국내외에서 가스 소비량 증가에 따라 가스 폭발 사고가 꾸준히 발행하고 있으며 석탄 저장소 옥내화 대책에 따른 가스 폭발 위험성이 대두되고 있다. 이러한 가스 폭발의 영향을 분석하기 위하여 TNT 등가량 산정법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 석탄이 배출하는 가연성 가스인 CO, CH4, C2H4의 공기 내 부피 함량에 따른 폭발사례에 대한 TNT 등가량을 산정하였다. 또한 계산된 TNT 등가량을 이용하여 거리에 따른 최대 압력과 임펄스 변화량을 가스 폭발 사례별로 비교, 분석하였다. 3개 혼합 가스의 TNT 등가량 증가 양상은 C2H4의 공기 중 부피함량에 의존하는 경향을 보이고 있다. 또한 TNT 특성곡선의 인자인 최대 압력과 임펄스도 가스의 개수가 증가함에 따라 그 값이 증가하는 양상을 띠고 있다.
국내외에서 가스 소비량 증가에 따라 가스 폭발 사고가 꾸준히 발행하고 있으며 석탄 저장소 옥내화 대책에 따른 가스 폭발 위험성이 대두되고 있다. 이러한 가스 폭발의 영향을 분석하기 위하여 TNT 등가량 산정법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 석탄이 배출하는 가연성 가스인 CO, CH4, C2H4의 공기 내 부피 함량에 따른 폭발사례에 대한 TNT 등가량을 산정하였다. 또한 계산된 TNT 등가량을 이용하여 거리에 따른 최대 압력과 임펄스 변화량을 가스 폭발 사례별로 비교, 분석하였다. 3개 혼합 가스의 TNT 등가량 증가 양상은 C2H4의 공기 중 부피함량에 의존하는 경향을 보이고 있다. 또한 TNT 특성곡선의 인자인 최대 압력과 임펄스도 가스의 개수가 증가함에 따라 그 값이 증가하는 양상을 띠고 있다.
Gas explosion accidents are steadily being issued due to increased gas consumption in Korea and foreign countries. To analyze the effects of these gas explosions, a TNT equivalent method is used. In this study, the TNT equivalent was calculated in the event of an explosion due to the volume content ...
Gas explosion accidents are steadily being issued due to increased gas consumption in Korea and foreign countries. To analyze the effects of these gas explosions, a TNT equivalent method is used. In this study, the TNT equivalent was calculated in the event of an explosion due to the volume content in the air of CO, CH4 and C2H4, the typical flammable gases emitted by coal. Also, the peak overpressure and impulse variation with the distance from explosion point were compared and analyzed by gas using the calculated equivalent value of TNT. The upper limit of the TNT equivalent for the three mixed gases is up to five times larger than the other gases mixture. In addition, the peak overpressure and impulse, which are factors of the TNT characteristic curve, are also increasing as the number of gases increases.
Gas explosion accidents are steadily being issued due to increased gas consumption in Korea and foreign countries. To analyze the effects of these gas explosions, a TNT equivalent method is used. In this study, the TNT equivalent was calculated in the event of an explosion due to the volume content in the air of CO, CH4 and C2H4, the typical flammable gases emitted by coal. Also, the peak overpressure and impulse variation with the distance from explosion point were compared and analyzed by gas using the calculated equivalent value of TNT. The upper limit of the TNT equivalent for the three mixed gases is up to five times larger than the other gases mixture. In addition, the peak overpressure and impulse, which are factors of the TNT characteristic curve, are also increasing as the number of gases increases.
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문제 정의
본 연구에서 각 가스의 경향성을 파악하기 위하여 메탄, 일산화탄소, 에틸렌의 단독 폭발에 대한 TNT 등가량 계산을 진행하였다. TNT 등가량을 계산하기 위해서 기체의 반응열, 질량이 요구된다.
본 연구에서는 밀폐되어 있는 일정 공간 안의 CO, CH4, C2H4 가스가 다양한 비율로 혼합되어 있을 때 TNT 등가량을 계산하고 CO, CH4, C2H4의 혼합 비율에 따른 폭발의 영향을 분석하고자 한다. 또한 계산된 TNT 등가량을 사용하여 TNT 특성곡선을 도시하고 거리에 따른 폭발 압력과 임펄스의 변화를 단독 가스 폭발과 혼합 가스 폭발로 구분하여 비교, 분석하였다.
가설 설정
의 양이 결정되고, 반응물의 변수인 e, f가 결정된다. CH4와 CO, C2H4의 부피 비율에 따라 TNT 등가량은 변동될 것이다. 또한 실제 폭발이 일어날 수 있는 부피 비율에서 TNT 등가량 계산을 수행할 필요가 있다.
