현재 가연성 가스의 누출시 누출된 가스의 확산과 VCE에 의한 과압을 예측하기 위해 여러 모델들이 이용되고 있다. 그러나 이 모델들은 누출설비의 지형과 장애물 그리고 건물들의 영향에 대해서는 충분히 고려하지 않은 단순한 접근방법을 이용하고 있다. 이에 본 연구는 누출된 물질의 연소형태, 설비의 Geometry, 난류, 장애물, 바람의 영향 등 여러 변수를 고려하여 보다 정확하게 분석할 수 있는 CFD(Computational Fluid Dynamics) Model을 검토함으로서 누출된 가스의 확산과정과 분포형태 그리고 폭발시 화염과 과압의 결과를 2D와 3D의 가상공간에서 제시하였다. 이러한 CFD 분석결과는 폭발에 대한 리스크 분석과 리스크 기반의 설계에 있어 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
현재 가연성 가스의 누출시 누출된 가스의 확산과 VCE에 의한 과압을 예측하기 위해 여러 모델들이 이용되고 있다. 그러나 이 모델들은 누출설비의 지형과 장애물 그리고 건물들의 영향에 대해서는 충분히 고려하지 않은 단순한 접근방법을 이용하고 있다. 이에 본 연구는 누출된 물질의 연소형태, 설비의 Geometry, 난류, 장애물, 바람의 영향 등 여러 변수를 고려하여 보다 정확하게 분석할 수 있는 CFD(Computational Fluid Dynamics) Model을 검토함으로서 누출된 가스의 확산과정과 분포형태 그리고 폭발시 화염과 과압의 결과를 2D와 3D의 가상공간에서 제시하였다. 이러한 CFD 분석결과는 폭발에 대한 리스크 분석과 리스크 기반의 설계에 있어 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
Various models are currently applied to predict the dispersion of leaked combustible gas and overpressure from a vapor cloud explosion(VCE). However, those models use simple approaches where topography and barriers of anti-leakage facilities and the effects of buildings were not sufficiently taken i...
Various models are currently applied to predict the dispersion of leaked combustible gas and overpressure from a vapor cloud explosion(VCE). However, those models use simple approaches where topography and barriers of anti-leakage facilities and the effects of buildings were not sufficiently taken into considerations. For this reason, this study has proposed the dispersion process of leaked gas, distribution patterns, and flames and overpressure generated from gas explosions in 2D and 3D virtual spaces by reviewing more accurately analyzable computational fluid dynamics (CFD) model by considering various variables including combustion types of leaked substances, geometry of facility, warm currents, barriers, the influence of wind, and others. The CFD analysis results are anticipated to be usefully applied for the risk analysis of explosion and for the risk-based design.
Various models are currently applied to predict the dispersion of leaked combustible gas and overpressure from a vapor cloud explosion(VCE). However, those models use simple approaches where topography and barriers of anti-leakage facilities and the effects of buildings were not sufficiently taken into considerations. For this reason, this study has proposed the dispersion process of leaked gas, distribution patterns, and flames and overpressure generated from gas explosions in 2D and 3D virtual spaces by reviewing more accurately analyzable computational fluid dynamics (CFD) model by considering various variables including combustion types of leaked substances, geometry of facility, warm currents, barriers, the influence of wind, and others. The CFD analysis results are anticipated to be usefully applied for the risk analysis of explosion and for the risk-based design.
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문제 정의
2) 이처럼 사고결과의 영향평가에 있어서 적용모델의 제한적인 요건을 고려할 때 정량적 위험성평가를 위해서는 더욱더 정밀한 사고결과의 예측방법이 요구되고 있으며 특히, 근거리에 대한 사고결과 영향평가는 더욱더 중요하다 판단된다. 이에 본 연구는 사고결과의 영향평가시 관련 설비 및 장치의 형태와 밀집도, 누출된 물질의 연소형태, 난류, 대기상태, 장애물, 바람의 영향 등 여러 변수를 고려하여 분석되는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 분석 방법에 대해 검토하였다.
제안 방법
사고 scenario는 Fig. 5와 같이 Gas header에 연결된 Gate Valve에서 가스가 누출되는 것으로 누출사고로 인한 증기운의 확산 simulation과 확산된 증기운의 VCE를 연계하여 simulation을 실시하였다. Simulation에 적용된 사고 Scenario는 Table.
이 연구는 가연성 가스를 저장하는 가스집합저장설비로부터 가스 누출에 대한 사고결과의 영향평가를 위해 단순 계산식 모델이 아닌 CFD simulation 방법을 이용하였다. 이를 위해 일차적으로 누출된 가스의 확산 simulation을 실시하였고 여기에 VCE simulation을 연계 구동 하였으며 simulation 결과를 2D와 3D의 가상공간에서 확인하였다. 그 결과 다음과 같은 점들을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
CFD simulation의 이해를 쉽게 하기 위해 이 연구는 복잡․다양한 화학설비나 화학공장의 장치들이 아닌 일반 사업장에 많이 설치되어 활용되고 있는 고정식 가스집합저장설비를 선정하였다. 이 설비는 현장에서 사용자가 용접을 위해 사용할 경우, 산업안전보건법상 유해위험방지계획서의 제출대상이 되는 위험설비로 설치형태는 대부분 유사하게 제작․ 설치되고 있으며 제품의 도장처리 후 건조를 위한 건조로나 Steel 부품의 강도조절을 위한 열처리로 또는 용접을 위한 가스를 일시적으로 대량 저장하기 위해 일반적으로 설치․운영하고 있다.
