[논문]LPG 복합 이동식 수소충전소 안전성 분석에 관한 연구

김필종; 강승규; 유명종; 허윤실

doi:10.5855/energy.2019.28.4.048

LPG 복합 이동식 수소충전소 안전성 분석에 관한 연구
A Study on Safety Analysis of Stationary LPG - Mobile Hydrogen Complex Refueling Station 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.4, 2019년, pp.48 - 60

김필종 (한국가스안전공사) , 강승규 (한국가스안전공사) , 유명종 (한국가스안전공사) , 허윤실 (한국가스안전공사)

초록
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정부는 2015년 파리협정 이후, 미세먼지 종합관리 대책(2017), 수소경제 활성화 로드맵(2019) 등을 통해 수소 보급을 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 그 일환으로 2022년까지 수소공급을 위한 충전소 310개소의 구축 목표를 발표하였다. 이를 위해 융·복합, 패키지형, 이동식 수소충전소의 도입을 위한 특례를 제정·공포하였다. 이동식 수소충전소는 여러 지역에 수소를 공급가능한 장점이 있는 반면, 설비의 이동과 집약적 설치로 인해 적정한 설치기준과 운영안전성 확보가 필요하다. 본 연구에서는 이동식 수소충전소 표준모델 설계와 정량적 위험성 평가(QRA)를 실시하여 도입 가능성을 검토하였다. QRA 결과, 개인적, 사회적 위험도는 가용한 것으로 나타났으며, 도입에 대한 실증방향과 시사점을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

After the Paris Agreement in 2015, the government has been promoting various policies such as 'Hydrogen-Economy Roadmap(2019)' to supply hydrogen. As part of this, the government announced the goal of building 310 hydrogen refueling stations(HRS) until 2022. To this end, special case standard for the introduction of complex, packaged, and mobile hydrogen refueling stations(MHRS) have been enacted and promulgated. The MHRS has the advantage of being able to supply hydrogen to multiple regions. However, due to the movement and close distance between facilities, it is necessary to secure proper installation standards and operational safety through safety analysis. In this study, the possibility of introduction was investigated by designing a standard model and quantitative risk assessment(QRA). As a result of QRA, personal and social risk were acceptable, and the empirical test direction and implications were derived.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Concept of mobile hydrogen refueling station(with tube-trailer)
그림 Fig. 2. Mobile hydrogen refueling station (MHRS, Japan)
그림 Fig. 3. P&ID of mobile hydrogen refueling station
표 Table. 1. Safety device of mobile hydrogen refueling station for QRA
그림 Fig. 4. Virtual site for QRA of MHRS(Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea)
표 Table 2. Leak scenarios for each component of MHRS
표 Table 3. Weather information for QRA of MHRS
표 Table 4. Ignition source and condition for QRA of MHRS
표 Table. 5. Prediction of population around MHRS(virtual site)
표 Table 7. Distance of hydrogen dispersion for each scenario(50% LFL)
표 Table 6. Risk acceptance criteria(HSE, UK)
표 Table. 8. Flame length of jet fire for each scenario(Category 5.3/C)
표 Table. 9. Overpressure distance for each scenario(Category 5.3/C)
표 Table. 10. Risk ranking for each scenario
표 Table. 11. Result of individual risk for MHRS
그림 Fig. 5. Distribution diagram of individual risk around MHRS
그림 Fig. 6. F/N curve of MHRS
표 Table. 12. Analysis of accident scenario for MHRS
표 Table. 13. 구성요소의 위험요인별 위험도 평가 결과

