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.
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.
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...
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 conditions, hydrogen had a 30kPa maximum overpressure, CNG had a 0.4kPa and HCNG had a 3.5kPa. HCNG overpressure was 7.75 times higher than the CNG measurement, but HCNG overpressure was only 11.7% compared to hydrogen. In case of flame propagation, hydrogen had a very fast propagation characteristics. On the other hand, CNG and HCNG flame propagation velocity and distance tended to be relatively safe in comparison to hydrogen. The estimated flame boundary distance by jet-fire of hydrogen was a 5.5m, CNG was a 3.4m and HCNG was a 3.9m.
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 conditions, hydrogen had a 30kPa maximum overpressure, CNG had a 0.4kPa and HCNG had a 3.5kPa. HCNG overpressure was 7.75 times higher than the CNG measurement, but HCNG overpressure was only 11.7% compared to hydrogen. In case of flame propagation, hydrogen had a very fast propagation characteristics. On the other hand, CNG and HCNG flame propagation velocity and distance tended to be relatively safe in comparison to hydrogen. The estimated flame boundary distance by jet-fire of hydrogen was a 5.5m, CNG was a 3.4m and HCNG was a 3.9m.
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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.
제안 방법
2와 같은 고압가스 누출장치를 모델링하였다. 가스누출 노즐의 직경은 1.0mm로 하고 이때 용기로부터 배출 되는 가스의 압력은 동일 조건에서 연료별 특성을 분석하기 위해 207bar로 일정하게 설정하였다. 압력은 자동차용 내압용기 안전 규정에 따른 실제 사용압력이다[8].
압력은 자동차용 내압용기 안전 규정에 따른 실제 사용압력이다[8]. 가스누출은 10s 동안 지속하여 고압가스의 누출특성을 비교 분석하였다. 가스누출 농도를 측정하기 위한 모니터 포인트는 누출지점으로부터 50cm 간격으로 P2~P12까지 배치하였다.
가스조성은 100% 수소, 30% 수소 + 70% CNG, 100%CNG의 경우를 해석하였고, 누출된 가스의 양은약 5톤으로 이때 폭발성 대기의 영역은 6×5.4×2.5m이며 외 기는 바람의 영향이 없는 조건을 사용한다.
1과 같은 일반적인 고압가스 충전소를 모델링하였다. 고압가스 충전소에서 어떤 미상의 원인에 의해 대량의 가스가 누출되어 폭발성 대기가 형성되고, 점화원에 의해 폭발이 발생할 경우 즉, VCE(Vapor Cloud Explosion)가 발생하는 상황을 FLACS를 활용하여 모사한다. 가스조성은 100% 수소, 30% 수소 + 70% CNG, 100%CNG의 경우를 해석하였고, 누출된 가스의 양은약 5톤으로 이때 폭발성 대기의 영역은 6×5.
일반적인 고압가스 충전소 레이아웃을 활용하여 연료를 CNG, 수소, 30%HCNG로 하였을 경우 충전소에서 가스누출에 의한 화재․폭발 상황을 모사하여 위험성을 비교 평가하였다. 그리고 가스별 누출 제트에 의한 피해영향을 분석하였다. 피해영향분석 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구는 3차원 위험성평가 시뮬레이션 툴을 활용하여 연료의 종류에 따른 충전소의 위험성을 비교 평가하였다. 일반적인 고압가스 충전소 레이아웃을 활용하여 연료를 CNG, 수소, 30%HCNG로 하였을 경우 충전소에서 가스누출에 의한 화재․폭발 상황을 모사하여 위험성을 비교 평가하였다.
본 연구는 기존의 충전소에 연료의 형태만 다르게 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 기존의 CNG충전소에 HCNG공급을 위한 설비를 추가할 경우 위험성을 평가 비교하고자 한다.
고압가스 누출사고에서 화재․폭발에 의한 피해와 함께 중요 피해를 가져올 수 있는 것이 제트화염에 의한 피해이다. 이에 대한 영향을 분석하기 위해 Fig.2와 같은 고압가스 누출장치를 모델링하였다. 가스누출 노즐의 직경은 1.
임사환 등은 이론적인 접근방법으로 LPG 저장탱크 폭발 시 인체에 치명적인 피해를 미칠 수 있는 한계거리를 예측하였다[3]. 이와 더불어 최근에 새로운 에너지 형태로 부각되고 있는 수소 및 수소혼합연료(HCNG) 그리고 DME-LPG 혼합연료에 대한 피해 영향분석이 수행되었다. 박달재 등은 DME-LPG 혼합연료에 대한 Worst Case 사고시나리오를 구성하여 피해영향분석을 실시하였고, DME혼합비율에 따른 상대적 위험성을 고찰하였다[4].
