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문제 정의
- 본 논문에서는 울산 수소타운 내 정압기실의 센서위치 최적화 및 환기구 영향에 대한 실험을 통해 정압기실 안전관리 방향성 제시 및 효율성 제고에 기여하고자 하였다.
- 본 논문에서는 울산 수소타운 내 정압기실의 환기구 위치 및 센서 위치에 대한 분석 후 실증 실험을 통해 정압기실 안전관리의 효율 향상 및 방향성을제시하고자 하였다.
- 이에 따라 정압기실에서의 가스누출경보기 설치 위치 및 수소 감지 농도 등과 환기구 영향 등의 항목들은 수소타운에 적용 중인 수소 압력조정설비 중 안전성 확인이 필요하다고 판단하였다. 본 연구에서는 실제수소 사용시설 분석을 통해 제작된 저압수소 사용시설 모의 Test-Bed의 수소 누출 실증 시험을 통해 수소 누출 특성을 분석하고자 하였다. 주요 검토 항목은 가스누출경보기 기능, 가스누출경보기 설치장소, 가스누출경보기 설치 개수, 자연환기설비 등이 있는데 모의 Test-Bed 실증 시험을 통해 가스누출경보기의 적정 경보발생 시점, 가스누출검지기의 적정 설치 장소, 자연환기구의 구조 등을 설정하는 데 필요한 기초자료로 확보하고자 하였다11,12).
- 본 연구에서는 실제수소 사용시설 분석을 통해 제작된 저압수소 사용시설 모의 Test-Bed의 수소 누출 실증 시험을 통해 수소 누출 특성을 분석하고자 하였다. 주요 검토 항목은 가스누출경보기 기능, 가스누출경보기 설치장소, 가스누출경보기 설치 개수, 자연환기설비 등이 있는데 모의 Test-Bed 실증 시험을 통해 가스누출경보기의 적정 경보발생 시점, 가스누출검지기의 적정 설치 장소, 자연환기구의 구조 등을 설정하는 데 필요한 기초자료로 확보하고자 하였다11,12).
제안 방법
- 검은 색으로 되어 있는 네모는 닫힌 상태이며, 흰색으로 된 네모는 열린 상태를 말한다. 4가지 Type으로 분류한 후 임의로 각각의 Type에 대해 이름을 부여하였다. 기본적으로 밀폐 공간에서의 유동을 파악하기 위하여 환기구를 모두 닫은 상태에서 먼저 실험을 진행하였고, 그 다음 4가지 Type의 환기 조건에 따라 실험을 진행하였다.
- 가스누출경보기의 적정 설치장소 및 개수, 자연환기구의 구조 등을 설정하는데 필요한 기초자료 확보를 위해 울산 수소타운의 정압기가 설치된 시설의 구조와 유사한 형태로 제작된 Test-Bed에서 전기화학센서를 이용하여 다양한 실증실험을 진행하였다. Fig.
- 4가지 Type으로 분류한 후 임의로 각각의 Type에 대해 이름을 부여하였다. 기본적으로 밀폐 공간에서의 유동을 파악하기 위하여 환기구를 모두 닫은 상태에서 먼저 실험을 진행하였고, 그 다음 4가지 Type의 환기 조건에 따라 실험을 진행하였다.
- 현재 수소타운 안전관리 지침에서 적용하고 있는 수소 압력조정설비의 자연환기구 크기는 바닥면의 3%이상으로 정하고 있어 실제 수소를 사용하는 시설에 적합한 환기구의 크기인지 확인이 필요하였다. 따라서 바닥면 대비 2%, 3%, 4%의 환기구가 좌우측 동일한 높이에 설치되어 있는 경우에 대한 실험을 6개 센서를 임의로 설치하여 진행하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 1분 동안 수소를 누출시킨 후 30분 동안 수소누출 거동에 대한 결과를 보았으며 그 외에 외부에서 영향은 줄 수 있는 풍속의 조건은 0.
