[논문]CFD 툴을 활용한 패키지형 수소충전시스템의 안전성 향상 연구

황순일; 강승규; 허윤실

doi:10.7316/khnes.2019.30.3.243

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to ensure the safety of the packaged hydrogen refueling system, the improvement plan was derived by using 3-dimensional CFD program (FLACS). We also confirmed the effectiveness of risk reduction and the suitability of safety standard. By ventilation performance evaluation according to...

In this study, to ensure the safety of the packaged hydrogen refueling system, the improvement plan was derived by using 3-dimensional CFD program (FLACS). We also confirmed the effectiveness of risk reduction and the suitability of safety standard. By ventilation performance evaluation according to the position of the vent, it demonstrated that the vent should be installed at the ceiling to safely ventilate without stagnation of the leaked gas. In case of ventilation system according to KGS standard, risk situation could be resolved after about 5 minutes in the worst leaked condition. The result showed that jet fire and explosion inside the packaged system could affect the surrounding facilities. This proves that the standard for installing flame detectors, emergency shut down system and protection wall is appropriate.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Grid generation for module packaged hydrogen refuel-ing system
표 Table 1. Design specifications for Hydrogen refueling system
표 Table 2. Installation specifications of ventilation fan
그림 Fig. 2. Geometry and boundary conditions for module packaged hydrogen refueling system.
표 Table 3. Grid table of ceiling natural ventilation model
표 Table 4. Grid table of side natural ventilation model
표 Table 5. IEC Recommended leak sizes⁹⁾
표 Table 6. Response time of Gas detections¹³⁾
그림 Fig. 3. Hydrogen concentration distribution versus ventilation time
그림 Fig. 4. Q9 profiles versus ventilation time
그림 Fig. 5. Gas dispersion of leaked gas in the module packaged Hydrogen refueling system.
표 Table 7. Simulation conditions for module packaged Hydrogen refueling system
그림 Fig. 6. Jet-fire and heat flux distribution by leaked hydrogen gas.
그림 Fig. 7. Overpressure by explosion of module packaged Hydrogen refueling system
표 Table 8. Effect of radiant heat16)
그림 Fig. 8. Explosion results of module packaged Hydrogen refu-eling system.
표 Table 9. Impact of explosion overpressure¹⁶⁾

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이러한 패키지 수소충전시스템은 필요면적을 줄이고 기존 시설에 복합 형태로 수소충전소를 구성할 때 효과적 방법으로 평가받으며 설치시간을 단축하는 장점을 가지고 있는 반면, 누출 위험요소들이 밀집한 공간에 배치됨으로써 누출로 인한 사고 발생시 다른 설비에 영향을 미칠 수 있어 위험요인을 내포하고 있다. 따라서 본 연구에서는 패키지형 수소충전시스템의 위험요인을 분석하고 위험을 최소화할 수 있는 방안을 모색하고자 하였다. 상용으로 개발된 3D 위험성 평가 해석 프로그램을 이용하여 패키지 충전시스템 내부에서 발생할 수 있는 최악의 사고 시나리오를 구성하여 시뮬레이션을 수행하고 위험 경감 방안에 대한 효과를 확인하였다.

제안 방법

본 연구는 밀폐구조의 수소 압축/저장 패키지 시스템의 안전성 향상을 위해 3차원 CFD 해석 프로그램(FLACS)을 활용하여 개선방안을 도출하고 위험 저감 효과를 확인하였다.
패키지 충전시스템의 위험요인인 패키지 내부의 대량 가스누출을 모사하기 위하여 최악의 누출 조건(IEC60079010-1)을 적용하였고, 환기구의 위치에 따른 환기 성능과 내부 화재 및 폭발에 따른 피해영향을 검토하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

FLACS를 활용한 환기 및 화재·폭발 해석을 위해 Tables 1, 2와 같이 NFPA 2 (>0.3048 Nm³/min/m²)와 KGS코드(>0.5 Nm³/min/m²)에서 규정하고 있는 실내 수소설비 환기 조건을 충족하도록(환기 능력: 0.5879 Nm³/min/m²) 수소충전 패키지를 설계하였다. Figs.

