LNG 재기화 공정에서 LNG 누출에 따른 화재 및 폭발사고의 피해영향 분석 Analysis of the Impact of Fire and Explosion Accidents due to LNG Leaks in the LNG Re-gasification Process원문보기
본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 배관 손상으로 인한 누출사고 발생시 LNG 성분 및 누출공의 크기에 따른 연소특성에 대한 피해범위를 산출하고, 피해영향을 해석하였다. LNG 성분에 따른 연소특성을 확인하기 위하여 7곳의 LNG 산지별 위험도를 확인한 결과 산지별 큰 차이를 보이지 않았으나, LNG 구성성분 중 메탄의 함유량이 많을수록 플래시화재 발생범위 및 증기운 폭발에 의한 과압이 발생하는 위험범위 그리고 제트화재 발생에 의한 열 복사량 피해영향이 다른 산지에 비해 비교적 낮음을 알 수 있었다. 또한 배관 누출공의 크기에 따라 누설, 파공, 파괴 3단계에 나누어 위험 범위 및 폭발에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 플래시화재로 인한 피해영향범위를 계산하고, 이에 따라 LNG 누출시 화재가능 위험범위를 확인했으며, 과압의 영향 및 복사열로 부터의 피해범위를 예측할 수 있었다. 이를 통해 LNG 조성 및 배관 누출공의 크기가 화재 및 폭발에 미치는 영향을 예측할 수 있었다.
본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 배관 손상으로 인한 누출사고 발생시 LNG 성분 및 누출공의 크기에 따른 연소특성에 대한 피해범위를 산출하고, 피해영향을 해석하였다. LNG 성분에 따른 연소특성을 확인하기 위하여 7곳의 LNG 산지별 위험도를 확인한 결과 산지별 큰 차이를 보이지 않았으나, LNG 구성성분 중 메탄의 함유량이 많을수록 플래시화재 발생범위 및 증기운 폭발에 의한 과압이 발생하는 위험범위 그리고 제트화재 발생에 의한 열 복사량 피해영향이 다른 산지에 비해 비교적 낮음을 알 수 있었다. 또한 배관 누출공의 크기에 따라 누설, 파공, 파괴 3단계에 나누어 위험 범위 및 폭발에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였으며, 플래시화재로 인한 피해영향범위를 계산하고, 이에 따라 LNG 누출시 화재가능 위험범위를 확인했으며, 과압의 영향 및 복사열로 부터의 피해범위를 예측할 수 있었다. 이를 통해 LNG 조성 및 배관 누출공의 크기가 화재 및 폭발에 미치는 영향을 예측할 수 있었다.
In this study, one calculated the range of damage to the combustion characteristics according to the composition of LNG and the size of leaking holes, and analyzed the damage effect in case of leakage accidents caused by pipe damage in the re-gasification process for the LNG supply system. In order ...
In this study, one calculated the range of damage to the combustion characteristics according to the composition of LNG and the size of leaking holes, and analyzed the damage effect in case of leakage accidents caused by pipe damage in the re-gasification process for the LNG supply system. In order to confirm the combustion characteristics according to LNG composition, there was no significant difference in the result of risk analysis by LNG-producing areas. However, the higher the methane content of the components, the lower the risk of flash fire, hazardous areas of overpressure due to explosion, and thermal radiation damage caused by jet fire. In addition, one investigated the effect of leakage, holes, and ruptures on the risk range and explosions according to the size of the pipe-leakage hole. Also, the influence of overpressure and the range of damage from radiant heat could be predicted. One confirmed the effect of LNG composition and pipe-leakage size on fire and explosion.
