복합발전플랜트 내의 가스 화재 거동에 관한 수치해석
박재용*·성건혁*·이용남**·최진욱**·김대중**·이성혁*†·유홍선*
Numerical Study of Fire Behavior Induced by Gas Leakage in Combined Cycle Power Plant
Jaeyong Park, Kunhyuk Sung, Longnan Li, Jinwook Choi, Daejoong Kim, Seong Hyuk Lee and Hong Sun Ryou
Key Words: CFD(전산유체역학), Combined Cycle Power Plant(복합발전플랜트), Consequence Analysis(피해 평가), Flammability Limit(가연 한계), QRA(위험도 정량화 기법)
Abstract
To date, the demand for Combined Cycle Power Plant (CCPP) has been continuously increased to overcome the problem of air pollution and lack of energy. In particular, the underground CCPP is exposed to substantial fire and explosion risks induced by gas leakage. The present study conducted numerical simulations to examine the fire behavior and gas leakage characteristics for a restricted region including gas turbine and other components used in a typical CCPP system. The com- mercial code of FLUENT V.14 was used for simulation. From the results, it was found that flammable limit distribution of leakage gas affects fire behavior. Especially, the flame is propagated in an instant in restricted region with LNG gas. In addi- tion, consequence analysis factors such as critical temperature and radiation heat flux are introduced. These results would be useful in making the safety guidelines for the underground CCPP.
1. 서 론
복합발전플랜트는 LNG 연료를 이용하여 1차로 가스 터빈을 구동하고, 가스터빈에서 나오는 배기가스 열을 보일러에 통과시켜 2차로 증기터빈을 구동하는 방식이 다. 따라서 열효율이 높고 공해가 적기 때문에 지속적으 로 수요가 증가하고 있다. 이런 수요를 충족하기 위해 현재 국내 최초로 지하 복합발전플랜트가 건설 중이다.
하지만 지하 공간의 특수성으로 인해 가스 누출에 의한 화재 및 폭발과 같은 잠재적인 위험요소를 가지고 있다.
이와 같은 화재, 폭발 사고가 발생하게 되면 막대한 인 명·재산 피해를 입기 때문에 위험요소에 대한 정량적 인 데이터를 기반으로 안전 시스템이 구축되어야 한다.
따라서 현재 위험도 정량화 기법(Quantitative Risk Assessment, QRA)에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있 다. QRA는 시스템 정의, 위험성 정의, 사고 시나리오 정의, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석, 사고결과 정량화의 순서로 진행 되며, 각 시스템 의 특성 및 위험 요인에 따라서 다양한 결과를 도출할 수 있다(1). 최근에 수치해석을 활용한 피해를 예측하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 김기평 등(2)은 LNG 수 송선 내에서 가스 누출에 의한 피해를 예측하였고, vent- ing system과 같은 사고저감 방법을 제안하였다. Yet-
Recieved: 30 Apr 2015, Recieved in revised form: 26 May
2015, Accepted: 27 May 2015)
*
중앙대학교 기계공학부
**
서강대학교 기계공학과
†
책임저자, 회원, 중앙대학교 기계공학부 E-mail : [email protected]
TEL : (02)820-5254 FAX : (02)814-9476
Pole 등(3)은 석유화학공정 플랜트에서 화학 연료의 누출 시나리오를 바탕으로 폭발에 의한 피해를 예측하였다.
또한 폭발에 의한 과압 및 온도 영향을 분석하여 위험 도를 정량적으로 평가하였다. 또한 하동명 등(4)은 LNG 와 LPG의 화재 및 폭발 특성을 규명하여, 물성치에 따른 다양한 피해 평가인자를 제안하였다. Fotis Rigas 등(5, 6)은 화재 거동 특성을 분석하기 위해 수치해석과 실험 결과 를 비교하여, 수치해석의 타당성을 검증하였다. 이외에 도 화재 시나리오 검증, 화재 거동 해석 및 화재 제어에 대한 연구가 활발히 진행 중이다(7~9). 기존의 연구에서 는 피해규모 평가를 위한 수치해석의 정확도는 입증하 였지만, 다양한 사고 조건에서 피해규모의 정량화에 대 한 연구는 많이 부족하다. 특히 지하 공간의 특성을 고 려한 밀폐 공간 내에서의 CFD 해석 및 사고 시나리오 선정에 대한 연구가 부족하며, 피해 예측에 대해 불확실 한 요소들이 존재한다.
