[논문]해양플랜트 폭발사고 방지를 위한 가스감지기 위치 선정 방법 연구

손정민; 백점기; 김상진

doi:10.3744/snak.2017.54.1.63

[국내논문] 해양플랜트 폭발사고 방지를 위한 가스감지기 위치 선정 방법 연구
Development of Gas Detector Location Index Technique to Prevent Explosion Accidents of Offshore Plant 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.54 no.1, 2017년, pp.63 - 70

손정민 (부경대학교 조선해양시스템공학과) , 백점기 (부산대학교 조선해양공학과) , 김상진 (부산대학교 선박해양플랜트기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Release of hazardous and flammable gas is a significant contributor to risk. The ignition of flammable gas clouds can lead to explosion accidents in the offshore installations. A gas detector, which is one of active protect systems, brings the module into a safe state through emergency shut down processes and reduces the damage by eliminating the dangerous releases. It is critical to understand the gas release, the wind field, and the complex geometry of installations to determine gas detector placement. In this paper, the Gas detector Location Index (GLI) which is a novel index for optimal detector location determination to efficiently prevent explosion accident using probabilistic approach.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 가스감지기 위치 최적화를 위하여, 가스감지기 위치인덱스(GLI) 를 개발하였으며, 아래와 같다.
본 연구에서는 해양플랜트 폭발 사고를 보다 효율적으로 사전 방지하고 피해를 최소화시키기 위한 가스감지기 위치 선정 기법을 소개하였다. 확률적인 방법을 바탕으로 가스 확산 시나리오를 선정하였고, 결정된 50개의 시나리오에서 가스 확산 전산유체해석 수행한 결과를 토대로 최적의 가스감지기 위치를 선정하였다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 가스 확산해석은 가스 확산에 영향을 미칠 수 있는 모든 인자들을 변수로 정하고, 구조물의 복잡성, 가스농도, 바람 및 가스 확산방향, 누출 위치 및 량에 대하여 히스토리컬 데이터와 설계 레이아웃을 기반으로 확률밀도함수를 구성하였다. 각 변수는 시나리오 개수만큼 동일한 확률인 대푯값을 가지고 라틴 하이퍼큐브 기법을 통해 50개의 확산 시나리오가 선정되었다.
확률적 방법을 토대로 가스확산 시나리오를 선정하고, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 수행하였다. 가스 확산결과를 바탕으로 가스감지기 위치인덱스(gas-detector location index)를 적용하였으며, 가스감지기 위치 최적화를 수행하였다. 또한, 기존의 설치 위치에 따른 감지 결과와 비교를 통하여, 제시된 기법의 효율성을 검증하였다.
가스감지기 위치인덱스기법을 적용하여 FLNG 상부구조물 가상의 모듈(Fig. 3)을 가스감지기 최적설치 위치를 도출하였다. 가스감지기는 확률적으로 가스가 가장 많이 위치하는 곳에 설치함이 효율적이며, 이를 위해 가스 확산해석이 요구된다 (FLACS, 2016).
기존 방법은 각 데크의 상·하부 설치 경우를 구별하여 분석하기 위하여, 모듈의 층(2개층)별로 6개의 가스감지기를 균일하게 배치하였으며, 데크의 하부에 위치한 경우 (Fig. 8), 데크상부에 위치한 경우 (Fig. 9)를 비교하였다.
본 연구에서는 통계자료기반 확률론적 방법을 적용하여 인덱스 기법을 도입하고, 3차원 가스구름 계산 및 이를 이용한 가스감지기 위치 최적화기법을 개발하였다. 확률적 방법을 토대로 가스확산 시나리오를 선정하고, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 수행하였다.
본 연구에서는 통계자료기반 확률론적 방법을 적용하여 인덱스 기법을 도입하고, 3차원 가스구름 계산 및 이를 이용한 가스감지기 위치 최적화기법을 개발하였다. 확률적 방법을 토대로 가스확산 시나리오를 선정하고, 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 수행하였다. 가스 확산결과를 바탕으로 가스감지기 위치인덱스(gas-detector location index)를 적용하였으며, 가스감지기 위치 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 해양플랜트 폭발 사고를 보다 효율적으로 사전 방지하고 피해를 최소화시키기 위한 가스감지기 위치 선정 기법을 소개하였다. 확률적인 방법을 바탕으로 가스 확산 시나리오를 선정하였고, 결정된 50개의 시나리오에서 가스 확산 전산유체해석 수행한 결과를 토대로 최적의 가스감지기 위치를 선정하였다.

