[논문]수소 누출 시 제트화재 피해 범위에 대한 분석

강병우; 이택홍

doi:10.7316/khnes.2017.28.2.166

수소 누출 시 제트화재 피해 범위에 대한 분석
An Investigation of Hazard Distance in a Series of Hydrogen Jet Fire with the Hyram Tools 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.2, 2017년, pp.166 - 173

강병우 (호서대학교 그린에너지공학과, 화학공학과) , 이택홍 (호서대학교 그린에너지공학과, 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For commercialization of hydrogen refuelling station (HRS), we need to reduce the clearance distance for jet fire in the real entities in the HRS. Thus, we revisited the current regulations of clearance distance for jet fire in the law. The law in korea has been set up by replica of japan, not by our own scientific basis. Recently, sandia lab developed Hydrogen Risk Assessment Model (HyRAM) tools and we simulated a series of circumstances such as 10 to 850 bar with several leak hole sizes. In 850 bar with 10 mm diameter hole leak cases, it shows $4,981kW/m^2$ at 12 m separation from leak source and $1,774kW/m^2$ at 17 m separation from leak source. In 850 bar with 1 mm diameter leak hole, it shows $0.102kW/m^2$ at 12 m separation and $0.044kW/m^2$ at 17 m separation. Current law may be acceptable with 1 mm hole size with 850 bar.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

폭발 압력에 의한 안전거리 평가는 2010년 가스안전공사에서 시행한 바 있다. 본 논문에서는 복사열에 의 한 피해범위를 평가하고자 한다⁵⁾ .
본 연구에서는 고압의 수소저장 시설로부터 jet fire의 피해범위를 분석하였다. 노화 등으로 1 mm 의미소 개구 직경이 발생할 경우 현재 안전거리 기준으로 안전한 것으로 사료된다.
고압의 수소 저장 시설에서 발생할 수 있는 위험으로는 수소 가스 누출, 폭발, jet fire (화재)가 있다. 이 중에서 본 논문에서는 조건별로 jet fire의 피해 범위를 분석하고자 한다.

제안 방법

거리에 따르는 온도 변화를 구하기 위해 제트 화재가 진행하는 X축 방향으로 1 m에서 60 m까지 0.1 m 마다 온도 분포를 측정하였다.
위험 판정 기준을 선정하고, 수소충전소에서 발생 가능한 누출 조건을 선정하여 각 누출 조건에 따라 jet fire가 미치는 피해범위를 산출한다. 그리고 이 jet fire의 피해범위와 현재 고압가스관리법에서 제시하고 있는 안전거리와 비교하였다.
. 문헌조사를 통해 수소 저장탱크의 파열 및 누출에 따른 jet fire 발생 및 폭발을 가장 위험한 공정 요소로 선정하였다.
수소온도를 40℃를 조건으로 설정하고 개구직경을 일정하게 할 경우 수소기압의 변화에 따른 5 kW/m² 의 피해범위 변화를 관찰하였다. 수소기압이 10 bar에서 850 bar로 변화할 때 피해범위는 개구직경이 1 mm일 때 7.
수소온도를 40℃를 조건으로 설정하고 수소기압을 일정하게 할 경우 개구직경의 변화에 따른 5 kW/m² 의 피해범위 변화를 관찰하였다. 개구직경이 1 mm에서 10 mm로 변화하는 경우 수소기압 10 bar 일 때 10.
1에서 나타낸 순서대로 분석하였다. 위험 판정 기준을 선정하고, 수소충전소에서 발생 가능한 누출 조건을 선정하여 각 누출 조건에 따라 jet fire가 미치는 피해범위를 산출한다. 그리고 이 jet fire의 피해범위와 현재 고압가스관리법에서 제시하고 있는 안전거리와 비교하였다.
미소 개구부의 형상은 불규칙하다. 이를 고려하여 충분히 안전 사이즈로 설정하여 1 mm의 원형 개구부를 설정하였다. 개구 직경에 따른 변화를 관찰하기 위해 5 mm도 선정하였다.
이상의 시험 조건을 종합하여 Table 5와 같이 수소기압 10 bar, 438 bar, 850 bar, 수소온도 5, 40, 85℃, 개구직경 1, 5, 10 mm를 조합하여 27개의 시험 조건을 선정하였다.
화학물질안전원에서 제공하는 사고시나리오 선정에 관한 기술 지침에 따라, 기상청에서 제공하는 우리나라의 1년간 전체 평균 온도와 평균 상대습도를 사용하였다. 각각 15℃와 65%를 선정하였다.
화학물질안전원에서는 안전거리로 설정하고 있는 5 kW/m² 의 복사열에 노출되는 거리를 기준으로 수소온도, 개구 직경, 수소기압의 변화에 따른 복사열의 변화를 관찰하였다.

