확산 시뮬레이션(DS2-1) 결과 - 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션

4. 가스 확산 시뮬레이션

4.4 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션

4.4.2 확산 시뮬레이션(DS2-1) 결과

그림 4.18∼4.21은 누출시간을 30.0s로 가정하여, 발전기와 연료공급 배관 연 결부(LP1)에서 누출이 발생한 경우 및 발전기 몸체(LP2)에서 배관의 직경만큼 의 파공이 발생하여 100% 누출이 발생한 경우의 2가지 조건에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 보여주고 있다. LP1과 LP2에서의 각각의 파공이 발생하였을 경 우, 시뮬레이션 결과를 토대로 가스의 폭발가능성과 가스 감지센서 및 강제배 기장치의 수량과 위치를 적절하게 배치하고자 하였다.

(a) 누출방향: 선미

(b) 누출방향: 우현

그림 4.18 발전기 연료공급 배관 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 양상(23.66g/s)

(a) 누출방향: 선미 (b) 누출방향: 우현

그림 4.19 발전기 연료공급 배관 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 양상과 농도(23.66g/s)

그림 4.18은 발전기와 연료공급 배관의 연결부에서 가스 누출이 발생한 경우 의 가스 확산 시뮬레이션에 따른 발전기실의 가스 농도 분포 결과를 보여주고 있다. 공급되는 유량은 동일하지만, 단동선의 기관실 체적(32.00m³)보다 상대적 으로 발전기실의 체적(9.94m³)이 약 3배정도 크기 때문에, 그림 4.19와 같이 발 전기실 내의 가스 농도가 급격하게 증가하였다. 따라서 본 연구에서는 발전기 와 연료공급 배관 연결부에서 누출이 발생한 시뮬레이션 결과를 토대로 발전기 본체 연결부에서 가스 누출이 발생하는 경우는 가스 연료와 공기가 혼합되어 있는 상태로 가스가 누출되었을 때의 상황에 대한 시뮬레이션을 수행하였다.

(a) 누출방향: 선미

(b) 누출방향: 우현

그림 4.20 발전기 본체 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 양상(1.37g/s)

그림 4.20과 그림 4.21과 같이 30.0s동안의 가스 누출 시, 가스 농도 누적량은 LFL 농도인 5.0%에 이르지 못하므로 발전기 본체 연결부에서 가스 연료와 공 기의 혼합가스 상태로 누출이 되면 폭발 가능성은 상당히 낮다고 사료되었다.

따라서 본 연구에서는 LP2에 대한 추가적인 가스 감지센서 및 배기장치에 관 한 가스 확산 시뮬레이션은 LP1로 대체하기로 하였다.

(a) 누출방향: 선미 (b) 누출방향: 우현

그림 4.21 발전기 본체 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 농도(1.37g/s)

LP1에서 가스 누출이 발생한 시나리오를 토대로 누출율과 누출방향에 따른 확산 시뮬레이션 결과를 그림 4.22∼4.24에 각각 나타내었다. 누출율이 증가함 에 따라 가스 확산 범위와 농도도 증가하는 것을 확인 하였으며, 누출방향에 따른 결과는 상방향 가스 누출 시 가스의 농도 누적량이 가장 급격하게 증가하 는 것을 하였고, 선미방향 누출과 우현방향 누출 순서로 가스의 농도 누적량이 증가하는 양상을 보여 주었다. 또한 상대적으로 공기보다 밀도가 가스의 특성 을 확인하였고, 가스의 확산범위와 가스의 확산량이 가장 큰 누출율 50% 시나 리오를 바탕으로 가스 감지센서 및 강제배기 장치의 적절한 위치를 선정하고자

(1) 공급 질량유량(406.96g/s)의 50%로 누출하는 경우

(a) 누출방향: 선미

(b) 누출방향: 우현

(d) 누출방향: 선미 (e) 누출방향: 우현

(f) 누출방향: 상부

그림 4.22 발전기 본체 연결부 가스 누출율 50%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s)

(2) 공급 질량유량(406.96g/s)의 30%로 누출하는 경우

(a) 누출방향: 선미

(b) 누출방향: 우현

(d) 누출방향: 선미 (e) 누출방향: 우현

(f) 누출방향: 상부

그림 4.23 발전기 본체 연결부 가스 누출율 30%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s)

(3) 공급 질량유량(406.96g/s)의 10%로 누출하는 경우

(a) 누출방향: 선미

(d) 누출방향: 선미 (e) 누출방향: 우현

(f) 누출방향: 상부

그림 4.24 발전기 본체 연결부 가스 누출율 10%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s)

앞서 수행하였던 시뮬레이션 결과를 토대로 기관실(32.00m³)보다 체적이 작은 발전기실(9.94m³)에서 가스 폭발 가능성이 높다고 사료되어, 가스 농도 감지센 서와 강제 배기장치를 배치한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였다.

