화석연료의 고갈과 대기오염 문제의 부담을 덜어줄 수 있는 신에너지 및 재생에너지에 대한 관심이 증가하면서 현재 사용 중인 LPG 및 LNG 가스의 대체 (혼합)연료로, DME (dimethyl ether)와 수소를 혼합 (HCNG)하여 사용하는 방안이 추진되고 있다. 이와 같은 에너지원은 인화성 가스 폭발의 위험을 가지고 있기 때문에, 본 연구에서는 기존의 시설에서 이 혼합연료를 사용할 경우에 대비한 안전관리의 일환으로, 3가지 폭발피해 예측방법 (TNT 당량모델, PHAST 및 CFD기반의 FLACS)을 이용하여 정량적 위험성 평가를 실시하였다. 그리고 각 폭발모델에 의해 산출된 사고결과인 과압의 차이를 비교하였고, 폭발모델의 사용방안을 제시하였다. 그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다.
화석연료의 고갈과 대기오염 문제의 부담을 덜어줄 수 있는 신에너지 및 재생에너지에 대한 관심이 증가하면서 현재 사용 중인 LPG 및 LNG 가스의 대체 (혼합)연료로, DME (dimethyl ether)와 수소를 혼합 (HCNG)하여 사용하는 방안이 추진되고 있다. 이와 같은 에너지원은 인화성 가스 폭발의 위험을 가지고 있기 때문에, 본 연구에서는 기존의 시설에서 이 혼합연료를 사용할 경우에 대비한 안전관리의 일환으로, 3가지 폭발피해 예측방법 (TNT 당량모델, PHAST 및 CFD기반의 FLACS)을 이용하여 정량적 위험성 평가를 실시하였다. 그리고 각 폭발모델에 의해 산출된 사고결과인 과압의 차이를 비교하였고, 폭발모델의 사용방안을 제시하였다. 그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다.
The interest about new and renewable energy is increasing to reduce the burden of problems by depletion of fossil fuels and air pollutions. For example, LNG/CNG and LPG are expected to be replaced, especially in transportation use, by HCNG mixture and DME-LPG mixture, respectively. Because these new...
The interest about new and renewable energy is increasing to reduce the burden of problems by depletion of fossil fuels and air pollutions. For example, LNG/CNG and LPG are expected to be replaced, especially in transportation use, by HCNG mixture and DME-LPG mixture, respectively. Because these new energies are still flammable gases, it is not inherently safe from the explosion. In this research, the quantitative risk analysis for using alternative mixtures in existing recharging facilities has been studied by using three types of explosion models (TNT equivalency model, PHAST and CFD-based FLACS) to manage the risk effectively. The differences of results by models were compared against, and the practical ways of when and how to use these models were suggested. It was also predicted that conventional gas filling stations would be converted as new energy stations without additional explosion risk.
The interest about new and renewable energy is increasing to reduce the burden of problems by depletion of fossil fuels and air pollutions. For example, LNG/CNG and LPG are expected to be replaced, especially in transportation use, by HCNG mixture and DME-LPG mixture, respectively. Because these new energies are still flammable gases, it is not inherently safe from the explosion. In this research, the quantitative risk analysis for using alternative mixtures in existing recharging facilities has been studied by using three types of explosion models (TNT equivalency model, PHAST and CFD-based FLACS) to manage the risk effectively. The differences of results by models were compared against, and the practical ways of when and how to use these models were suggested. It was also predicted that conventional gas filling stations would be converted as new energy stations without additional explosion risk.
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문제 정의
따라서 본연구에서는 인화성 가스인 DME (dimethyl ether)와 수소를 각각의 혼합연료로 안전한 사용을 위해 많은 제약이 있는 실제실험을 대신할 수 있는 여러 모델 중에서 가장 널리 사용되고 있는 폭발피해 예측방법을 이용하여 기존 충전소에서 신에너지 혼합물의 폭발에 대한 피해예측을 시뮬레이션 하였다. 또한 기존의 폭발모델 연구는 단순모델의 나열이나 소개 등의 내용으로, 정량적이고 구체적인 비교가 이루어지지 않았기 때문에 폭발모델 결과의 비교를 통해 폭발모델의 적용성을 검토하였다.
