[논문]CNG 용기용밸브의 압력방출장치 성능에 관한 연구

김영섭; 김래현; 이재훈

CNG 용기용밸브의 압력방출장치 성능에 관한 연구
A Study on Performance of Pressure Relief Devices of CNG Cylinder Valves 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.13 no.4, 2009년, pp.33 - 39

김영섭 (서울산업대학교에너지환경대학원) , 김래현 (서울산업대학교에너지환경대학원) , 이재훈 (한국가스안전공사가스안전연구원)

초록
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이 연구는 천연가스버스에 장착된 용기가 국부화염에 집중적으로 노출되었을 때나 외기온도가 높은 여름철 충전과정에서 과 충전되었을 때 용기파열을 방지하기 위한 방안으로 압력방출장치의 성능을 확인하고 확대 적용할 목적으로 의도되었다. 열사이클링 실험결과, $-40^{\circ}C{\sim}82^{\circ}C$ 인증기준에서 가스누출요건을 모두 충족하였지만 $-45^{\circ}C{\sim}135^{\circ}C$의 가속조건에서는 3개사 시험편중 2개사 시험편의 오링이 손상되었다. 또한 온도감응형 PRD의 평균작동시간은 액체봉입식이 1분 39초가 걸렸고, 가용합금식이 2분 31초가 소요되어 액체봉입식이 가용합금식보다 약 1분 정도 빠름을 나타내었다. 또한 압력감응형 PRD의 작동압력은 가속조건에서 약 32.1 MPa을 나타내었고 인증기준에서의 압력감응형 PRD의 파열압력은 $30.7{\sim}32.1\;MPa$를 기록하였다. 이상의 실험을 통해서 압력방출장치의 성능은 온도감응형 PRD의 경우, 액체봉입식이 가용합금식보다 화염에 더 효과적이며, 압력 감응형 PRD의 파열압력은 외부온도 및 반복가압이 파열판의 작동압력에 크게 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is intended to experiment performance of pressure relief device and to extend the effective ways to prevent cylinders of NGV from bursting when they are exposed to local fire intensively or when they are overcharged under ambient temperature at fueling stations in summer. In the results of thermal cycling experiments, all products of three companies met the requirements for gas leakage in the qualification criteria between $82^{\circ}C$ and $-40^{\circ}C$. But the o-rings of two companies' specimens among the three companies' specimens got damaged under the accelerated conditions between $135^{\circ}C$ and $-45^{\circ}C$. It took one minute and thirty nine seconds for a glass bulb type of a thermal sensitive type PRD to activate and it took two minutes and thirty one seconds for a fusible plug type of a thermal sensitive type PRD to activate. These results indicated that a glass bulb type of a thermal sensitive type PRD was one minute faster than a fusible plug type of a thermal sensitive type PRD. Under the accelerated condition $135^{\circ}C$, the activation pressure of a pressure sensitive type PRD burst at 32.1 MPa and, under the condition of qualification criteria, it burst from 30.7 MPa to 32.1 MPa.. As a result of the experiment for performance of pressure relief device, in the case of the thermal sensitive type PRD, a glass bulb type is more effective to flame than a fusible plug type. we confirmed that the rupture pressure of a pressure sensitive type PRD could not be affected by temperature and pressure cycling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 압력방출장치의 특성을 연구하여 천연가스버스에 부착된 용기가 국부화염에 집중적으로 노출되었을 때나 외기온도가 높은 여름철에 CNG용기가 과충전되었을 때에 용기의 파열을 방지하기 위한 방안을 모색하고자 실험을 수행하였다. 현행 KGS AC412-2008 부록B(압축천연가스 자동차용용기 기준)[2]에는 용기에 부착된 압력방출 장치가ANSI/IAS PRD 1b(천연가스자동차 연료용기용 압력방출장치 기준)의 기준[3]에 적합하게 제조․작동하도록 규정되어 있다.
이 실험은 CNG용기가 화재에 노출되었을 때 에틸렌글리콜 등의 부동액체가 봉입된 온도감응형 PRD와 납합금 등의 가용합금이 내장된 온도감응형 PRD의 특성을 평가할 목적으로 수행하였다. Fig.

