Diseño seguro de instalaciones industriales mediante simulaciones fluido dinámicas (CFD)

El disponer de instalaciones intrínsecamente seguras, desde las fases iniciales de un proyecto, con información lo más realista posible ante situaciones accidentales no deseadas, es el objetivo de todas las empresas y podemos conseguirlo con la realización de estudios de detalla usando herramientas avanzadas como son las simulaciones fluidodinámicas (CFD).

KEYWORDS: CFD, exceedance curves, enfoque probabilístico, edificios, efecto dominó, explosión, sobrepresión

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, la conocida como “cultura de seguridad” se ha ido implantando cada vez con más fuerza en las empresas en todos sus niveles jerárquicos, pasando a ser uno de los pilares y valores fundamentales de las compañías. Dicha cultura ha de ser un compromiso real y visible, desde los niveles de alta dirección donde se toman todas las decisiones en cuanto a inversiones en seguridad y rumbo de la compañía, hasta los niveles de producción y operación del día a día de las instalaciones.

Para garantizar el cumplimiento de dicho compromiso se ha de disponer de herramientas que, no sólo faciliten la toma de decisiones desde el punto de vista de la seguridad de las instalaciones, sino que aporten un mayor grado de certidumbre sobre las mismas, tanto desde el punto de vista de la integridad de las mismas, como desde el punto de vista de la operación y en todas las fases del ciclo de vida de la actividad.

En este sentido, si nos centramos en el diseño y operación seguros de las plantas, algunos accidentes recientes que han tenido lugar en instalaciones industriales a nivel mundial, en los que han tenido lugar explosiones de nubes inflamable con consecuencias importantes sobre las personas e instalaciones, las cuales no fueron adecuadamente anticipadas por los análisis de riesgos realizados en las mismas, nos debe hacer plantearnos si podemos hacer algo más y cómo podemos evitar la ocurrencia de estas situaciones, o en su caso, el minimizar sus posibles consecuencias.

Motivado por accidentes como el de Flixborough en 1974, la plataforma Piper Alpha (UK) en 1988, Buncefield (UK) en 2005, San Juan (Puerto Rico) y Jaipur (india) en 2009 o en plantas petroquímicas como la de Lanzhou (China) o la Refinería Tesoro (EEUU), entre otros, la industria Oil&Gas promovió a través de las normas ISO 13702 (1999) y la ISO 19901 (2010) que se realizaran estudios de riesgos de explosiones para instalaciones offshore que tengan en cuenta la geometría que condiciona las zonas de confinamiento y congestión y que se evalúen las medidas de mitigación necesarias a través de herramientas avanzadas de estimación de consecuencias.

De entre las distintas herramientas disponibles e indicadas en la normativa antes mencionada, se encuentran los “Modelos fluido dinámicos” o simulaciones CFD, por su acrónimo en inglés (Computational Fluid Dynamics).

Si bien estas herramientas de simulación no son algo nuevo, han sufrido un gran avance tanto desde el punto de vista de sus usos y aplicaciones, como, por qué no decirlo también, de la reducción del coste de su utilización, que los hacen cada vez más fáciles, ágiles y asequibles de utilizar.

Llegados a este punto, y siempre bajo el prisma de la seguridad de las instalaciones, podemos preguntarnos:

• ¿qué es una simulación CFD?;
• ¿para qué sirve o cuáles son sus aplicaciones?;
• ¿qué beneficios puede aportar a una instalación industrial?;
• ¿qué aporta frente a las tradicionales herramientas utilizadas hasta la fecha?;
• ¿es rentable económicamente?

El presente artículo trata de dar respuesta a las distintas cuestiones planteadas en relación a las Simulaciones CFD, así como resaltar la importancia de aplicar los avances tecnológicos al diseño seguro de instalaciones que manejan sustancias peligrosas con el riesgo inherente de poder sufrir accidentes graves.

¿QUÉ SON LAS SIMULACIONES CFD?

El análisis de Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD) es una herramienta de cálculo numérico mediante ordenador consistente en la resolución de las ecuaciones que gobiernan el flujo de fluidos y de todos aquellos elementos que influyen en ella, tales como la interacción de flujos, trasferencia de calor, cantidad de movimiento, entre otras.

Así, se resuelven numéricamente las ecuaciones de transporte, transmisión de calor, reacciones de combustión, etc. con la particularidad de que suponen un análisis detallado del caso al considerar la geometría del problema a resolver y el entorno que pueda influir en la resolución del mismo (aplicando un mallado en el que se definen cientos de miles de volúmenes de control unitarios), y siendo por tanto una simulación muy aproximada a la realidad del problema.

APLICACIONES DE LAS SIMULACIONES CFD

Una vez que conocemos en qué consisten estas simulaciones, podemos intuir su aplicación en un gran número de estudios. Entre las principales aplicaciones de cara al diseño y operación de instalaciones intrínsecamente seguras se pueden resaltar las siguientes:

Estudios de edificios y/o salas de control.