In this study, one calculated the range of damage to the combustion characteristics according to the composition of LNG and the size of leaking holes, and analyzed the damage effect in case of leakage accidents caused by pipe damage in the re-gasification process for the LNG supply system. In order to confirm the combustion characteristics according to LNG composition, there was no significant difference in the result of risk analysis by LNG-producing areas. However, the higher the methane content of the components, the lower the risk of flash fire, hazardous areas of overpressure due to explosion, and thermal radiation damage caused by jet fire. In addition, one investigated the effect of leakage, holes, and ruptures on the risk range and explosions according to the size of the pipe-leakage hole. Also, the influence of overpressure and the range of damage from radiant heat could be predicted. One confirmed the effect of LNG composition and pipe-leakage size on fire and explosion.
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문제 정의
(Chemical Safety Agency, 2015) 따라서 온도 및 조건 등에 따라 ASPEN HYSYS Ver.7.3을 통해 물성 값을 얻고, 이를 ALOHA에 대입하여 결과를 비교·분석한 자료를 통해 LNG 공급계통시스템을 갖추고 있는 대표적 설비인 LNG-FSRU(Floating Storage and Re-gasification Unit)나 LNG 연료추진선박, LNG 벙커링 터미널 등에서의 안전성 확보에 도움을 주고자 한다(HYSYS, 2004).
제트화재(Jet fire)는 배관에서 누출공을 통하여 새어나오는 가연성 액체나 가스가 점화되는 현상으로 제트화재 발생 시 발생하는 열 복사량(Thermal radiation)에 의한 위험우려 구간을 예측할 수 있다. 본 연구에서는 ALOHA에서 열복사량 위험지역기준으로 기본 제공하는 위험도 기준을 사용하여 결과를 산출했다. 기본 제공 위험도 기준은 각각 2.
본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 배관 손상으로 인한 누출사고 발생시 LNG 조성별 연소특성에 대해 예측 및 분석을 하였다. 또한 배관 누출공 크기에 따라 누설, 파공, 파괴 3단계에 나누어 위험범위 및 폭발에 미치는 영향에 대한 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이에 따라 본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 LNG 이송 중 배관에서 누출에 의한 화재 및 폭발 발생시 LNG 산지 및 기후 조건, 배관 누출공의 크기에 따른 피해영향범위를 산출하고자 하였다. 그리고 폭발 잠재 위험을 정확하게 분석하고 결과를 비교하기 위해 ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres) 5.
이에 따라 액화천연가스의 성분 중에서 메탄과 에탄, 프로판을 제외한 기타 성분이 열역학적 물성치에 미치는 영향은 거의 무시 될 수 있다고 할 수 있지만 본 연구에서는 최대한 실제상황과 유사하게 모사하기 위하여 모든 성분을 포함하여 계산을 진행했다.
가설 설정
6 mm로 실제 LNG선박에 적용된 관경과동일하게 적용했다. LNG 공급계통시스템을 갖추고 있는 설비 또는 선박은 해상에서 LNG선으로부터 LNG를 공급받거나 육상으로 이송할 때 또는 밸브 조작 실수 등으로 인해 LNG가 누출될 가능성이 있기 때문에 대기압 조건에서 배관 내 LNG가 유출된다고 가정하였다. 그리고 파스퀼 안정도 등급은 대기상태의 안정성을 나타내는 기준으로써 선박내 배관에서 가스가 누출되는 시나리오를 적용하였기 때문에 바람이 거의 없는 안정적인 Stability class E(Slightly stable)를 적용했다(Comarova and Mangul, 2008).
Table 4는 LNG 산지별 조성에 따른 화재로부터 위험도를 비교·분석하기 위해 가정한 조건으로 총 7곳의 산지별 모두동일한 조건을 적용하였다.
따라서 본 연구에서 LNG의 유출원은 가스터빈설비의 배관으로 관의 크기(내경)는 264.6 mm, 배관의 총 길이는 100 m로 가정하였다. LNG의 조성비는 국내 수입량의 40 % 이상을 차지하고 있는 카타르 산 LNG 조성을 적용하였다.
com, 2017). 하지만 현재까지는 ALOHA에 LNG의 물성치가 존재하지 않아 메탄으로만 가정하여 천연가스 폭발에 대한 위험성 평가를 시행했다. 따라서 본 연구에서는 산지별 조성에 따른 물성 값을 ASPEN HYSYS을 통해 산출된 값을 기준으로 시뮬레이션 하였으며, 물성 값을 계산하기 위해 기존의 기체상태방정식 중 비교적 정확성이 높고 각 성분 간의 상호작용에 대한 관계가 포함되어 있는 Peng-Robinson 식(Nasri et al.