대상 데이터

수소는 충전 시 85℃를 넘지 않도록 제어하여야 한다. ISO WG24에서 충방전 시뮬레이션 온도로 선정하고 있는 온도범위인 5~85℃를 선정하였다.
이를 고려하여 충분히 안전 사이즈로 설정하여 1 mm의 원형 개구부를 설정하였다. 개구 직경에 따른 변화를 관찰하기 위해 5 mm도 선정하였다.
그래서 대량의 수소가스 누출을 예방하기 위한 안전장치 또는 시스템 설계가 근본적으로 이루어진 다음 핀홀 등의 소량누출 시나리오에 의한 안전거리 설정이 바람직 할 것으로 제시하고 있다. 따라서 본 논문에서도 핀홀 등의 소량 누출의 범위에서 시나리오를 선정하였다.
그리고 수소제조의 주요 공정인 탈황기, 개질기, 압축기 등에서도 1~40 bar 의 압력이 사용되고 있다. 따라서 수소 충전소에서 사용되는 최대 압력인 850 bar와 438 bar 그리고 기타 설비에서 사용되는 10 bar를 선정하였다.
또한, 일반적인 위험성 평가에서는 화재의 피해범위를 사람이 30초 간 복사열을 받았을 때 1% 사망 확률을 갖는 거리 또는 30분간 복사열을 받았을 때 목조건물이 점화되는 거리의 복사열에 해당하는 15 kW/m² 를 사용하고 있다. 본 논문에서는 5 kW/m² 의 복사열에 노출되는 지점을 피해범위로 선정하였다^6,7). Table 4는 복사열에 따라 인체에 미치는 영향을 나타내었다.

이론/모형

HyRAM에서 jet fire 시뮬레이션에 사용된 수학적 모델은 Houf and Schefer가 제시한 수학적 모델을 사용하였고 다음과 같다³⁾ .

성능/효과

개구직경×수소압력(=1 mm×10 bar, 1 mm×438 bar, 1 mm×850 bar, 5 mm×10 bar, 10 mm×10 bar)에 서 jet fire가 발생한 경우 수소 제조 시설의 설비에 대한 기준 고시에서 설정한 안전거리인 12 m에서 5 kW/m2 보다 적은 복사열이 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

후속연구

따라서 수소충전소의 경우 대량의 수소 누출을 방지하는 근본적인 안전설계가 선행되어야 할 것으로 판단된다. 안전설계 이후 밸브 누수, 노후로 인한 소량 누출 등 발생 가능성이 높은 조건을 기반으로 안전거리를 설정하는 것이 필요할 것으로 사료된다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고압의 수소 저장 시설에서 발생할 수 있는 위험은?	정부의 계획에 따라 적극적인 수소충전소의 보급을 위해서 사회적으로 신뢰할 수 있는 안전성 확보가 우선적으로 검토되어야 한다. 고압의 수소 저장 시설에서 발생할 수 있는 위험으로는 수소 가스 누출, 폭발, jet fire (화재)가 있다. 이 중에서 본 논문에서는 조건별로 jet fire의 피해 범위를 분석하고자 한다.
	도미노 효과란?	Jet fire는 산업현장의 설비나 위험물의 운송수단에서 발생하는 다양한 화재 중에서 직접적인 피해는 심하지 않지만 종종 궁극적으로 사고의 크기를 확대시키고 연속적으로 파이프라인, 탱크, 각종부 대설비 등을 오작동하게 한다. 이런 과정을 도미노 효과(domino effect)라 하고 심각한 대형 사고를 수반할 수 있다.
	수소가 에너지 패러다임에 유리한 조건을 가지는 이유는?	이를 해결하기 위해서는 기존의 화석연료 기반의 경제성장에서 지속가능한 에너지를 이용한 경제 성장으로 패러다임의 전환이 필요하다. 수소는 여러 형태로의 에너지 변환이 용이한 특징이 있으며 고효율, 무공해의 특징을 가지고 있기 때문에 지속가능한 에너지 패러다임에 유리한 조건을 가지고 있다. 이에 따라 주요 선진국들은 수소를 기반으로 한 장기적인 에너지 정책을 구상 및 추진 중이다.

참고문헌 (8)

S. H. Joo, "Quantitative Hazards Assessment Based on PHAST on Explosion Effects of Hydrogen Station", M.S. Dissertation, the Grad. School of Hoseo Univ., 2016, p. 11.
J. S. Ko, "Study on Probabilistic Analysis for Fire . Explosion Accidents of LPG Vaporizer with Jet Fire", J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 26, No. 4, 2012, pp. 31-41.
W. Houf and R. Schefer, "Predicting radiative heat fluxes and flammability envelopes from unintended releases of hydrogen," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 1, 2007, pp. 136-151.

상세보기
K. H. Moo, D. S. Kim, J. H. Choi, and J. K. Kim, "FMEA and FTA for Reliability Analysis of Hybrid Rocket Motor", Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 21, No. 4, 2013, p. 28.
J. R. Kwon and others, "A Study on the Optimization Model Development of On-Site Hydrogen Refuelling Station", Korea Gas Safety Corporation, 2010, KGS 2011, p. 40.
Y. D. Jo and B. J. Ahn, "Analysis of Hazard Area Associated with Hydrogen Gas Transmission Pipelines", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 31, No. 14, 2006, pp. 2122-2130.

상세보기
J. LaChance, "Risk-informed separation distances for hydrogen refuelling stations", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, 2009, pp. 5838-5845.

상세보기
Y. D. Jo, "Hazard Distance from Hydrogen Accidents". Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 16, No. 1, 2012, pp. 15-21.

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