Este tipo de estudios podemos realizarlo tanto a edificios nuevos como a existentes, en función de las necesidades u objetivos establecidos. Así podemos encontrarnos las siguientes finalidades:

• Mejor ubicación del edificio: teniendo en cuenta aspectos tales como, usos, número de personas en el interior (permanente o temporalmente), niveles de riesgos ALARP.
• Diseño estructural del edificio: para garantizar la integridad del mismo en el caso de que se vea afectado por valores de sobrepresión y/o radiación térmica que requieran un nivel de protección especial para las personas y los sistemas de control de las instalaciones que albergan en su interior.
• Adaptación a nuevos estándares de seguridad, requisitos legales y/o buenas prácticas para garantizar los máximos niveles de seguridad y protección de las personas.

Estudios de efectos y consecuencias.

Estos estudios resultan de aplicación a cualquier instalación que utilice o maneje sustancias con características peligrosas en las que puedan tener lugar situaciones accidentales como consecuencia de fugas y/o pérdida de control del proceso. Así, debido a estas situaciones, pueden tener lugar incendios con la consecuente radiación térmica emitida, nubes inflamables y/o explosiones con la generación de sobrepresiones y nubes tóxicas, todo ello en función de las características peligrosas de las sustancias implicadas en el accidente, así como las condiciones de contorno de la propia instalación tales como implantación, localización de equipos, condiciones meteorológicas, proceso, etc.

Entre las numerosas aplicaciones de estos estudios podemos destacar las siguientes:

• Definición de la implantación y ubicación de equipos en la fase de diseño: de esta forma, conociendo con un gran detalle los posibles efectos de situaciones accidentales, podremos ubicar los equipos de proceso en general, y los equipos críticos en particular en las ubicaciones más seguras o de menor riesgo con objeto de garantizar la integridad de los mismos y consecuentemente del proceso, evitando de esta forma cambios a lo largo del proyecto y el sobrecoste que ello conlleva.
• Definición de protección de equipos: cuando no es posible la implantación más idónea desde el punto de vista del nivel de riesgo, por ejemplo, por falta de espacio, o bien porque se trata de instalaciones existentes, la siguiente actuación para garantizar la seguridad e integridad de las instalaciones es la protección adecuada de las mismas. En este sentido el disponer de simulaciones CFD con el detalle que ello conlleva, aporta información para conocer cómo pueden verse afectados los equipos y, en caso de accidente, nos permitirá diseñar y elegir la mejor protección para los mismos.
• Estudio de efecto dominó: de especial importancia en este punto es la protección para evitar el conocido como “efecto dominó” en las instalaciones, el cual a partir de una situación accidental puede hacer que se desencadene una serie de situaciones posteriores de igual o peores consecuencias que la inicial si la implantación de instalaciones, equipos y/o protección de los mismos no ha sido adecuadamente realizado en función de los riesgos de la instalación.
• Estudios SEVESO: las instalaciones afectadas por la normativa de accidentes graves, conocida como legislación SEVESO, al margen de los propios requisitos internos de seguridad de la empresa o compañía, presentan una serie de obligaciones legales en cuanto a la prevención de accidentes graves en las instalaciones. La utilización de este tipo de estudios para la simulación de situaciones accidentales en la planta permite tener un mayor conocimiento de la evolución real del accidente, tanto dentro de la instalación, como de su impacto en el exterior y su posible afectación a la población, frente a los modelos 2D utilizados mayoritariamente en la actualidad para este tipo de análisis.

METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE SIMULACIONES CFD

Como se ha visto en el apartado anterior, las aplicaciones para este tipo de simulaciones son bastante amplias por lo que el primer paso es conocer el objeto del estudio, es decir para qué o por qué se realiza dicho estudio. En este sentido, antes de lanzarnos a realizar simulaciones se debe acotar muy bien el objetivo del estudio y el número de simulaciones necesarias para cubrir objetivo.

Todos somos conscientes en este punto del gran número de variables que influyen en cada simulación. A modo de ejemplo podemos encontrarnos entre otras las siguientes:

• Direcciones de viento a considerar (rosa de viento completa o direcciones predominantes)
• Dirección de la fuga (vertical, horizontal, con un ángulo, en todas las posibles direcciones de la circunferencia de la tubería o equipo)
• Tamaño de la fuga a simular.
• Geometría de la zona de fuga/dispersión (zonas de confinamiento).
• Localización de puntos de ignición.
• Evolución de la nube con el tiempo (máximo alcance o máxima masa inflamable).

