Produk­ti­ons­pro­zesse reibungs­los, effi­zi­ent und sicher ablau­fen, müssen Anla­gen­pla­ner und Sicher­heits­in­ge­nieure die Eigen­schaf­ten der einge­setz­ten Gase sowie die Betriebs­pa­ra­me­ter Druck, Tempe­ra­tur und Volu­men berück­sich­ti­gen, bei denen die Prozesse ablau­fen. Davon hängt maßgeb­lich ab, wie Anla­gen und Kompo­nen­ten konstru­iert und dimen­sio­niert sein müssen.
Gasei­gen­schaf­ten und Betriebs­pa­ra­me­ter sind aber nicht nur für die Anla­gen­kon­fi­gu­ra­tion des regu­lä­ren Betriebs von Bedeu­tung. Treten Betriebs­stö­run­gen auf, sind diese Fakto­ren auch entschei­dend dafür, ob Gefah­ren für Menschen, Umwelt und Anla­gen entste­hen. Denn wenn Gase hohe Drücke und hohe Tempera-turen aufwei­sen oder hoch reak­tiv sind, haben sie auch einen hohen Ener­gie­ge­halt und können zur Gefahr werden, wenn die Anlage vom gere­gel­ten Soll-Zustand abweicht. Fach­kräfte für Arbeits­si­cher­heit soll­ten daher auch analy­sie­ren, wie sich die Anla­gen und einge­setz­ten Gase im Fall einer Betriebs­stö­rung verhal­ten. Fluid­dy­na­mi­sche Berech­nun­gen sind ein Werk­zeug für solche Analy­sen, wie die folgen­den Beispiele zeigen.
Hält die Schutz­vor­rich­tung?
Was passiert, wenn heiße Druck­luft unkon­trol­liert aus einem Press­werk­zeug für Kunst­stoff­teile entweicht? Dieser Frage sind Sach­ver­stän­dige von TÜV Süd im Auftrag eines Auto­mo­bil­zu­lie­fe­rers nach­ge­gan­gen. Im Herstel­lungs­pro­zess wird flüs­si­ger Kunst­stoff mit Hilfe von Druck­luft in das Press­werk­zeug gefüllt. Die Luft soll über eine Entlas­tungs­lei­tung abge­las­sen werden, bevor das Werk­zeug wieder geöff­net wird. Andern­falls würde sie schlag­ar­tig entwei­chen, sodass Arbei-ter in der Umge­bung verletzt oder die Anlage beschä­digt werden könnte. Für den Fall, dass die Druck­luft anders als geplant nicht abge­las­sen wird, soll die Anlage mit einer Schutz­vor­rich­tung, einer soge­nann­ten Schürze, ausge­stat­tet werden, die die Druck­luft nach unten ablenkt und so das Umfeld schützt.
Um die Schutz­vor­rich­tung dimen­sio­nie­ren zu können, muss­ten zunächst die Kräfte bestimmt werden, denen die Schürze im ange­nom­me­nen Stör­fall stand­hal­ten muss. Maßge­bend dafür sind die Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit, mit der Luft aus dem Werk­zeug entweicht, und der Luft­mass­e­strom sowie deren zeitab-hängige Entwick­lung während des Öffnungs­vor­gangs. Zu diesem Zweck berech­ne­ten Sach­ver­stän­dige von TÜV Süd die Strö­mungs­vor­gänge anhand fluid­dy­na­mi­scher Modelle.
Unmit­tel­bar nach dem Öffnen, wenn der Druck­un­ter­schied zwischen dem Inne­ren des Werk­zeugs und der Umge­bung am größ­ten ist, ist die Strömungsgeschwin-digkeit am höchs­ten. Begrenzt wird sie jedoch durch die Schall­ge­schwin­dig­keit, die eine Funk­tion von Druck und Dichte des einge­schlos­se­nen Gases ist und im Beispiel des Press­werk­zeugs 340 m/s beträgt. Die Austritts­ge­schwin­dig­keit entspricht so lange der Schall­ge­schwin­dig­keit, bis das kriti­sche Druck­ver­hält­nis unter­schrit­ten wird. Danach nimmt sie ab.