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소충전소의 다양한 모델 중 국내에 적용된 사례가 없는 이동식 수소충전소에 대해 도입시 필요한 안전성을 확보하기 위해 도입기준에 맞는 표준모델을 제시하고, 이에 대한 공정설계와 위험분석을 통한 가상의 시나리오를 도출하고자 하였다. 도출된 시나리오를 통해 정량적 위험성 평가를 실시하여 설계의 적정 여부를 판단하고, 이동식 수소충전소 도입시 필요한 안전 조치사항을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 수소충전소의 다양한 모델 중 국내에 적용된 사례가 없는 이동식 수소충전소에 대해 도입시 필요한 안전성을 확보하기 위해 도입기준에 맞는 표준모델을 제시하고, 이에 대한 공정설계와 위험분석을 통한 가상의 시나리오를 도출하고자 하였다. 도출된 시나리오를 통해 정량적 위험성 평가를 실시하여 설계의 적정 여부를 판단하고, 이동식 수소충전소 도입시 필요한 안전 조치사항을 도출하고자 한다.
이동식 수소충전소를 도입하는데 있어서 관련 시설에서 발생가능한 사고를 도출하고 피해범위 예측, 개인적/사회적 위험성을 산출하는 것에 의해 시설의 안전성 여부를 판단할 필요가 있다. 본 연구에서는 이동식 수소충전소 표준모델을 가정 하고 이에 대한 정량적 위험성 평가와 분석을 통해 특례 등 도입기준에 대한 적정 여부를 검토하 였다. 먼저, 이동식 수소충전소는 기존의 수소충 전소와 같이 고압가스안전관리법에 의한 저장설비, 압축설비, 압축가스설비(축압기), 충전설비 등의 주요설비를 이용하는 시설로 가정하였다.

가설 설정

본 연구에서는 이동식 수소충전소 표준모델을 가정 하고 이에 대한 정량적 위험성 평가와 분석을 통해 특례 등 도입기준에 대한 적정 여부를 검토하 였다. 먼저, 이동식 수소충전소는 기존의 수소충 전소와 같이 고압가스안전관리법에 의한 저장설비, 압축설비, 압축가스설비(축압기), 충전설비 등의 주요설비를 이용하는 시설로 가정하였다. 충전 방식은 외부 저장설비(튜브트레일러 등)로부터 공급받은 수소를 압축저장하여 수소차에 충전하는 기존의 저장식 수소충전소와 동일한 방식을 가정하였다.
위험성 평가를 위한 점화원 도출을 위해 충전소가 설치되는 주변의 환경을 고려하였다. 주변도로의 주행차량, 인접 LPG 충전소 및 주유소 그리고 주변 음식점과 산업시설을 주요 점화원으로 선정하였으며, 이에 대한 각각의 조건을 가정하여 Table. 4.
먼저, 이동식 수소충전소는 기존의 수소충 전소와 같이 고압가스안전관리법에 의한 저장설비, 압축설비, 압축가스설비(축압기), 충전설비 등의 주요설비를 이용하는 시설로 가정하였다. 충전 방식은 외부 저장설비(튜브트레일러 등)로부터 공급받은 수소를 압축저장하여 수소차에 충전하는 기존의 저장식 수소충전소와 동일한 방식을 가정하였다. Fig.
튜브트레일러를 통해 공급되는 최대 인입압력은 20MPa로 하고, 압축가스설비의 최대압력은 87MPa로 가정하였다. 배관경의 크기는 튜브트레일러에서 수소압축기까지 연결되는 인입배관은 3/4“의 크기로 하였으며, 압축기 후단에서 충전설비까지의 배관은 9/16”의 크기로 하였다.