제안 방법
2. 재기화 공정의 배관에서 LNG가 누설, 파공, 파괴되었을경우 화재 및 폭발에 따른 피해영향범위를 확인하기 위해 관의 크기가 264.6mm, 총 길이가 100 m인 배관에서 누설은 1/2인치(12.7 mm), 파공은 2인치(50.8 mm), 파괴는 배관의 크기와 동일한 264.6 mm의 수치를 적용하여 그 결과를 비교 분석하였다. 우선 플래시화재에 의한 피해범위(LEL 100 %)를 분석한 결과 누설발생 시 화재 발생지점에서 약 0.
LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 LNG 조성비에 따른 LNG 누출 시 위험도를 확인하기 위해 7곳의 LNG 산지별 성분에 따른 물성 값을 비교·분석했다.
여기서 특히 고려할 점은 배관에서 가스누출 시 누출공의 크기이다. 따라서 본 연구에서는 누출공의 크기에 따른 피해영향범위를 계산하기 위하여 누설(Leak), 파공(Hole), 파괴(Rupture)의 3단계 기준으로 나누어 사이즈를 결정했다. 이때 시나리오설계 시 누출공의 크기에 대해 정해진 기준이 없기 때문에 누설은 1/2인치(12.
본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 배관 손상으로 인한 누출사고 발생시 LNG 조성별 연소특성에 대해 예측 및 분석을 하였다. 또한 배관 누출공 크기에 따라 누설, 파공, 파괴 3단계에 나누어 위험범위 및 폭발에 미치는 영향에 대한 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
6 mm의 값을 각각 적용하였다. 또한 플래시화재의 위험도 기준은 누출기체의 폭발하한계 수치로 설정했다. 본 연구에서는 3단계의 기준 수치를 각각 45,700 ppm(100 % LEL: 점화원이 있을 경우 플래시화재 발생), 27,420 ppm(60 % LEL = Flame pockets), 4,570 ppm(10 % LEL)로 적용했다(Park, 2014).
또한 플래시화재의 위험도 기준은 누출기체의 폭발하한계 수치로 설정했다. 본 연구에서는 3단계의 기준 수치를 각각 45,700 ppm(100 % LEL: 점화원이 있을 경우 플래시화재 발생), 27,420 ppm(60 % LEL = Flame pockets), 4,570 ppm(10 % LEL)로 적용했다(Park, 2014).
대상 데이터
6 mm, 배관의 총 길이는 100 m로 가정하였다. LNG의 조성비는 국내 수입량의 40 % 이상을 차지하고 있는 카타르 산 LNG 조성을 적용하였다. 여기서 특히 고려할 점은 배관에서 가스누출 시 누출공의 크기이다.
따라서 본 연구에서는 누출공의 크기에 따른 피해영향범위를 계산하기 위하여 누설(Leak), 파공(Hole), 파괴(Rupture)의 3단계 기준으로 나누어 사이즈를 결정했다. 이때 시나리오설계 시 누출공의 크기에 대해 정해진 기준이 없기 때문에 누설은 1/2인치(12.7 mm), 파공은 2인치(50.8 mm), 파괴는 배관이 완전히 파열된 상태이므로 배관의 지름인 264.6 mm의 값을 각각 적용하였다. 또한 플래시화재의 위험도 기준은 누출기체의 폭발하한계 수치로 설정했다.
