[논문]소형 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전관리 방안에 관한 연구

김소현; 김민우; 이은경; 이정운

doi:10.7842/kigas.2018.22.6.76

소형 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전관리 방안에 관한 연구
A Study on the Safety Management Methods of Micro-Gas Engine Combined Heat and Power System 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.22 no.6, 2018년, pp.76 - 89

김소현 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김민우 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이은경 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이정운 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

초록
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지속적인 산업 발전에 따른 에너지 수급의 불안정 및 환경오염 문제가 대두됨에 따라 이에 대한 해결 방안의 일환으로 열병합발전 시스템의 보급이 활발해지고 있다. 국내의 경우 가스엔진을 이용한 열병합발전기의 안전성능에 대한 검사기준이 미비하므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 20 kW급 가스엔진 열병합발전 시스템에 적용 가능한 안전성능 관련 표준화 연구 수행을 위해 열병합발전 시스템의 국내 외 기준에 대한 안전성능 및 구조/재료 평가기준을 분석하였다. 또한, 위험요소 분석 및 HAZOP (Hazard and Operability Studies)을 이용한 위험성평가를 수행하여 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 평가(안)을 도출하였으며, 평가항목으로는 안전성능 관련 엔진 시동, 배관 기밀 성능, 살수 및 온도 상승 성능, 연소 성능, 전기 효율, 열효율, 종합 효율, 습도 성능 등이 포함된다. 가스엔진 열병합발전 시스템의 구조 및 재료와 관련하여 가스 및 수배관, 가스 조절 및 차단밸브, 금속 또는 비금속 재료의 내구성, 내열성, 내한성에 대한 평가항목을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The distribution of the combined heat and power system is active as a solution to the instability of energy supply and environmental pollution caused by continuous industrial development. In Korea, the safety standards for combined heat and power system using a gas engine are insufficient therefore the study on this is needed. In this study, the safety performance and structural/material assessment items of domestic and international standards applied to the combined heat and power system were analyzed to carry out a standardization study on safety performance applicable to 20 kW gas engine combined heat and power system. In addition, the safety performance assessment (plan) of the gas engine combined heat and power system was derived by performing risk analysis and risk assessment using HAZOP. Assessment items include engine ignition systems related to safety performance, piping tight performance, watering and temperature rise performance, combustion performance, electrical efficiency, thermal efficiency, overall efficiency and humidity performance. Gas and water pipes, gas control and shut-off valves, durability, heat resistance, and cold resistance of metal or non-metallic materials related to the structure and materials of the gas engine combined heat and power systems.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. The diagram of micro-combined heat and power system.
표 Table 1. Domestic and international standards for combined heat and power systems
표 Table 2. Gas engine combined heat and power system safety performance assessment items
표 Table 3. Method of combustion state performance assessment
표 Table 4. Classification of safety performance assessment items
표 Table 5. Analysis of risk factors for gas engine combined heat and power system
표 Table 6. Result of HAZOP study of micro-gas engine combined heat and power systems
표 Table 7. Structural and material assessment items of internal combustion engine power system
표 Table 8. The list of gas engine CHP system safety performance assessment items

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 20 kW급 가스엔진 열병합발전 시스템의 위험요소 분석 및 위험성평가를 수행하였으며, 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 평가(안)을 도출하였다.

제안 방법

가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 평가항목을 도출하기 위해 국·내외 연료전지와 가스엔진을 사용한 열병합발전 시스템 및 가스용 연료전지 관련 기술기준을 검토하고 내연기관 발전 시스템의 구조 및 재료 관련 위험요소 분석, HAZOP을 이용한 위험성평가를 통해 소형 가스엔진 열병합발전기 안전성능 관련 평가(안)을 도출하였다.
내연기관 발전시스템 위험요소 분석은 위험성평가를 수행하기 위한 연구로 가스엔진의 구조 및 재료와 관련하여 위험 요소 분석 범위를 연료 공급 장치, 윤활장치, 냉각장치, 흡·배기 장치, 전기장치, 제어장치로 분류하였으며, 위험요소 분석 결과를 Table 5에 나타내었다.

대상 데이터

이와 관련하여 일본의 JIA F 025-06에서는 염수분무시험을 통한 부식성 적합 검사, 500℃ 온도 조건에서의 내열성 시험, -10℃온도 조건하에서 내한성 시험 등을 수행하여 균열 및 변형 여부 검증을 통해 재료 적합성을 검토하도록 명시하고 있다. 본 연구 과제의 시험 대상인 20 kW급 가스엔진 열병합발전기의 경우 발전 후 가스엔진에서 약 500~560℃의 배기가스가 배출되므로 배관에 사용되는 재료에 대한 적합성 검사가 필수적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.