이론/모형

FLACS는 화재·폭발 해석 분야에서 실증과 검증을 통하여 상당한 신뢰성을 보이는 것으로 알려져 있으며^2,3), 수소분야의 해석에 있어 많은 연구자들에 의해 좋은 분석 결과를 나타내는 해석 도구로 이용되고 있다^4-6). FLACS는 3차원 유동장 해석을 위해 Navier-Stokes 방정식을 수치모델하고, 난류해석을 위해 k-ε모델을 적용한다^7,8).

성능/효과

1) 환기구의 위치에 대한 영향 평가에서는 측면 상부에 환기구 설치시 천정부에 수소가스가 잔류하는 현상이 발생하였고, 천정부에 환기구를 설치할 경우 잔류가스 없이 안전하게 환기되는 것을 확인하였다.
2) 패키지 내부에서 제트화염 발생시 주변 설비에 상당한 피해를 미칠 수 있으며, 이를 방지하기 위한 화염검지기 및 가스차단장치의 필요성을 확인하였다.
3) KGS 코드에 따른 강제 환기장치와 천정부의 자연환기구에 의해 적절한 환기가 이루어질 경우 5분 이내에 위험 상황이 해소될 수 있음을 확인하였다.
4) 완벽한 환기가 이루어지기 이전 상황에서 패키지 내부에서 폭발이 발생할 경우 폭발압력 및 화염이 충전설비에 영향을 미칠 수 있어 패키지 시스템과 충전설비 사이에 방호벽을 설치하도록 하고 있는 현행 기준이 적절함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	패키지형 수소충전 모델이란 무엇인가?	패키지형 수소충전 모델은 수소 압축, 저장, 충전설비를 콤팩트하게 하나의 패키지 형태로 구성하여 수소자동차에 압축수소를 충전한다. 일본의 경우 전체의 약 30% 정도가 패키지형 수소충전소로 구축되어 운영되고 있으며 국내에서도 도입을 적극 추진하고 있다.
	충전소의 긴급상황에서도 환기장치를 지속 작동하여야 하는 이유는 무엇인가?	7, 8에서 점화 시간에 따른 가스폭발 시뮬레이션 결과를 확인할 수 있다. 점화 시간이 5분일 때 폭발과압이 0.0016 bar이므로, 5분 동안 환기시스템이 정상 작동할 경우 누출가스에 의한 폭발피해 방지가 가능하다. 따라서 충전소의 긴급차단(emergency shut down) 상황에서도 환기장치는 지속 작동하여야 한다.
	패키지 수소충전시스템의 장점은 무엇인가?	일본의 경우 전체의 약 30% 정도가 패키지형 수소충전소로 구축되어 운영되고 있으며 국내에서도 도입을 적극 추진하고 있다. 이러한 패키지 수소충전시스템은 필요면적을 줄이고 기존 시설에 복합 형태로 수소충전소를 구성할 때 효과적 방법으로 평가받으며 설치시간을 단축하는 장점을 가지고 있는 반면, 누출 위험요소들이 밀집한 공간에 배치됨으로써 누출로 인한 사고 발생시 다른 설비에 영향을 미칠 수 있어 위험요인을 내포하고 있다. 따라서 본 연구에서는 패키지형 수소충전시스템의 위험요인을 분석하고 위험을 최소화할 수 있는 방안을 모색하고자 하였다.

참고문헌 (16)

J. Park, Y. Huh, and S. KANG, "A Study on Site to Build Hydrogen Multi Energy Filling Station in Domestic LPG Station", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 6, 2017, pp. 642-648, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2017.28.6.642.
P. Middha, O. R. Hansen, and I. E. Storvik, "Validation of CFD model for hydrogen dispersion", J. of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 22, No. 6, 2009, pp. 1034-1038, doi: https://doi.org/10.1016/j.jlp.2009.07.020.