이론/모형
이에 따라 본 연구에서는 LNG 공급계통시스템의 재기화 공정에서 LNG 이송 중 배관에서 누출에 의한 화재 및 폭발 발생시 LNG 산지 및 기후 조건, 배관 누출공의 크기에 따른 피해영향범위를 산출하고자 하였다. 그리고 폭발 잠재 위험을 정확하게 분석하고 결과를 비교하기 위해 ALOHA(Areal Location of Hazardous Atmospheres) 5.4.7 소프트웨어를 활용했다. ALOHA는 약 35년 전에 처음 개발된 이래 최근까지도 지속적인 버전업을 통하여 최신화를 유지하고 있는 화재 및 유독성물질 누출위험결과를 확인할 수 있는 프로그램이다.
하지만 현재까지는 ALOHA에 LNG의 물성치가 존재하지 않아 메탄으로만 가정하여 천연가스 폭발에 대한 위험성 평가를 시행했다. 따라서 본 연구에서는 산지별 조성에 따른 물성 값을 ASPEN HYSYS을 통해 산출된 값을 기준으로 시뮬레이션 하였으며, 물성 값을 계산하기 위해 기존의 기체상태방정식 중 비교적 정확성이 높고 각 성분 간의 상호작용에 대한 관계가 포함되어 있는 Peng-Robinson 식(Nasri et al., 2009)을 사용했다.
성능/효과
1. LNG 구성성분 중 메탄의 위험도는 2.0으로 가장 낮았고, 부탄의 경우 3.66으로 가장 높은 수치를 보였다. 이를 통해 LNG 성분 중 메탄의 함유량이 많을수록 낮은 위험도를 갖게 되는 것을 알 수 있었으며, ALOHA 프로그램을 통해 산지별 조성에 따른 화재 위험도 분석 결과 산지에 따라 큰 차이는 보이지는 않았으나, 성분 중 메탄의 함유량이 높은 트리니다드 산지의 LNG가 상대적으로 플래시화재 발생범위 및 증기운 폭발에 의한 고압이 발생하는 위험범위 그리고 제트화재 발생에 의한 열 복사량 피해영향이 낮음을 알 수 있었다.
6 %를 나타내고 있다. 그리고 에탄은 2.7 % ~ 9.0 %, 프로판이 0.3 % ~ 3.3 %, 부탄이 0.1 % ~ 1.6 %, 질소가 0.0 % ~0.6 %의 조성비를 나타내고 있으며, 이 중 메탄, 에탄, 프로판의 조성비 합계를 살펴보면 최소 98.1 %에서 최대 99.9 %를 차지하고 있음을 알 수 있다.
9 kPa은 유리를 산산조각 낼 정도의 피해를 야기할 수 있는 압력이다. 그림에서 보이는 결과와 같이 7곳의 산지별 LNG 성분에 따라 큰 차이는 보이지 않았지만 트리니다드 산지의 LNG가 나머지 산지에 비해 상대적으로 과압으로부터 영향이 적음을 확인했다. 그리고 7곳의 LNG 산지 모두 누출지점으로부터 최소 250 m 이상 피해있어야 치명적인 부상을 피할 수 있었다.
1은 산지별 LNG의 위험도 및 분자량을 보인다. 그림에서 보이는 바와 같이 총 7곳의 산지 중 트리니다드가 위험도 및 분자량이 가장 낮았으며, 오만의 위험도 및 분자량이 가장 높았다. 여기서 끓는점이 낮은 탄화수소 즉, 메탄의 함량이 많을수록 분자 구조가 간단하고 크기가 작기 때문에 분자량의 크기가 작다.
따라서 LNG 배관 손상에 의해 누설 및 파괴 등이 발생하게 되면 최소 0.028 km 2(화재지점에서 직선거리 189 m) 이상을 벗어나야 과압에 의한 피해범위에서 벗어날 수 있는 것을 알 수 있었다.
메탄의 경우 다른 탄화수소에 비해 연소속도가 느리고, 최소 발화에너지, 발화점, 폭발하한계 농도가 높은 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 메탄의 함유량이 높을수록 상대적으로 위험도가 낮아지게 되는 것이다. 따라서 연소범위를 비교했을 때 산지별 큰 차이를 보이지는 않았으나 메탄의 함유량이 높을수록 화재위험에 대한 위험도는 낮아지게 됨을 알 수 있었다.
