본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 간략화한 지하 복합발전 플랜트 내 파공 위치에 따른 가스 확산 및 유동특성을 고찰하였다. 특히 가스 누출 위치 주변의 장애물 배치가 밀폐 공간 내부의 가스 농도 분포에 미치는 영향을 분석하였으며, 메탄가스의 가연 한계 값을 이용하여 누출 특성을 정량적으로 비교하였다. 수치해석 결과, 분사류 주변으로 수직 벽면이 있을 경우, 장애물이 횡 방향 유동을 제한하여 종 방향 누출 거리가 장애물이 없을 경우에 비해 약 60% 가량 증가하였다. 하지만 Air filter가 가스 분사류 경로에 있을 경우, 횡 방향 누출 거리는 장애물이 없을 경우에 비해 최대 8배까지 증가하였다. 이러한 이유는 분사류가 수평 및 하부 방향으로 굴절되어 장애물 주변으로 재순환 유동이 형성되었기 때문이다. 따라서 밀폐공간 내 사고 방지 시스템 설계 시 주요 설비 위치 및 공간 구조가 누출 분사류 경로에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 간략화한 지하 복합발전 플랜트 내 파공 위치에 따른 가스 확산 및 유동특성을 고찰하였다. 특히 가스 누출 위치 주변의 장애물 배치가 밀폐 공간 내부의 가스 농도 분포에 미치는 영향을 분석하였으며, 메탄가스의 가연 한계 값을 이용하여 누출 특성을 정량적으로 비교하였다. 수치해석 결과, 분사류 주변으로 수직 벽면이 있을 경우, 장애물이 횡 방향 유동을 제한하여 종 방향 누출 거리가 장애물이 없을 경우에 비해 약 60% 가량 증가하였다. 하지만 Air filter가 가스 분사류 경로에 있을 경우, 횡 방향 누출 거리는 장애물이 없을 경우에 비해 최대 8배까지 증가하였다. 이러한 이유는 분사류가 수평 및 하부 방향으로 굴절되어 장애물 주변으로 재순환 유동이 형성되었기 때문이다. 따라서 밀폐공간 내 사고 방지 시스템 설계 시 주요 설비 위치 및 공간 구조가 누출 분사류 경로에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.
The present study numerically investigated the gas leakage characteristics in a simplified underground combined cycle power plant. The effect of obstacles near a crack location on the gas concentration in the confined space was analyzed by using the lower flammable limit (LFL) of methane gas. When t...
The present study numerically investigated the gas leakage characteristics in a simplified underground combined cycle power plant. The effect of obstacles near a crack location on the gas concentration in the confined space was analyzed by using the lower flammable limit (LFL) of methane gas. When the jet flow was close to the vertical walls, the longitudinal leakage distance increased by about 60% (when an obstacles was present) compared to the case without any obstacle, because these obstacles prevented transverse flows. In addition, when an air filter was installed near to the trajectory of the gas flow, the longitudinal leakage distance was similar to the distance between the crack and obstacle, whereas the transverse leakage distance increased up to 8 times compared to the case without any obstacle. As the jet flow impacts on the obstacle and changes its direction, the gas flows recirculate. Therefore, it is necessary to consider the effect of the structure and facility locations on the trajectory of the jet flow to propose an accident prevention system in confined spaces.