밀폐된 일정 공간 내에 존재하는 가스가 폭발하는 경우를 가정하여 TNT 등가량을 계산하였다.
본 연구에서는 각 사례 별로 산정된 TNT 등가량을 이용하여 부피가 30,000m3라 가정할 때, 양압 구간에 작용하는 최대 압력과 임펄스 계산을 수행하였다.
다중 에너지 방법은 폭연을 기초로 하여 증기운(vapor cloud) 폭발의 평가를 위한 계산방법이다. 증기운 폭발은 주로 폭연의 형태로 발생하며 TNT 등가량 산정 방법과 다르게 다중 에너지 방법은 증기운 중 일부분에서 폭발한다고 가정한다(Van, 1985). BST 방법은 다중 에너지 방법에 기반으로 한 방법으로, 다중 에너지 방법과 마찬가지로 증기운 중 일부분에서 폭발이 일어나는 것을 가정하고 있다.
제안 방법
2개의 가스가 혼합되어 폭발할 때, 각 가스의 폭발 범위와 식(9)를 고려하여 공기 중 부피 함량을 10%씩, 총 20%로 지정하여 특성 곡선을 도시하였다. Fig.
3개의 가스가 혼합되어 폭발할 때, C2H4의 부피함량을 5%, 10%, 20%로 지정하고 최대 압력과 임펄스 의 변화량을 도시하였다. Fig.
본 연구에서는 폭발 가스의 온도 의존성을 고려하지 않고 혼합 가스 폭발을 용이하게 계산하기 위해 식(9)를 사용하여 TNT 등가량 계산을 수행하였다. 각 가스들의 폭발 범위를 고려하여 각 폭발 가스의 폭발 범위를 선정하고, 가스 비율을 일정 범위 내에서 무작위(randomly)로 가정한 뒤 TNT 등가량 계산을 수행하였다(Table 4).
단독 가스가 폭발할 때, 각 가스의 폭발 범위를 고려하여 공기 중 부피 비율이 13%로 동일하게 지정한 뒤, TNT 특성곡선을 도시하였다. Fig.
의 혼합 비율에 따른 폭발의 영향을 분석하고자 한다. 또한 계산된 TNT 등가량을 사용하여 TNT 특성곡선을 도시하고 거리에 따른 폭발 압력과 임펄스의 변화를 단독 가스 폭발과 혼합 가스 폭발로 구분하여 비교, 분석하였다.
또한 임펄스가 발파에 의해 구조물에 작용하는 힘의 총량, 즉 충격량과 관계되기 때문에 임펄스도 중요한 인자로 고려된다(Kwon and Park, 2015). 본 연구에서는 거리에 따른 양압 구간의 최대압력과 임펄스(impulse)의 변화를 가스 폭발 형태별로 비교, 분석을 진행하였다.
국내에서 실행되고 있는 석탄 옥내 저장소를 건설하게 될 경우 각종 가연성 가스로 인한 폭발 가능성에 유의해야 한다. 본 연구에서는 일정한 공간에서 석탄의 가연성 가스인 C2H4, CH4, CO의 공기 중 부피 비율에 따른 TNT 등가량 산정을 통해 세 가스의 혼합 비율에 따른 폭발의 영향을 분석하였으며, TNT 특성 곡선의 인자인 최대 압력과 임펄스를 계산하여 각 가스 혼합 별로 폭발 특성에 대하여 분석하였다.
(25)은 25℃일 때 탄화수소의 폭발 한계 값(%)을 의미한다. 본 연구에서는 폭발 가스의 온도 의존성을 고려하지 않고 혼합 가스 폭발을 용이하게 계산하기 위해 식(9)를 사용하여 TNT 등가량 계산을 수행하였다. 각 가스들의 폭발 범위를 고려하여 각 폭발 가스의 폭발 범위를 선정하고, 가스 비율을 일정 범위 내에서 무작위(randomly)로 가정한 뒤 TNT 등가량 계산을 수행하였다(Table 4).
이론/모형
가연성 가스 혼합물의 폭발 한계는 Le Chaterlier 공식으로 계산할 수 있다.
, 2017). 그러므로 본 연구에서 TNT의 화학 반응식은 KW rule을 사용하였다. 식(3)은 KW rule을 사용하여 계산한 TNT의 폭발에너지다.
연료의 연소열, 즉 폭발 에너지를 계산하기 위해 폭약에 대한 여러 가지 화학 반응식이 제안되어 왔다(Sochet, 2010; Kwon and Park, 2015). 본 연구에서는 KW rule (Kistiakowsky-Wilson rule)을 사용하여 TNT의 화학 반응식을 선정하였다. KW rule은 폭발 물질의 산소 평형(Oxygen Balance, OB)이 –40% 보다 큰 경우와 –40% 보다 작은 경우로 나누어진다.
