[논문]수소충전소의 안전성 평가 연구

표돈영; 김양화; 임옥택

doi:10.7316/khnes.2019.30.6.499

수소충전소의 안전성 평가 연구
A Study on Safety Assessment of Hydrogen Station 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.6, 2019년, pp.499 - 504

표돈영 (한국산업안전보건공단) , 김양화 (울산대학교 건설기계공학과) , 임옥택 (울산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the rapid spread and low minimum ignition energy of hydrogen, rupture is highly likely to cause fire, explosion and major accidents. The self-ignition of high-pressure hydrogen is highly likely to ignite immediately when it leaks from an open space, resulting in jet fire. Results of the diffusion and leakage simulation show that jet effect occurs from the leakage source to a certain distance. And at the end of location, the vapor cloud explosion can be occurred due to the formation of hydrogen vapor clouds by built-up. In the result, it is important that depending on the time of ignition, a jet fire or a vapor cloud explosion may occur. Therefore, it is necessary to take into account jet effect by location of leakage source and establish a damage minimizing plan for the possible jet fire or vapor cloud explosion. And it is required to any kind of measurements such as an interlock system to prevent hydrogen leakage or minimize the amount of leakage when detecting leakage of gas.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Relationship between burst pressure and length of extension pipe for non-ignition, failed ignition, and successful ignition events
그림 Fig. 2. Flammable concentration, (a) 120 sec, (b) 150 sec and (c) 360 sec after the release started
그림 Fig. 3. (a) Flammable concentration & (b) release pressure, 2 sec after the release started
그림 Fig. 4. (a) Flammable concentration & (b) distribution of explosion overpressure for the hydrogen station
그림 Fig. 5. Over pressure vs. time predicted by flame acceleration simulator (FLACS)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 수소충전소에서 수소 누출 시 확산 및 폭발에 대한 시뮬레이션을 통하여 피해 최소화를 위한 연구이다.

제안 방법

기존의 compressed natural gas (CNG) 충전소, liquefied petroleum gas (LPG) 충전소, 주유 취급소에 추가로 수소충전소 건설이 용이하도록 입지규제 개정에 따라 수소충전소의 주요 설비인 수소 압축기와 디스펜서(수소충전기)에서의 배관 및 충전호스 파열을 시나리오로 선정하여 누출 시 확산 범위와 폭발과압에 대하여 flame acceleration simulator (FLACS) code를 활용하여 피해영향을 평가하였다.
디스펜서 충전호스 3/8″ (내경 10 mm)의 파열에 따른 수소 증기운 누출 후 2 sec 후에 점화(ignition)하는 조건으로 폭발 사고 시나리오를 설정하였으며, 사고 시나리오는 디스펜서 충전호스 파열에 대한 확산 시나리오 조건과 동일하다.
디스펜서 충전호스 3/8″ (내경 10 mm)의 파열에 따른 수소 증기운 확산 시 유동해석을 위하여 시나리오는 대기온도 15℃, 대기안정도 “D”, 풍속 3.0 m/s로 적용하였다.
수소 압축기 배관 3/8″ (내경 10 mm)의 파열에 따른 수소 증기운 누출 후 2 sec 후에 점화하는 조건으로 폭발 사고 시나리오를 선정하였다.

이론/모형

본 연구에서 유동해석을 위하여 사용하는 시뮬레이션은 많은 실험을 통하여 해석 결과의 정확성이 국제저널을 통하여 증명된^3,4) 노르웨이 Gexcon사의 flame acceleration simulator (FLACS) code를 활용하였다.

후속연구

따라서, 수소소가 누출되는 상황에 대하여 누출원 위치별로 발생 가능성이 높은 jet fire와 VCE에 대한 피해 최소화 대책이 필요하고, 건물 내부의 경우 누출 직후에 폭발범위 농도에 이르므로 원천적인 누출량 최소화를 위한 인터록 시스템 등의 대책을 마련하고 이와 관련된 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확산에 있어 수소의 특징은 무엇인가?	764 g/m3 이고, 공기에 대한 비 중은 0.0695이며, 기체 중에서 최소의 가스밀도와 최대의 확산속도를 갖는다. 수소는 동일 조건으로 비교해서 가장 확산하기 쉬운 기체이며, 25℃, 1 atm에서 공기 중의 확산계수는 0.710 cm2 /s로서 산소의 경우보다 약 3.4배 정도 크며, 부상속도도 1.2-9 m/s로서 비교적 큰 편이다.
	최소 점화에너지는 무엇인가?	폭발한계 범위 내의 수소가 폭발하려면 점화에 필요한 최소한의 에너지가 필요하고, 이 에너지를 최소 점화에너지라고 하며, 일반적인 탄화수소의 최소점 화에너지는 0.24 mJ 정도이다.
	대기안정도 등급의 결정요인은?	여기서 대기안정도는 지구 대기층을 단열조건으로 가정하였을 때, 수직 방향으로 일어나는 난류 확산현상을 A-F 등급으로 구분하여 설명한 것이다. 따라서, 풍속이나 복사열 등에 의해 발생하는 수직방향의 온도 역전층의 발생 여부, 수직 방향의 온도차이 정도에 따라서 등급이 결정되고, A 등급은 온도 역전층 없이 수직방향 온도차이가 커서 대기가 불안정한 상태를 설명한 것으로써 가스의 확산에 용이하며, F 등급은 누출원을 기준으로 상하에서 발생한 역전층으로 인해 수직방향으로의 확산이 잘되지 않는 것 으로 수평방향 확산에 유리한 상태를 의미한다. 본지에서 인용한 D 등급은 중간 정도의 안정도를 갖는다.

참고문헌 (5)

T. Mogi, D. J. Kim, H. Shiina, and S. Horiguchi, "Self-ignition and explosion during discharge of high-pressure hydrogen", J. Los. Prevent. Ind., Vol. 21, No. 2, 2008, pp. 199-201, doi: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2007.06.008.

상세보기
C. J. Lea, H. S. Ledin; Fire and Explosion Group, "A Review of the State-of-the-Art in Gas Explosion Modelling", Health & Safety Laboratory, 2002. Retrieved from http://www.hse.gov.uk/research/hsl_pdf/2002/hsl02-02.pdf.
P. Midha, O. R. Hansen, and I. E. Storvik, "Validation of CFD-model for hydrogen dispersion", J. Los. Prevent. Ind., Vo. 22, No. 6, 2009, pp. 1034-1038, doi: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2009.07.020.

상세보기
P. Midha, O. R. Hansen, J. Grune, and A. Kotchourko, "CFD calculations of gas leak dispersion and subsequent gas explosions: Validation against ignited impinging hydrogen jet experiments", J. Hazard Mater., Vol. 179, No. 1-3, 2010, pp. 84-94, doi: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.02.061.

상세보기
D. A. Crowl and J. F. Louver, "Chemical process safety : fundmentals with applications" 3rd ed, Prentice hall, USA, 2011.

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