The present study numerically investigated the gas leakage characteristics in a simplified underground combined cycle power plant. The effect of obstacles near a crack location on the gas concentration in the confined space was analyzed by using the lower flammable limit (LFL) of methane gas. When the jet flow was close to the vertical walls, the longitudinal leakage distance increased by about 60% (when an obstacles was present) compared to the case without any obstacle, because these obstacles prevented transverse flows. In addition, when an air filter was installed near to the trajectory of the gas flow, the longitudinal leakage distance was similar to the distance between the crack and obstacle, whereas the transverse leakage distance increased up to 8 times compared to the case without any obstacle. As the jet flow impacts on the obstacle and changes its direction, the gas flows recirculate. Therefore, it is necessary to consider the effect of the structure and facility locations on the trajectory of the jet flow to propose an accident prevention system in confined spaces.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 지하 공간 복합발전 플랜트 내 파공 위치에 따른 누출 가스의 유동 및 확산 특성을 분석하였다. 그리고 가연 한계농도를 기반으로 누출거리를 계산하여 누출 가스 분사류(Jet flow) 주위 장애물 배치가 공간 내 유동과 가스 확산에 미치는 영향에 대해 비교 분석하였다.
가설 설정
5. Definition of leakage distances.
20466 kg/s 이다. 누출 연료는 LNG의 주성분인 메탄으로 가정하였다.
제안 방법
1(b)와 같이 다면체 격자를 생성 하였다. 격자의 독립성을 확인하기 위해 격자 독립성 테스트를 수행하였으며, 누출 위치는 Case 1과 동일하고 경계 조건은 본 해석과 동일하게 설정하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 지하 공간 복합발전 플랜트 내 파공 위치에 따른 누출 가스의 유동 및 확산 특성을 분석하였다. 그리고 가연 한계농도를 기반으로 누출거리를 계산하여 누출 가스 분사류(Jet flow) 주위 장애물 배치가 공간 내 유동과 가스 확산에 미치는 영향에 대해 비교 분석하였다.
지하 공간 복합 발전 플랜트의 주요 설비중 하나인 HRSG, 공기필터, 터빈, 연료 배관, LNG 탱크를 모델링 하였으며, 전체 공간 크기는 30 m × 50 m × 30 m 이다. 누출 가스 분사류(Jet flow) 주위 장애물 배치가 공간 내 유동 및 가스 확산에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 누출 위치에 따라 총 3 case 해석을 수행하였다. Case 1의 경우 누출 위치 주위에 반경 5 m 이내에 장애물이 없으며, 반면에 Case 2의 경우에는 각각 파공 위치 상부 2.
본 연구에서는 연소 하한계 영역에서의 위험 영역을 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 가스의 종단면과 횡단면의 최대 누출 거리 DL,L과 DL,T를 정의하였다. Fig.
본 연구에서는 화재 및 폭발의 가능성이 높은 연소 하한계(Lower Flammable Limit, LFL)를 고려하였으며, 메탄의 LFL 값은 2.5 % 이다[13]. Fig.
초기 내부 온도 300 K, 대기압 조건으로 설정 하였고, 시간에 따른 유동 특성을 확인하기 위해 180 초까지 과도해석을 수행하였다. 수치해석을 위해 상용프로그램인 ICEM v16.
대상 데이터
격자의 독립성을 확인하기 위해 격자 독립성 테스트를 수행하였으며, 누출 위치는 Case 1과 동일하고 경계 조건은 본 해석과 동일하게 설정하였다. Fig. 2와 같이 종방향으로의 누출거리를 비교하여 오차율이 가장 적은 120 여만 개의 격자수를 선택하여 해석을 진행 하였다.
지하 공간 복합 발전 플랜트의 주요 설비중 하나인 HRSG, 공기필터, 터빈, 연료 배관, LNG 탱크를 모델링 하였으며, 전체 공간 크기는 30 m × 50 m × 30 m 이다.
데이터처리
초기 내부 온도 300 K, 대기압 조건으로 설정 하였고, 시간에 따른 유동 특성을 확인하기 위해 180 초까지 과도해석을 수행하였다. 수치해석을 위해 상용프로그램인 ICEM v16.1을 사용하여 Fig. 1(b)와 같이 다면체 격자를 생성 하였다. 격자의 독립성을 확인하기 위해 격자 독립성 테스트를 수행하였으며, 누출 위치는 Case 1과 동일하고 경계 조건은 본 해석과 동일하게 설정하였다.