상세보기
O. R. Hansen, J. Renoult, M. P. Sherman, and S. R. Tieszen, "Validation of FLACS-hydrogen CFD consequence prediction model against large scale H2 explosion experiments in the FLAME facility", 2005. Retrieved from https://www.gexcon.com/us/image/ICHS_Pisa_Hansen_2005.pdf.
J. H. Baek, H. J. Lee, and C. B. Jang, "Comparison of H2, LNG and LPG explosion characteristics in a limited space using CFD Simulation", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 20, No. 3, 2016, pp. 12-21, doi: https://doi.org/10.7842/kigas.2016.20.3.12.

원문보기 상세보기
S. K. Kang, H. J. Bang, and Y. D. Jo, "Consequence Analysis of Hydrogen Blended Natural Gas using 3D CFD Simulation", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 17, No. 5, 2013, pp. 15-21, doi: https://doi.org/10.7842/kigas.2013.17.5.15.
S. K. Dan, K. J. Park, T. O. Kim, and D. Shin, "Explosion Simulations for the Quantitative Risk Analysis of New Energy Filling Stations", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 15, No. 1, 2011, pp. 60-67, doi: https://doi.org/10.7842/kigas.2011.15.1.060.

원문보기 상세보기
"FLACS User's Manual", GexCon AS, Norway, 2015. Retrieved from https://www.gexcon.com.
D. Y. Pyo and O. T. Lim, "A Study on Explosive Hazardous Areas in Hydrogen Handling Facility", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 30, No. 1, 2019, pp. 29-34, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2019.30.1.29.
IEC 60079-10-1, "Classification of areas - Explosive gas atmospheres", International Electrotechnical Commission, 2015.
KS C IEC 60079-10-1, "Classification of areas - Explosive gas atmospheres", Korean Standards Service Network, 2017.
KGS GC101, "Classification Code for Explosive Hazardous Area on Gas Facility", Korea Gas Safety Corporation, 2018. Retrieved from https://cyber.kgs.or.kr/codesrc/kgscode_pdf/2018/GC101_180712.pdf.
T. Hubert, U. Banach, S. Bouchet, P. Castello, and P. Moretto, "Safety of Hydrogen as an Energy Carrier - Deliverable D54, Sub-task IP1.2 Gas detection experiments", HySafe, 2007. Retrieved from https://cordis.europa.eu/docs/publications/1236/123655741-6_en.pdf.
P. Middha and O. R. Hansen, "CFD Simulation Study to Investigate the Risk from Hydrogen Vehicles in Tunnels", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 14, 2009, pp. 5875-5886, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.02.004.

상세보기
J. S. Ko and H. Kim, "The Fire Risk Assessment in Compressed Natural Gas Buses & Gas Station", T. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 18, No. 2, 2004, pp. 57-67. Retrieved from http://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200411922360764.page.
KGS FP217, "Facility/Technical/Inspection Code for Vehicles Refueling by Type of Compressed Hydrogen Delivery", Korea Gas Safety Corporation, 2019. Retrieved from https://cyber.kgs.or.kr/codesrc/kgscode_pdf/2019/FP217_190614.PDF.
Kosha Guide P-102-2013, "Technical guide on accident damage prediction techniques", Korea Occupational Safety and Health Agency, 2013. Retrieved from http://www.kosha.or.kr/kosha/data/guidanceP.do.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
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)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

CFD 툴을 활용한 패키지형 수소충전시스템의 안전성 향상 연구
A Study on the Safety Improvement by CFD Analysis for Packaged Type Hydrogen Refueling System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

CFD 툴을 활용한 패키지형 수소충전시스템의 안전성 향상 연구 A Study on the Safety Improvement by CFD Analysis for Packaged Type Hydrogen Refueling System 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (17) 모든 표/그림 보기

표/그림 (17) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

강승규 (26) 허윤실 (6)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

CFD 툴을 활용한 패키지형 수소충전시스템의 안전성 향상 연구
A Study on the Safety Improvement by CFD Analysis for Packaged Type Hydrogen Refueling System 원문보기

표/그림 (17)

표/그림 (17)

AI 본문요약
AI-Helper