본 연구의 Simulation을 위해 FLACS에서 제작한 Geometry의 크기는 가로(X) 9m, 세로(Y) 5m, 높이(Z) 4.2m로 Fig. 3과 같다.
선정된 Model의 공정은 열처리로에 열원으로 사용하기 위해 주성분(99%)이 Propane인 LPG(Liquified Petroleum Gas)를 주변 충전소로부터 탱크로리로 운반하여 5㎥의 저장탱크에 액상으로 저장하고 있다. 저장탱크의 압력은 12kgf/㎠이며 탱크의 출구로부터 Vaporizer까지의 배관압력은 6.
이론/모형
이 연구는 가연성 가스를 저장하는 가스집합저장설비로부터 가스 누출에 대한 사고결과의 영향평가를 위해 단순 계산식 모델이 아닌 CFD simulation 방법을 이용하였다. 이를 위해 일차적으로 누출된 가스의 확산 simulation을 실시하였고 여기에 VCE simulation을 연계 구동 하였으며 simulation 결과를 2D와 3D의 가상공간에서 확인하였다.
최근 국외에서는 가연성 및 독성가스를 취급하는 설비와 장치들로 부터 누출사고에 대한 안전성 분석을 위해 CFD Simulation 방법을 사용하는 빈도가 증가하고 있다. 이는 시간에 따른 simulation이 가능함에 따라 프로젝트에 용이하게 적용 할 수 있는 큰 이점이 있기 때문으로[3] 현재 상업적으로 사용이 가능한 CFD 모델로서는 TNO와 Centry Dynamics에서 공동 개발한 AutoReaGas와 GexCon의 FLACS(Flame Acceleration Simulator)가 대표적이나 일반적으로 FLACS가 많이 사용되고 있으며 본 연구 또한, FLACS를 이용하였다.
성능/효과
1) FLACS는 단순 계산식 모델과는 달리 가스누출 관련설비와 장애물 등을 고려하여 2D와 3D의 가상공간에서 누출가스의 확산과정과 분포형태 그리고 폭발시 화염의 전파와 과압에 대한 분석을 할 수 있다.
2) FLACS에서 추가기능을 통해 위험지역내 원하는 지점에서의 가스농도와 폭발시 과압 그리고 최대과압(Pmax,)과 속도벡터(vector, m/s)를 확인 할 수 있다.
2) 이처럼 사고결과의 영향평가에 있어서 적용모델의 제한적인 요건을 고려할 때 정량적 위험성평가를 위해서는 더욱더 정밀한 사고결과의 예측방법이 요구되고 있으며 특히, 근거리에 대한 사고결과 영향평가는 더욱더 중요하다 판단된다. 이에 본 연구는 사고결과의 영향평가시 관련 설비 및 장치의 형태와 밀집도, 누출된 물질의 연소형태, 난류, 대기상태, 장애물, 바람의 영향 등 여러 변수를 고려하여 분석되는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 분석 방법에 대해 검토하였다.
3) 폭발효율과 연소열을 기반으로한 TNT- Equivalency Model 그리고 TNT 당량모델을 기반으로 바람과 대기상태가 포함된 PHAST의 경우와는 달리 대기상태, 바람, 누출가스의 기화율, 난류, 장애물의 위치와 밀집도 같은 여러 변수인자들이 고려되어 계산되며 2D와 3D에서의 simulation 결과를 동영상으로 확인 할 수 있다. 그러나 FLACS를 사용하기 위해서는 고비용과 전문적인 지식, 장시간의 교육이 요구될 만큼 복잡하고 다루기 쉽지 않다는 점 또한, 확인할 수 있었다.
3) 폭발효율과 연소열을 기반으로한 TNT- Equivalency Model 그리고 TNT 당량모델을 기반으로 바람과 대기상태가 포함된 PHAST의 경우와는 달리 대기상태, 바람, 누출가스의 기화율, 난류, 장애물의 위치와 밀집도 같은 여러 변수인자들이 고려되어 계산되며 2D와 3D에서의 simulation 결과를 동영상으로 확인 할 수 있다. 그러나 FLACS를 사용하기 위해서는 고비용과 전문적인 지식, 장시간의 교육이 요구될 만큼 복잡하고 다루기 쉽지 않다는 점 또한, 확인할 수 있었다. 끝으로 위에서 제시한 결과를 고려할 때 QRA(quantitative risk assessment) 적용시 FLACS와 같은 CFD simulation 방법을 이용할 경우 사고결과의 영향평가에 있어서 보다 신뢰성 있는 분석이 이루어질 것으로 판단된다.