이론/모형
가스 누출 특성을 분석하기 위해 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식 및 종 수송 방정식을 사용하였다. 연속 방정식과 운동량 방정식은 식 (1)과 식 (2)와 같이 표현할 수 있다:
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합발전 플랜트의 특징은 무엇인가?
최근 천연가스의 가격 하락과 복합발전플랜트의 높은 효율로 인해 현재 전 세계적으로 수요가 증가하고 있다. 하지만 복합발전 플랜트 (Combined Cycle Power Plant, CCPP)는 일반적으로 가스터빈, HRSG(Heat RecoverySteam Generator) 및 가스 저장 탱크 등과 같은 대규모 설비들로 인해 많은 건설공간을 요구한다. 따라서 지하 공간내의 가스 누출에 따른 특성을 분석하고, 정량적인 데이터를 기반으로 한 안전 시스템을 구축하는 것은 발전시스템의 지속적인 안전을 확보하는 데에 중요하다.
지하복합발전 플랜트에서 가스 누출에 대한 거동을 예측하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?
다양한 환경 및 조건에서의 가스 누출 특성에 관한 많은 연구들이 진행 되었으나, 밀폐 공간 내 고압가스 누출 시 가스의 확산 및 가스의 유동에 관한 연구는 부족한 실정이다. 지하복합발전 플랜트는 주 발전 연료로서 LNG 가스 사용하고 있으며, LNG 가스 특성 상 밀폐공 간에서는 확산하던 주변 벽에 의해 확산이 제한되어 다시 하단부로 내려오며 재순환 유동이 발생하기 때문에 공간 내부에 개방형과는 다른 현상을 보인다. 따라서 가스 누출에 대한 거동을 예측하고, 확산 특성을 이해하는 것은 중요하다.
QRA 방법의 5가지 단계는 무엇인가?
견고한 안전 시스템을 구축되기 위해서 위험도 정량화 기법(Quantitative Risk Assessment, QRA)을 활용한 체계적 평가가 필요하다. 최근까지도 QRA에 대한 연구 가 활발히 진행 중에 있으며, QRA 방법은 대표적으로 5가지의 단계로서 시스템 정의, 위험성 정의, 사고시나리오 정의, 그리고 전산유체역학 해석의 단계로 구성 된다 [1,2]. Jo 와 Ann [3]은 정량적 통계 기록과 QRA 방법을 통해 LNG의 수송 파이프로부터 누출 속도를 분석 하였다.
참고문헌 (13)
S. Scholfield, Offshore QRA and the ALARP principle, "Reliability Engineering and System Safety", 61, 1-2, pp. 31-37, 1998.
E. S. Kooi, H. K. Spoelastra, and P. Haag, "QRA Method of Land-use Planning around Onshore Natural Gas Production and Processing Plants", Chemical Engineering Transactions, 31, pp. 67-72, 2013.
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B. Sun, R. P. Utikar, V. K. Pareek, and K. Guo, "Computational Fluid Dynamics Analysis of Liquefied Natural Gas Dispersion for Risk Assessment Strategies", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 26, 1, pp. 117-128, 2013.
I. Yet-Pole, C. M. Shu, and C. H. Chong, "Applications of 3D QRA Technique to the Fire/Explosion Simulation and Hazard Mitigation within a Naphtha-cracking Plant", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 4, pp. 506-515, 2009.
J. R. Kim, S. M. Hwang and M. O. Yoon, "A Study on Damage Assessment Caused by Hydrogen Gas Leak in Tube Trailer Storage Facilities", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, 25, 6, pp. 32-38, 2011.
ANSYS FLUENT 13.0 User's Guide, 2014.
Y. Zhao, L. Xihong, and L. Jianho, Analysis on the Diffusion Hazards of Dynamic Leakage of Gas Pipeline, Reliability Engineering and System Safety, 92, 1, pp. 47-53, 2007.
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