[논문]저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력 해석

김영인; 김승훈; 지민석; 염찬섭; 최원혁

doi:10.12673/jant.2018.22.3.205

저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력 해석
A Stress Analysis for Pressure Vessel to Prevent Spontaneous Ignition of Coal Stockpile 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.22 no.3 = no.90, 2018년, pp.205 - 212

김영인 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부(한서대학교)) , 김승훈 (한서대학교 항공시스템공학과) , 지민석 (한서대학교 항공전자공학과) , 염찬섭 ((주)피플아이) , 최원혁 (한서대학교 항공전자공학과)

초록
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자연발화의 문제는 심각한 경제적 손해뿐만 아니라 화재 시 발생하는 유해가스로 인해 환경오염을 발생시키는 대표적인 발전소 피해이다. 저탄장 자연발화 예방 및 조치하기 위해 드론을 이용하는 방법이 제시되었으나 외부의 측풍과 외란으로 인한 2차 사고의 발생위험이 존재하는 상황이다. 자연발화의 원인과 영향 인자는 매우 복잡하기 때문에 사전에 예방하기가 쉽지 않으며 일단 발생하면 소화하기도 어렵다. 따라서 저탄장 내부에서 직접적으로 온도 및 상태를 측정하고 자연발화 지점에 직접적으로 냉각 가스를 분출하여 소화하는 장치가 필요하다. 본 연구는 저탄장의 자연발화를 예방하기 위한 냉각볼 장치의 내부 압력과 외부 압력에 대하여 구조해석을 실시하고 구조적 안전성에 대하여 연구한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Spontaneous ignition is not only severe economic damage but also a typical plant damage caused by harmful gases generated during the fire. Because coal is porous, it causes oxygen to be absorbed in the amount of oxygen per unit weight of oxygen, resulting in low humidity and low thermal conductivity. The cause and effect of spontaneous ignition are very complex, so it is difficult to prevent it beforehand and once it is difficult to digest it, it is difficult to digest it. This study examines structural safety by conducting a structural analysis of the cooling ball system to prevent spontaneous combustion of coal stockpile plants and external pressures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 내압을 받는 냉각 볼의 내부 탱크와 외압을 받는 외부 케이스의 안전성 분석을 위하여 우선, 이론식과 단순한 형태의 압력용기의 ANSYS 결과 값을 비교하여 그 적용 가능성과 유효성에 대하여 확인하였다. 또한 이 유효성을 바탕으로 내부탱크는 내부 압력 3 MPa으로 해석 및 계산하였고 단순 모델의 경우 이론적 결과 값은 9.
본 연구는 이러한 냉각볼(cooling ball) 장치의 구조적 안전성에 대한 연구로써 가스압력에 대한 내부 탱크의 압력 해석과 외부 압력에 대한 냉각볼 형상의 구조해석(structural analysis)을 수행한다. 그리고 구조적 안전성을 평가한다.