개를 표 4.6과 그림 4.25와 같이 가스 농도 감지센서는 발전기실 발전기 상부 중앙에 2개를 배치하였고 강제 배기장치는 가스 감지센서의 위치와 동일하게 2 개를 배치하고 상부끝단 모서리에 가스가 밀집되는 것을 고려하여 적절하게 배 치하였다.

(a) 입체도 (b) 단면도 (c) 측면도

그림 4.25 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치의 위치 표 4.6 가스 농도 감지센서와 강제 배기장치의 위치

위치 x y z

누출 지점 1.40 1.10 1.40

농도 감지센서1(M.P.1) 1.40 1.30 1.45

강제 배기장치1 2.00 1.10 1.45

농도 감지센서2(M.P.2) 2.00 1.10 1.45

강제 배기장치2 1.00 1.10 1.45

농도 감지센서3(M.P.3) 1.00 1.10 1.45

강제 배기장치3 3.60 1.80 1.60

일반적인 가연성 가스 검출센서의 경우 LFL의 1∼25% 가스 농도를 감지하는 것과 발전기실 내부의 용적은 9.94m³로 일반적인 단동선보다 작은 것을 고려하 여, 가스센서 작동 시 LFL의 10% 가스 농도를 감지하는 상황을 가정하였다.

가스 농도 감지센서가 0.5% 농도를 감지하여 연료 공급 밸브를 차단하는 시간 이 가장 빠른 누출율 50% 상황을 고려하여 강제 배기장치 작동 시 최적의 위 치에 가스 감지센서, 강제배기 장치가 배치가 되었는지 검증하기 가스 확산 시 뮬레이션을 수행하였다.

가스 확산 응답해석 시간인 50.0s동안 발전기실 내의 가스 농도 측정하여 폭 발 가능성을 검토하였고, 가스 확산 시뮬레이션 결과를 그림 4.26∼4.28과 같이 누출방향에 따라 나타내었다. 가스의 누출이 발생하게 되면 순간적으로 가스의 누출에 의한 가스의 농도가 증가하지만, 즉각적으로 가스 감지센서가 가스 농 도를 감지하여 공급되는 가스 연료 공급을 차단하고 강제 배기 시스템이 작동 되어 가스가 빠르게 배출되는 것을 확인 하였다.

그림 4.29와 같이 순간적으로 가스의 농도는 가스 감지 농도인 LFL의 10%보 다 높은 상황이 발생하지만, LFL농도인 5%에는 미치지 못하는 것으로 확인된 다. 결론적으로 가스 감지센서와 강제배기 장치를 3개씩 가스가 누출되는 부위 와 가스가 집중적으로 잔류하는 위치에 배치한다면 가스 폭발가능성은 희박할 것으로 사료되므로 가스 폭발 시뮬레이션을 수행하지 않았다.

(a) 단면도(0.0s) (b) 측면도(0.0s)

(e) 단면도(0.4s) (f) 측면도(0.4s)

(g) 단면도(0.8s) (h) 측면도(0.8s)

그림 4.26 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 선미방향 가스 누출 시 확산양상

(a) 단면도(0.0s) (b) 측면도(0.0s)

(e) 단면도(0.2s) (f) 측면도(0.2s)

(g) 단면도(0.5s) (h) 측면도(0.5s)

그림 4.27 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 우현방향 가스 누출 시 확산양상

(a) 단면도(0.0s) (b) 측면도(0.0s)

(e) 단면도(1.2s) (f) 측면도(1.2s)

(g) 단면도(1.6s) (h) 측면도(1.6s)

