[논문]누출종류에 따른 LP가스용기 누출량 실증 실험

이민경; 이강옥; 김영규

doi:10.7842/kigas.2019.23.6.61

누출종류에 따른 LP가스용기 누출량 실증 실험
LPG Cylinder Leak Experiment from Multiple Leak Scenarios 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.23 no.6, 2019년, pp.61 - 66

이민경 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이강옥 (대구대학교) , 김영규 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

초록
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액화석유가스는 배관을 통해 공급되는 도시가스와 달리 용기 또는 소형저장탱크와 같이 독립된 저장방식이 사용되며 이러한 사용특성에 의해 사고 발생률이 높다. LP가스 사고가 주로 발생하는 주택 및 업소는 인구밀집도가 높기 때문에 사고 발생 시 대규모 인명피해로 이어질 수 있는 우려가 있다. 이로 인해 액화석유가스는 타 가스에 비해 인명피해율이 높아 안전관리 강화에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어왔다. 이에 따라 1996년 한국가스안전공사에서는 LP가스 누출시험을 진행한 바 있다. 본 연구는 1996년 실험을 바탕으로 외기온도, 배관 상태 등의 추가 조건을 설정하여 LP가스 용기의 가스 누출량 측정실험을 진행하였다. 이를 통해 LP가스 누출의 여러 시나리오에 대한 누출경향을 확인하였다. 가스누출에 있어서 조정기 등 감압에 영향을 줄 수 있는 용품이 연결되지 않은 누출의 경우 외기 온도에 의해 누출량의 변화가 크게 나타나고, 조정기와 같은 용품이 체결될 경우 출구압에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다. 본 실험의 결과를 통해 추후 발생할 수 있는 LP가스 누출 사고에 대한 누출량 판단에 기초자료로 활용되어 가스안전관리 방안에 효과가 있기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Unlike NG supplied through pipes, LPG is mainly used for independent storage of cylinders or small storage tanks. As LPG is widely used in islands and underdeveloped areas, accidents due to neglect of safety management are high. Houses and businesses that have LPG accidents are likely to be damaged due to relatively high population density. Therefore, the necessity of strengthening the safety management of LPG is constantly raised. Accordingly, in 1996, Korea Gas Safety Corporation conducted an LPG leak test. In this study, based on the 96-year experiment, the gas leakage measurement of LPG vessels was conducted by adding several conditions such as outside temperature and pipe condition. Through this, the trend of leakage for various scenarios of LPG leakage was examined. In the case of a gas leak, when the article which may affect the pressure such as a regulator is not connected, the leakage amount is greatly changed by the outside air temperature, and when the regulator is fastened, the influence of the outlet pressure is large. It is expected that the experiment can be used as basic data for determining gas accidents and leakages that may occur later.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. LPG Accidents in 2012~2016.
그림 Fig. 2. MFM and DAQ used in experiment.
그림 Fig. 3. Low (left) and Semi-low (right) pressure regulator used in experiment.
그림 Fig. 4. Curved pipe and meteorological measuring device used in experiment.
그림 Fig. 5. Experimental Device Diagram.
그림 Fig. 6. installed actual experiment devices.
표 Table 1. Scenario of LPG Leakage experiment
그림 Fig. 7. Observed freezing on gas cylinder ‘96(lefr), ’17(right).
그림 Fig. 8. Comparison of cylinder valve release from 1996 and 2017.
그림 Fig. 9. Low Pressure regulator release.
그림 Fig. 10. Comparison of cylinder valve and low and semi-low pressure regulator release.
그림 Fig. 11. Seasonal cumulative flow rate of gas supplies
그림 Fig. 12. Leakage low and semi-low regulator according to the number of bends.
그림 Fig. 13. Leakage low and semi-low regulator according to pipe diameter.
그림 Fig. 14. Leakage low and semi-low regulator according to pipe length.