제안 방법
따라서 본연구에서는 인화성 가스인 DME (dimethyl ether)와 수소를 각각의 혼합연료로 안전한 사용을 위해 많은 제약이 있는 실제실험을 대신할 수 있는 여러 모델 중에서 가장 널리 사용되고 있는 폭발피해 예측방법을 이용하여 기존 충전소에서 신에너지 혼합물의 폭발에 대한 피해예측을 시뮬레이션 하였다. 또한 기존의 폭발모델 연구는 단순모델의 나열이나 소개 등의 내용으로, 정량적이고 구체적인 비교가 이루어지지 않았기 때문에 폭발모델 결과의 비교를 통해 폭발모델의 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 기존의 LPG 및 CNG 충전소에서 대체연료로 사용이 가능한 DME-LPG 혼합연료와 HCNG 혼합연료를 사용하는 경우에 3가지 폭발피해 예측방법(TNT 당량모델, PHAST 및 CFD기반의 FLACS)을 사용하여 사고결과를 시뮬레이션하고, 폭발 과압의 차이를 비교하여 폭발모델을 비교하였다. 그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다.
사고 시나리오로 선정한 LPG 및 CNG 충전시설의 탱크는 지상 가압식과 지하 가압식 탱크로, 저장용량은 5 ton, 온도는 25℃, 압력은 18 atm이다. 이 조건의 충전소 탱크에서 신에너지 연료의 순간누출로 인해 가스 구름이 형성되어 VCE (vapor cloud explosion)가 발생하는 사고 시나리오와 탱크 온도의 증가로 내부 액화가스의 기화가 원인이 되어 발생할 수 있는 BLEVE(boiling liquid expanding vapor explosion)에 대하여 폭발 시뮬레이션을 실시하였다. 이때, 사고 시나리오에 따라 폭발 시뮬레이션을 수행하기 위해 DME의 DB를 생성해야 하는데, PHAST에서 사용된 DME의 물리화학적 성질은 Table 3과 같다.
폭발모델에 따른 과압의 차이를 비교하기 위해 TNT 당량모델과 PHAST에 대해 10 m와 50 m 거리에서 비교하였으며, 그 결과는 Table 6 및 Table 7과 같다.
대상 데이터
사고 시나리오로 선정한 LPG 및 CNG 충전시설의 탱크는 지상 가압식과 지하 가압식 탱크로, 저장용량은 5 ton, 온도는 25℃, 압력은 18 atm이다. 이 조건의 충전소 탱크에서 신에너지 연료의 순간누출로 인해 가스 구름이 형성되어 VCE (vapor cloud explosion)가 발생하는 사고 시나리오와 탱크 온도의 증가로 내부 액화가스의 기화가 원인이 되어 발생할 수 있는 BLEVE(boiling liquid expanding vapor explosion)에 대하여 폭발 시뮬레이션을 실시하였다.
폭발 시뮬레이션에 사용된 충전소의 형태는 현재 DME-LPG 혼합연료를 공급하는 충전소가 아직 없기 때문에, 기존 LPG 충전소와 상대적인 비교를 위해 Fig. 1과 같이 1998년 부천의 LPG 충전소 폭발 당시의 개략도[9]를 참고하여 DME-LPG 충전소의 구조를 완성하였으며, 이를 바탕으로 FLACS 내에서 완성한 구조는 Fig. 2에 나타내었다. 그리고 HCNG 충전소 역시 Fig.
성능/효과
CNG 충전소에서 사용하게 될 CNG와 HCNG의 폭발 시뮬레이션 결과는 CNG는 2.7 ton, HCNG는 3.5 ton의 TNT 폭발과 유사하였으며, 이 결과를 이용하여 예측된 과압은 Table 5에서와 같이 수소가 가장 높은 과압을 나타내었고, HCNG, CNG 순서로 낮아지는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 기존의 LPG 및 CNG 충전소에서 대체연료로 사용이 가능한 DME-LPG 혼합연료와 HCNG 혼합연료를 사용하는 경우에 3가지 폭발피해 예측방법(TNT 당량모델, PHAST 및 CFD기반의 FLACS)을 사용하여 사고결과를 시뮬레이션하고, 폭발 과압의 차이를 비교하여 폭발모델을 비교하였다. 그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다. 그리고 폭발모델을 비교한 결과, VCE의 거리별 과압 예측에는 속도가 빠르고, 중간정도의 정확도를 가지고 있는 현상학적 모델인 PHAST가 적당하며, BLEVE에 의한 피해예측도 PHAST가 적당할 것으로 판단되었다.