따라서 본 연구에서는 지하복합발전플랜트를 대상으 로 밀폐 공간 내에서의 가스 누출에 의한 화재 해석을 진행하였다. 밀폐 공간 내에서 누출 가스의 유동 특성 및 화재 거동 특성을 분석하였고, 분석 결과를 이용하여 피해 영역과 임계 복사열량과 같은 사고 피해평가 인자 를 도출하였다. 도출된 인자는 추후 지하복합발전플랜 트의 위험도 정량적 평가 모델 개발에 활용할 수 있으 며, 위험저감 방법을 제시하는데 도움이 된다.
2. 연구 내용
2.1 해석 형상 모델링
Fig. 1은 해석 형상을 나타내는 그림으로, 복합발전
플랜트 내 주요 설비인 가스 터빈, HRSG(Heat Recov- ery Steam Generator), 연료 배관 및 탱크 등을 형상화 하였고, 30 m × 50 m × 30 m 크기의 밀폐 공간으로 가 정하여 형상을 설계하였다. 격자 전용 프로그램인 ANSYS ICEM-CFD(ver. 14.0)을 이용하여 Fig. 2와 같 이 격자를 생성하였다. 복잡한 형상으로 인하여 격자 는 다면체 격자(polyhedral)로 약 40만개의 격자로 구 성하였다.
2.2 지배 방정식
본 연구는 누출 가스의 유동 및 온도 분포를 분석하 기 위해서 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식 및 종(species) 수송 방정식을 사용하였고, 연속방정식은 제어체적에서의 질량 보존의 법칙에 기초하고 있으며, 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
(1) 운동량 방정식은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있으며, 각 항들은 제어체적의 각 방향에 수직으로 유출되는 운동 량, 제어체적에 작용하는 압력, 난류 생성항, 밀도차이 로 인한 중력 및 점성력을 나타낸다.
(2)
에너지 방정식은 식 (3)과 같이 표현할 수 있으며, 제 어체적에서의 열역학 제 1법칙으로부터 얻을 수 있다.
식 (4)는 종 수송방정식으로 연소 반응물과 생성물 사이 의 종이 보존됨을 의미한다.
∂ρ∂t --- ∂
∂xi ---(ρui)
+ =0
∂t∂
----( ) ∂ρu ∂xi
---(ρuiuj)
+ ∂p
∂xi
--- –
=
µ ∂ui
∂xi
--- ∂uj
∂xi
--- 2 3---δij∂ul
∂xl
--- –
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ ∂
∂xj
---(–ρui′uj′) ρg
+ + +
Fig. 1 Schematic of CCPP
Fig. 2 Grid generation of the geometry
(3)
(4)
난류 유동장 해석에는 표준 k-ε 모델을 사용하였으며, 표준 k-ε 모델은 2-방정식 모델(two-equation model)의 일종으로 난류 유동을 지배하는 속도 스케일과 길이 스 케일을 수송방정식 형태로 나타낸 것이다. 이 모델에서 이용되는 k 및 ε 수송방정식의 최종 형태는 식 (5)의 난 류 운동 에너지방정식과 식 (6)의 난류 운동에너지 방정 식의 소멸률로 표현할 수 있다.
(5)
(6)
여기에서 난류 생성항 P는 식 (7)과 같다. 또한 난류 점성계수 µt는 식 (8)과 같은 난류운동에너지 k와 에너 지 소멸률 ε의 관계식으로 주어진다.
(7)
(8)
이 난류 모델에 사용된 모델 상수는 각각 다음과 같다.
C1 = 1.44, C2 = 1.92, Cµ = 0.09, σk = 1.3 (9) 본 연구에서는 eddy-dissipation 모델을 이용하여 누출 연료와 공기간의 연소 반응을 계산하였고, 식 (10)은 메 탄과 산소의 단일 이론반응식을 나타낸다. 또한 반응에 의한 종 i의 생성률은 종 수송방정식에 추가하여 계산 된다.
