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문제 정의
- 가스의 확산현상은 FLIR의 G 및 GF 시리즈 등의 광학이미지 적외선 카메라 등으로 누출탐지 및 형상은 볼수 있으나, 고가의 기기로 사용에 제한이 있고, 화재 관련하여 LEL 등의 농도 식별 등은 부가적인 기기를 부착해야 하는 더 비싼 기기로 더욱더 접근이 힘들다. 본 실험에서는 감지기 작동 수준인 LEL의 25% 등의 범위를 알아내기 위해서 임의의 공간에 가스센서를 배치하여 확산범위를 알아내는 실험을 진행하였다. 프로파일 및 센서의 공간 배치 개념도는 Fig.
- 본 연구의 최종목표는 국내 가스시설에 대한 폭발위험구역 설정방법을 제시하는 것으로, 실제 가스가 누출되었을 경우의 확산 범위를 실증실험을 통해 알아내기 위하여 실험을 구성하였다. 가스의 확산현상은 FLIR의 G 및 GF 시리즈 등의 광학이미지 적외선 카메라 등으로 누출탐지 및 형상은 볼수 있으나, 고가의 기기로 사용에 제한이 있고, 화재 관련하여 LEL 등의 농도 식별 등은 부가적인 기기를 부착해야 하는 더 비싼 기기로 더욱더 접근이 힘들다.
가설 설정
- ∙ 전산유동해석결과 실제 실험결과보다 확산거리가 작게 나옴에 따라 전산유동해석으로 위험구역설정 한다면 실제보다 위험거리가 작게 나타날 수 있을 것으로 보인다.
제안 방법
- 가스 누출을 0.0037 [kg/s]의 유량으로 20초간 누출을 진행하였다. 데이터로거에 입력된 유량값에 의하면 Fig.
- 가스의 누출에 따른 확산 거동을 살펴보기 위하여 접촉식 가연성 가스센서를 공간에 배치하여 각 지점에서 센서의 농도(전압변화)를 측정하였다. 가연성가스는 신뢰도를 높이기 위하여 Fig.
- MFC는 실험 후 진행될 전산유동해석의 입력변수로 정확한 누출유량을 알 수 있도록 하기 위해 사용하였다. 또한 누출에 있어 가장 중요한 변수중의 하나인 누출공의 크기는 0.95[cm]의 파이프를 수평방향으로 설치하였고 10[LPM](0.0037 [kg/s])의 가스가 방출되도록 MFC를 설정하였다.
- 본 연구에서는 FLACS Manual에 따라 가스 누출에 따른 Mach Disk의 크기를 고려하여 최소Grid cell size를 0.04[m]로 설정하였다. 또한 구조물에 의한 확산 영향을 정확히 구현하기 위해 구조물의 경계에 Grid가 정확히 일치하도록 하여 총 2,016,473개의 격자를 구성하였다.
- 실험이 수행되는 공간의 외부조건을 측정하기 위하여 다목적환경측정기(WH-2300S, 찬주테크)를 이용하여 대기압, 외기온도, 습도 등을 측정하여 기본자료로 활용 하였다.
- 전산유동해석에 사용될 외부 조건을 측정하기 위하여 다목적 환경측정기(WH-2300S)를 이용하여 실험장에서 실측된 외기 조건으로 대기압 97,859 [Pa]과 27 [℃]의 외기온도를 사용하였다. 전산유동해석조건은 Table 4와 같이 설정하였다.
- 전압으로 입력된 데이터값은 표준가스에 의해 교정된 값(vol%)으로 전환하였고, 센서의 평면 위치(XY면, YZ면, XZ면)에 따라 센싱된 값(vol%)을 Origin 프로그램을 이용하여 매트릭스화한 후 시간 별로 Contour를 그렸다. 센서의 XYZ 좌표는 Table2에 표시하였고, Table 3에서 XYZ 그리드화하는 작업에 사용된 기본 값을 나타내었다.