- 위쪽 그림의 숫자 1은 감압시설이며, 숫자 2는 송풍기, 숫자 3은 데이터 로거, 숫자 4는 Power Supply, 숫자 5는 수소용기를 나타내고 있으며, 아래쪽 그림은 감압시설인 정압기실 내부를 나타내고 있다. 모의 Test-Bed 내부의 수소 압력조정설비 중 저압부 구간을 지정하여 수소 누출 가능성이 가장 높은 밸브 등의 위치로 가정하여 누출부를 지정하였고 정확한 수소 유동을 유추하기 위해 국내에서 제작한 저농도 수소검지모듈을 압력조정설비함 상부에 균등한 간격으로 9개를 설치하여 실험하였다. 본 실증 시험에 사용된 수소가스검지 모듈은 특정가스에 반응하는 전기화학식(Electrochemical) 센서로 내장된 전극의 작용에 의해 측정 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 발생하는 전자의 양(전류)를 측정함으로서 가스의 농도를 검지한다.
- 모의 Test-Bed 내부의 수소 압력조정설비 중 저압부 구간을 지정하여 수소 누출 가능성이 가장 높은 밸브 등의 위치로 가정하여 누출부를 지정하였고 정확한 수소 유동을 유추하기 위해 국내에서 제작한 저농도 수소검지모듈을 압력조정설비함 상부에 균등한 간격으로 9개를 설치하여 실험하였다. 본 실증 시험에 사용된 수소가스검지 모듈은 특정가스에 반응하는 전기화학식(Electrochemical) 센서로 내장된 전극의 작용에 의해 측정 대상 가스가 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 발생하는 전자의 양(전류)를 측정함으로서 가스의 농도를 검지한다. 수소 가스검지 모듈의 수소 측정가능 범위는 0~1,000 ppm으로 상당히 저농도의 수소도 검지할 수 있는 능력을 가지고 있으며 농도는 DC전압 출력신호를 변환하여 나타낼 수 있다.
- 3 m/s로 유풍을 주었다14). 본 저압수소 사용시설 모의 Test-Bed 실증 실험은 수소 압력조정설비 내 환기구의 위치에 따른 환기 성능 평가 및 수소 누출 농도에 따른 수소 센서의 감지 정도를 확인하여 수소 센서의 위치에 대한 실증 실험 등을 진행하였다.
- 실증 실험 시 수소의 누출 조건으로는 유량을 1 LPM과 1.5 LPM의 2가지 경우로 하였고, 수소 누출시간은 10분으로 하였다13). Leak Point에서의 직경은 18 mm로 하였고, Power Supply에서는 전압을 5 V 인가하였다.
- 전산해석 데이터 신뢰성 확보 및 데이터 분석의 용이함을 위하여 수소 누출량을 1.5 LPM으로 같은 실험을 진행하였다. 먼저 왼쪽 상단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Upper Type 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 정압설비 부분은 현재 적용되고 있는 가스누출경보기 및 가스누출검지기, 자연환기설비 등에 대해 분석하고 센서 위치 및 환기구 위치에 따른 영향을 파악 및 분석하기 위해 Test Bed에서 실증실험을 진행하였다. 수소 가스가 1 LPM이 누출되었을 때 Upper Type이 수소 농도를 감지한 수치가 가장 낮은 형태를 보였으며, 1.
- 환기구 위치에 따른 수소 누출 상황에 대한 영향을 분석하기 위해 위치별 Type을 4가지로 분류하였다. 검은 색으로 되어 있는 네모는 닫힌 상태이며, 흰색으로 된 네모는 열린 상태를 말한다.
성능/효과
- 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 실험 중 CH 8의 경우 센서 고장으로 인하여 데이터 오류가 발생하였다. 나머지 센서들의 데이터 값을 비교한 결과, 이 Type은 CH 5의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 두 번째로 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 일부분과 왼쪽 및 오른쪽 하단부의 일부분의 환기구가 열린 상태인 UP & Down Type의 결과에서도 역시 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 8의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 두번째로 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 일부분과 왼쪽 및 오른쪽 하단부의 일부분의 환기구가 열린 상태인 UP& Down Type의 결과에서는 CH 7의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 세 번째로 왼쪽 상단부와 오른쪽 하단부의 환기구가 열린 상태인 Cross A Type의 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 3의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 8의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 수소 누출량이 1 LPM일 때 실험을 진행한 실험 결과를 정리하면, 4가지 Type의 환기 조건이 큰 차이를 보이지는 않지만 평균 데이터 수치를 비교하였을 때 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Upper Type이 대부분의 시간에서 가장 낮은 농도를 감지한 것을 확인할 수 있었다.
