[논문]정량적 위험성평가 기반 수소충전소 위험요소 분석 연구

이재용; 이지은; 송형운

doi:10.7842/kigas.2020.24.6.70

초록
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본 논문에서는 충주시 설치 예정인 수소충전소를 대상으로 하여 공정별 위험요소를 분석하여 위험도를 낮출 수 있는 방향을 제시하였다. 위험요소를 분석하기 위해 수소 가스의 정량적 위험성 평가 도구 중 하나인 HyRAM을 이용하였다. 공정별로 사고 빈도와 사고 영향을 평가하여 가장 위험한 공정과 사고 요소를 제시하였으며, 이를 종합한 위험 감쇄 요인을 도출하였다. 수소충전소는 현재 세계적으로 인프라 확충 시기이기 때문에 사고 데이터가 부족해 이러한 위험성 평가가 대안이 될 수 있으며 향후 늘어나게 될 수소충전소 건립에 참고자료로 쓰일 수 있을 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we suggested the direction to lower the risk by analyzing the risk factors for each process for the hydrogen refueling station to be installed in Chungju. HyRAM, one of the quantitative risk assessment tools for hydrogen gas, was used to analyze the hazards. By evaluating the frequenc...

In this study, we suggested the direction to lower the risk by analyzing the risk factors for each process for the hydrogen refueling station to be installed in Chungju. HyRAM, one of the quantitative risk assessment tools for hydrogen gas, was used to analyze the hazards. By evaluating the frequency of accidents and consequences for each process, the most dangerous processes and accident factors were presented, and the risk mitigation factors were synthesized. Hydrogen refueling stations are currently in the global infrastructure expansion period, and the lack of accident data could be an alternative to this risk assessment and is expected to be used as a reference for the future expansion of hydrogen refueling stations.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Process diagram of the hydrogen fuel station
그림 Fig. 2. Conventional QRA procedure
표 Table 1. Average failure frequency from HyRAM (event/year)
그림 Fig. 3. Jet flame from 10% leak size
그림 Fig. 4. Leak probability of the component (0.01%)
그림 Fig. 5. Leak probability of the component(10%)
표 Table 2. Risk matrix of the hydrogen fuel station
그림 Fig. 6. Leak probability of the component(100%)
그림 Fig. 7. Heat flux from the dispenser leak
그림 Fig. 8. Heat flux from the middle compressor

AI 본문요약
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문제 정의

위험성 평가 방법에는 대표적으로 확률론적 방법과 누출 및 폭발과 같은 사고에 기반한 것이 있다. 본 논문에서는 충주시 설치 예정인 수소충전소에 대한 설계 자료를 이용하여 각 단위 구성 요소별 위험성 평가를 진행하여 위험요소를 선정하고 각 위험 요소에 대한 사고 시나리오에서 위험 거리에 대한 평가와 위험 감쇄 방법을 논의해 본다. 현재 운영 중인 국내 수소 충전소는 대부분 off-site 충전소이며 나머지 on-site 충전소는 사업정지 되었거나 운영중단 상태로 본 논문의 대상 충전소인 충주 바이오가스 수소 융복합 충전소는 향후 건설될 on-site 충전소의 위험성 평가의 자료로 활용 될 수 있다.

가설 설정

예측 사망사수 _은 사망확률과 사람 수의 곱으로 사람수는 충전소 직원으로 9명을 가정하였다. 사망확률은 프로빗 모델에 의해 설정된 값에서 정규누적분포함수 를 평가하는 다음의 방정식에 의해 산출된다[10].