제안 방법

도면에는 특례고시에 명시된 Table. 1.의 안전 설비를 반영하였으며, 이외의 기준에 대해서는 고압가스안전관리법 시행규칙 별표 5, KGS FP 217 등 기존의 고정식 수소충전소 기준을 만족하도록 하여 시나리오 도출시 활용하였다.[10-11]
)에서 개발한 수소충전소 위험성 평가용 빈도데이터를 사용하였다.[12] 누출지속 시간은 충전시스템에서 누출 발생 시 압축기 주변, 충전기 주변, 압축가스설비 주변에 설치된 가스누출검지기에서 수소가스를 검지하여 가스를 차단하는 시간까지 소요되는 시간을 사용하였으며, JRC연구소(유럽연합)에서 각종 수소가스 검지기에 대한 응답시간을 측정한 실험데이터를 참고하여 가장 응답시간이 길게 나온 15초를 누출 지속 시간으로 정하였다.[14]
배관경의 크기는 튜브트레일러에서 수소압축기까지 연결되는 인입배관은 3/4“의 크기로 하였으며, 압축기 후단에서 충전설비까지의 배관은 9/16”의 크기로 하였다. 냉각설비(Chiller)는 가연성 가스 지역과 격벽으로 격리 하여 비방폭 구역으로 설계하였다.
이동식 수소충전소 특례에서는 열작동식 안전 장치 등 일반충전소와 차별화된 안전기준을 두고 있어, 이를 반영한 표준모델을 설계하고 P&ID 도면을 작성하여 정량적 위험성 평가를 실시하였다.
최환경 에너지 보급 확대 정책에 따라 도입된 이동식 수소충전소의 국내외 사례를 조사하고, 관 련 특례기준에 대한 표준모델 설계와 안전성 분석을 실시하였다. 미국, 유럽은 이동식을 수소차 실증을 위한 데모용으로 주로 사용한 반면, 일본은 전체 수소충전소의 약 40% 정도를 이동식으로 사용하고 있었으며, 법과 기준을 보유하고 있는 것으로 나타났다.

대상 데이터

이동식 수소충전소 특례에서는 열작동식 안전 장치 등 일반충전소와 차별화된 안전기준을 두고 있어, 이를 반영한 표준모델을 설계하고 P&ID 도면을 작성하여 정량적 위험성 평가를 실시하였다. 수원의 한 LPG 충전소 부지를 선정하여 평가를 위한 설비, 대기, 인구 조건 등을 부여하였다. 사고발생 빈도와 피해정도를 고려하였을 때, 과류차 단장치 설치기준으로 인해 설비의 대규모 누출은 없으며, 가장 위험한 사고는 축압기에서 중간규모의 누출이 발생하는 경우였다.
위험성 평가를 위한 기후조건은 지난 30년간의 수원지역 기상 통계 데이터를 통해 밤과 낮의 바람의 세기, 기온, 풍향데이터를 사용하였다. Table.
정량적 위험성 평가 수행을 위해 가상의 충전소 부지를 선정하였다. 이동식 수소충전소는 단독으로 설치하는 경우보다 주유소, LPG 및 CNG 충전소에 복합으로 설치되는 것이 운영 효율 측면에서 유리할 수 있기 때문에, 국내의 LPG 충전소 중 수소충전소 건축이 가능한 부지를 선정하였다.
정량적 위험성 평가 수행을 위해 가상의 충전소 부지를 선정하였다. 이동식 수소충전소는 단독으로 설치하는 경우보다 주유소, LPG 및 CNG 충전소에 복합으로 설치되는 것이 운영 효율 측면에서 유리할 수 있기 때문에, 국내의 LPG 충전소 중 수소충전소 건축이 가능한 부지를 선정하였다.

이론/모형

이동식 수소충전소 특례기준에는 저 장설비와 압축가스설비 후단에 과류차단밸브를 설치하도록 하고 있어 충전기 최대유량(60g/s)의 3배 이상 누출 발생시 방출을 차단하도록 하고 있어 대규모 누출은 사고 시나리오에서 제외하였다. 각 누출 구경에 따른 빈도는 미국의 SNL(Sandia National Lab.)에서 개발한 수소충전소 위험성 평가용 빈도데이터를 사용하였다.[12] 누출지속 시간은 충전시스템에서 누출 발생 시 압축기 주변, 충전기 주변, 압축가스설비 주변에 설치된 가스누출검지기에서 수소가스를 검지하여 가스를 차단하는 시간까지 소요되는 시간을 사용하였으며, JRC연구소(유럽연합)에서 각종 수소가스 검지기에 대한 응답시간을 측정한 실험데이터를 참고하여 가장 응답시간이 길게 나온 15초를 누출 지속 시간으로 정하였다.