AI 본문요약
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문제 정의

1996년 수행된 선행 연구에 계측장비 및 계절별(외 기온도별) 누출조건을 추가하였다. 가스는 온도의 영향에 따라 거동 특성에 변화가 크기 때문에 여름, 가을(봄), 겨울 동안 실험을 진행하여 외기온도 변화에 따른 누출량의 변화를 보고자 하였다.봄철은 가을철과 외기온도가 비슷한 것으로 가정하였다.
누출실험 개요LP가스 및 가연성 물질의 경우 누출 및 화재와 같은 실증실험의 수행을 위한 환경 및 장소선택에 제약이 많다. 본 연구에서는 2016년 개소한 한국가스안전공사 에너지안전실증연구센터 야외 시험동에서 고위험 실증실험을 위한 전용부지에 안전을 확보하고 해당 실험을 진행하였다. 이에 따라 지난 1996년도에 실시한 LP가스 누출시험보다 다양한 조건(용기 밸브 개방, 퓨즈콕 개방, 호스손상에 의한 누출, 곡관 흐름 등)에서 가스누출 시험을 실시하였다.

가설 설정

가스는 온도의 영향에 따라 거동 특성에 변화가 크기 때문에 여름, 가을(봄), 겨울 동안 실험을 진행하여 외기온도 변화에 따른 누출량의 변화를 보고자 하였다.봄철은 가을철과 외기온도가 비슷한 것으로 가정하였다. 누출량을 측정하기 위해 전자저울을 사용하여 용기의 질량 변화를 측정하고, 용기 표면의 온도변화를 측정하기 위해 전자온도계를 용기 표면에 부착하였다.
해당실험 시나리오는 1996년에 선행된 실험의 결과와 비교를 위해 용기밸브누출, 저압조정기누출, 준저압조정기누출의 시나리오를 설정하였다. 추가적으로 배관 변수에 대한 영향을 알아보기 위하여 1~3회의 배관 굴곡, 15~25A의 관경 차이, 1~3m 배관길이, 호스 찢김, 퓨즈콕 개방과 같이 유체역학적 특성과 고의사고 등으로 발생할 수 있는 상황을 가정하여 여름, 가을 겨울의 계절별 시나리오를 설정하였다.