- 본 실험에서는 감지기 작동 수준인 LEL의 25% 등의 범위를 알아내기 위해서 임의의 공간에 가스센서를 배치하여 확산범위를 알아내는 실험을 진행하였다. 프로파일 및 센서의 공간 배치 개념도는 Fig.1에 나타내었으며 구성된 공간에 가스를 누출시키고 누출된 가스의 농도를 센서를 통해 센싱함으로써 결과를 얻도록 하였다.
- 9~11과 같이 플롯하였다. 플롯을 하기 위해 LPG표준가스를 통해 가스센서를 검교정하여 얻은 수식을 활용하였다. Fig.
대상 데이터
- 04[m]로 설정하였다. 또한 구조물에 의한 확산 영향을 정확히 구현하기 위해 구조물의 경계에 Grid가 정확히 일치하도록 하여 총 2,016,473개의 격자를 구성하였다. 또한 구조물의 크기는 알루미늄 프로파일 4040과 같은 크기인 0.
- 누출된 가스는 각각의 접촉 가연성 가스센서와 접촉하여, 전체 센서와 연결된 데이터로거에 전압(Voltage) 값으로 입력된다. 사용된 데이터로거(Fig.6)는 midi logger GL820(Graphtec)으로 부가적으로 연장 터미널 세트인 B-538 option을 사용하여 100 채널까지 확장하여 사용하여 설치된 모든 센서를 수용 가능하도록 하였다. 누출 가스의 데이터 수집 간격은 2초로 설정하였다.
- 센서를 설치할 수 있는 공간을 만들기 위하여 알루미늄 프로파일(4040)을 이용하여 3×3×6[m]의 프레임을 제작하였으며 센서는 낚싯줄과 데이터 전선 등을 이용하여 배치하였다.
이론/모형
- Turbulence는 다음의 k-ε 모델을 이용하여 계산한다.
- 전산유동해석으로 GexCon社에서 개발 및 보급되는 FLACS를 사용하였다. FLACS에 사용되는 수치해석모델은 Convervation of mass, Navier-Stoke momentum, Transport equation for enthalpy and fuel mass fraction 으로 식 (1)~(6)과 같다.
성능/효과
- 24~28초를 보면 누출 종료 후 가스가 가라앉는 모습을 볼 수 있으며, 이를 통해 가스가 가라앉으면서 희석되는 것을 확인 할 수 있다. 0~12초를 보면 누출 시작 후 가스기둥의 형태가 서서히 볼링핀 모양으로 변하며 정상상태로 변하는 모습을 볼 수 있고 누출의 피크가 지남에 따라 점차 감소되는 것을 확인할 수 있다.
- 36[m]정도로 나타났다. 10.10초 후 LEL 0.2% 농도가 3.3[m]까지 확산되는 것을 확인하였고 시간의 경과에 따라 길이가 줄어드는 것으로 나타났다. 이때 좌우 길이는 약 0.
- 2%의 농도가 형성되는 것이다. 12초 이후부터 해당 값의 농도가 점점 짙어지고 확산되는 모습을 보이지만 누출이 중단됨에 따라 희석되어 사라지는 것을 확인할 수 있다. 시간이 경과 될수록 0.
- 36[%] 농도의 LPG가 지면과 touch down하는 것을 확인하였고 이 이상의 농도는 가라앉지 않는 것을 확인하였다. 24~28초를 보면 누출 종료 후 가스가 가라앉는 모습을 볼 수 있으며, 이를 통해 가스가 가라앉으면서 희석되는 것을 확인 할 수 있다. 0~12초를 보면 누출 시작 후 가스기둥의 형태가 서서히 볼링핀 모양으로 변하며 정상상태로 변하는 모습을 볼 수 있고 누출의 피크가 지남에 따라 점차 감소되는 것을 확인할 수 있다.