제안 방법

실험장치는 크게 고압발생장치, PRD 반복가압장치, 그리고 환경시험장치 3부분으로 구성하였다. 고압발생장치는 질소용기, 가압장치, 고압저장설비 및 압력조정시스템을 모듈로 구성하였고 PRD 반복가압장치에는 고․저온용 환경챔버, 전기로, 수압가압장치를 포함하였으며 환경시험장치는 열충격시험기를 갖추고 있다. 압력방출장치 실험방법은 질소용기에 충전된 12 MPa의 질소를 부스터(Buster)가 내장된 가압장치를 이용하여 90 MPa로 가압하고 가압된 질소를 고압저장설비에 저장한다.
현행 KGS AC412-2008 부록B(압축천연가스 자동차용용기 기준)[2]에는 용기에 부착된 압력방출 장치가ANSI/IAS PRD 1b(천연가스자동차 연료용기용 압력방출장치 기준)의 기준[3]에 적합하게 제조․작동하도록 규정되어 있다. 따라서 ANSI/IAS PRD 1b에서 정하고 있는 기본적인 시험요건을 수행함으로써 PRD의 성능을 평가하였다.
고압발생장치는 질소용기, 가압장치, 고압저장설비 및 압력조정시스템을 모듈로 구성하였고 PRD 반복가압장치에는 고․저온용 환경챔버, 전기로, 수압가압장치를 포함하였으며 환경시험장치는 열충격시험기를 갖추고 있다. 압력방출장치 실험방법은 질소용기에 충전된 12 MPa의 질소를 부스터(Buster)가 내장된 가압장치를 이용하여 90 MPa로 가압하고 가압된 질소를 고압저장설비에 저장한다. 계속해서 저장된 질소를 압력조정시스템에서 원하는 압력으로 조정하여 PRD 반복가압 실험장치로 공급한다.
압력방출장치 실험은 ANSI/IAS PRD 1b에서 정하고 있는 설계인증시험 12가지 항목 중 파열판 파열압력, 열사이클링, Benchtop Activation의 열작동 압력방출장치 항목을 각각 가속조건, 인증기준에 대한 평가를 실시하였다. 여기서 Benchtop Activation 시험은 압력방출장치가 수명전체를 통해서 일관되게 작동한다는 것을 보여주기 위한 시험이다.

대상 데이터

실험장치는 크게 고압발생장치, PRD 반복가압장치, 그리고 환경시험장치 3부분으로 구성하였다. 고압발생장치는 질소용기, 가압장치, 고압저장설비 및 압력조정시스템을 모듈로 구성하였고 PRD 반복가압장치에는 고․저온용 환경챔버, 전기로, 수압가압장치를 포함하였으며 환경시험장치는 열충격시험기를 갖추고 있다.

이론/모형

이외에도 가스충전 시마다 받게 되는 맥동과 주행 중 차량에 부착된 용기가 받는 진동 등 압력감응형 PRD의 작동압력에 영향을 주는 요소가 많이 있다. 이 실험은 ANSI/IAS PRD-1 9.4절의 파열판의 파열압력 측정방법에 따라 수행하였다. 먼저 사용압력의 85%까지 급속하게 가압하고 가압한 상태에서 30초 이상을 유지한 후 재차 파열판이 파열할 때까지 압력을 가하였다.