Der Luft­mass­e­strom ist zum Zeit­punkt des Öffnens aller­dings noch gering, da er vom Strö­mungs­quer­schnitt abhän­gig ist, also der Spalt­breite, durch die die Luft austre­ten kann. Der Strö­mungs­quer­schnitt und damit auch der Luft­mass­e­strom nehmen nach dem Öffnen mit größer werden­der Austritts­öff­nung zu, so dass Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit und Luft­mass­e­strom ihre maxi­ma­len Werte zeit­ver­setzt errei­chen.
Die fluid­dy­na­mi­sche Simu­la­tion zeigt, dass die gesamte Luft in weni­ger als einer Sekunde aus dem Werk­zeug entweicht und mit entspre­chen­der Krafteinwir-kung auf die Schürze trifft. Die fluid-dynamischen Simu­la­tio­nen liefer­ten die notwen­di­gen Daten, um über die Impuls­än­de­rung die Strahl­kräfte auf die Schutz­kon­struk­tion zu ermit­teln. Daraus konnte abge­lei­tet werden, wie die Schürze und ihre Veran­ke­rung dimen­sio­niert sein müssen, um den notwen­di­gen Schutz zu bieten.
Entsteht ein explo­si­ves Gasge­misch?
Wasser­stoff ist hoch reak­tiv. Er kann in Verbin­dung mit Sauer­stoff ein explo­si­ves Gasge­misch bilden und zu einer soge-nannten Knallgas-Reaktion führen. Ob im Test­be­trieb einer Elektrolyse-Anlage zur Wasser­stoff­her­stel­lung Explo­si­ons­ge­fahr besteht, haben Sach­ver­stän­dige von TÜV Süd geprüft. Im Test­be­trieb, der zur Betrach­tung stand, sollte der produ­zierte Wasser­stoff nicht gespei­chert, sondern über ein Abgas­sys­tem in die Atmo­sphäre abge­lei­tet werden. Um zu verhin­dern, dass dabei ein selbst­ent­zünd­li­ches Gemisch entsteht, sollte das Abgas­sys­tem konti­nu­ier­lich mit Stick­stoff iner­ti­siert werden.
Als Stör­fall wurde ein Strom­aus­fall infolge eines Bran­des ange­nom­men. Die Anlage sollte so konstru­iert werden, dass der Wasser­stoff im Brand­fall unver­züg­lich aus den Produk­ti­ons­be­häl­tern, den Elektro-lyseuren, abge­lei­tet wird. Dazu öffnen sich elek­tro­ma­gne­ti­sche Sicher­heits­ven­tile auto­ma­tisch und der Wasser­stoff wird direkt in das Abgas­sys­tem entlas­sen.
Da in den Elek­tro­ly­seu­ren bezie­hungs­weise den Stick­stoff­tanks unter­schied­li­che Ruhe­drü­cke herr­schen, entspan­nen der Wasser­stoff und der Stick­stoff unter­schied­lich stark in das Abgas­sys­tem hinein. Die Simu­la­tion zeigte, dass das Abgas­sys­tem zunächst voll­stän­dig mit Stick­stoff iner­ti­siert war, bevor der Wasser­stoff in das System strömte.
Darüber hinaus wurden die konkre­ten Strö­mungs­ver­hält­nisse und Gaszu­stände im gesam­ten Abgas­sys­tem und am Auslass ermit­telt, um zu prüfen, ob sich dort ein kriti­sches Wasserstoff-Sauerstoffverhältnis von mehr als vier Volu­men­pro­zent bildet, das explo­die­ren kann. Aufgrund der Komple­xi­tät und der schnel­len Abläufe, die teil­weise im Milli­se­kun­den­be­reich liegen, gibt es oftmals keine Alter­na­tive zu nume­ri­schen Prozess­si­mu­la­tio­nen, um die Wech­sel­wir­kun­gen der physi­ka­li­schen Zustands­pa­ra­me­ter der Gase und der insta­tio­nä­ren, kompres­si­blen Strö­mung im Rohr­lei­tungs­sys­tem zeit­lich aufge­löst zu erfas­sen.
