화석연료의 의존도를 줄이고자 대체에너지 연구가 활발하게 이루어지고 있는 현재, 산업에서 가장 많이 사용하고 있는 대체에너지 중 하나가 수소이다. 수소의 수요는 매년 꾸준히 증가하고 있으며, 수소의 생산 및 이송을 위한 설비도 늘어나고 있는 실정이다. 이에 따른 수소설비에서 중대사고가 발생할 확률 또한 증가할 것으로 예상된다. 또한 산업현장에서 가장 사고를 많이 초래하는 물질은 LPG 61%, 수소 12%, LNG 10%로 세 가지 가연성가스의 사고 빈도는 높은 축에 속한다. 따라서 산업용으로 많이 사용되며 사고다발성 가연성 가스인 수소, LNG, LPG가 제한된 공간에서 폭발했을 때의 폭발위험성에 대하여 CFD시뮬레이션을 이용하여 계산을 하였고, 그 결과들을 기반으로 비교분석하여, 제한된 공간에서의 각 가스별 폭발에 대한 위험성을 검토하였다.
화석연료의 의존도를 줄이고자 대체에너지 연구가 활발하게 이루어지고 있는 현재, 산업에서 가장 많이 사용하고 있는 대체에너지 중 하나가 수소이다. 수소의 수요는 매년 꾸준히 증가하고 있으며, 수소의 생산 및 이송을 위한 설비도 늘어나고 있는 실정이다. 이에 따른 수소설비에서 중대사고가 발생할 확률 또한 증가할 것으로 예상된다. 또한 산업현장에서 가장 사고를 많이 초래하는 물질은 LPG 61%, 수소 12%, LNG 10%로 세 가지 가연성가스의 사고 빈도는 높은 축에 속한다. 따라서 산업용으로 많이 사용되며 사고다발성 가연성 가스인 수소, LNG, LPG가 제한된 공간에서 폭발했을 때의 폭발위험성에 대하여 CFD 시뮬레이션을 이용하여 계산을 하였고, 그 결과들을 기반으로 비교분석하여, 제한된 공간에서의 각 가스별 폭발에 대한 위험성을 검토하였다.
The demand for hydrogen is steadily increasing every year, and the facilities to produce and transfer hydrogen are being increased as well. Therefore, the possibility of a critical accident at hydrogen is expected to increase. Furthermore, the materials most likely to cause accidents at industrial s...
The demand for hydrogen is steadily increasing every year, and the facilities to produce and transfer hydrogen are being increased as well. Therefore, the possibility of a critical accident at hydrogen is expected to increase. Furthermore, the materials most likely to cause accidents at industrial sites are LPG 61%, hydrogen 12%, and LNG 10%, and the frequency of accidents due to these three combustible gases is relatively high. Thus, a CFD simulation was used to compute the explosion risk of danger-frequent combustible gases-hydrogen, LNG, and LPG-within a limited space, and the outcomes were compared and analyzed to review the risk of explosion of each gase within a limited space.
The demand for hydrogen is steadily increasing every year, and the facilities to produce and transfer hydrogen are being increased as well. Therefore, the possibility of a critical accident at hydrogen is expected to increase. Furthermore, the materials most likely to cause accidents at industrial sites are LPG 61%, hydrogen 12%, and LNG 10%, and the frequency of accidents due to these three combustible gases is relatively high. Thus, a CFD simulation was used to compute the explosion risk of danger-frequent combustible gases-hydrogen, LNG, and LPG-within a limited space, and the outcomes were compared and analyzed to review the risk of explosion of each gase within a limited space.
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문제 정의
이에 본 연구는 폭발 해석시 설비 및 장치의 형태와 밀집도, 난류, 대기상태, 장애물, 바람의 영향 등 여러 변수를 고려하여 가상적 예측 결과가 실제와 매우 유사 하게 분석되는 CFD(computational fluid dynamics)시뮬레이션 방법[7,8]을 이용하여 수소, LNG, LPG의 폭발강도가 제한된 공간에서 어떻게 다르게 발생 되는지를 분석하고자 수행하였으며 각각의 가스에서 발생되는 폭발압력과 지속시간을 동시에 비교 분석함으로써 각각의 폭발특성에 대해서도 검토하였다.