제안 방법

LP가스 누출 실험을 통해 여러 시나리오에 대한 누출경향을 확인해보았다. 가스누출에 있어서 조정기 등 압력에 영향을 줄 수 있는 용품이 연결되지 않을 경우 외기 온도에 의해 누출량의 변화가 크게 나타나고, 조정기가 체결될 경우 출구압에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.
1996년 선행 연구에서 압력조정기 종류에 따른 실험의 경우, 제조사가 다른 2개의 저압용 조정기를 사용하였다. 가스가 누출 될 경우 압력 및 온도영향이 크고 식당과 같은 업소에서는 준저압용 조정기를 사용하는 경우가 많기 때문에 본 실험에서는 출구압력이 서로 다른 저압용 조정기(2.8 kPa, 4kg/hr)와 준저압용조정기(25 kPa, 5kg/hr)를 사용하여 출구압력에 따른 누출량의 변화를 확인하였다. Fig.
봄철은 가을철과 외기온도가 비슷한 것으로 가정하였다. 누출량을 측정하기 위해 전자저울을 사용하여 용기의 질량 변화를 측정하고, 용기 표면의 온도변화를 측정하기 위해 전자온도계를 용기 표면에 부착하였다. 또한 유량을 측정할 수 있는 전자식유량계(Magnetic Flow Meter(이하 MFM))를 설치하여 유속변화를 측정하였다.
의 좌측 사진과 같이 1회, 2회, 3회 굴곡 변형을 만든 배관을 사용하여 누출량 변화를 알아보았다. 또한 실시간 기상데이터 저장장치를 이용하여 분당 1개의 대기압, 풍향, 풍속, 대기온도를 측정하였다.
누출량을 측정하기 위해 전자저울을 사용하여 용기의 질량 변화를 측정하고, 용기 표면의 온도변화를 측정하기 위해 전자온도계를 용기 표면에 부착하였다. 또한 유량을 측정할 수 있는 전자식유량계(Magnetic Flow Meter(이하 MFM))를 설치하여 유속변화를 측정하였다. Fig.
의 좌측 사진은 실험을 위해 제작한 곡관이고 우측 사진은 기상 조건을 실시간으로 측정하기 위한 기상데이터 저장장치이다. 배관의 굴곡진 부분에서 압력손실이 발생할 수 있고 가스사용시설의 용기에서 연소기와 보일러까지 이와 같은 엘보 부분이 존재하므로 배관의 굴곡이 존재할 때 누출량 변화를 알아보기 위하여 Fig. 4.의 좌측 사진과 같이 1회, 2회, 3회 굴곡 변형을 만든 배관을 사용하여 누출량 변화를 알아보았다. 또한 실시간 기상데이터 저장장치를 이용하여 분당 1개의 대기압, 풍향, 풍속, 대기온도를 측정하였다.
본 실험은 누출량을 예측할 수 있는 수식을 사용한 것이 아니라 LP용기로부터 누출 거동 실측을 하였다. 실험 기간에 따른 외부온도 및 여러 환경적 요인에 의해 약간의 오차가 있지만 여러 시나리오에 대해 직접 누출실험을 진행하고 누출경향을 알아본 것에 의의가 있다 할 수 있다.
이로 인해 1996년도에 한국가스안전공사에서 LP가스누출시험을 진행한 바 있다. 본 연구에서는 1996년 실험을 바탕으로 외기온도, 배관 상태 등의 몇몇 조건을 추가하여 LP가스 용기의 가스 누출량 측정실험을 진행하였다. 이러한 실험을 통해 LP가스누출에 의해 발생할 수 있는 사고예방 기술 확보에 기초가 될 수 있을 것이라 생각하며, 이상적인 수식으로 계산된 누출량보다 가스의 기액 변화 과정 및 외기 변수 등에 의해 발생할 수 있는 여러 오차를 고려한 누출량 추정에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서는 2016년 개소한 한국가스안전공사 에너지안전실증연구센터 야외 시험동에서 고위험 실증실험을 위한 전용부지에 안전을 확보하고 해당 실험을 진행하였다. 이에 따라 지난 1996년도에 실시한 LP가스 누출시험보다 다양한 조건(용기 밸브 개방, 퓨즈콕 개방, 호스손상에 의한 누출, 곡관 흐름 등)에서 가스누출 시험을 실시하였다.
과 같은 시나리오를 정하였다. 해당실험 시나리오는 1996년에 선행된 실험의 결과와 비교를 위해 용기밸브누출, 저압조정기누출, 준저압조정기누출의 시나리오를 설정하였다. 추가적으로 배관 변수에 대한 영향을 알아보기 위하여 1~3회의 배관 굴곡, 15~25A의 관경 차이, 1~3m 배관길이, 호스 찢김, 퓨즈콕 개방과 같이 유체역학적 특성과 고의사고 등으로 발생할 수 있는 상황을 가정하여 여름, 가을 겨울의 계절별 시나리오를 설정하였다.

대상 데이터

1996년 선행 연구에서 압력조정기 종류에 따른 실험의 경우, 제조사가 다른 2개의 저압용 조정기를 사용하였다. 가스가 누출 될 경우 압력 및 온도영향이 크고 식당과 같은 업소에서는 준저압용 조정기를 사용하는 경우가 많기 때문에 본 실험에서는 출구압력이 서로 다른 저압용 조정기(2.
3 N㎥/hr의 측정이 가능하다. 또한 DAQ는 Graphtec社의 GL820을 사용하여2초당 1개의 질량, 온도, 압력, 유량의 실시간 데이터를 취득할 수 있도록 하였다.