제안 방법

0 MPa의 내압이 가해지는 조건으로 하중을 부여하였다. 경계조건으로 x-y 평면의 절점의 z방향 변위를 구속하였으며, x축 상의 절점의 y방향 변위 구속, y축 상절점의 x방향 변위를 구속하였다. 그림 4는 격자(Mesh)를 나타낸 것으로 요소의 수는 15,195개이며, 절점의 수는 26,102개이다.
구조해석은 우선 플랜지(flange)가 없는 단순 내부탱크 형상에 대하여 해석하고 해석값을 이론값과 비교하고 유효성을 확인한다.
구조해석의 구속조건은 단순한 형상과 동일한 해석조건으로 지정하여 내부 압력을 3.0 MPa으로 해석하였다. 그림 7은 실제 형상에 대한 구조해석 결과로 von-mises stress를 나타낸 것이다.
본 연구는 이러한 냉각볼(cooling ball) 장치의 구조적 안전성에 대한 연구로써 가스압력에 대한 내부 탱크의 압력 해석과 외부 압력에 대한 냉각볼 형상의 구조해석(structural analysis)을 수행한다. 그리고 구조적 안전성을 평가한다. 본 연구가 파행될 수 있는 분야로는 항공기 유압 및 오일 저장통, 항공기 유압 작동기, 항공기 소화기 분야가 있다.
실제 형상에 대하여 응력해석과 변형 량을 해석하여 구조적안전성을 분석 하였다. 해석결과, 내부탱크는 내부압력에 대하여 안전성을 보유하고 있었고 냉각 볼 외부 케이스도 외부 압력에 대하여 구조적으로 안전성을 보유하고 있는 것으로 분석 되었다.
저탄장의 자연발화 대책 마련이 시급하여 최근에는 드론의 관심도가 높아짐에 따라, 드론을 이용한 옥외 저탄장 자연발화 예측 및 예방 정책을 추진하는바 있다. 옥외 저탄장에 드론을 비행시켜 열화상 카메라 등을 이용하여 저탄장의 자연발화 지점을 측정 및 예측한다. 그러나 옥외저탄장의 크기에 비해 드론의 비행시간이 현저히 짧고 비행도중에 측풍 및 외란으로 인한 2차 사고의 위험성이 존재하고 있는 실정이다[3].
위 해석 조건을 바탕으로 실제 형상에 대하여 구조해석을 수행하였다. 외부 케이스 형상은 내부에 내부탱크, 솔레노이드 밸브, 제어장치 등이 장착되므로 복잡한 구조를 가지고 있다.
이론적 계산과 단순형상의 해석결과를 비교할시 결과값 간의 오차 범위가 5%의 범위 내에 포함될 경우 실제 사용되는 형상을 이용하여 해석을 진행하게 되며 실제 형상과 이론식의 결과값을 비교하여 5%의 범위 이내에 포함되어있는지 확인하고자한다.
이론적 계산은 경우 두께 방향의 응력을 고려하지 않았으며 전단력이 작용하지 않기 때문에 주응력 식을 이용하여 최대 응력을 계산하였다. 동일한 조건으로 ANSYS 해석을 실시하였으며 그림 5, 6은 그 결과를 나타낸 것이다.
플랜지(Flange)와 1차 노즐부가 있는 냉각볼의 실제 형상에 대하여 구조해석을 수행하여 내부 탱크의 구조적 안전성을 평가하였다.
해석은 내부탱크와 동일한 ANSYS R18.0을 이용하였으며 외부 전체에 0.443 MPa의 외압이 가해지는 조건을 부여 하였다[10].
냉각볼 외부 케이스는 냉각볼이 저탄장에 매립되어 내부 가스탱크 및 기타 내부 장치들을 보호한다. 화력발전소의 저탄장의 경우, 화력 발전소 마다 저탄장의 높이와 양이 다르게 적재 되어 있지만 최대 적재량을 고려하여 외부압력에 대하여 구조해석을 진행하였다.

대상 데이터

석탄의 밀도(p)는 1,506 kg/m³으로 하고 높이는 30 m하였으며 냉각볼의 외압은 0.443 MPa로 선정하여 해석조건으로 적용하였다. 외부 케이스도 두께(t)가 직경(d)에 비해 10배보다 작아 쉘 구조물로 계산하였으며 직경(d)와 두께(t)의 비는 0.

데이터처리

0 MPa로 계산되었다. 구조해석은 ANSYS R18.0을 이용하였으며 내부 전체에 3.0 MPa의 내압이 가해지는 조건으로 하중을 부여하였다. 경계조건으로 x-y 평면의 절점의 z방향 변위를 구속하였으며, x축 상의 절점의 y방향 변위 구속, y축 상절점의 x방향 변위를 구속하였다.