제안 방법
2와 같이 설정하였다. 구조물내부의 MP는 MP 1에서 MP 6번까지로 이 MP에서의 결과 값을 통해 내부에서의 폭발압력과 지속시간을 확인하고 분석 할 수 있다.
의 (c))은 개방되어 있으며 제한된 공간내부에는 배관 등의 장치들이 설치되어 있다. 그리고 수소, LNG, LPG 가스의 폭발특성을 확인하고 분석하기 위해 필수적으로 요구되는 MP(monitor point)는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 일정한 간격을 유지하여 지정하였으며 구조물 내부에는 층마다 3개씩 총 6개의 MP를 지정하였다. 폭발 시뮬레이션을 위한 수소, LPG, LNG의 가스 체적은 Fig.
5m를 격자의 기준으로 선정하였다. 또한, 시뮬레이션 대상 물질의 반응성이 크거나 공간 내 밀집도가 높은 경우 더욱더 조밀한 격자를 작성하도록 FLACS Code[11]에서 요구함에 따라 최대 Grid cell size로써 0.5m를 선정하여 각 방향의 결자를 작성하였다. 그 결과 대상공정의 Geometry와 물질을 고려한 Domain내 정확한 결자 수는 528,200개(Fig.
본 연구는 FLACS Code에서 제시한대로 시뮬레이션구조물의 크기(Fig. 1)를 고려해 최대 grid cell size를 계산(X-dir:40m/8=5m, Y-dir:12.5/8=1.5m, Z-dir:12.5/8=1.5m)하였다.
2에 나타낸 바와 같이 일정한 간격을 유지하여 지정하였으며 구조물 내부에는 층마다 3개씩 총 6개의 MP를 지정하였다. 폭발 시뮬레이션을 위한 수소, LPG, LNG의 가스 체적은 Fig. 1에서 나타낸 구조물의 전체공간(6,250㎥)에 가스가 확산된 것으로 고려하였으며 폭발결과에 큰 영향을 미치는 점화지점(Ignition position)은 중심지점으로 지정 하였다(Fig. 3).
대상 데이터
계산된 각 방향별 최대 grid cell size 중 시뮬레이션에 적용되는 격자는 Cubical grid cell[11]로 구성되어야 함에 따라 가장 적게 계산된 Grid cell인 1.5m를 격자의 기준으로 선정하였다. 또한, 시뮬레이션 대상 물질의 반응성이 크거나 공간 내 밀집도가 높은 경우 더욱더 조밀한 격자를 작성하도록 FLACS Code[11]에서 요구함에 따라 최대 Grid cell size로써 0.
5m를 선정하여 각 방향의 결자를 작성하였다. 그 결과 대상공정의 Geometry와 물질을 고려한 Domain내 정확한 결자 수는 528,200개(Fig. 4)로 구성하였다.
이론/모형
폭발현상의 결과로써 사고결과인 강도와 피해범위를 정밀하게 계산하기 위해 Numerical model을 활용하였다. 본 연구는 수소와 LNG, LPG 가스의 폭발결과 분석을 위해 FLACS CFD software를 활용하였으며 FLACS의 압축가스 폭발해석을 위한 주요지배 방정식은 Conservation of mass, Navier-Stokes momentum, Transport equation for enthalpy and fuel mass fraction 으로 식 (1)~(6)으로 표현된다[11].
폭발현상의 결과로써 사고결과인 강도와 피해범위를 정밀하게 계산하기 위해 Numerical model을 활용하였다. 본 연구는 수소와 LNG, LPG 가스의 폭발결과 분석을 위해 FLACS CFD software를 활용하였으며 FLACS의 압축가스 폭발해석을 위한 주요지배 방정식은 Conservation of mass, Navier-Stokes momentum, Transport equation for enthalpy and fuel mass fraction 으로 식 (1)~(6)으로 표현된다[11].