성능/효과

(1) 가스가 급격히 누출될 경우 급격한 상 변화를 통해 온도강하가 발생하는 것을 확인 하였고, 이로 인한 실제 가스 사고에서 나타나는 결빙현상 및 누출량 감소를 확인하였다.
(3) 용기에 누출이 발생할 경우, 누출 위치에 따른 누출량에는 큰 차이가 있다. 용기 밸브에서 누출이 발생할 경우, 약 2시간 동안 11~12 kg의 누출이 발생하였다.
(4) 계절별 가스누출 실험을 통해 외기온도에 따라 누출량의 변화가 매우 크다는 것을 확인하였다.여름(7.
(5) 배관 변수가 있을 경우, 배관의 굴곡, 관경, 배관길이에 따른 누출결과는 온도의 영향 보다 압력조정기의 출구압력에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다. 또한 변수에 따른 일정한 경향성을 확인할 수 없었기 때문에 추후 관경, 길이, 굴곡 횟수 조정을 통한 경향성 파악에 대한 후속 실험 진행이 필요할 것으로 보인다.
은 용기밸브에서 직접 누출에 따른 누출량과 표면온도 변화에 대해 1996년(선행연구)과 2017년 비교 결과를 나타낸 그래프이다. LP가스가 용기밸브에서 방출될 경우 다량 누출로 인한 기화열로 용기 표면온도가 급격히 떨어지는 현상이 발생하였으며, 온도강하로 인해 가스 방출량이 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 1996년 결과값과 2017년 결과값을 비교하면, 방출 초기 가스가 급격히 방출되는 모습을 공통적으로 보였다.
는 저압조정기 방출에 따른 누출량과 표면온도 변화의 1996년과 2017년 비교 결과를 나타낸 그래프이다. LP가스가 저압조정기를 통과할 경우, 조정기에 의해 사용자 공급압력으로 압력이 낮아지기 때문에 용기밸브 누출 결과와 달리 최종 누출량이 약 8.5kg정도 되는 것으로 나타났다. 1996년의 초기 누출형태는 용기 밸브 직접누출과 같은 형상을 보였고 변곡점이 약 40분경발생한 반면 17년 실험의 경우 초기 직선형태로 유량이 증가하고 약 100분에서 변곡점이 발생하였다.
가스의 누출량은 겨울<가을<여름의 순으로 증가되는 것을 확인하였다.
준저압의 경우 2000초에서 변곡점이 나타났다. 관경에 의한 누출량의 차이 또한 특별한 경향성을 나타내지 않음을 확인하였다.
이는 그래프의 변곡점의 위치가 점차 높아지는 것으로 유추할 수 있다. 또한 염화비닐호스 절단에 의한 누출의 경우계절에 따른 누출량의 변화가 거의 없음을 확인하였다.
배관에 굴곡, 관경의 차이, 배관이 길이가 다를때 저압용 조정기가 체결되어 있을 경우 약 4000초를 기준으로 약 2~3.5kg정도의 누출이 발생하였고 시간의 경과에 따라 누출량이 늘어남을 확인하였다. 준저압용 조정기의 경우 변곡점의 위치를 기준으로 약 4kg의 동일한 양이 누출됨을 확인하였고 조건 변화에 의한 변동이 거의 없음을 확인하였다.
또한 준저압의 경우 1회와 2회 곡관의 누출량 차이가 약 1kg 정도로 나타났다. 실험을 통해 굴곡 횟수에 따른 누출량의 변화가 크게 생기지 않음을 확인했고, 굴곡에 의한 압력 손실보다 조정기의 출구압력에 큰 영향을 받는 것으로 판단하였다. Fig.
가스의 누출량은 겨울<가을<여름의 순으로 증가되는 것을 확인하였다. 이를통해 가스 누출량은 외기온도에 의존성이 높은 것을 확인하였다. 기온이 높을수록 용기 내부의 분자운동량이 증가하고 기상으로 존재하는 LP가스의 양이 많이 있기 때문으로 판단된다.
는 저압조정기와 준저압조정기를 통과하는 배관에 대해 1회 2회 3회의 임의의 굴곡을 만든 경우 누출 결과 그래프이다. 저압용 조정기에서는0~2회 모두 비슷한 누출량을 보였고 3회의 경우 다른 경우 보다 약 1kg 정도로 낮게 누출되는 것을 확인하였다. 또한 준저압의 경우 1회와 2회 곡관의 누출량 차이가 약 1kg 정도로 나타났다.
저압 조정기에 비해 사용압력이 높은 준저압 조정기의 경우에는 저압조정기에 비해 방출량이 많고 용기밸브누출과 유사한 방출 경향과 표면온도 경향을 보였다. 준저압 조정기의 경우 누출량이 증가되면서 온도가 급격히 떨어지는 것을 확인하였고, 누출 100분 후 누출량은 약 12 kg 정도였으며 누출경향은 조정기와 없을 때 와 유사함을 볼 수 있었다.
5kg정도의 누출이 발생하였고 시간의 경과에 따라 누출량이 늘어남을 확인하였다. 준저압용 조정기의 경우 변곡점의 위치를 기준으로 약 4kg의 동일한 양이 누출됨을 확인하였고 조건 변화에 의한 변동이 거의 없음을 확인하였다.