- 세 번째로 왼쪽 상단부와 오른쪽 하단부의 환기구가 열린 상태인 Cross A Type의 결과에서는 CH 7의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 실험 중 CH 8의 경우 센서 고장으로 인하여 데이터 오류가 발생하였다. 나머지 센서들의 데이터 값을 비교한 결과, 이 Type은 CH 5의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 5 LPM으로 같은 실험을 진행하였다. 먼저 왼쪽 상단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Upper Type 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 두번째로 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 일부분과 왼쪽 및 오른쪽 하단부의 일부분의 환기구가 열린 상태인 UP& Down Type의 결과에서는 CH 7의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 3 m/s로 제한하였다. 바닥면 대비 2% 환기 시에는 센서 1, 2, 3은 1000 ppm이상까지 급격하게 올라갔으나 바닥면 대비 4% 환기 시에는 누출과 동시에 다른 확산이 빠르게 진행되어 센서 1, 2, 3에 집중되지 않고 모든 센서가 위치한 지점에 골고루 확산된 것을 확인하였다. 따라서 환기구의 크기가 증가할수록 내부에서 확산이 빠르게 진행되어 수소가 일정한 지점에 집중되는 현상을 막을 수 있을 것으로 예측하고 있다.
- 두 번째로 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 일부분과 왼쪽 및 오른쪽 하단부의 일부분의 환기구가 열린 상태인 UP & Down Type의 결과에서도 역시 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 8의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 세 번째로 왼쪽 상단부와 오른쪽 하단부의 환기구가 열린 상태인 Cross A Type의 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 3의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 8의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.
- 두번째로 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 일부분과 왼쪽 및 오른쪽 하단부의 일부분의 환기구가 열린 상태인 UP& Down Type의 결과에서는 CH 7의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 세 번째로 왼쪽 상단부와 오른쪽 하단부의 환기구가 열린 상태인 Cross A Type의 결과에서는 CH 7의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 6의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 실험 중 CH 8의 경우 센서 고장으로 인하여 데이터 오류가 발생하였다.
- 정압설비 부분은 현재 적용되고 있는 가스누출경보기 및 가스누출검지기, 자연환기설비 등에 대해 분석하고 센서 위치 및 환기구 위치에 따른 영향을 파악 및 분석하기 위해 Test Bed에서 실증실험을 진행하였다. 수소 가스가 1 LPM이 누출되었을 때 Upper Type이 수소 농도를 감지한 수치가 가장 낮은 형태를 보였으며, 1.5 LPM이 누출되었을 때는 Cross B Type이 수소 농도를 감지한 수치가 가장 높은 형태를 보였다. 수소 누출이 이루어지는 부분인 Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 개방된 상태인 Cross A Type, Upper Type, Up & Down Type 등에서는 최소 농도 값을 보였고, Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 막혀 있는 Cross B Type의 경우 상대적으로 높은 농도 값을 보였다.
- 마지막으로 왼쪽 하단부와 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Cross B Type의 결과에서는 CH 4의 데이터가 가장 높은 것을 확인할 수 있고, CH 8의 데이터가 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 수소 누출량이 1 LPM일 때 실험을 진행한 실험 결과를 정리하면, 4가지 Type의 환기 조건이 큰 차이를 보이지는 않지만 평균 데이터 수치를 비교하였을 때 왼쪽 및 오른쪽 상단부의 환기구가 열린 상태인 Upper Type이 대부분의 시간에서 가장 낮은 농도를 감지한 것을 확인할 수 있었다.
- 5 LPM일 때 실험을 진행한 실험결과를 정리하면, Cross B Type을 제외한 3가지 Type의 환기 유형은 비슷한 그래프 형상을 나타내 큰 차이를 보이지 않았다. 수소 누출량이 1 LPM일 때와 1.5 LPM일 때 데이터를 비교해 보면, 감지되는 수소 농도의 수치는 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 수소가 다량으로 누출된 상황에서는 상기의 결과와는 다르게 나올 수 있을 것이라 예상되며, 그 결과에 따라 최적화된 환기 구조를 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
- 수소 누출량이 1.5 LPM일 때 실험을 진행한 실험결과를 정리하면, Cross B Type을 제외한 3가지 Type의 환기 유형은 비슷한 그래프 형상을 나타내 큰 차이를 보이지 않았다. 수소 누출량이 1 LPM일 때와 1.
- 수소 누출이 이루어지는 부분인 Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 개방된 상태인 Cross A Type, Upper Type, Up & Down Type 등에서는 최소 농도 값을 보였고, Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 막혀 있는 Cross B Type의 경우 상대적으로 높은 농도 값을 보였다.