6에서와 같이 점화원으로부터 50 m정도까지는 약 1 bar의 과압을 형성하며, 과압 분포가 거의 유사하였다. 그리고 CNG 및 HCNG는 액체가 아닌 압축 기체상태로 저장되기 때문에 BLEVE 현상은 발생하지 않고, 용기의 단순 물리적 파열이 일어남을 확인할 수 있었다.
5 m/s이고, 대기는 안정된 경우이다. 그리고 TNT 당량모델과 PHAST에 의한 결과가 FLACS에 의한 충전소 내부의 과압과 차이가 있는 것은 충전소 내부 공기의 분포와 흐름에 따라 폭발에 참여하는 가스의 양이 줄어들고, 폭발과 동시에 확산이 이루어지기 때문에 형성되는 과압이 감소되는 것으로 판단된다.
그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다. 그리고 폭발모델을 비교한 결과, VCE의 거리별 과압 예측에는 속도가 빠르고, 중간정도의 정확도를 가지고 있는 현상학적 모델인 PHAST가 적당하며, BLEVE에 의한 피해예측도 PHAST가 적당할 것으로 판단되었다. 3차원 CFD 기반 모델인 FLACS는 충전소 내부의 압력 분포를 확인할 수 있으므로, 방호시설에 대한 효과 및 검증에 사용할 수 있으나 지원 물성 등 프로그램 사용에 제한이 있다.
화재와 더불어 사고의 주요 형태인 폭발피해를 예측하기 위한 방법론에 대해서는 문헌자료를 바탕으로 비교한 예들이 있으나[1-3], 실질적인 시뮬레이션 결과를 바탕으로 비교한 예는 보고된 바가 드물다. 본 논문의 2.2절에 논의되는 바와 같이 크게 경험적 모델, 현상학적 모델, 그리고 CFD (computational fluid dynamics)기반 모델로 구분되는 폭발피해 예측 모델은 뒤로 갈수록 모델의 복잡성 증가와 더불어 시뮬레이션의 설정에 요구되는 노력 및 모사 시간도 증가하게 된다. 아울러 앞의 두 개 모델이 제공하는 정압(static pressure)에 그치지 않고, 방호설비의 효용성 검증에 요구되는 동압(dynamic pressure)을 얻기 위해서는 CFD기반 모델의 적극적인 활용이 요구 되는 시점이다.
926 ton의 TNT 폭발과 유사하였으며, 이 결과를 이용하여 예측된 과압은 Table 4와 같다. 표에서와 같이 동일한 거리에서 LPG가스 폭발의 경우의 과압이 제일 높고, DME-LPG, DME 순서로 낮은 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
3차원 CFD 기반 모델인 FLACS는 충전소 내부의 압력 분포를 확인할 수 있으므로, 방호시설에 대한 효과 및 검증에 사용할 수 있으나 지원 물성 등 프로그램 사용에 제한이 있다. 따라서 가능한 사고 시나리오를 현상학적 모델로 먼저 시뮬레이션 한 다음, 보다 정확한 결과 또는 내부 위치에 따른 상세한 정보를 필요로 하는 경우에만 CFD기반 프로그램의 실행이 가능한 전문기관에 의뢰를 하여 결과 확보 및 사고피해를 예측하는 것이 보다 효율적일 것으로 판단된다.
폭발 시뮬레이션을 위해 입력한 DME-LPG 충전소의 구조는 현재 지하탱크를 이용하여 운영 중인 LPG 충전소와 차이가 있으나, 본 연구에서는 가스 종류에 따른 폭발 시뮬레이션 결과를 분석하기 위한 것이기 때문에 앞으로 실제 운영이 될 충전소의 구조를 반영하여 시뮬레이션을 실시하고, 그 결과를 비교할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
녹색성장을 위해 발생하는 현상은 무엇인가?