El considerar todas y cada una de las situaciones y/o variables posibles nos llevaría a un número de simulaciones excesivo, poco realista e inviable desde el punto de vista de tiempo y coste. Adicional a lo anterior, nos podemos preguntar qué nos aportaría teniendo en cuenta el objetivo del estudio a realizar ese exceso o plus de simulaciones, en realidad no mucho si hemos hecho la selección adecuada en base a aspectos tales como similitud de situaciones, probabilidades, condiciones meteorológicas representativas, etc. Se requiere, por tanto, una etapa previa en la que aplicar criterio experto de analistas de riesgos para limitar el alcance técnico del estudio

Una vez decidido el alcance y acotadas las características de dichas simulaciones, lo siguiente a definir es el enfoque del análisis, el cual, podemos dividir entre un análisis determinístico o probabilístico del estudio.

La forma más adecuada para proceder, y recomendado por la mayoría de las normas de aplicación, es mediante un estudio/análisis probabilístico, de forma que teniendo en cuenta la frecuencia de ocurrencia de los distintos escenarios, así como de las evoluciones tras la fuga, frecuencias de direcciones de viento, así como frecuencia de ignición (para el caso explosiones), nos permita disponer de información de utilidad en cuanto a valores de sobrepresión, impulso, concentraciones, etc, más probables teniendo en cuenta la combinación de un gran número (cientos o incluso miles) de simulaciones de situaciones accidentales. Esta información es el resultado de aplicar dicho enfoque probabilístico en el cual se determinan las denominadas “exceedance curves”, las cuales proporcionan la frecuencia de ocurrencia de la variable estudiada en cada caso (sobrepresión, radiación térmica, concentración tóxica, etc).

Por el contrario, los estudios determinísticos o de determinación de consecuencias exclusivamente, no aportan valor si se realizan con simulaciones CFD puesto que sus resultados estarán basados en hipótesis conservadoras basadas en las peores consecuencias y que pueden ser similares a los resultados obtenidos en estudios 2D con cálculos convencionales.

Una vez definidos los objetivos, el tipo de estudio (determinístico o probabilístico) y el número de simulaciones necesarias, las etapas generales a seguir para el desarrollo de los mismos son las siguientes:

• Selección del código CFD o software a emplear. De los distintos programas de simulación existentes se elegirá aquel que se adapte mejor a las necesidades del estudio a realizar (en el mercado pueden encontrase distintos tipos de software para dispersiones de nubes inflamables y cálculo de explosiones y radiación térmica, para incendios en interiores y para dispersión de nubes tóxicas, entre otros) y que proporcione los resultados esperados.
• Definición del problema. Es decir, qué queremos estudiar, cuál será nuestra hipótesis accidental, que resultados queremos, valores de radiación térmica, sobrepresión, niveles de concentración de sustancia, etc.
• Definición del área o dominio de estudio, modelo. En este sentido habrá que elegir adecuadamente el volumen donde se realizará el estudio, así como la geometría 3D a tener en cuenta.
• Definición del mallado o celdas. Habrá que definir adecuadamente el número de celdas en el que se dividirá el volumen de estudio dado que de la adecuada selección de las celdas dependerá la convergencia del modelo que estemos utilizando y por tanto el éxito del estudio.
• Configuración del problema en el modelo. En esta fase se seleccionarán las ecuaciones de aplicación y se definirán todos los parámetros necesarios para las simulaciones a realizar.
• Resolución numérica del problema. Una vez definido el problema, el modelo, las ecuaciones y parámetros, se ejecutará el software, donde mediante un proceso iterativo en cada una de las celdas definidas se resolverán las ecuaciones elegidas. El tiempo de cálculo variará en función de los parámetros de entrada definidos y del software seleccionado.
• Resultados. Una vez finalizado el proceso de cálculo podremos obtener la información necesaria en base al objeto del estudio y de nuestras necesidades en forma de gráficos, imágenes o tablas.

CONCLUSIONES

El artículo pretende mostrar las aplicaciones y utilidad de las simulaciones CFD, en un campo poco utilizado hasta la fecha como puede ser el diseño de instalaciones seguras y la protección de instalaciones. Como conclusiones principales de lo expuesto pueden destacarse que el uso de estas herramientas permite:

• Un conocimiento más realista de la evaluación y efectos asociados a hipótesis accidentales que puedan tener lugar en las instalaciones.
• Disponer de información más exhaustiva y detallada para la toma de decisiones de protección de equipos e inversiones que evitan sobrecostes en fases más avanzadas de proyecto.
• Diseñar, localizar y proteger adecuadamente edificios de control o cualquier edificio con presencia de personas.
• Un análisis detallado del efecto dominó y establecer niveles de riesgos adecuados a cada instalación en función de su configuración y ubicación.

AUTORES:

• Pastora Fernández Zamora (Jefe Área de Análisis de Riesgos)
• Alfredo Ramos Rodríguez (Jefe Departamento Seguridad Industrial INERCO)
• Juan Santos Remesal (Director División Seguridad Industrial INERCO)