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CFD를 활용한 수소-천연가스 혼합연료에 대한 피해영향 분석
Consequence Analysis of Hydrogen Blended Natural Gas(HCNG) using 3D CFD Simulation 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.5, 2013년, pp.15 - 21  

강승규 (한국가스안전공사 가스안전연구원 안전연구실) ,  방효중 (한국가스안전공사 가스안전연구원 안전연구실) ,  조영도 (한국가스안전공사 가스안전연구원 안전연구실)

초록
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본 연구는 3차원 위험성평가 시뮬레이션 툴(FLACS)을 활용하여 연료의 종류에 따른 위험성을 비교 평가하였다. 일반적인 고압가스 충전소 레이아웃을 활용하여 연료를 CNG, 수소, 30%HCNG로 하였을 경우 충전소에서 가스누출에 의한 화재 폭발 상황을 모사하여 피해영향을 비교 분석하였다. 그리고 가스별 누출제트에 의한 피해영향을 평가하였다. 동일한 조건에서 수소, CNG, HCNG가 누출되어 화재폭발이 발생할 경우 수소는 최대과압이 30kPa, HCNG는 3.5kPa 그리고 CNG는 0.4kPa의 과압이 측정되었다. HCNG의 과압이 CNG에 비해 7.75배 높게 측정되었으나, 수소에 비해서는 11.7%에 불과했다. 화염 전파에 있어서 수소는 매우 빠른 화염전파 특성을 가지는 반면 HCNG와 CNG는 수소에 비해 전파속도 및 전파거리에서 비교적 안전한 경향을 보였다. 제트화염에 의한 화염경계거리는 수소가 5.5m, CNG가 3.4m이고 HCNG는 CNG보다 약간 확장된 3.9m로 예측되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study evaluated comparison of the risk according to the type of fuel by three-dimensional simulation tool(FLACS). The consequence analysis of fire explosion and jet-fire was carried out in the layout of a typical high-pressure gas filling stations using CNG, hydrogen and 30%HCNG. Under the same...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 최근 강화된 CNG버스의 배기가스 기준을 충족하기 위해 국내 도입이 검토되고 있는 수소-천연가스 혼합연료(HCNG)에 대한 안전성 검토를 위해 기존의 수소 및 CNG와 이를 혼합한 HCNG연료에 대한 사고피해영향분석을 실시하여 위험성을 비교 평가하였다. 위험성 평가를 위해 위험성 시나리오를 구성하여 대상 연료별 폭발과압 및 폭발화염, 그리고 제트화염에 의한 위험성을 비교분석하여 기존의 수소및 CNG 관련 안전기준을 준용하거나 HCNG 충전인프라 기준을 제정할 때 기초자료로 활용하고자 한다.
  • 본 연구에서는 최근 강화된 CNG버스의 배기가스 기준을 충족하기 위해 국내 도입이 검토되고 있는 수소-천연가스 혼합연료(HCNG)에 대한 안전성 검토를 위해 기존의 수소 및 CNG와 이를 혼합한 HCNG연료에 대한 사고피해영향분석을 실시하여 위험성을 비교 평가하였다. 위험성 평가를 위해 위험성 시나리오를 구성하여 대상 연료별 폭발과압 및 폭발화염, 그리고 제트화염에 의한 위험성을 비교분석하여 기존의 수소및 CNG 관련 안전기준을 준용하거나 HCNG 충전인프라 기준을 제정할 때 기초자료로 활용하고자 한다.
  • 3D CFD 시뮬레이션 해석 툴은 기존의 이론 및 경험식을 이용한 해석방법에 비해 실제 환경조건을 유사하게 모사할 수 있다는 점에서 보다 신뢰성 있는 분석이 가능한 것으로 평가되고 있다. 이에 본 연구에서도 3차원 위험성평가 시뮬레이션 툴(FLACS)을 활용하여 연료의 종류에 따른 충전소의 위험성을 비교 평가하고자 한다. 현재까지 구체적인 HCNG 충전소 레이아웃이 확정되지 않은 상태이므로 일반적인 고압 가스 충전소 레이아웃을 활용하여 연료를 CNG, 수소, 30%HCNG로 하였을 경우, 충전소에서 가스누출 사고에 의한 화재․폭발 및 제트화염 상황을 모사하여 위험성을 비교한다.