- 0[m] 높이 에서 확산결과이다. 3.75초 후 LEL 0.5% 농도가 0.935 [m]까지 확장되는 것을 확인하였고 시간의 경과에 따라 길이가 줄어드는 것으로 나타났다. 이때 좌우 길이는 약0.
- 2[m]정도로 나타났다. 5.33초 후 LEL 0.4% 농도가 1.475[m]까지 확장되는 것을 확인하였고 시간의 경과에 따라 길이가 줄어드는 것으로 나타났다. 이때 좌우 길이는 약 0.
- 28[m]정도로 나타났다. 6.98초 후 LEL 0.3%의 검지범위 농도가 2.072[m]까지 확장되는 것을 확인하였고 시간의 경과에 따라 길이가 줄어드는 것으로 나타났다. 이때 좌우 길이는 약 0.
- ∙ 가스누출실증실험에서 실험결과 확산거동은 반원의 형태로 시작되어 누출 종료 후 희석률이 증가함에 따라 반타원형의 형태로 발전하는 것으로 보인다.
- ∙ 전산유동해석결과 JET누출현상으로 볼링핀과 비슷한 형태로 확산현상이 발전하며 LEL 0.5%의 농도는 지면까지 확산되지 않는 것으로 나타났다.
- 실제 실험결과는 조금 더 넓은 범위로 확산이 된 형태를 보이며, 바닥면에서의 가스 농도가 짙은 것으로 나타났다. 그러나 FLACS는 누출원을 중심으로 좁고 긴 볼링핀 형태의 plume을 만들며, 가스의 확산 또는 희석이 훨씬 잘되기 때문에 누출의 피크가 지난후 급격히 농도가 낮아지는 것을 확인하였다. 전산유동해석의 경우 바람의 영향이 전혀 없고, 실제 실험의 경우 측정 범위를 벗어난 미세바람의 영향과 대기안정도에 의한 차이가 발생한 것으로 예상된다.
- 17은 YZ평면에서 확산결과이다. 누출 13.10초 후 0.18~0.36[%] 농도의 LPG가 지면과 touch down하는 것을 확인하였고 이 이상의 농도는 가라앉지 않는 것을 확인하였다. 24~28초를 보면 누출 종료 후 가스가 가라앉는 모습을 볼 수 있으며, 이를 통해 가스가 가라앉으면서 희석되는 것을 확인 할 수 있다.
- 11은 YZ면에서의 누출결과이다. 누출 6초후 가연성 가스의 검지농도인 하한의 1/4 지점의 0.5%의 농도가 중심부(X=0)에 형성됨을 확인하였다. 누출이 종료된 이후에도 확산과 희석이 지속되어 약 60초 후 4.
- 누출 직후 약 28초까지 약 3.7[m]지점까지 프로판가스의 LEL의 1/4인 0.5vol% 가 확산되었으며 이후 뒤쪽 공간까지 확산됨을 확인하였다.
- 5vol% 가 확산되었으며 이후 뒤쪽 공간까지 확산됨을 확인하였다. 누출 후 28초 시점에서, 프로판가스 LEL의 1/2인 1.0vol%인 경우도 1미터 지름의 원의 크기로 감지되었다. Fig.
- 시간에 따른 농도별 최대확산거리는 Table 5에 나타내었다. 누출 후 넓게 퍼지는 실험값보다 앞으로 뻗어나가는 전산유동해석 결과가 확산 속도가 더 빠른 것을 확인 할 수 있으며 확산거리 또한 전산유동해석 결과가 작게 나타나는 것을 확인하였다.
- 5%의 농도가 중심부(X=0)에 형성됨을 확인하였다. 누출이 종료된 이후에도 확산과 희석이 지속되어 약 60초 후 4.5 [m]지점까지 확산되는 것을 확인하였다.