최근 녹색성장을 위해 오존층 파괴, 지구온난화 등 대기오염문제가 중요한 문제로 대두되면서 대기오염에 영향을 미치는 요소 중의 하나인 화석연료의 사용에 대한 규제 강화와 동시에 대안으로 대체에너지 또는 신에너지들이 개발되고 있다. 이 중에서 차량용 연료의 경우 오염물질이 많은 휘발유와 디젤(diesel)은 매연이 적은 LPG, 천연가스 등으로 전환되고 있고, 매장량의 한계를 극복하기 위하여 신에너지로의 대체가 진행되고 있다.
DME-LPG 혼합연료와 HCNG 혼합연료를 사용하는 경우의 폭발피해 예측을 분석한 결과는 무엇인가?
본 연구에서는 기존의 LPG 및 CNG 충전소에서 대체연료로 사용이 가능한 DME-LPG 혼합연료와 HCNG 혼합연료를 사용하는 경우에 3가지 폭발피해 예측방법(TNT 당량모델, PHAST 및 CFD기반의 FLACS)을 사용하여 사고결과를 시뮬레이션하고, 폭발 과압의 차이를 비교하여 폭발모델을 비교하였다. 그 결과, 기존의 2가지 충전소에서 신에너지 혼합연료를 사용할 경우에는 폭발에 의한 추가 피해는 없을 것으로 예상되었다. 그리고 폭발모델을 비교한 결과, VCE의 거리별 과압 예측에는 속도가 빠르고, 중간정도의 정확도를 가지고 있는 현상학적 모델인 PHAST가 적당하며, BLEVE에 의한 피해예측도 PHAST가 적당할 것으로 판단되었다. 3차원 CFD 기반 모델인 FLACS는 충전소 내부의 압력 분포를 확인할 수 있으므로, 방호시설에 대한 효과 및 검증에 사용할 수 있으나 지원 물성 등 프로그램 사용에 제한이 있다. 따라서 가능한 사고 시나리오를 현상학적 모델로 먼저 시뮬레이션 한 다음, 보다 정확한 결과 또는 내부 위치에 따른 상세한 정보를 필요로 하는 경우에만 CFD기반 프로그램의 실행이 가능한 전문기관에 의뢰를 하여 결과 확보 및 사고피해를 예측하는 것이 보다 효율적일 것으로 판단된다.
연료들의 폭발사고를 고려해야하는 이유는 무엇인가?
그러나 이러한 대체연료의 사용이 상용화되기까지는 많은 점검과 연구가 필요하다. 특히, 대부분의 연료들이 인화성 가스이기 때문에 기존의 충전소 폭발사고를 고려해 보면 피해예방이 매우 중요한 요소이다. 화재와 더불어 사고의 주요 형태인 폭발피해를 예측하기 위한 방법론에 대해서는 문헌자료를 바탕으로 비교한 예들이 있으나[1-3], 실질적인 시뮬레이션 결과를 바탕으로 비교한 예는 보고된 바가 드물다.
참고문헌 (10)
J. Jiang, Z. G. Liu, and A. K. Kim, Comparison of Blast Prediction Models for Vapor Cloud Explosion, Institute for Research in Construction, National Research Council, Canada, (2001)
D. J. Park and Y. S. Lee, "A Comparison on Predictive Models of Gas Explosions", Korean Journal of Chemical Engineering, 26, 313-323, (2009)
CCPS, Guidelines for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs, Center for Chemical Process Safety, 2nd Ed., American Institute of Chemical Engineers, (1998)
N. Djebaili and C. Paillard, "Burning Velocities of Dimethyl Ether and Air", Combustion and Flame, 125, 1329-1340, (2001)
Z. Huang, Q. Wang, J. Yu, and Y. Zhang, "Measurements of Laminar Burning Velocity of Dimethyl Ether-Air Premixed Mixtures", Fuel, 86, 2360-2366, (2007)
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