성능/효과

0 MPa를 적용하였다. 계산 결과, 이론적 계산값은 9.0 MPa로 계산되었다. 구조해석은 ANSYS R18.
내부 압력에 대한 실제 내부탱크의 구조적 해석결과와 외부 압력에 대한 외부 케이스의 구조적 해석결과, 냉각볼의 내부탱크는 최대 응력 11.17 MPa, 최대 변형량 0.0024 mm이며 냉각볼의 외부 케이스는 최대 응력 1.9 MPa, 최대 변형량 0.00025 mm로 나타나 응력과 변형량을 고려해 볼 때 구조적으로 안전성을 보유하고 있는 것으로 판단된다.
본 연구는 내압을 받는 냉각 볼의 내부 탱크와 외압을 받는 외부 케이스의 안전성 분석을 위하여 우선, 이론식과 단순한 형태의 압력용기의 ANSYS 결과 값을 비교하여 그 적용 가능성과 유효성에 대하여 확인하였다. 또한 이 유효성을 바탕으로 내부탱크는 내부 압력 3 MPa으로 해석 및 계산하였고 단순 모델의 경우 이론적 결과 값은 9.0MPa, 구조해석의 결과 값은 9.11MPa로 5%이내의 오차를 보여 주고 있다. 실제 모델링된 내부탱크에 대한 구조해석 결과 값은 단순한 형상과 동일한 조건으로 해석을 진행하였고 von-mises stress가 최대 21.
11MPa로 5%이내의 오차를 보여 주고 있다. 실제 모델링된 내부탱크에 대한 구조해석 결과 값은 단순한 형상과 동일한 조건으로 해석을 진행하였고 von-mises stress가 최대 21.17MPa, 내부 7 ~ 8MPa의 응력이 나타났다. 안전여유는 von-mises stress의 최댓값을 적용하여 4.
안전여유를 계산하기 위해 식 (3)을 이용하였으며 안전계수 2를 적용한 결과, 안전여유는 10.73로 나타났으며 충분한 안전여유를 가지는 것으로 나타났다.
외부 케이스에 대해 내부 탱크와 동일한 조건과 방법을 이용하였으며 이론적 결과 값은 7.50MPa, 구조해석을 통한 결과 값은 7.70MPa로 5%이내의 오차를 보여주고 있다. 실제 모델링 된 외부 케이스의 경우 최대 1.
실제 형상에 대하여 응력해석과 변형 량을 해석하여 구조적안전성을 분석 하였다. 해석결과, 내부탱크는 내부압력에 대하여 안전성을 보유하고 있었고 냉각 볼 외부 케이스도 외부 압력에 대하여 구조적으로 안전성을 보유하고 있는 것으로 분석 되었다. 본 연구는 항공기의 소화기 및 각종 탱크 개발에 활용 될 수 있는 기초 연구이며 향후, 재질과 온도를 고려한 구조해석을 수행할 계획이다.

후속연구

해석결과, 내부탱크는 내부압력에 대하여 안전성을 보유하고 있었고 냉각 볼 외부 케이스도 외부 압력에 대하여 구조적으로 안전성을 보유하고 있는 것으로 분석 되었다. 본 연구는 항공기의 소화기 및 각종 탱크 개발에 활용 될 수 있는 기초 연구이며 향후, 재질과 온도를 고려한 구조해석을 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저탄장의 자연발화에 의해 어떤 피해를 입히는가?	저탄장 (coal stockpile)의 자연발화 (spontaneous ignition)에 의한 피해는 석탄 화력발전소의 저급탄 사용량이 증가에 비례하여 자주 발생하며 심각한 경제적 손해뿐만 아니라 화재 시, 발생하는 유해가스로 인한 환경오염을 야기하는 대표적인 발전소 피해이다.
	옥외저탄장에 드론을 비행시켜 자연발화 지점을 측정 및 예측하는 방법의 문제점은?	옥외 저탄장에 드론을 비행시켜 열화상 카메라 등을 이용하여 저탄장의 자연발화 지점을 측정 및 예측한다. 그러나 옥외저탄장의 크기에 비해 드론의 비행시간이 현저히 짧고 비행도중에 측풍 및 외란으로 인한 2차 사고의 위험성이 존재하고 있는 실정이다[3].
	실제 형상에 대하여 응력해석과 변형 량을 해석하여 구조적안전성을 분석 시 어떤 결과를 얻는가?	실제 형상에 대하여 응력해석과 변형 량을 해석하여 구조적안전성을 분석 하였다. 해석결과, 내부탱크는 내부압력에 대하여 안전성을 보유하고 있었고 냉각 볼 외부 케이스도 외부 압력에 대하여 구조적으로 안전성을 보유하고 있는 것으로 분석 되었다. 본 연구는 항공기의 소화기 및 각종 탱크 개발에 활용 될 수 있는 기초 연구이며 향후, 재질과 온도를 고려한 구조해석을 수행할 계획이다.

참고문헌 (10)

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H. K. Cheong, H. S. Lim, J. J. Cho, J. J. Byeon, Y. T. Ahn, Y. Yoon and G. J. Im, "Development of pneumoconiosis among inhabitants around a briquet factory," Korean Journal of Epidemiology, Vol. 10, No. 1, pp 102-108, June. 1988.
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B. S. U. SoYul and D. N. SoYul, Standard Mechanical Design Chart Handbook, 5th ed, Jung-gu, Seoul: Daekwang Seorim, 2009.
D, J, Choi, The Development of structural design and manufacturing for cryogenic Storage Tank, Master Thesis, Korea Maritime and Ocean University, Busan, Oct. 2005.
B. Moghtaderi, B. Z. Dlugogorski and E. M. Kennedy, "Effects of wind flow on self-heating characteristics of coal stockpiles," Institution of Chemical Engineers, Vol 78, Part B, Nov. 2000.

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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