- 05 [m] 높이에서의 가스 센싱 결과이다. 누출직후 공기보다 밀도가 무거운 가스가 바닥에 가라앉는 것[touch down]을 확인 할 수 있으며, 16~30s동안 중심부에 가장 높은 농도를 형성하고 주변부로 희석되는 것을 확인하였다. 또한 실험 공간 내부에 풍향계로 감지되는 않을 정도의 –X방향으로부터 미세한 바람이 흐르는 것으로 생각되는 contour를 보였다.
- 0037 [kg/s]의 유량으로 20초간 누출을 진행하였다. 데이터로거에 입력된 유량값에 의하면 Fig.8의 Experiment 플롯과 같이 0[kg/s]에서 0.0037[kg/s]까지 선형으로 증가하다가, 1초 정도 0.0037[kg/s]를 유지하고, 0[kg/s] 까지 선형으로 감소하는 경향을 보였다. 이때 적산된 가스의 총 누출량은 0.
- 12초 이후부터 해당 값의 농도가 점점 짙어지고 확산되는 모습을 보이지만 누출이 중단됨에 따라 희석되어 사라지는 것을 확인할 수 있다. 시간이 경과 될수록 0.0~0.18%에 해당하는 검정선의 둘레는 확산 및 희석에 의해 확장되는 모습을 보이지만 0.2%보다 높은 농도는 바닥면에 형성되지 않음을 확인하였다. 이를 통해 바닥면에 검지농도 이상의 가스가 형성되지 않음을 확인하였다.
- 본 연구의 최종목표는 국내 가스시설에 대한 폭발위험구역 설정방법을 제시하는 것으로, 실제 가스가 누출되었을 경우의 확산 범위를 실증실험을 통해 알아내기 위하여 실험을 구성하였다. 실제 누출실험과 전산유동해석과 비교결과 실제 가스 확산현상과 이상적인 상황에서의 가스 누출을 모사한 전산유동해석은 그 거동에 있어서 차이가 있는 것으로 나타났다. 이에 대한 원인으로는 다목적환경측정 장치에 측정되지 않는 정도의 미세 바람과 누출 실험장치의 미세각도 등이 있을 것으로 보인다.
- 실제 실험결과로 토대로 예상되는 가스의 plume 형태와 FLACS를 통하여 시뮬레이션 한 가스의 plume 형태는 조금 다르게 나타나고 있다. 실제 실험결과는 조금 더 넓은 범위로 확산이 된 형태를 보이며, 바닥면에서의 가스 농도가 짙은 것으로 나타났다. 그러나 FLACS는 누출원을 중심으로 좁고 긴 볼링핀 형태의 plume을 만들며, 가스의 확산 또는 희석이 훨씬 잘되기 때문에 누출의 피크가 지난후 급격히 농도가 낮아지는 것을 확인하였다.
- 실제 실험결과로 토대로 예상되는 가스의 plume 형태와 FLACS를 통하여 시뮬레이션 한 가스의 plume 형태는 조금 다르게 나타나고 있다. 실제 실험결과는 조금 더 넓은 범위로 확산이 된 형태를 보이며, 바닥면에서의 가스 농도가 짙은 것으로 나타났다.
- 8은 유동해석과 실제 측정된 유량의 비교 그래프이다. 실험에서 누출 후 피크 값이 약 1초간 지속되고 감소하는 경향을 보였다. 그러나 전산유동해석에서는 피크 값 진행 후 바로 감소되는 차이가 있다.
- 2%보다 높은 농도는 바닥면에 형성되지 않음을 확인하였다. 이를 통해 바닥면에 검지농도 이상의 가스가 형성되지 않음을 확인하였다.
- 이를 통해 실제 가스는 누출 직후 바닥면에 가라앉는 것을 확인하였고 측정기에 측정되지 않을 정도의 미세한 바람영향에도 확산경향이 변화될 수 있음을 확인하였다. 또한 가스는 시간의 경과에 따라 지면에 닿으면 반타원형으로 확산되는 것을 볼 수 있다.
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