성능/효과

누출 시나리오에 따른 수소 확산 시뮬레이션 결과 튜브트레일러 및 고압수소 저장용기의 급격한 파열 사고 시 확산거리가 가장 크게 형성되는 것으로 나타났다. 50%LFL이 미치는 거리는 튜브 트레일러 파열 시 최대 68m, 고압 수소 저장용기 파열 시 86m에 이르며, 압축기의 대규모 누출 시 약 47m의 범위로 나타났다.
[1] 이에 대한 세부계획 중 하나로 2017년에는 부처합동의 ‘미세먼지 저감 종합대책’을 발표하고, 친환경에너지 전환 방안을 제시하였다.[2] 수소 분야에 있어서는 2022년까지 수소충전소 구축 310기, 수소차 보급 1.5만대의 목표를 수립하였다. 이어 2019년에 산업 통상자원부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 2022년까지 수소충전소 구축 310기, 수소차 보급 8.
각 구성요소의 사고 시나리오별로 산출된 위험도 수준은 영국 HSE 코드에서 제시하고 있는 작업자(Workforce) 및 대중(Public)에 대한 위험성 허용 기준(ALARP) 범위를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 본 과제의 대상이 된 이동식 수소충전소의 총 위험도(Total Risk)는 1.
누출 시나리오에 따른 수소 확산 시뮬레이션 결과 튜브트레일러 및 고압수소 저장용기의 급격한 파열 사고 시 확산거리가 가장 크게 형성되는 것으로 나타났다. 50%LFL이 미치는 거리는 튜브 트레일러 파열 시 최대 68m, 고압 수소 저장용기 파열 시 86m에 이르며, 압축기의 대규모 누출 시 약 47m의 범위로 나타났다.
누출 시나리오에 따른 제트화염 평가 결과 소규모 누출(Small leak)의 경우 1m 미만의 화염길이가 형성되었으며, 중규모 누출(Medium leak)의 경우 약 5∼6m, 대규모 누출(압축기)의 경우 약 17m까지 화염이 형성되는 것으로 나타났다.
본 과제의 대상이 된 이동식 수소충전소의 총 위험도(Total Risk)는 1.05E-05이며, 영국 HSE 코드의 위험성 허용 기준인 1×10E-06 ∼ 1×10E-03(작업자), 1×10E-06 ∼ 1×10E-04(일반인)를 벗어나지 않는 것으로 나타났다.
본 연구의 대상인 이동식 수소충전소의 총 위험도(Total risk)는 1.05E-05이며, 작업자에 대한 위험도는 1.05E-05, 일반인에 대한 위험도는 1.77E-10으로 나타났다.
그 다음으로 고압저장용기의 중규모 누출, 디스펜서에서의 중규모 누출 순으로 나타났다. 산출된 위험도는 영국 HSE에서 제시한 작업자(Workforce) 및 일반대중(Public)에 대한 위험성 기준(ALARP)을 충분이 만족하는 것으로 나타났다.
이동식 수소충전소에서 누출 된 수소가스의 폭발에 의한 과압이 미치는 거리를 평가한 결과 사람에게 피해를 미칠 수 있는 7kPa의 과압과 장비에 영향을 미칠 수 있는 20kPa의 과압이 미치는 거리가 가장 크게 나타나는 경우는 튜브트레일러 및 고압수소 저장용기의 급격한 파열이 발생하는 경우로, 7kPa 과압 도달거리는 튜브트레일러의 경우 약 156m, 고압수소 저장용기의 경우 약 78m 로 나타났다.
튜브트레일러의 중규모 누출 발생시 위험도가 가장 높게 나타났으며, 전체 위험도에서 32%로 비중이 가장 높았다. 그 다음으로 고압저장용기의 중규모 누출, 디스펜서에서의 중규모 누출 순으로 나타났다.