Die Simu­la­tion zeigte, dass bei der vorge­se­he­nen Anla­gen­kon­fi­gu­ra­tion kriti­sche Konzen­tra­tio­nen nicht ausgeschlos-sen werden konn­ten und lieferte dem Herstel­ler fundierte und wich­tige Infor­ma­tio­nen, die die Basis für weitere Sicher­heits­maß­nah­men und Ände­run­gen der Anla­gen­kon­fi­gu­ra­tion bilde­ten.
Wie kam es zu dem Scha­dens­fall?
Aber nicht nur bei der Planung von Anla­gen und Schutz­maß­nah­men leis­ten fluid­dy­na­mi­sche Analy­sen wich­tige Dienste. Ist es zu Betriebs­stö­run­gen oder Unfäl­len gekom­men, stellt sich häufig die Frage, was genau passiert ist und wie es dazu kommen konnte. Auch hier kann die Model­lie­rung von Gasver­hal­ten wesent­li­che Erkennt­nisse liefern. So wurde TÜV Süd damit beauf­tragt, einen Unfall in einem Heiz­kraft­werk zu rekonstruie-ren. Ursa­che war augen­schein­lich ein geplatz­tes Verdampf­er­rohr im Feuer­raum eines Dampf­kes­sels.
Unter­sucht werden sollte, wie und voral­lem wie schnell heißer Wasser­dampf aus einem im Feuer­raum geplatz­ten Verdampf­er­rohr in den Beschi­ckungs­bun­ker der Anlage gelan­gen konnte. Über den Beschi­ckungs­bun­ker gelangt der Ener­gie­trä­ger in den Feuer­raum. Er gehört nicht zum Dampf­kreis­lauf der Anlage. Da sich im Beschi­ckungs­bun­ker ein Mitar­bei­ter befand, der durch den austre-tenden Dampf verletzt wurde, galt es mit Hilfe fluid­dy­na­mi­scher Berech­nun­gen die Vorgänge während des Zwischen­falls zu analy­sie­ren.
In den Verdampf­er­roh­ren befin­det sich Spei­se­was­ser unter einem Druck von 65 bar. Als ein Rohr im Vorver­damp­fer barst, trat Spei­se­was­ser unter hohem Druck in den Feuer­raum ein. Aufgrund des im Feuer­raum herr­schen­den atmo-sphärischen Drucks fand eine isenth­alpe Entspan­nung statt, die dazu führt, dass ein Teil des Wassers spon­tan verdampfte. Sein spezi­fi­sches Volu­men dehnte sich dabei von 0,00133 m³/kg auf 1,964 m³/kg aus, was einem Faktor von 1274 entspricht. Durch diese Volu­men­aus­deh­nung kam es zu einem schnel­len Druck­an­stieg im Kessel, infolge dessen der meiste Dampf über den Kamin, ein Teil aber auch über die Frisch­luft­zu­fuhr und den Beschi­ckungs­bun­ker, in dem sich der verun­fallte Mitar­bei­ter aufhielt, heraus­ge­presst wurde.
Gasver­hal­ten model­lie­ren für sichere Anla­gen
Anhand fluid­dy­na­mi­scher Modelle lässt sich analy­sie­ren, wie sich Gase verhal­ten, wenn Produk­ti­ons­pro­zesse nicht plan­mä­ßig verlau­fen. Sie liefern funda­men­tale Erkennt­nisse, um Anla­gen, Betriebsab-läufe und Schutz­maß­nah­men zu planen. Aus der Analyse realer Stör­fälle können Verant­wort­li­che wich­tige Schlüsse ziehen, um Anla­gen­kon­zepte und Prozesse anzu­pas­sen. So lässt sich die Sicher­heit erhö­hen und der Scha­dens­fall begren­zen. Da die physikalisch-chemischen Gesetz­mä­ßig­kei­ten und ihre Wech­sel­wir­kun­gen, die bei solchen Analy­sen berück­sich­tigt werden müssen, sehr komplex sein können, schafft die Einbin­dung unab­hän­gi­ger Drit­ter Gewiss­heit, dass Risi­ken geprüft und effek­tive Gegen­maß­nah­men getrof­fen worden sind.
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