이를 통해 LNG 성분 중 메탄의 함유량이 많을수록 낮은 위험도를 갖게 되는 것을 알 수 있었으며, ALOHA 프로그램을 통해 산지별 조성에 따른 화재 위험도 분석 결과 산지에 따라 큰 차이는 보이지는 않았으나, 성분 중 메탄의 함유량이 높은 트리니다드 산지의 LNG가 상대적으로 플래시화재 발생범위 및 증기운 폭발에 의한 고압이 발생하는 위험범위 그리고 제트화재 발생에 의한 열 복사량 피해영향이 낮음을 알 수 있었다. 또한 7개 산지의 LNG 누출시 누출지점으로 부터의 피해범위를 산출함으로써 발화원으로부터 최소 250 m 이상 대피해야만 치명적인 부상을 피할 수 있는 것을 확인했다.
피해영향범위를 살펴보면 LEL 60 % 이상 지역은 플래시화재 발생 위험지역이기 때문에 해당지역 내에 점화원이 없도록 철저히 관리해야 한다(Park, 2014). 산지별 화재로 부터의 피해영향범위를 비교해보면 메탄의 함량이 많은 트리니다드 산지와 메탄의 함량이 가장 적었던 오만 산지를 비교했을 때 메탄의 함량이 많은 트리니다드산지의 LNG의 플래시화재 발생 위험지역이 더 좁았지만 산지별 차이는 크게 없었다.
6 mm의 수치를 적용하여 그 결과를 비교 분석하였다. 우선 플래시화재에 의한 피해범위(LEL 100 %)를 분석한 결과 누설발생 시 화재 발생지점에서 약 0.031 km2의면적 범위내, 파공 및 파괴의 경우 폭발하한범위는 각각0.040 km 2, 0.041 km2의 면적을 차지하며 화재가능 범위를 갖게 되었다. 또한 과압에 의한 피해범위를 예측한 결과 LNG배관 손상에 의해 누설 및 파괴 등이 발생하게 되면 최소0.
66으로 가장 높은 수치를 보였다. 이를 통해 LNG 성분 중 메탄의 함유량이 많을수록 낮은 위험도를 갖게 되는 것을 알 수 있었으며, ALOHA 프로그램을 통해 산지별 조성에 따른 화재 위험도 분석 결과 산지에 따라 큰 차이는 보이지는 않았으나, 성분 중 메탄의 함유량이 높은 트리니다드 산지의 LNG가 상대적으로 플래시화재 발생범위 및 증기운 폭발에 의한 고압이 발생하는 위험범위 그리고 제트화재 발생에 의한 열 복사량 피해영향이 낮음을 알 수 있었다. 또한 7개 산지의 LNG 누출시 누출지점으로 부터의 피해범위를 산출함으로써 발화원으로부터 최소 250 m 이상 대피해야만 치명적인 부상을 피할 수 있는 것을 확인했다.
041 km2의 면적을 차지하며 화재가능 범위를 갖게 된다. 이를 통해 배관내 파공이 발생하면 배관이 파괴된 효과와 비슷한 플래시화재 피해영향범위를 가지게 됨을 확인했다.
028 km2, 화재지점에서 직선거리 189 m 이상을 벗어나야 과압에 의한 피해영향범위에서 벗어날 수 있게 된다. 제트화재 발생시 배관이 파괴되면 최소 9,850 m2 구역(화재지점으로부터 직선거리 56 m) 이상 피해있어야 복사열로부터 부상을 피할 수 있음을 확인했다.