대상 데이터

Fig. 5는 모니터링 위치의 예시이며, 최대한 많은 위치에서 감지가 이루어 질 수 있게 1m간격으로 높이 당 204개씩 총 816개를 배치하였다. 모듈의 외곽의 경우 압력용기, 파이프와 같은 가스 누출을 발생하는 장비가 없기에 제외하였다.

데이터처리

가스 확산결과를 바탕으로 가스감지기 위치인덱스(gas-detector location index)를 적용하였으며, 가스감지기 위치 최적화를 수행하였다. 또한, 기존의 설치 위치에 따른 감지 결과와 비교를 통하여, 제시된 기법의 효율성을 검증하였다.
제시된 기법의 효율성을 검증하기 위하여, 감지기를 등분포로 위치시킨 경우와 비교를 하였다. Fig.

이론/모형

4와 같이 가스 확산해석은 가스 확산에 영향을 미칠 수 있는 모든 인자들을 변수로 정하고, 구조물의 복잡성, 가스농도, 바람 및 가스 확산방향, 누출 위치 및 량에 대하여 히스토리컬 데이터와 설계 레이아웃을 기반으로 확률밀도함수를 구성하였다. 각 변수는 시나리오 개수만큼 동일한 확률인 대푯값을 가지고 라틴 하이퍼큐브 기법을 통해 50개의 확산 시나리오가 선정되었다.

성능/효과

Fig. 12와 Table 4는 전체 50개 시나리오의 가스량을 모두 합하여 비교 한 것으로, GLI 기법이 설치되지 않았을 경우보다 38.8% 감소하였으며, 기존의 기법보다 최대 15%정도 개선효과를 보인다. 또한, case 2와 case 1보다 가스량이 줄어든 이유는 높은 데크 B에 집중되기 때문이다.
11과 Table 3은 등가 가스구름 크기별 확률 분포를 나타내며, 확산결과를 바탕으로 확률적으로 최적화된 범주로 구분하였다. 가스감지기 설치유무에 따라 가스구름의 크기가 현저하게 줄어들었으며, 가스감지기 설치 경우 중에서도 GLI기법이 작은 구름 크기분포가 가장 많았다. 이에 따라, 제시된 가스감지기 최적위치 선정 방법이 기존의 방법보다 효율적임을 알 수 있다.
기존의 감지기 위치 (등분포) 역시, 확산되는 가스를 많은 부분 감지 할 수 있지만, 본 연구를 통하여 개발 된 인덱스 시스템을 통하여 선정된 위치는 보다 더 많은 가스를 감지함으로써, 확산량을 줄일 수 있었다.
본 연구의 결과분석을 통해 가스감지는 단순 등가비가 아닌, 감지 횟수, 즉 가스 감지 인덱스로 판단되어야 한다. 또한, 감지유무는 가스구름의 크기보다는 자주 발생하는 지역 (가스 누출 확률이 높은 지역)과 밀접한 관계가 있었다.
6은 가스감지기 위치인덱스 결과를 가시화한 그림으로 색이 짙어질수록 감지가 많이 되었음을 알 수 있으며, 해당 위치에 감지기 설치가 필요하다. 또한, 상위 인덱스값이 A, B 높이에 집중된 것으로 보아 모듈 1층에서 가연성 가스 생성이 많았음을 예상 할 수 있다.
본 연구의 결과분석을 통해 가스감지는 단순 등가비가 아닌, 감지 횟수, 즉 가스 감지 인덱스로 판단되어야 한다. 또한, 감지유무는 가스구름의 크기보다는 자주 발생하는 지역 (가스 누출 확률이 높은 지역)과 밀접한 관계가 있었다.
가스감지기 설치유무에 따라 가스구름의 크기가 현저하게 줄어들었으며, 가스감지기 설치 경우 중에서도 GLI기법이 작은 구름 크기분포가 가장 많았다. 이에 따라, 제시된 가스감지기 최적위치 선정 방법이 기존의 방법보다 효율적임을 알 수 있다.
제한된 개수의 감지기로는 발생 가능한 모든 가스 확산을 방지는 불가능하였지만, GLI 기법을 통해 제시된 위치에 설치된 가스감지기가 기존 등분포 설치위치에 비하여 아래와 같이 가스 확산을 효율적으로 방지함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양플랜트 사고 중 가장 빈번하고 심각한 결과를 야기하는 원인은 무엇인가?	해양플랜트산업은 유정처리를 함에 있어 필연적으로 유해한 가스가 발생하며, 유럽연합은 (ECR, 2012)은 해양구조물 사고원인과 결과의 심각성을 보고하고 있다 (Table 1). 특히, 가연성 가스의 누출은 해양플랜트 사고 중 가장 빈번하고 심각한 결과를 야기하는 원인 중 하나로 가연성 가스구름의 점화로 인해 Piper Alpha 참사와 같은 대형 화재·폭발사고를 발생하였다 (Cullen, 1990).
	가스감지기의 배치장소와 이점은 무엇인가?	이러한 사고를 미연에 방지하기 위해 API (2007)는 연소가스가 누적될 경우 충분한 통풍 또는 가스감지기를 통해 안전성을 확보해야한다고 명시되어있다. 가스감지기는 능동적 안전 시스템 (active safety system)으로 가연성 가스가 밀집된 곳에 배치되며, 최저연소한계점보다 낮게 설정된 농도에서의 가스를 사전에 감지하여 경보 및 차단함으로써 인명과 재산상의 재해를 예방하고 피해를 최소화 할 수 있다.
	가스감지 시스템의 작동율이 해양플랜트에서 다소 떨어지는 이유는 무엇인가?	즉, 해양플랜트의 안전성은 가스감지 시스템의 효율성과 유효성에 크게 의존된다고 해도 무방하다. 그러나, Thyer (2005) 는 가스감지기의 작동율은 감지 실패율 보다는 높지만, 해양플랜트 구조의 복잡성, 가스종류의 다양성, 가스트랩 등으로 인해 전체 가스 누출에서 44%가 미감지 된다고 보고하였다. 또한, 통풍구의 양식, 크기의 다양성과 모듈구성의 복잡성은 가스감지기의 위치결정을 어렵게 하며, 가스 감지기능도 보장하지 못한다.