제안 방법

본 수소충전소의 구성요소는 수소 주입 판넬, 중압 압축기, 튜브 트레일러 주입 판넬, 중압저장조, 고압 압축기, 고압 저장조 그리고 디스펜서로 구성된다. 각 구성요소 별로 누출 사이즈에 따른 사고 빈도와 사고 영향을 분석하여 이를 토대로 시나리오를 구성한다.
01%와 10% leak size에서 사고 빈도가 두드러지는 것을 확인할 수 있으며, 100% leak size에서도 비교적 높은 사고 빈도를 보인다. 따라서 본 논문에서는 사고 빈도가 높게 나타낸 세 구간 0.01%, 10%, 100% 에 대한 사고 영향 분석을 진행하였다.
HyRAM 의 Physics탭에서는 수소 온도, 압력 및 누출 사이즈에 따른 제트 화염의 길이 및 열유속에 대한 데이터를 제공한다. 모든 수소 누출 가능성에 대한 사고 영향 분석을 진행하는 것은 경우의 수가 너무 많기 때문에 위험빈도 분석에서 도출된 사고 빈도에서 10^-6 이상의 빈도를 가지는 제트 화염, 폭발 사고에 대한 영향 분석을 진행하였다. 이 수치는 도시가스 고압 배관의 허용 가능 사고 수치(10^-4)보다 100배 강화된 수치이다[11].
본 충전소는 바이오가스를 통한 천연가스 생산 공정에 추가로 설치할 수소융복합 충전소로 수소의 차량 주입에 직접적으로 관여하게 되는 설비인 주입 판넬, 압축 장치, 저장장치, 디스펜서에 대한 정량적 위험성 평가 툴인 HyRAM을 기반으로 위험요소 분석을 진행하였다.
사고 영향 분석은 사고가 일어났을 때 피해 영향에 대한 평가를 하는 것으로 본 시설에 대해서는 수소 가스누출로 인한 사고 영향 분석을 진행하였다. HyRAM 의 Physics탭에서는 수소 온도, 압력 및 누출 사이즈에 따른 제트 화염의 길이 및 열유속에 대한 데이터를 제공한다.
충주시에 설치될 수소충전소를 대상으로 하여 설계 단계에서 위험 요소에 대한 분석을 진행하였다. 본 충전소는 바이오가스를 통한 천연가스 생산 공정에 추가로 설치할 수소융복합 충전소로 수소의 차량 주입에 직접적으로 관여하게 되는 설비인 주입 판넬, 압축 장치, 저장장치, 디스펜서에 대한 정량적 위험성 평가 툴인 HyRAM을 기반으로 위험요소 분석을 진행하였다.

대상 데이터

구성이 필요하다. 대상 수소 충전소는 바이오가스를 이용한 on-site 수소 충전소로 사고 시나리오의 범위는 수소추출기 후단부터 디스펜서를 포함한다. 수소충전소의 사고 대부분을 차지하는 것은 가스누출이며, HyRAM에서는 가스 누출로 인한 셧다운, 제트 화염, 폭발의 이벤트 트리와 구성 요소별 누출 사이즈의 사고 트리로 시나리오를 구성한다.
대상 수소충전소의 공정 구성은 크게 수소 주입 판넬, 중압 압축기, 튜브트레일러 주입 판넬, 중압 저장조, 고압 압축기, 고압 저장조 및 디스펜서로 구성된다. HyRAM에서 계산한 각각 공정 구성에서의 PLL, FAR, AIRe Table 2와 같다.
수소충전소의 사고 대부분을 차지하는 것은 가스누출이며, HyRAM에서는 가스 누출로 인한 셧다운, 제트 화염, 폭발의 이벤트 트리와 구성 요소별 누출 사이즈의 사고 트리로 시나리오를 구성한다. 본 수소충전소의 구성요소는 수소 주입 판넬, 중압 압축기, 튜브 트레일러 주입 판넬, 중압저장조, 고압 압축기, 고압 저장조 그리고 디스펜서로 구성된다. 각 구성요소 별로 누출 사이즈에 따른 사고 빈도와 사고 영향을 분석하여 이를 토대로 시나리오를 구성한다.
위험 빈도 분석은 각 공정 파트별로 초기 고장에 대한 데이터가 필요하며 본 논문에서는 HyRAM의 데이터를 이용하였다.
위험성 평가를 위한 대상 수소충전소는 충주시에 설치 예정인 바이오가스를 이용한 수소 융복합충전소로 수소연료전지 자동차와 튜브트레일러에 듀얼 압력으로 동시에 수소를 충진할 수 있도록 설계되었다. Fig.