후속연구
VCE 피해예측 모델 중 대표적으로 광범위하게 사용되고 있는 모델은 TNT-Equivalency Model로 폭발시 발생되는 강도를 TNT의 동일한 양으로 환산하여 계산하는 단순 계산식 모델로서 문헌에서는 이 모델을 과압이 30kPa 이하인 원 거리의 폭발영향 평가에 적용 할 것을 제안하고 있다.2) 이처럼 사고결과의 영향평가에 있어서 적용모델의 제한적인 요건을 고려할 때 정량적 위험성평가를 위해서는 더욱더 정밀한 사고결과의 예측방법이 요구되고 있으며 특히, 근거리에 대한 사고결과 영향평가는 더욱더 중요하다 판단된다.
그러나 FLACS를 사용하기 위해서는 고비용과 전문적인 지식, 장시간의 교육이 요구될 만큼 복잡하고 다루기 쉽지 않다는 점 또한, 확인할 수 있었다. 끝으로 위에서 제시한 결과를 고려할 때 QRA(quantitative risk assessment) 적용시 FLACS와 같은 CFD simulation 방법을 이용할 경우 사고결과의 영향평가에 있어서 보다 신뢰성 있는 분석이 이루어질 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
누출된 가스의 확산 simulation을 실시하였고 여기에 VCE simulation을 연계 구동 하였으며 simulation 결과를 2D와 3D의 가상공간에서 확인한 결과는?
1) FLACS는 단순 계산식 모델과는 달리 가스누출 관련설비와 장애물 등을 고려하여 2D와 3D의 가상공간에서 누출가스의 확산과정과 분포형태 그리고 폭발시 화염의 전파와 과압에 대한 분석을 할 수 있다.
2) FLACS에서 추가기능을 통해 위험지역내 원하는 지점에서의 가스농도와 폭발시 과압 그리고 최대과압(Pmax,)과 속도벡터(vector, m/s)를 확인 할 수 있다.
3) 폭발효율과 연소열을 기반으로한 TNT- Equivalency Model 그리고 TNT 당량모델을 기반으로 바람과 대기상태가 포함된 PHAST의 경우와는 달리 대기상태, 바람, 누출가스의 기화율, 난류, 장애물의 위치와 밀집도 같은 여러 변수인자들이 고려되어 계산되며 2D와 3D에서의 simulation 결과를 동영상으로 확인 할 수 있다. 그러나 FLACS를 사용하기 위해서는 고비용과 전문적인 지식, 장시간의 교육이 요구될 만큼 복잡하고 다루기 쉽지 않다는 점 또한, 확인할 수 있었다. 끝으로 위에서 제시한 결과를 고려할 때 QRA(quantitative risk assessment) 적용시 FLACS와 같은 CFD simulation 방법을 이용할 경우 사고결과의 영향평가에 있어서 보다 신뢰성 있는 분석이 이루어질 것으로 판단된다.
VCE 피해예측 모델 중 대표적으로 광범위하게 사용되고 있는 모델은?
VCE 피해예측 모델 중 대표적으로 광범위하게 사용되고 있는 모델은 TNT-Equivalency Model로 폭발시 발생되는 강도를 TNT의 동일한 양으로 환산하여 계산하는 단순 계산식 모델로서 문헌에서는 이 모델을 과압이 30kPa 이하인 원 거리의 폭발영향 평가에 적용 할 것을 제안하고 있다.2) 이처럼 사고결과의 영향평가에 있어서 적용모델의 제한적인 요건을 고려할 때 정량적 위험성평가를 위해서는 더욱더 정밀한 사고결과의 예측방법이 요구되고 있으며 특히, 근거리에 대한 사고결과 영향평가는 더욱더 중요하다 판단된다.
TNT-Equivalency Model로 폭발시 발생되는 강도를 TNT의 동일한 양으로 환산하여 계산하는 단순 계산식 모델로서 문헌에서는 무엇을 적용할 것을 제안하고 있는가?
VCE 피해예측 모델 중 대표적으로 광범위하게 사용되고 있는 모델은 TNT-Equivalency Model로 폭발시 발생되는 강도를 TNT의 동일한 양으로 환산하여 계산하는 단순 계산식 모델로서 문헌에서는 이 모델을 과압이 30kPa 이하인 원 거리의 폭발영향 평가에 적용 할 것을 제안하고 있다.2) 이처럼 사고결과의 영향평가에 있어서 적용모델의 제한적인 요건을 고려할 때 정량적 위험성평가를 위해서는 더욱더 정밀한 사고결과의 예측방법이 요구되고 있으며 특히, 근거리에 대한 사고결과 영향평가는 더욱더 중요하다 판단된다.
참고문헌 (3)
Anna Qial, Steven Zhang, "Advanced CFD modeling on vapor dispersion and vapor cloud explosion", Journal of Loss Prevention in the Process Industries", 23, 843-848,(2010)
Prankul Middha, Olav R. Hansen, Idar E. Storvik, "Validation of CFD-model for hydrogen dispersion", Journal of Loss Prevention in the Process Industries 22, 1034-.1038
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