참고문헌 (11)

ANSI/ISA, 2013. Explosive atmospheres - Part 29-1: Gas detectors - performance requirements of detectors for flammable gases. Approved American National Standard: North Carolina, USA.
API, 1999. Combustible gas detector systems and environmental and operational factors influencing their performance. American Petroleum Institute: Washington D.C., USA.
API, 2007. Recommended practice for analysis, design, installation, and testing of basic surface safety systems for offshore production platforms. American Petroleum Institute: Washington D.C., USA.
Cullen, W., 1990. The public inquiry into the pipe alpha disaster. Stationery Office Books: London, UK.
ECR, 2012. Safety of offshore oil and gas Operations: Lessons from past accident analysis, European commission report EUR 25646 EN. Ispra, European Commission: Luxembourg.
FLACS, 2016. User's manual. Gexcon AS: Bergen, Norway.
HSE, 2004. The selection and use of flammable gas detectors, Health and safety executive report. Health and Safety Executive: London, UK.
Kim, S.J., 2016. A study on a new procedure for nonlinear structural consequence analysis of offshore installations subjected to explosions. Ph.D. thesis. Pusan National University.
Legg, S.W. Wang, C. Benavides-Serrano, A.J. & Laird, C.D., 2013. Optimal gas detector placement under uncertainty considering conditional-value-at risk. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 26, pp.410-417.

상세보기
Seo, J.K. Kim, D.C. Ha, Y.C. Kim, B.J. & Paik, J.K., 2013. A methodology for determining efficient gas detector locations on offshore installations. Journal of Ships and Offshore Structures, 8(5), pp. 524-535.
Thyer, A.M, 2005. Offshore ignition probability argument, Report No. HSL-2005-50. Health and Safety Laboratory: Derbyshire, USA.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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