Artikel Explosionsprüfungen für Großanlagen über Simulation

Die Konzeptionierung von komplexen verfahrenstechnischen Anlagen, in denen brennbare Stoffe verarbeitet werden, stellt immer eine große Herausforderungen an das Anlagenengineering dar. Neben der Entwicklung der Anlagenausführung vor dem Hintergrund der verfahrenstechnischen Eignung sind oftmals Überlegungen zum Explosionsschutz und den daraus resultierenden konstruktiven Anforderungen wie Anlagenfestigkeit anzustellen und zu bewerten.

Diese Fragen zu beantworten gelingt sehr oft auf der Basis des sicherheitstechnischen Know-hows, das aus vergleichbaren Anwendungsfällen gewonnen wurde und auf die aktuelle Fragestellung übertragen werden kann. In Einzelfällen stößt diese Vorgehensweise jedoch an Grenzen, da die Randbedingungen früherer Untersuchungen sich nicht auf das neue Problem übertragen lassen. Somit wird ein experimenteller Nachweis notwendig, der das theoretische Szenario eines Explosionsvorgangs ausreichend genau abbildet. Es ist leicht vorstellbar, dass das teilweise nur mit erheblichem finanziellen Aufwand oder im Extremfall aus sicherheitstechnischen Gründen gar nicht durchführbar ist.
Die Prüfpraxis zeigt, dass neben rein experimentellen Nachweismethoden zunehmend computergestützte Rechenmodelle auch für den Explosionsschutz an Bedeutung gewinnen. Vergleichbare Methoden können sicherlich nicht den komplexen chemisch-physikalischen Prozess in allen Details abbilden. Über angemessene Vereinfachung der Betrachtungen lassen sich aber bereits heute zahlreiche Fragestellungen mit vertretbarem Aufwand beantworten. Anlagenspezifische „Startbedingungen“ für ein Explosionsszenario wie zum Beispiel Turbulenzzustände in rotierenden und durchströmten Anlagenteilen kann ein numerisches Modell abbilden, wo das physikalische Experiment den Einfluss der dem jeweiligen Anlagenteil vor- und nachgeschalteten Prozesse nicht abbilden kann.

An einem Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Energieverfahrenstechnik soll exemplarisch dieser Lösungsweg demonstriert werden. Die Dekra Exam hatte den Auftrag zu untersuchen, welche Auswirkungen aufgrund des Eintrags von Druckgasflaschen in einer Müllverbrennungsanlage zu erwarten sind.

Der Brennstoff Müll ist ein extrem heterogener Brennstoff, und ein Eintrag von für die Verbrennungssysteme problematischem Inhalt kann nicht mit ausreichender Sicherheit ausgeschlossen werden – „Fremdteile“, auch größeren Ausmaßes gehören nahezu zum Normalbetrieb. Daraus ergeben sich Fragen bezüglich der Auswirkungen solcher Fremdteile. Was passiert, wenn beispielsweise Druckflaschen mit verflüssigten Gasen in die heiße Brennkammer gelangen? Abhängig von der Größe dieser Behälter führt eine Erwärmung zu Druckanstiegsgeschwindigkeiten und Druckwerten, welche den Berstdruck der Flasche überschreiten und damit nach Initiierung eines Berstvorgangs zu einer schlagartigen Expansion von Gasen in der Brennkammer führen. Das Ergebnis ist die Ausbreitung einer Druckfront, die nach Auftreffen an den Brennkammerwänden verstärkt und in Abhängigkeit des Berstortes der Flasche mehrfach reflektiert wird. In diesem Zusammenhang ist dann zu klären, inwieweit die Konstruktion der Belastung standhält und ob eine Gefährdung der Beschäftigten sicher vermieden wird.
Zusätzlich stellt sich die Frage nach einem möglichem Trümmerflug der geborstenen Gasflasche oder deren Fragmenten und die Folgen nach Auftreffen auf die Brennkammerwand. Resultieren hieraus festigkeitstechnische Probleme und ergibt sich daraus eine potenzielle Gefährdung von Beschäftigten? Um diese Frage zu beantworten, müssen verschiedene Berstdrücke der Flasche, verschiedene Berstorte, verschiedene Startgeschwindigkeiten von Teilen der geborstenen Gasflasche betrachtet werden.

Leicht vorstellbar ist, dass sich diese Einzelfragen innerhalb physikalischer Experimente nur schwer abbilden lassen. Eine Alternative bietet sich in der Anwendung moderner und effizienter numerischer Tools. Hierbei können in Kombination mit sicherheitstechnischem Know-how unterschiedliche Szenarien von Unglücksfällen durchgespielt und deren Auswirkungen anhand der Berechnungsergebnisse bewertet werden.

Für den beschriebenen Fall bedeutete dies, dass zunächst über thermodynamische Beziehungen in Kombination mit Aussagen zu typischen Berstdrücken von Gasflaschen bei den Umgebungsbedingungen wie erhöhter Brennkammertemperatur die Anfangsbedingungen bezüglich der zu erwartenden Expansionsenergien im Falle des Flaschenberstens ermittelt wurden. Diese Daten wurden dann in ein dreidimensionales Modell der Brennkammer zur Modellierung der Strömungsverhältnisse integriert und sorgten somit für eine abhängig vom Berstort der Flasche simulierte Entstehung einer zunächst kugelförmigen Druckfront, die sich im weiteren Verlauf in der Brennkammer ausbreitete. Dies wurde nach Auftreffen auf die Brennkammerwand verstärkt und dann mehrfach reflektiert. Es ergaben sich hierdurch lokal unterschiedliche Druck/Zeit-Verläufe an jeder Stelle der modellierten Brennkammergeometrie. Die Daten konnten weiter zur Beurteilung der Brennkammerwandfestigkeit genutzt werden. Das erfolgte über empirische, festigkeitstechnische Betrachtungen.
Gleichzeitig wurden mit diesem Finite-Element-Modell zur Berechnung der Strukturfestigkeit transiente „Impakt-Vorgänge“ abgebildet, wodurch sich auch die Auswirkungen des Anpralls von Trümmern an die Brennkammerwand einschätzen ließen. In den Ergebnissen ergaben sich über eine angemessen konservative Betrachtungsweise teilweise Zustände, die zunächst als kritisch angesehen wurden. Durch entsprechend konstruktive Gestaltung der Brennkammerwand seitens des Anlagenbauers wurde jedoch erreicht, dass vergleichbare Zustände sicher beherrscht werden.

Das Beispiel zeigt, dass es möglich ist, theoretische Betrachtungen und empirische Daten aus Experimenten erfolgreich mit numerischen Methoden zu verknüpfen, um auch für vergleichsweise komplexe Szenarien wie dynamische Explosionsvorgänge einen direkten und vergleichsweise detaillierten Einblick in den Vorgang und dessen Auswirkungen zu bekommen. Aufgrund der zahlreichen Teilmodelle zur Modellierung einzelner chemisch-physikalischer Effekte, ist eine fortdauernde Modellvalidierung, das heißt der Abgleich mit der Realität anhand des Vergleichs von Mess- und Rechenergebnissen, notwendig. Die Dekra Exam hat über das Versuchsfeld zur Erzeugung unterschiedlichster, realer Explosionsvorgänge Möglichkeiten, diesen Schritt durchzuführen.