성능/효과
시뮬레이션을 통해 계산된 폭발압력 결과와 구조물이 받는 폭발압력의 영향을 Table 4 [10]로 비교하였다. 각 MP에서의 결과 값을 보면 수소의 경우, 모든 MP에서 확인된 최대 폭발압력이 모두 1barg 이상으로 확인되었다.
구조물 내부의 폭발압력은 Table 3과 같이 MP마다 차이가 발생하였는데 이는 구조물의 형상과 내부의 장애물들 사이로 압력파가 이동할 때 발생하는 병목현상으로 인하여 폭발압력의 차이가 생기는 것으로 판단되며, 상대적으로 압력지속시간이 긴 LNG와 LPG 의 경우 양측 개방된 면에서 전개된 압력파가 구조물 상부에 집중되는 것을 확인할 수 있었다.(Fig.
또한, LNG와 LPG에 대한 시뮬레이션 결과, LPG의 경우도 모든 MP에서 구조물에 심각한 피해를 입힐 수 있는 폭발압력을 나타냈으며, LNG의 경우는 LPG보다 전체적인 폭발압력이 낮게 계산되었다. 그러나 시뮬레이션을 통해 계산된 폭발 결과는 LNG와 LPG도 제한된 공간에서 폭발할 때 수소보다는 상대적으로 적은 피해가 발생하지만, 구조물에는 심각한 손상을 입힐 수 있는 것으로 나타났다.
)과 비교할 때 구조물과 장치들에 치명적인 손상이 발생할 수 있음을 알 수 있다. 또한, LNG와 LPG에 대한 시뮬레이션 결과, LPG의 경우도 모든 MP에서 구조물에 심각한 피해를 입힐 수 있는 폭발압력을 나타냈으며, LNG의 경우는 LPG보다 전체적인 폭발압력이 낮게 계산되었다. 그러나 시뮬레이션을 통해 계산된 폭발 결과는 LNG와 LPG도 제한된 공간에서 폭발할 때 수소보다는 상대적으로 적은 피해가 발생하지만, 구조물에는 심각한 손상을 입힐 수 있는 것으로 나타났다.
또한, 수소의 경우 모든 MP에서 폭발압력 값이 1barg 이상이었으며 이 값을 구조물에 영향을 주는 기준(Table 4.)과 비교할 때 구조물과 장치들에 치명적인 손상이 발생할 수 있음을 알 수 있다. 또한, LNG와 LPG에 대한 시뮬레이션 결과, LPG의 경우도 모든 MP에서 구조물에 심각한 피해를 입힐 수 있는 폭발압력을 나타냈으며, LNG의 경우는 LPG보다 전체적인 폭발압력이 낮게 계산되었다.
34 barg로 수소폭 발과 비교할 때 ΔP(압력차이)는 각각 18배와 13배가 발생하였다. 또한, 최대폭발압력이 발생하는 시간은 수소가 65ms, LNG는 320ms, LPG는 245ms로 수소가 최대 5배 빠른 최대 폭발압력 발생시간을 나타내었다. 각 가스별 MP에서의 폭발압력 순위는 Table.
본 연구는 이러한 가연성 물질들의 특성과 공간적 특성이 반영될 때의 수소, LNG, LPG의 폭발이 갖는 위험성을 확인하고자 CFD 시뮬레이션을 활용하여 분석하였으며 그 결과, 폭발압력은 수소, LPG, LNG의 순으로 높게 계산되었고 최대폭발압력은 수소 약 4.5 barg, LNG 약 0.24 barg, LNG 약 0.34 barg로 세 가지 가스 모두 구조물에 심각한 피해를 입힐 수 있는 최대 폭발압력을 생성하였다. 또한, 수소의 경우 LNG, LPG 에 비하여 빠른 최대압력도달시간을 보여주는데 이는 수소의 연소속도는 약 283 cm/sec로 LNG (39.