후속연구
이와 같이 선박 및 해양시스템의 안전 분석 및 리스크 평가와 관련된 연구가 수행되어왔으나, 아직까지 LNG 공급계통시스템에서의 배관 누출에 대한 화재 및 폭발 위험을 비교한 연구는 찾아보기는 쉽지 않으며, 국외에 비해 기술개발에 따른 기초적인 연구도 부족한 실정이다. 그리고 화재 발생 장소가 바다라는 특수성을 고려해볼 때 자체의 소화설비와 인근에 배치된 소화설비 부재 및 공공소방대의 접근이 어려우며, 바람 및 기후 조건 등 자연적 요인에 의한 영향이 크게 작용하여 화재의 확대가 용이하기 때문에 피해를 최소화하기 위해서는 반드시 관련 연구가 필요하다.
단, 본 연구에서 르샤틀리에 법칙을 통해 계산된 폭발한계 값은 실험식을 활용한 통계적 추정 값이므로 보다 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실험을 통한 정확한 자료의 검증이 반드시 필요하다.
이러한 결과는 르샤틀리에 법칙을 기준으로 산정한 위험도의 결과와 어느 정도 일치함을 확인하였다. 하지만 ALOHA를 통해 얻은 결과는 비교적 단순한 상황 및 환경에만 적용할 수 있는 한계가 있기 때문에 반드시 안전성검증에 사용되는 다른 방법들과 더불어 안전 수준을 재차 검토하여 예상되는 사고에 대한 대비책을 세우는 것이 리스크 저감 차원에서 중요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LNG를 선박의 연료로 사용시 장점은 무엇인가?
, 2011). 또한 LNG를 선박의 연료로 사용하게 되면 전통적으로 사용되어온 해양 오일 연료와 비교했을 때, 산화물의 배출은 90 % ~ 95 %, 이산화탄소의 배출은 20 % ~25 %(Andersen et al., 2011), 질소산화물의 배출은 85 % ~ 90 % 정도를 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다(Lee, 2015). 이에 따라 최근 산업용 보일러 등의 연료가 벙커C유에서 대기환경 문제 개선 등의 장점을 갖는 LNG로 많이 교체되어 가고 있는 실정이다.
LNG 공급계통시스템에서의 배관 누출에 대한 화재 및 폭발 위험에 대한 연구가 필요한 이유는 무엇인가?
이와 같이 선박 및 해양시스템의 안전 분석 및 리스크 평가와 관련된 연구가 수행되어왔으나, 아직까지 LNG 공급계통시스템에서의 배관 누출에 대한 화재 및 폭발 위험을 비교한 연구는 찾아보기는 쉽지 않으며, 국외에 비해 기술개발에 따른 기초적인 연구도 부족한 실정이다. 그리고 화재 발생 장소가 바다라는 특수성을 고려해볼 때 자체의 소화설비와 인근에 배치된 소화설비 부재 및 공공소방대의 접근이 어려우며, 바람 및 기후 조건 등 자연적 요인에 의한 영향이 크게 작용하여 화재의 확대가 용이하기 때문에 피해를 최소화하기 위해서는 반드시 관련 연구가 필요하다.
LNG(Liquefied Natural Gas)의 특징은 무엇인가?
LNG(Liquefied Natural Gas)는 대기압 기준 약 -161 의 끓는점을 가지며(Seo et al., 2017), 액화될 때에는 기체상태의 1/600정도로 부피가 감소하면서 저장의 용이성을 제공한다(Kumar et al., 2011). 또한 LNG를 선박의 연료로 사용하게 되면 전통적으로 사용되어온 해양 오일 연료와 비교했을 때, 산화물의 배출은 90 % ~ 95 %, 이산화탄소의 배출은 20 % ~25 %(Andersen et al.
참고문헌 (22)
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Seo, S. W., B. S. Chu, Y. Y. Noh, W. H. Jang, S. I. Lee, Y. T. Seo and D. J. Chang(2017), An economic evaluation of operating expenditures for LNG fuel gas supply systems onboard ocean-going ships considering availability, Ships and Offshore Structures, [Online] Avaliable at: http://dx.doi.org/10.1080/17445302.2014.984389/ (Accessed 22 Jul. 2017).
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