후속연구

(5) 배관 변수가 있을 경우, 배관의 굴곡, 관경, 배관길이에 따른 누출결과는 온도의 영향 보다 압력조정기의 출구압력에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다. 또한 변수에 따른 일정한 경향성을 확인할 수 없었기 때문에 추후 관경, 길이, 굴곡 횟수 조정을 통한 경향성 파악에 대한 후속 실험 진행이 필요할 것으로 보인다.
본 연구에서는 1996년 실험을 바탕으로 외기온도, 배관 상태 등의 몇몇 조건을 추가하여 LP가스 용기의 가스 누출량 측정실험을 진행하였다. 이러한 실험을 통해 LP가스누출에 의해 발생할 수 있는 사고예방 기술 확보에 기초가 될 수 있을 것이라 생각하며, 이상적인 수식으로 계산된 누출량보다 가스의 기액 변화 과정 및 외기 변수 등에 의해 발생할 수 있는 여러 오차를 고려한 누출량 추정에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
가스누출에 있어서 조정기 등 압력에 영향을 줄 수 있는 용품이 연결되지 않을 경우 외기 온도에 의해 누출량의 변화가 크게 나타나고, 조정기가 체결될 경우 출구압에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다. 해당 실험을 통해 추후 발생할 수 있는 가스 사고 및 누출량 판단 등의 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화석유가스의 특성은?	액화석유가스는 배관을 통해 공급되는 도시가스와 달리 용기 또는 소형저장탱크와 같이 독립된 저장방식이 사용되며 이러한 사용특성에 의해 사고 발생률이 높다. LP가스 사고가 주로 발생하는 주택 및 업소는 인구밀집도가 높기 때문에 사고 발생 시 대규모 인명피해로 이어질 수 있는 우려가 있다.
	LP가스의양을 유추할 수 있는 방법은?	기온이 높을수록 용기 내부의 분자운동량이 증가하고 기상으로 존재하는 LP가스의양이 많이 있기 때문으로 판단된다. 이는 그래프의변곡점의 위치가 점차 높아지는 것으로 유추할 수있다. 또한 염화비닐호스 절단에 의한 누출의 경우계절에 따른 누출량의 변화가 거의 없음을 확인하였다.
	LP가스 사고의 위험성은?	액화석유가스는 배관을 통해 공급되는 도시가스와 달리 용기 또는 소형저장탱크와 같이 독립된 저장방식이 사용되며 이러한 사용특성에 의해 사고 발생률이 높다. LP가스 사고가 주로 발생하는 주택 및 업소는 인구밀집도가 높기 때문에 사고 발생 시 대규모 인명피해로 이어질 수 있는 우려가 있다. 이로 인해 액화석유가스는 타 가스에 비해 인명피해율이 높아 안전관리 강화에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어왔다.

참고문헌 (3)

LEE, J. W., Park, C. W., Yeo, C. H., Park, C. I., "Experimental Study on Gas Leakage in 20 kg Cylinder of Liquefied Petroleum Gas", Korean Institute of fire investigation, 4(1), 82-85 (2004)
KGS, Gas Accident Hand Book, Korea Gas Safety Corporation, KGS 2018-068, (2017)
KGS, Report of Gas leak Experiment, Korea Gas Safety Corporation, KGSC-96-026, (1996)

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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구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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