수소의 경우 개방된 공간조건에서는 대기 중으로 빠르게 흩어지고, 점화가 되어 폭발하더라도 큰 과압을 형성[4]하지 않지만 제한된 공간에 있는 수소는 LNG, LPG 보다 빠른 폭발압력 상승속도와 높은 폭발 압력을 생성(Fig. 7)하여 LNG, LPG의 폭발보다 훨씬 더 위험한 것으로 분석되었다.
후속연구
이러한 연구의 결과는 현재 광범위하게 사용되는 수소, LNG, LPG 관련 설비의 설계시 발생 가능한 폭발사고의 피해를 최소화하기 위한 폭발압력의 해소방법과 구조물의 구조적 안전을 확보하고 개선하는데 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LPG의 장점은 무엇인가?
LPG는 액화 석유 가스로 원유의 정제과정을 통해 생산하는데 기화 및 액화방법이 쉬워 저장과 수송 그리고 취급이 용이하다. LPG는 프로판, 부탄, 프로필렌, 부틸렌 등의 가스체 탄화수소를 여러 비율로 혼합, 압축, 액화한 것으로 프로판은 가스 상태일 때 공기보다 약 1.
수소의 특징은 무엇인가?
수소는 지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로 상온에서 무색, 무취로 존재하며 인체에는 유해하지 않은 가연성 가스인 동시에 LNG나 LPG와 비슷한 성질을 가지고 있다. 그리고 폭발범위가 일반적으로 4.0 ~80.8vol%로서 다른 연료보다 넓어 위험하다 할 수 있으며, 폭굉 위험성 역시 폭발 위험성과 상관관계가 있으므로 위험성이 크다고 볼 수 있으나, 제한된 공간이 아닌 개방된 공간일 경우는 다른 연료들과 비슷하다고 보고되어 있다[5].
수소의 최대 폭발압력은 1barg 이상으로 나타나는데, 이는 무엇을 의미하는가?
이는 건물이 완전히 무너질 가능성을 포함해 건물 내부의 장치들이 심각한 손상을 입을 뿐만 아니라, 구조물 주변에도 피해가 있을 것으로 분석된다. LNG와 LPG의 경우 최대 폭발압력의 범위는 0.
참고문헌 (17)
Korea Gas Safety Corporation, 2013 Gas Statistics, KGS, (2014)
Korea energy management corporation, New & renewable energy white paper, KEMCO, (2014)
Bongjin Gim, Jong-wook Kim, Sang jin choi., "The status of domestic hydrogen production consumption and distribution", the korean Hydrogen and New Evergy Society, 16(4), 391-399, (2005)
Korea Occupational Safety and Health Agency., A study on prevention of chemical accident using simulation techniques, KOSHA, Ulsan, (2014)
John H.S. Lee. Explosion Hazards of Hydrogen- Air Mixtures, McGill University, Montreal, Canada.
Mercedes Gomez-Mares, Luis Zarate, Joaquim Casal., "Jet fire and the domino effect", J. Fire Safety, 43, 583-588, (2008)
Prankul Middha, Olav R. Hansen., "CFD simulation study to investigate the risk from hydrogen vehicles in tunnels", J. Hydrogen Energy, 34, 5875-5886, (2009)
Middha Prankul, Hansen Olav R, Grune Joachim, Kotchourko Alexei, "CFD calculations of gas leak dispersion and subsequent gas explosions: Validation against ignited impinging hydrogen jet experiments", J. Hazard Mater., 179, 84-94, (2010)
Makarov D, Verbecke F, Molkov V, Roe O, Skotenne M, Kotchourko A, et al., "An inter-comparison exercise on CFD model capabilities to predict a hydrogen explosion in a simulated vehicle refuelling environment", J. Hydrogen Energy, 34(6), 2800-14, (2009)
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