그림 4.28 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 상부방향 가스 누출 시 확산양상

(a) 누출방향: 선미 (b) 누출방향: 우현

그림 4.29 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 가스 누출방향에 따른 가스 농도

4.3.3 확산 시뮬레이션(DS2-2) 결과

소형 LNG 연료추진 쌍동선의 경우 선체 외부에 존재하는 연료탱크와 cold box의 위치를 고려하여, cold box와 연결된 가스 배출 배관 연결부에서 누출이 발생한 경우에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였고, 누출율은 API-581기 준에 따라 배관의 직경이 200mm인 경우 1.8inch의 누출공을 적용하였다. 그림 4.30과 같이 갑판 위에 존재하는 배관의 위치를 고려하여 부산시의 평균 풍속

(a) 가스 배출배관(상갑판)

(b) 가스 배출배관(측면도)

그림 4.30 cold box에 연결되어 있는 갑판 위의 가스 배출배관

cold box 주위에서 그림 4.31과 같이 가스 누출방향을 다르게 가스를 누출시 켜도 가스 누출방향에 따른 가스 확산 양상은 유사하였다. 폐위되지 않은 구역 에서 상대적으로 압력이 낮은 배관에서의 가스가 누출 될 경우, 누출방향에 따 른 영향은 적으며, 누출된 가스가 유사한 형태의 클라우드를 형성하였으므로 누출방향에 대한 시나리오는 고려하지 않았다.

(a) 누출방향: 선미 (b) 누출방향: 우현 (c) 누출방향: 상부

그림 4.31 cold box 주위에서 가스 누출 시 누출방향에 따른 시뮬레이션 가스 확산 양상(평면도)

cold box에 연결된 가스 배출관의 연결부에서 가스가 누출한 시나리오는 그 림 4.32와 같이 가스 배출관이 외부에 존재하므로 가스 누출방향에 따른 시나 리오는 고려하지 않았고, 가스 누출시간을 30.0s로 가정하였다. 또한, 개방된 구 역에서 누출이 발생하였을 경우 바람과 풍향을 고려한 확산 시뮬레이션을 수행 하여 가스 확산 양상과 가스 폭발 가능성을 검토하여 가스 폭발 시 폭발압력을 측정하고자 하였다.

(a) cold box 후면

(b) 측면도

그림 4.32 cold box 주위의 가스 누출위치

cold box에 연결된 가스 배출관의 연결부에서 누출이 발생한 경우, 누출되는 가 스의 정량적인 가스량을 정확하게 산출하기 어려워 연료공급량인 85.17kg/hr 가 스가 누출 된다고 가정하였다. 가스 확산 시뮬레이션 결과 그림 4.33(a)과 같이 외부 공기보다 상대적으로 밀도가 낮은 누출 가스가 연직방향으로 상승하는 것

인에 의하여 가스 클라우드 범위와 형태가 크게 다르게 나타날 것으로 판단되 어 부산시 풍속 3.6m/s를 고려한 8방위 바람방향에 관한 가스 확산 시뮬레이션 을 수행하였다.

(a) 단면도 (b) 측면도

그림 4.33 cold box 주위에서 가스 누출 시 가스 확산 양상

바람이 불지 않는 시뮬레이션 결과를 토대로 부산시 평균 풍속을 반영하여 그림 4.34와 같이 풍향에 따른 cold box에 연결된 가스 배출관의 연결부(LP3)에 서 가스가 누출되었을 경우 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였고 결과는 그림 4.35와 그림 4.36에서 보여주고 있다. 기본적으로 8개의 방위에 대한 풍향을 고 려한 가스 확산 시뮬레이션 결과는 전반적으로 누출된 가스가 바람의 방향에 따라 소산되어 가스 클라우드의 형성이 이루어지지 않는 것을 확인 할 수 있었 다. 또한 그림 4.37과 같이 8개의 방위에 대한 가스 측정농도는 LFL를 넘지 않 았으며, 바람이 불지 않는 경우와 비교 하였을 때 바람이 적용되는 경우에는 가스가 소산되어 폭발 가능성은 현저하게 낮은 것으로 사료되었다. 하지만, 바 람이 불지 않는 시뮬레이션 결과 그림 4.38과 같이 구조물에 의하여 가스의 클 라우드 형성이 되어 가스 폭발 가능성이 있는 결과를 바탕으로 5장에서 가스 폭발 시뮬레이션을 수행하였다.

그림 4.34 대상 선박의 풍향을 고려한 시뮬레이션 방위각

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