이론/모형

위험성평가 기법으로는 Check List, 4M (4M Risk Assessment), CCA (Cause- Consequence Analysis), HAZOP (Hazard & Operability Studies), PHA (Preliminary Hazard Analysis), What-if 등이 있다[25-27]. 본 연구에서는 정성적 위험성평가 기법인 HAZOP 을 이용하여 소형 가스엔진을 적용한 열병합발전기의 위험성평가를 수행하였으며, 가스엔진을 구성하는 주요 장치에 따라 연료장치, 윤활장치, 냉각장치, 흡·배기장치, 전기·제어장치로 Node를 구분하였다. 각 Node에서 사고발생 위험성이 있는 것으로 판단되는 요소를 이탈현상으로 선정하여 위험요소에 따른 원인과 결과를 분석하였으며, 이에 대한 안전조치 대책에 대한 연구 결과를 Table 6에 나타내었다.

성능/효과

가스엔진 열병합발전 시스템의 구조 및 재료 관련 평가항목으로는 가스 배관을 비롯하여 냉각수가 통과하는 수배관의 구조와 재료, 배기가스 배관 성능, 가스 조절 및 차단밸브와 열병합발전 시스템에 사용되는 금속/비금속 재료의 내구성, 내부식성, 내한성 및 내열성 등의 평가항목이 포함된다.
20 kW급 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능과 관련하여 본 연구를 통해 도출된 평가항목은 안전성능과 구조/재료로 분류 할 수 있다. 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 관련 평가항목으로는 엔진부를 구성하는 엔진의 시동 성능, 가스 통로 및 배관의 기밀 성능, 엔진의 살수 성능, 평상 시 또는 이상 운전 시 화재로부터 가스엔진 열병합발전 시스템을 보호하기 위한 구성품 및 재료의 온도상승 성능, CO 농도 및 연소상태 등을 검사하는 연소 성능이 있다. 또한, 발전기부 안전성능 평가항목인 전기 효율, 열효율, 종합 효율을 비롯하여 가스엔진 열병합발전기의 환경 안정성과 관련된 습도 및 온습도 사이클 성능 등의 시험항목이 있다.
가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 관련 평가항목으로는 엔진부를 구성하는 엔진의 시동 성능, 가스 통로 및 배관의 기밀 성능, 엔진의 살수 성능, 평상 시 또는 이상 운전 시 화재로부터 가스엔진 열병합발전 시스템을 보호하기 위한 구성품 및 재료의 온도상승 성능, CO 농도 및 연소상태 등을 검사하는 연소 성능이 있다. 또한, 발전기부 안전성능 평가항목인 전기 효율, 열효율, 종합 효율을 비롯하여 가스엔진 열병합발전기의 환경 안정성과 관련된 습도 및 온습도 사이클 성능 등의 시험항목이 있다.

후속연구

본 연구 결과는 향후 국내에서 개발되는 20 kW급 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전성능 평가에 활용될 예정이며, 소형 가스엔진 열병합발전 시스템의 안전한 사용 및 보급에 기여할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열병합발전 시스템에 적용되는 원동기는 무엇이 있는가?	일반적으로 열병합발전 시스템에 적용되는 원동기로는 가스엔진, 가스터빈, 연료전지 등이 있으며, 발전 규모와 배열회수의 형태에 따라 분류 된다. 가스터빈의 경우 MW급 이상으로 주로 산업용과 건물용에 적용되며, 미국의 Capstone社에서는 30~800kW 등 소형 가스터빈을 적용한 열병합발전기 제품도 개발하고 있다.
	열병합발전 시스템의 장점은 무엇인가?	7%로 확대 보급될 전망이다[6]. 열병합발전 시스템은 기존의 화력발전소에서 전력생산 후 폐기되었던 배열을 회수하여 열에너지로 이용하며, 열과 전력을 에너지원으로 사용하므로 에너지 종합 효율이 약 75~90%에 이른다[7-9]. Fig.
	열병합발전 시스템에서 생산된 전력은 어디에 이용되는가?	1은 열병합발전 시스템의 구성을 나타낸 것으로 열병합발전 시스템은 발전을 통해 열과 전력을 이원화하여 생산한다. 이때 생산된 전력은 가정 및 건물의 전기 시스템에 공급되며, 발전 시 발생하는 배가스로부터 온수 또는 증기를 회수하여 하절기의 경우 흡수식 냉동기를 통해 냉방 시스템에 적용하고 동절기의 경우 냉온수기 및 급탕탱크를 통해 난방과 급탕에 사용 가능하다.

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저자의 다른 논문 :

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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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