폭발파의 특성 곡선을 표현하기 위한 여러 가지 경험식이 제시되었다(Kwon, 2017). 본 연구에서는 가장 널리 사용되고 있는 Kinney와 Blumash(1984)의 식을 이용하여 최대 압력(peak overpressure)을 계산하였다.
양압 구간에 작용하는 임펄스(Impulse)는 Kingery(1966)식을 사용하여 계산하였다.
성능/효과
(2010)은 석탄 광산에 주로 방출되는 가스인 CO, C2H4, CH4를 CH4+CO와 CH4+C2H4 로 혼합하여 다양한 가스 혼합 비율에 따른 폭발 압력의 하한과 상한을 분석한 바 있다. CH4와 CO가 혼합되어 있을 때, CO의 농도가 증가함에 따라 폭발 한계 압력의 상한, 하한이 모두 증가하는 양상을 보였다. 반면, CH4와 C2H4가 혼합되어 있을 때, C2H4의 농도가 증가함에 따라 폭발 한계 압력의 하한은 감소하지만, 상한은 증가하는 양상을 보였다.
본 연구를 통해 가연성 가스들의 위험성에 따라 TNT 등가량의 선형 추세가 상이함을 알 수 있었다. TNT 특성곡선 또한 혼합 가스의 개수가 증가할수록 최대 압력과 임펄스의 값이 증가하는 양상을 보였다. 또한 CH4 와 CO, C2H4가 혼합되어 폭발할 때, TNT 등가량은 C2H4의 농도에 따라 의존하며, TNT 등가량이 선형 증가하는 경향을 보였다.
반면, CH4와 C2H4가 혼합되어 있을 때, C2H4의 농도가 증가함에 따라 폭발 한계 압력의 하한은 감소하지만, 상한은 증가하는 양상을 보였다. 또한 C2H4와 CO의 CH4 혼합 부피 비율에 따른 위험도를 비교한 결과, C2H4의 농도가 증가함에 따라 CO보다 더 큰 위험성을 보였다. Addai et al.
TNT 특성곡선 또한 혼합 가스의 개수가 증가할수록 최대 압력과 임펄스의 값이 증가하는 양상을 보였다. 또한 CH4 와 CO, C2H4가 혼합되어 폭발할 때, TNT 등가량은 C2H4의 농도에 따라 의존하며, TNT 등가량이 선형 증가하는 경향을 보였다.
본 연구를 통해 가연성 가스들의 위험성에 따라 TNT 등가량의 선형 추세가 상이함을 알 수 있었다. TNT 특성곡선 또한 혼합 가스의 개수가 증가할수록 최대 압력과 임펄스의 값이 증가하는 양상을 보였다.
후속연구
본 연구는 TNT 특성곡선의 대표적인 인자 2개만 계산한 결과로 정확한 폭풍압(air blast)의 양상을 보기 위해 다른 인자들을 종합적으로 계산하여 정확한 TNT 특성곡선을 도시하는 것과 수치 해석을 병행한 연구 수행도 필요할 것으로 사료된다. 석탄 사일로와 같은 밀폐된 공간에서 탄진(Coal dust) 폭발에 대한 폭발 가능성이 있으므로 향후 4개 이상의 혼합 가스 폭발의 TNT 등가량 산정에 관한 연구도 필요할 것으로 보인다.
본 연구는 TNT 특성곡선의 대표적인 인자 2개만 계산한 결과로 정확한 폭풍압(air blast)의 양상을 보기 위해 다른 인자들을 종합적으로 계산하여 정확한 TNT 특성곡선을 도시하는 것과 수치 해석을 병행한 연구 수행도 필요할 것으로 사료된다. 석탄 사일로와 같은 밀폐된 공간에서 탄진(Coal dust) 폭발에 대한 폭발 가능성이 있으므로 향후 4개 이상의 혼합 가스 폭발의 TNT 등가량 산정에 관한 연구도 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스 폭발이란?
가스 폭발(gas explosive)이란 기체가 빠른 반응 속도로 발열 반응을 일으켜 급격히 팽창하면서 열과 압력을 발생시키며 파괴 작용을 하는 현상이다. 가스 폭발은 가연성 가스, 공기 중의 증기가 산화 반응을 일으켜 발생된다(Ha, 2005).
TNT 등가량 산정법의 목적은?
국내외에서 가스 소비량 증가에 따라 가스 폭발 사고가 꾸준히 발행하고 있으며 석탄 저장소 옥내화 대책에 따른 가스 폭발 위험성이 대두되고 있다. 이러한 가스 폭발의 영향을 분석하기 위하여 TNT 등가량 산정법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 석탄이 배출하는 가연성 가스인 CO, CH4, C2H4의 공기 내 부피 함량에 따른 폭발사례에 대한 TNT 등가량을 산정하였다.
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