본 연구는 3차원 위험성평가 시뮬레이션 툴을 활용하여 연료의 종류에 따른 충전소의 위험성을 비교 평가하였다. 일반적인 고압가스 충전소 레이아웃을 활용하여 연료를 CNG, 수소, 30%HCNG로 하였을 경우 충전소에서 가스누출에 의한 화재․폭발 상황을 모사하여 위험성을 비교 평가하였다. 그리고 가스별 누출 제트에 의한 피해영향을 분석하였다.
13-15는 각각의 가스별 제트화염의 분포형태를 보여준다. 제트화염 분석을 통해 화염의 도달거리와 화염의 온도분포를 측정하였다. 제트화염의 형태를 보면 수소화염이 가장 멀리까지 도달하고 CNG화염은 수소 보다는 짧게 형성된다.
충전소의 화재․폭발 피해영향 분석을 위해 Fig.1과 같은 일반적인 고압가스 충전소를 모델링하였다. 고압가스 충전소에서 어떤 미상의 원인에 의해 대량의 가스가 누출되어 폭발성 대기가 형성되고, 점화원에 의해 폭발이 발생할 경우 즉, VCE(Vapor Cloud Explosion)가 발생하는 상황을 FLACS를 활용하여 모사한다.
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.
성능/효과
(1) 동일한 조건에서 수소, CNG, HCNG가 누출되어 화재․폭발이 발생할 경우 수소는 최대과압이 30kPa, HCNG는 3.5kPa 그리고 CNG는 0.4kPa의 과압이 측정되었다. HCNG의 과압이 CNG에 비해 7.
(2) 폭발 화염의 전파에 있어서 수소는 매우 빠른 화염전파 특성을 가지는 반면 30%HCNG와 CNG는 수소에 비해 전파속도 및 전파거리에서 비교적 완화된 속도 및 짧은 확산거리를 가지는 것으로 파악되었다.
(3) 누출제트의 25%LFL 도달거리는 수소, CNG, HCNG가 오차범위 안에서 동일한 수준으로 형성되었다. 제트화염의 경우 화염의 최대온도는 연료의 발열양에 비례하여 최대온도가 형성되었고, 화염경계거리는 수소가 5.
12에서 모니터지점 P3에서각 연료별 농도 비교를 통해 확인할 수 있다. 누출제트 분석 결과 25%LFL 한계거리는 수소가 약간 길지만 CNG 및 HCNG와 오차범위 안에서 동일한 수준임을 확인하였다.
연료에 따른 충전소 화재·폭발에 의한 위험성에 대한 정량적 평가를 실시해 본 결과 본 연구에서 평가하고자 하는 30%HCNG는 폭발압력 및 화염전파 특성에서 CNG보다는 위험성이 약간 증가하지만, 수소에 비해서는 상대적으로 위험성이 적은 연료로 평가 된다.
이러한 온도 차이는 연료의 발열량에 기인한 것으로(각 연료의 발열량: CNG 10,500kcal/Nm3 , 30%HCNG 8,336/Nm3 ,수소 3,055kcal/Nm3 ) 계산 결과는 이러한 경향을 잘 보여주고 있다. 제트화염 해석결과를 바탕으로 화염 경계 거리를 대기온도 보다 100℃ 높은 지점으로 가정할 때, 수소는 경계거리가 5.5m이고, CNG는 3.4m 그리고 HCNG는 3.9m로 파악된다.
후속연구
향후 기존의 CNG충전소에 HCNG공급을 위한 설비를 추가할 경우 위험성을 평가 비교하고자 한다. 이러한 위험성 평가 결과는 HCNG 충전소 기준을 제정하는데 기초자료로 유용하게 활용될 것이다.
본 연구는 기존의 충전소에 연료의 형태만 다르게 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 향후 기존의 CNG충전소에 HCNG공급을 위한 설비를 추가할 경우 위험성을 평가 비교하고자 한다. 이러한 위험성 평가 결과는 HCNG 충전소 기준을 제정하는데 기초자료로 유용하게 활용될 것이다.
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.
참고문헌 (8)
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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)
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)
Dal-Jae Park and Young-Soon Lee, "Consequence Analysis by Different DME-LPG Mixture Fuels", KIGAS, 15(2), 57-62, (2011)
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)
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)
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)
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