수소 취급설비의 화재 · 폭발 안전성평가 연구

수소취급시설의 화재 및 폭발 안전성 평가 연구. 고압수소를 분출하면 자연발화 가능성이 높은 수소가 열린 공간으로 누출되면 즉시 발화해 제트화재가 발생한다.

연구배경

연구내용

국내 수소산업 규모

수소 생산능력

고압가스안전관리법에 따른 수소 취급설비 현황

수소충전소

주 : 광주광역시 광산구 오선동 573번지 수소부산물. 수소 부산물(파이프 트레일러). 파이프 트레일러) 건설 중인 외부 현장.

Table 2-4 국내 수소충전소 현황(2017년 8월 기준)[7]

수소 사고발생 현황

남구 폭발성 압축기에서 수소가 누출되어 알 수 없는 발화원에 의해 폭발하는 사고. 남구화재 압력용기 배관 플랜지에서 수소가 누출되어 알 수 없는 발화원으로 인해 화재가 발생했습니다.

폭발위험장소 설정·관리 및 방폭구조의 전기기계기구 사용

산업안전보건법에 따른 폭발위험장소 설정·관리

고압가스안전관리법에 따른 폭발위험장소 설정·관리

수소 충전시설의 안전거리(배치기준)

산업안전보건법에 따른 안전거리

고압가스안전관리법에 따른 배치기준

작업장 보호시설 및 산업전용지역 보호시설을 제외하고, 처리시설 및 저장시설은 외부 표면에서 보호시설까지 표 3-6 이상의 거리를 유지하는 것으로 판단된다[14]. 보관시설 및 처리시설의 외부면으로부터 사업장 경계선까지 10m 이상의 안전거리를 유지합니다.

Table 3-6 제조식 수소자동차 충전시설과 보호시설과의 거리[12]

수소 충전시설의 안전거리(배치기준) 관련 법적사항 비교

가항, 나항의 안전거리 유지가 어려운 경우의 완화요건 수소자동차 충전시설의 처리·저장시설과 압축도시가스 차량 충전시설 및 보호시설의 처리시설, 압축가스 시설 및 저장시설 사이의 거리 확보가 어려운 경우에는 차단벽 등으로 차폐하는 경우 예외로 한다. , 등등이 있습니다. 구분 고압가스 안전관리법 산업안전.

사업구역 내 처리시설(충전시설 제외) 및 보호시설 충진 플랜트의 고압 가스 플랜트 및 가연성 가스 생산 플랜트의 기타 고압 가스 플랜트.

Table 3-7 수소자동차 충전시설의 안전거리 비교[10][12][14]

수소의 특성

수소의 물리화학적 특성

수소의 화재·폭발 특성

고압 수소 주입으로 인한 자연 발화 위험이 있습니다. 공기-수소 혼합물의 온도도 상승하여 발화 가능성이 높아집니다. 연장배관의 길이가 짧은 경우에는 자기발화가 잘 일어나지 않으나, 배기압력이 증가할수록 자기발화 가능성이 높아지는 것을 알 수 있다.

즉, 연구 결과는 토출압력이 높을 때 충격파가 강하기 때문에 수소제트의 흐름에 따라 공기온도가 상승하고 발화 가능성이 높아진다는 것이다[18]. 또한, 배기관이 짧더라도 고압에서는 자기발화 현상이 발생합니다. 또한, 배기관이 길어질수록 제트기류에 의한 자연발화 가능성도 커집니다.

Fig. 4-1 수소의 폭발한계[16]

탄화수소계열의 가스와 수소가 다른 점

수소충전소의 폭발위험장소 설정에 대한 적정성 검토

개요

수소충전소에서 수소차에 반복적으로 충전되는 구조인 디스펜서 충전관 노즐에 대해 폭발 위험 지역을 검토하였습니다.

KS C IEC 60079-10-1을 이용한 폭발위험장소 설정

부식 등으로 인해 누출 구멍이 확대될 수 있습니다. 큰 외란 등으로 인해 누출 구멍이 더 커질 수 있습니다. 누출 지점 유형 현재 상태 누출 계수(Cd).

증기 누출을 추정하기 위한 환기율. 폭발위험장소의 종류를 평가할 때 환기효과(환기율), 환기유효성, 누출율에 따라 표 4-7을 이용하여 폭발위험장소의 종류를 평가할 수 있다. 따라서 환기효율은 희석이 보통이고, 환기의 활용도가 우수하며, 누출율이 2위이므로 수소분배기 충전관 연결부 폭발위험이 있는 위치는 2급 위치이다.

Table 4-3 2차 누출등급에서의 누출구멍 단면적(권고)[19]

폭발위험장소 설정 시 입력변수에 대한 고찰

누출 구멍의 단면적(S) 변화에 따라 위험 구역에 도달합니다. ① 누설구를 확대하지 않은 상태의 대표값입니다. ➊ 확대되지 않은 누출 구멍의 일반적인 값입니다.

희석 등급 차트의 누출 유형 곡선 선택에 따른 폭발 위치 범위. 이는 고속 제트보다는 저속 확산을 선택하거나 느린 확산보다 무거운 가스를 선택하면 특정 누출 특성 값에서 위험 구역의 범위가 증가하기 때문입니다. 장애물 등의 방해를 받지 않고 음속으로 겉보기에 중성인 가스가 누출될 때 고속 제트가 적용됩니다.

Table 4-9 누출구멍 단면적에 대한 누출 고려사항 비교[13][19]

CFD를 이용한 수소충전소의 폭발위험장소 설정

CFD 개요

CFD를 이용한 폭발위험장소 설정 조건

시뮬레이션 결과

CFD를 이용한 수소충전소의 피해영향 평가

• 사고 시나리오 개요
• 디스펜서 충전호스 파열에 대한 확산 시뮬레이션
• 디스펜서 충전호스 파열에 대한 폭발 시뮬레이션
• 수소 압축기 배관 파열에 대한 폭발 시뮬레이션

따라서 누출 후 착화 시점에 따라 폭발로 인한 피해 효과에 큰 차이가 발생할 수 있다. 폭발 시뮬레이션 결과, 4% LFL 한계를 기준으로 형성된 제트 효과 주변의 소산으로 인해 수소 증기운이 형성되지 않아 점화 직후 제트 화재가 형성되는 것으로 나타났습니다. 형성된 제트화재는 최대 2초 동안 수소 증기운이 쌓이면 전파되어 증기운 폭발(VCE, Vapor Cloud Explosion)이 발생합니다.

따라서 내부 구조물 대부분이 파손돼 연쇄 폭발 가능성이 높다. 수소충전소 충전관 파열 및 수소 압축기 배관 파열의 확산 및 폭발 현상에 대해 FLACS 시뮬레이터를 이용한 CFD 해석 결과는 다음과 같다. 4% LFL 한계를 기준으로 분무기 충진관의 파열 확산을 연구한 결과 35m 이상에서 제트 효과가 형성되고 소산으로 인해 제트 효과 주변에는 수소 증기 기둥이 나타나지 않습니다. 제트 효과가 끝나는 지점에서 누적된 수소 증기 구름이 나타납니다.

이러한 확산 추세에 따라 누출 후 어느 지점에서 점화가 발생하는지가 안전을 위해 중요하며 폭발로 인한 피해 효과에는 큰 차이가 있을 수 있습니다. 본 연구에서는 수소차 보급 확대를 위한 인프라 구축 필요성에 따라 위험지역 설정의 적합성과 특별기준 완화 시 누출로 인한 영향을 평가했다.

Table 4-16 디스펜서 충전호스 파열 사고 시나리오