가설 설정

  • 4. H2 explosion overpressure distributions.
  • 14. H2 jet fire and flame temperature.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
가스연료및 액화석유가스가 고압상태로 저장, 사용되는 이유는? 에너지 공급 인프라를 구축하는데 있어 필수적으로 요구되는 것이 안전이다. 특히 수소 및 천연가스 등과 같은 가스연료및 액화석유가스(LPG) 등은 사용의 효율성 제고를 위해 고압상태로 저장 사용되기 때문에 사고발생 시 대형 피해를 유발할 수 있어 위험성평가를 통해 충분한 안전성을 확보하여야 한다.
제트화염의 형태를 보면 수소화염이 가장 긴데, 그 이유는? HCNG가스의 제트화염은 수소 보다는 짧고 CNG보다는 길게 형성된다. 수소의 경우 매우 빠른 확산성과 연소속도로 인해 제트 화염이 길게 형성되는 것으로 분석된다. HCNG의 경우는 CNG와의 혼합으로 확산성 및 연소속도가 저하 되어 수소화염 보다 도달거리가 짧게 형성되었다.
3D CFD 시뮬레이션 해석 툴은 기존의 이론 및 경험식을 이용한 해석방법에 비해 어떤 점이 나은가? 최근 3차원 CFD 시뮬레이션 툴을 활용한 가스시설의 정량적 피해영향분석 사례가 종종 보고되고 있다[5-7]. 3D CFD 시뮬레이션 해석 툴은 기존의 이론 및 경험식을 이용한 해석방법에 비해 실제 환경조건을 유사하게 모사할 수 있다는 점에서 보다 신뢰성 있는 분석이 가능한 것으로 평가되고 있다. 이에 본 연구에서도 3차원 위험성평가 시뮬레이션 툴(FLACS)을 활용하여 연료의 종류에 따른 충전소의 위험성을 비교 평가하고자 한다.
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참고문헌 (8)

  1. Ko, Jae-Sun and Kim, Hyo, "The Fire Risk Assessment in Compressed Natural Gas Buses & Gas Station", T. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., 18(2), 57-67, (2004) 

  2. Sang-Hwa Jin, Tea-Woo Kim, In-Tae Kim, In-Won Kim and Yeong-Koo Yeo, "A Study on Reliability Analysis and Quantitative Risk Analysis for Liquefied Petroleum Gas Station", KIGAS, 5(4), 40-48, (2001) 

  3. Leem, Sa-Hwan and Huh, Yong-Jeong, "A Study on the Estimation of Human Damage Caused by Vapor Cloud Explosion(VCE) in LPG Filling Station", KIGAS, 14(2), 15-21, (2010) 

  4. Dal-Jae Park and Young-Soon Lee, "Consequence Analysis by Different DME-LPG Mixture Fuels", KIGAS, 15(2), 57-62, (2011) 

  5. Seungkyu Dan, Kyungjun Park, Tae-Ok Kim and Dongil Shin, "Explosion Simulations for the Quantitative Risk Analysis of New Energy Filling Stations", KIGAS, 15(1), 60-67, (2011) 

  6. Prankul Middha, Derek Engel and Olav R. Hansen, "Can the addition of hydrogen to natural gas reduce the explosion risk?", Int. J. of Hydrogen Energy, 36(3), 2628-2636, (2011) 

  7. Chang-Bong Jang, Hyang Jik Lee, Min-Ho Lee, Dong-Chul Min, Jong-Bae Back, Jae Wook Ko and Hyuck-Myun Kwon, "CFD Simulation Study to analyze the Dispersion and Explosion of Combustible Gas", KIGAS, 16(5), 58-65, (2012) 

  8. Safety Regulations for Automobile Pressure Vessels, Notice 2013-287, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, (2013) 

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