Safety studies on CCS plant facilities : dispersion analysis and cold jet effects

The purpose of this work is to study the dispersion of CO2 over complex terrains following a pipeline failure. The context around which this paper revolves is the growing CCS industry, pushed by the need to meet the IPCC climate goals for midcentury. One critical aspect of this expansion is the need for a strengthening of the high-pressure pipelines network, to be able to transport larger and larger amounts of CO2. However, the need to assess the potential HSE issues related to handling large inventories of CO2 grows hand in hand with the above-mentioned aspect. In fact, as the consequences of being exposed to a harmful dose of CO2 are recognised world-wide, the new ways in which CO2 is processed create the conditions for CO2 to cause a major accident hazard in case high-pressure CO2 is accidental released in the ambient. Therefore, companies and research bodies are trying to develop a deeper understanding of the atmospheric dispersion of CO2 in order to properly evaluate the risks in the surroundings of CO2 inventories. This paper aims at comparing the risk assessment package Phast, used by Eni S.p.A, with the Computational Fluid Dynamics (CFD) software ANSYS Fluent when investigating the dispersion of vapour CO2 in a complex environment. The analysis focuses on the technical differences between the two software, comparing computing time, complexity of the simulation setting and final outputs of the two dispersion simulations. The two major drawbacks of the two software in Phast and Fluent are, respectively, the inability to investigate the dispersion profile in a complex domain, characterised by non-uniform terrain and presence of obstacles, and the difficult preparatory phase needed to run the simulation. In fact, concerning the latter, since the leakage scenario can be divided in a discharge and dispersion phase, in Fluent the setting of the discharge section would have involved the adoption of complex models to study the nearfield under-expanded jet region. However, Phast allows to easily compute the nearfield related parameters which are subsequently used as inlet conditions in the Fluent simulation thus avoiding having to take into account the initial jet. The results confirm that presence of obstacles and complex terrain have a significant influence on the dispersion of CO2, as presented in the specialised literature - impact which cannot be evaluated using Phast but can be investigated thanks to Fluent. Therefore, a combination of the two software is found to increase the accuracy of the simulation outcomes with respect to Phast and at the same time to reduce the amount and time of work needed to compute the nearfield region in Fluent, thus establishing itself as a valid alternative to the use of a single software.

La seguente tesi si articola nel contesto della crescente industria CCS, spinta dalla necessità di raggiungere gli obiettivi climatici dell'IPCC da raggiungere entro la metà del secolo. Un aspetto critico di questa crescita è la necessità di potenziare la rete di condotte ad alta pressione in modo tale da trasportare quantità sempre maggiori di CO2. Tuttavia, l’esigenza di valutare le potenziali problematiche riguardanti la sicurezza e la salute legate alla gestione di grandi scorte di CO2, cresce di pari passo. Infatti, i nuovi metodi in cui la CO2 viene processata creano le condizioni affinché questa possa costruire una minaccia per la salute. La CO2 viene trasportata comunemente in fase densa per aumentare il rapporto massa-volume; un rilascio accidentale in ambiente è, quindi, seguito da uno sversamento di grossi volumi di CO2 che, essendo tossica ad alte concentrazioni, crea una situazione di rischio per tutte le persone che si trovano nelle vicinanze dell’incidente. Anche per questa ragione c’è oggi molta attenzione all’analisi di eventi incidentali sfruttando il fatto che con analisi di modellistica numerica è possibile prevedere con sufficiente accuratezza lo scenario virtuale che si può presentare. Lo scopo di questo elaborato è studiare la dispersione di CO2 su terreni complessi a seguito di un guasto di una tubazione o di una perdita di contenimento in un impianto di trattamento di CO2. Questa tesi si propone di confrontare le prestazioni del software Phast per la valutazione del rischio, utilizzato da Eni S.p.A, con il software ANSYS Fluent rispetto allo studio della dispersione di CO2 in fase gassosa in un ambiente complesso. L'analisi si concentra sulle differenze tecniche tra i due codici, in particolare riguardanti: il tempo di calcolo, la complessità dell'impostazione della simulazione e gli output finali delle due simulazioni. I principali limiti dei due software che sono stati evidenziati nel lavoro sono, per Phast la difficoltà di valutare il profilo di dispersione in un dominio geometricamente complesso, caratterizzato da terreno non uniforme e con presenza di ostacoli, mentre con ANSYS Fluent una complessa fase di preprocessing. Per quanto riguarda quest'ultimo aspetto, questa tesi si propone di fornire un metodo per poter affrontare questi problemi e di valutare le criticità non analizzabili da Phast, ma necessarie in ottica di analisi del rischio. La tesi prende spunto dal lavoro di Liu et al. (2014), dove si evidenzia la possibile scomposizione dello scenario di dispersione in due fasi: fase di scarico in zona prossima spazialmente alla rottura della condotta e fase di dispersione della CO2 in zone lontane dall’area dell’incidente. In Fluent, l'impostazione della sezione di scarico comporterebbe l'adozione di modelli complessi per lo studio della regione del getto sottoespanso in prossimità dell’ugello. Tuttavia, Phast consente di calcolare facilmente i parametri relativi alla fase di scarico che, quindi, possono essere successivamente utilizzati come condizioni di ingresso nella simulazione di Fluent, evitando così di dover tenere conto del getto iniziale. Allo stesso tempo, i risultati confermano che la presenza di ostacoli e la configurazione orografica hanno un'influenza significativa sulla dispersione della CO2, come presentato nella letteratura specialistica. Questo impatto non può essere valutato utilizzando Phast, ma può essere studiato grazie a Fluent. Pertanto, si è riscontrato come una combinazione dei due software aumenti l'accuratezza dei risultati della simulazione rispetto a Phast e, contemporaneamente, riduca lo sforzo e il tempo di lavoro necessari per calcolare la regione prossima al rilascio in Fluent. Il metodo così creato, quindi, si afferma come una valida alternativa all'utilizzo di un unico software poiché in grado di colmare le lacune proprie dei due strumenti.