성능/효과

(1) 열사이클링 실험결과, -40℃~82℃의 인증기준에서는 3개사 제품 모두 가스누출요건을 충족하였고, 가속조건에서는 3개사 시험편 중 2개사 시험편의 오링이 손상됨으로써 겨울철 혹한기 충전 시나 외부화재 등 주변 환경요인에 따라 압력방출장치가 영향을 받을 수 있음을 확인하였다.
(2) 온도감응형 PRD의 작동시간은 액체봉입식 온도감응형 PRD의 평균작동시간은 1분 39초를 기록하였고 가용합금식 온도감응형 PRD의 평균작동 시간은 2분 31초로 액체봉입식 온도감응형 PRD의 평균작동시간이 약 1분 정도 빠름을 나타내었다.
(3) 압력감응형 PRD의 작동압력은 가속조건에서, 압력감응형 PRD의 파열압력이 약 32.1 MPa을 나타내었고 인증기준에서는 파열압력이 30.7~32.1MPa로 나타나 가속조건과 큰 차이를 보이지 않았다. 이것은 온도 및 저온에서의 반복가압 등이 파열 판의 파열압력에 영향을 주지 않음을 확인할 수 있었다.
(4) 위의 실험결과를 고찰하면, 압력방출장치의 성능은 온도감응형 PRD의 경우, 액체봉입식이 가용합금식보다 화염에 더 효과적이며, 압력감응형 PRD의 파열압력은 외부온도 및 반복가압이 파열 판의 작동압력에 크게 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 조합식방출장치(온도․압력감응형 PRD)의 사용여부에 대해서는 이번 실험 외에도 화염실험[8,9]에 의한 유효성 확인, PRD의 반복충전에 의한 가스맥동 영향 등 추가실험이 있은 후 적용여부를 결정하는 것이 바람직할 것으로 생각되었다.
그런 다음 인증기준에 따라 파열판이 파열될 때까지 가압한다. 가속조건에서 압력감응형 PRD의 파열압력은 약 32.1 MPa을 나타내었고 인증기준에서의 압력감응형 PRD의 파열압력은 30.7~32.1 MPa로 나타나 가속조건과 큰 차이를 보이지 않았다. 이 결과로 볼 때, 압력감응형 PRD의 파열압력은 온도의 영향을 크게 받지 않고 있으며 또한 저온에서의 반복가압도 파열압력에 영향이 미미함을 확인할 수 있다.
8은 온도감응형 PRD의 작동시간을 하나의 그림으로 나타낸 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 액체봉입식 온도감응형 PRD의 평균작동시간은 1분 39초를 기록하였고 가용합금식 온도감응형 PRD의 평균작동시간은 2분 31초로 액체봉입식 온도감응형 PRD의 평균작동시간이 약 1분 정도 빠름을 보여주고 있다. 또한 내부압력 해소과정도 액체봉입식 온도감응형 PRD가 작동 즉시 해소되는 반면에 가용합금식 온도감응형 PRD는 완만한 곡선을 그리고 있어 압력 해소에 약간의 시간이 소요됨을 나타내 주고 있다.
28 ㎤/h의 누출을 기록하여 인증기준에서 정하고 있는 2㎤/h를 초과하지 않았다. 또한 온도감응형 PRD의 열사이클링 결과는 가속조건에서 R사와 V사 제품 PRD의 가용합금이 용기밸브의 방출구 외부로 흘러나오지 않은 반면에, Y사 제품은 Fig. 4와 같이 용융물질이 용기밸브의 방출구로 흘러나옴으로써 화재 등에 따른 압력방출 시 용융물질이 방출유로에 지장을 초래할 수 있음을 확인하였다.
열사이클링 실험은 독일산 WEISS TECHNIK사의 CLIMATS를 이용하였고 가속 열사이클링 조건에서 3개사 제품을 비교한 결과는 R사와 V사 제품의 밸브몸체 오링은 Fig. 3과 같이 부스러져 본래의 모습을 상실하였고 Y사의 밸브몸체 오링은 비교적 정상적인 모습을 보여주고 있다. 외관상 Y사 용기 밸브의 오링이 다른 2개사 제품보다 극한 온도조건에서 내구성이 더 좋은 것으로 확인되었다.
3과 같이 부스러져 본래의 모습을 상실하였고 Y사의 밸브몸체 오링은 비교적 정상적인 모습을 보여주고 있다. 외관상 Y사 용기 밸브의 오링이 다른 2개사 제품보다 극한 온도조건에서 내구성이 더 좋은 것으로 확인되었다. 그러나 인증기준 열사이클링 실험에서 오링의 모습은 3사 모두 정상제품과 실험 전·후 외관에서 큰 차이가 없었다.
1 MPa로 나타나 가속조건과 큰 차이를 보이지 않았다. 이 결과로 볼 때, 압력감응형 PRD의 파열압력은 온도의 영향을 크게 받지 않고 있으며 또한 저온에서의 반복가압도 파열압력에 영향이 미미함을 확인할 수 있다. Fig.