성능/효과

AIR 계산 결과를 토대로 위험 공정을 나열하면 중압 압축기, 고압 저장조, 디스펜서 순으로 위험도가 높게 평가된다. 사고 빈도 분석에서 누출 사이즈로 보면 0.
위험성을 평가 할 수 있다. 위의 표에 따르면 치명적인 사고 원인이 되는 Jet fire와 Explosion과 같은 경우 0.01%와 10% leak size에서 사고 빈도가 두드러지는 것을 확인할 수 있으며, 100% leak size에서도 비교적 높은 사고 빈도를 보인다. 따라서 본 논문에서는 사고 빈도가 높게 나타낸 세 구간 0.

후속연구

그렇기 때문에 이러한 위험성 평가의 역할이 더 중요하게 된다. 향후에 이러한 위험성 평가 결과를 고려한 개선된 충전소의 위험성을 평가하고 이를 실시간으로 적용할 수 있는 시스템에 대한 연구를 하고자 한다.
본 논문에서는 충주시 설치 예정인 수소충전소에 대한 설계 자료를 이용하여 각 단위 구성 요소별 위험성 평가를 진행하여 위험요소를 선정하고 각 위험 요소에 대한 사고 시나리오에서 위험 거리에 대한 평가와 위험 감쇄 방법을 논의해 본다. 현재 운영 중인 국내 수소 충전소는 대부분 off-site 충전소이며 나머지 on-site 충전소는 사업정지 되었거나 운영중단 상태로 본 논문의 대상 충전소인 충주 바이오가스 수소 융복합 충전소는 향후 건설될 on-site 충전소의 위험성 평가의 자료로 활용 될 수 있다.

참고문헌 (12)

Pritchard DK, Royle M, Willoughby D. "Installation permitting guidance for hydrogen and fuel cell stationary application : UK version", Health and Safety Laboratory for the Health and Safety Executive, (2009)
Alcock JL, Shirvill LC, Cracknell RF. "Compilation of existing safety data on hydrogen and comparative fuels", PW5.1. European Integrated Hydrogen Project 2, (2001)
Chitose K, Ogushi H, Kawai K, Mizuno Y, Aoi S. "Risk assessment methodology for hydrogen refueling station", WHEC, (2006)
Kikukawa S, Yamaga F, Misuhashi H. "Risk assessment of hydrogen fueling station for 70MPa FCVs" Int J Hydrogen Energy, 33(23), 7129-7136, (2008)

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Kim E, Park J, Cho J, Moon I. "Simulation of hydrogen leak and explosion for the safety design of hydrogen fueling station in Korea", Int J Hydrogen Energy, 38(3), 1737-1743, (2013)

상세보기
Seungkyu Kang, Yunsil Huh, Jongsam Moon, "A Study on Safety Improvement for Packaged Hydrogen Refueling Station by Risk Assessment", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, 28(6), 635-641, (2017)

원문보기 상세보기
Hye-Ri Gye, Seung-Kwon Seo, Quang-Vu Bach, Daeguen Ha, "Quantitative risk assessment of an urban hydrogen refueling station", International Journal of Hydrogen Enegy , 44(2), 1288-1298, (2019)

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Jo Y, Ahn B. "A method of quantitative risk assessment for transmission pipeline carrying natural gas", J Hazard Mater, 123(1-3), 1-12, (2005)

상세보기
Katrina. Groth, Ethan S. Hecht, John T. Reynolds, "Methodology for assessing the safety of Hydrogen systems : HyRAM 1.0 technical reference manual", SANDIA REPORT, (2015)
N. A. Eisenberg, C. J. Lynch, and R. J. Breeding, "Vulnerability model. A simulation system for assessing damage resulting from marine spills," U. S. Coast Guard, SA/A-015 245, (1975)
Young Don Ryou, Su Kyung Lee, Kyung Sik Lee, "Cost-Benefit Analysis for the Safety Measures about High Pressure Natural Gas Pipelines Proposed by Quantitative Risk Analysis", Journal of the Korean Institute of Gas, 13(3), 22-27, (2009)
Jeffrey LaChance, William Houf, Bobby Middleton, Larry Fluer, "Analyses to Support Development of Risk-Informed Separation Distance for Hydrogen Codes and Standards, SANDIA REPORT, (2009)

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