- 수소 누출이 이루어지는 부분인 Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 개방된 상태인 Cross A Type, Upper Type, Up & Down Type 등에서는 최소 농도 값을 보였고, Leak Point와 가까운 부분의 환기구 상단부가 막혀 있는 Cross B Type의 경우 상대적으로 높은 농도 값을 보였다. 이 결과는1 LPM에서의 결과와 같이 다른 가스에 비하여 분자량이 작고 확산속도가 큰 수소의 특성상 상단부에서의 환기가 더 잘 이루어지고 있는 것으로 판단된다. 수소 센서의 위치 역시 분석한 바와 같이 천정에 최대한 가까운 위치에 설치해야 할 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한, 정압기의 이상 압력에 대한 설정압력이 정해져 있지 않아 지침을 적용하는데 어려움이 있을 것으로 판단된다. 따라서 압력 설정의 상한 값 또는 하한 값 등이 현재 수소타운에 적용할 수 있을지 에 대한 여부와 상용압력 설정, 그 밖의 경우에 대한 각각의 압력 설정 값 운영 가능성 여부에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 즉, 수소검지기는 수소 누출 가능성이 높은 배관 이음배 부분에 설치하고, 천장에 최대한 가깝게 설치해야 하고 폭발하한계의 1/4에 경보가 설정되고 1/2에서는 공급배관이 차단되는 구조를 가져야 하는 등 좀 더 세부적인 안전성 검증연구가 추가적으로 이루어져야할 것으로 판단된다. 또한, 정압기의 이상 압력에 대한 설정압력이 정해져 있지 않아 지침을 적용하는데 어려움이 있을 것으로 판단된다. 따라서 압력 설정의 상한 값 또는 하한 값 등이 현재 수소타운에 적용할 수 있을지 에 대한 여부와 상용압력 설정, 그 밖의 경우에 대한 각각의 압력 설정 값 운영 가능성 여부에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에 제시된 안전관리 기술 개발 방향은 울산 수소타운 내 수소 정압기실 및 사용시설의 안전관리 효율성 증대에 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 기대하며 나아가 국내 수소타운 및 수소 이용기기, 시설의 보급 활성화에도 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 세계적으로 유한한 에너지원과 화석 에너지 사용에 따른 환경오염, 기후변화 등의 문제점에 기인하여 수소 에너지가 주목을 받으면서 석유 경제 시대를 넘어 수소 경제 시대를 맞이하고 있다. 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장, 수송 및 이용에 이르기까지 다양한 방면으로 활용이 가능하여 세계 각국에서 관심을 두고 있으며, 향후 수소 경제에서 유일한 수소 이용기기인 수소연료전지 분야가 핵심을 이룰 것으로 예상된다1,2).
- 특히 실내 설치되는 수소검지기의 기능, 구조, 설치장소, 설치개수 등의 안전장치에 대한 추가 검증을 통한 지침 개정이 필요할 것으로 판단된다. 즉, 수소검지기는 수소 누출 가능성이 높은 배관 이음배 부분에 설치하고, 천장에 최대한 가깝게 설치해야 하고 폭발하한계의 1/4에 경보가 설정되고 1/2에서는 공급배관이 차단되는 구조를 가져야 하는 등 좀 더 세부적인 안전성 검증연구가 추가적으로 이루어져야할 것으로 판단된다. 또한, 정압기의 이상 압력에 대한 설정압력이 정해져 있지 않아 지침을 적용하는데 어려움이 있을 것으로 판단된다.
- 특히 실내 설치되는 수소검지기의 기능, 구조, 설치장소, 설치개수 등의 안전장치에 대한 추가 검증을 통한 지침 개정이 필요할 것으로 판단된다. 즉, 수소검지기는 수소 누출 가능성이 높은 배관 이음배 부분에 설치하고, 천장에 최대한 가깝게 설치해야 하고 폭발하한계의 1/4에 경보가 설정되고 1/2에서는 공급배관이 차단되는 구조를 가져야 하는 등 좀 더 세부적인 안전성 검증연구가 추가적으로 이루어져야할 것으로 판단된다.
- 5 LPM일 때 데이터를 비교해 보면, 감지되는 수소 농도의 수치는 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 수소가 다량으로 누출된 상황에서는 상기의 결과와는 다르게 나올 수 있을 것이라 예상되며, 그 결과에 따라 최적화된 환기 구조를 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
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