후속연구

(4) 위의 실험결과를 고찰하면, 압력방출장치의 성능은 온도감응형 PRD의 경우, 액체봉입식이 가용합금식보다 화염에 더 효과적이며, 압력감응형 PRD의 파열압력은 외부온도 및 반복가압이 파열 판의 작동압력에 크게 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 조합식방출장치(온도․압력감응형 PRD)의 사용여부에 대해서는 이번 실험 외에도 화염실험[8,9]에 의한 유효성 확인, PRD의 반복충전에 의한 가스맥동 영향 등 추가실험이 있은 후 적용여부를 결정하는 것이 바람직할 것으로 생각되었다.
이는 ANSI/IAS PRD-1의 도입부 경고문에서 이미 용기에 전달된 열이 국부적이고, 집중적일 때, 그리고 방출장치와 떨어져 있을 때나, 화염이 폭발적으로 극히 빨리 형성된 곳에서는 압력방출장치가 용기의 파열을 방지하지 못할 수도 있다고 언급하고 있기 때문이다. 그러므로 조합식방출장치의 파열판이 정격파열압력의 90% 이상과 정격파열압력 사이에서 작동한다면 11,250회 이상의 주기압력 반복시험과 화염시험에 의한 PRD의 유효성을 추가로 확인하는 절차가 필요하다고 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PRD는 무엇에 의해 작동하는가?	가 지속적으로 화염에 노출된다면 온도감응형이 아닌 압력감응형과 같은 PRD의 설치로 용기파열을 방지하는 조치가 필요하다고 하겠다. 열에 의해 작동하는 PRD는 PRD가 화염으로부터 떨어져 있거나 용기가 국부적으로 가열된다면 작동하지 않을 수 있다고 기록하고 있다.[5]
	압력감응형 용기용 밸브 중 스프링식을 쓰지 않는 이유는 무엇인가?	각각의 차이는 용기가 화염 등에 노출되었을 때 용기 내부의 이상 과압을 어떤 방법으로 해소할 것이냐에 따라 온도감응형 또는 압력감응형 PRD를 구분하여 설치한다. 온도감응형은 가용합금식(Fusible Metal Type)과 액체봉입식(Glass Bulb Type)으로 나누고 압력감응형은 파열판식(Rupture Disk Type)과 스프링식(Spring Type)으로 구분하는데 스프링식은 가연성 고압가스에는 적합하지 않아 사용하지 않고 있다. 구미 선진국에서는 온도감응형 PRD를 주로 부착하고 있는 반면에 적도 근방의 남미와 중동국가들은 온도감응형 PRD 뿐만 아니라 압력감응형 PRD도 부착하고 있다.
	온도감응형 또는 압력감응형 압력방출장치는 무엇에 따라 구분하여 설치하는가?	압축천연가스를 저장하는 용기용 밸브에도 온도감응형 또는 압력감응형 압력방출장치(PRD, Pressure Relief Device)를 부착하고 있다. 각각의 차이는 용기가 화염 등에 노출되었을 때 용기 내부의 이상 과압을 어떤 방법으로 해소할 것이냐에 따라 온도감응형 또는 압력감응형 PRD를 구분하여 설치한다. 온도감응형은 가용합금식(Fusible Metal Type)과 액체봉입식(Glass Bulb Type)으로 나누고 압력감응형은 파열판식(Rupture Disk Type)과 스프링식(Spring Type)으로 구분하는데 스프링식은 가연성 고압가스에는 적합하지 않아 사용하지 않고 있다.

참고문헌 (9)

Samual C. Nelson, Overview of the Safety Issues Associated with the Compressed Natural Gas Fuel System and Electric Drive System in a Heavy
압축천연가스 자동차용 용기기준, KGS AC412 (2008)
American National Standard for Pressure Relief Devices for Natural Gas Vehicle(NGV) Fuel Containers, ANSI/IAS PRD 1-199-2007
Pressure Relief Device Standards Part 1_Cylinders for Compressed Gases, CGA S-1.1_2003 Eleventh Edition, Compressed Gas Association, (2003)
Vehicular Fuel Systems Code, NFPA 52-2006 Edition, (2006)
M J Lawday and David Myers, Implementation of Safety Standards in the Design and Development of a Lightweight CNG Fuel Storage System for Buses, 11th IANGV Conference and Exhibition (2008)
Lennart Erlandsson and Christopher Weaver, Safety of CNG Buses in Delhi, Centre for Science and Environment, (2002)
Mark Trudgeon, An Overview of NGV Cylinder Safety Standards, Production and In-Service Requirements, (2005)
Gambone, L.R. and Wong.J.Y., Fire Protection Strategy for Compressed Hydrogen-Powered Vehicles, ICHS 2, (2007)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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