후속연구

이동식 수소충전소에 대한 F/N 곡선은 대부분이 무조건 허용구간에 분포하며, 극히 일부 구간에서 조건부 허용의 형태로 나타났다. F/N 곡선의 허용불가 구간은 없으므로, 본 시스템은 안전하게 설계되었다 할 수 있으며, 일부 사고 빈도가 높은 부분에 대하여는 안전 관리를 통해 사고를 예방할 필요가 있다.
기후, 점화원, 인구 조건을 조합한 종합 위험성 평가 결과 개인적 위험성과 사회적 위험성은 허용불가 구간이 없는 것으로 나타났다. 다만, 평가에 사용된 위험성 평가 도구가 2차원에 한정되어, 방호벽, 트레일러 격벽 등 3차원의 누출 시나리오 적용은 불가하므로 3차원적 평가도 필요할 것으로 판단되며, 주행 상 발생할 수 있는 현상(진동, 충격 등)에 대한 실증, 고찰도 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이동식 수소충전소란 무엇인가?	1.“융 · 복합, 패키지형 및 이동식 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준”)에 의해 이동식 수소충전소는 수소를 연료로 사용하는 자동차에 수소를 충전하기 위하여 필요한 설비(필요한 경우 충전설비는 제외할 수 있다)가 차량에 장착되어 있어 이동이 가능한 것으로서 처리능력이 30㎥ 이상인 것(압축기 등 가압장치 없이 자압에 의해 충전하는 설비는 제외한다)으로 정의되어 있다.
	정량적 위험성 평가의 한계 및 보완 대책은 무엇인가?	기후, 점화원, 인구 조건을 조합한 종합 위험성 평가 결과 개인적 위험성과 사회적 위험성은 허용불가 구간이 없는 것으로 나타났다. 다만, 평가에 사용된 위험성 평가 도구가 2차원에 한정되어, 방호벽, 트레일러 격벽 등 3차원의 누출 시나리오 적용은 불가하므로 3차원적 평가도 필요할 것으로 판단되며, 주행 상 발생할 수 있는 현상(진동, 충격 등)에 대한 실증, 고찰도 필요할 것으로 판단된다.
	이동식 수소충전소의 장단점은 무엇인가?	이를 위해 융·복합, 패키지형, 이동식 수소충전소의 도입을 위한 특례를 제정·공포하였다. 이동식 수소충전소는 여러 지역에 수소를 공급가능한 장점이 있는 반면, 설비의 이동과 집약적 설치로 인해 적정한 설치기준과 운영안전성 확보가 필요하다. 본 연구에서는 이동식 수소충전소 표준모델 설계와 정량적 위험성 평가(QRA)를 실시하여 도입 가능성을 검토하였다.

참고문헌 (14)

Korea Government, 2016, 2018, 2030 National Greenhouse Gas Reduction Basic Roadmap
Korea Government, 2017, Comprehensive Plan Concerning Fine Dust
Korea Ministry of Trade, Industry and Energy, 2019, Hydrogen-Economy Roadmap
H2korea, 2019, Hydrogen Station Location Information System, http://h2korea.or.kr
Korea Ministry of Trade, Industry and Energy, 2016, Special Case Standard for Complex and Packaged Hydrogen Refueling Stations
Korea Ministry of Trade, Industry and Energy, 2018, Special Case Standard for Complex, Packaged and Mobile Hydrogen Refueling Stations
Kim, P. J., et al., 2019, A Study on Safety Analysis for Introduction of Mobile Hydrogen Refueling Stations in Korea, KOSEE Conference, p.88
FCCJ, 2019, The spread of commercial hydrogen stations(in Japan), http://fccj.jp
Japan Government, 2019, High Pressure Gas Safety Act
Korea Government, 2019, High-Pressure Gas Safety Control Act
Gas Technical Standards Committee, 2018, KGS FP 217(Facility/Technical/Inspection Code for Vehicles Refueling by Type of Compressed Hydrogen Delivery)
Jeffrey Lachance, et al., 2009, Analysis to support development of risk-informed separation distances for hydrogen codes and standards, Sandia National Labs., pp.105-120.
Clive Nussey, 2006, Failure frequencies for major failures of high pressure storage vessels at COMAH sites: A comparison of data used by HSE and the Netherlands, pp.25-31.
Hubert, T., et al., 2017, Response Time Measurement of Hydrogen Sensors, International Conference on Hydrogen Safety, pp.4-6.

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표제어: PCR

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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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