(10) 또한 연소 시 고온 환경에서의 열전달을 더 정확히 예측하기 위해 연소 계산 과정에 복사 열전달 효과를 고려하였고, 복사 열전달 모델로는 P-1 모델을 사용하였 다. 식 (11)은 입사 복사에 대한 수송방정식으로 에너지
방정식에 추가되어 계산된다.
(11) 본 연구에서는 시간에 따른 화재 거동을 분석하기 위해서 비정상상태에서 계산하였으며, 시간 간격 ∆t는 0.01 초로 설정하였다. 해석에는 범용 열·유체 해석 프로그램인 ANSYS FLUENT(ver. 14.0)를 이용하여 계 산하였다(10).
2.3 경계 조건
경계 조건 설정을 위해서 기존 연구의 누출 유량 모 델을 이용하여 초기 운전 조건에 따른 누출 유량을 도
출하였다(11,12). 도출된 누출 유량을 파공 크기에 따라서
Table 1과 같이 질량 유량 조건을 입력 조건으로 설정하 였다. 누출 연료는 LNG와 조성이 유사한 메탄가스로 가정하였고, 입력온도를 173 K로 설정하였다.
2.4 모니터링 지점
모니터링 지점은 Fig. 3과 같이 배관과 주요 시설물 주변으로 설정하여, 온도 및 복사열량 변화를 모니터링 하였다. 배관에서 높이 방향으로 1 m 떨어진 지점에 모 니터링 지점 1, 2, 3을 설정하였고, 지점 4는 가스터빈 근처, 지점 5는 연료 탱크 근처, 지점 6은 HRSG 근처로 설정하였다.
∂t∂
----( ) ∂ρE +∂x---i(ui[ρE p+ ])=
∂x∂j
--- k CPµt
Prt ---
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ ∂T
∂xi --- hjJj
∑
j–
– +Sh
∂t∂
----(ρYi) ∇ ρuY+ ⋅( i)=∇ J⋅ i+Ri
∂t∂
----( ) ∂ρk +∂x---i(ρkui) ∂
∂xi --- µ µt
σk ---
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ ∂k
∂xj --- +P ρε–
=
∂t∂
----( ) ∂ρε ∂xi
---(ρεui)
+ ∂
∂xj
--- µ µt
σε
---
⎝ + ⎠
⎛ ⎞ ∂ε
∂xj
---
=
+C1ε
k--P C2ρε2 ---k –
P ρui′uj′∂ui
∂xj
--- µt ∂ui
∂xj
--- ∂uj
∂xi
---
⎝ + ⎠
⎛ ⎞∂ui
∂xj
---
= =
µt Cµρk2 ----ε
=
CH4+2O2→CO2+2H2O
Sh=aG 4an– 2σT4
Table 1 Boundary conditions Crack size (mm) Mass flow rate (kg/s)
10 0.14
30 1.28
50 3.56
Fig. 3 Monitoring points
2.5 사고 시나리오
본 연구에서는 연료 공급계통에서 배관의 파공에 의 한 연료 누출 사고 시나리오를 구성하였다. 파공 위치 는 압력과 전단응력이 많이 발생하는 배관의 곡관 부 분을 취약 부분으로 설정하였고, 파공의 위치는 Fig. 4 와 같다. 또한 파공의 크기는 기존 논문을 참고하여, 10 mm, 30 mm 및 50 mm로 설정하였다(11,12). 화재 사고 시나리오의 경우, 연료 누출 사고 시나리오 기반 해석 결과를 바탕으로 진행하였다. 누출 연료가 가연한계에 도달한 영역의 체적에 대한 전체 영역의 체적비가 10%
에 도달했을 때, 점화를 시작하였다. 10 mm 파공의 경 우, 2000 초까지 계산을 했음에도 불구하고 가연한계 에 도달하지 않기 때문에 화재 시나리오에서 제외하였 다. 30 mm 파공의 경우에는 연료 누출 후 480 초에 점 화를 시작하였으며, 50 mm 파공의 경우에는 160 초에 점화를 시작하였다.
3. 해석 결과 및 고찰
3.1 가연한계 영역 및 유동 특성
가연한계에 해당하는 영역의 분포는 화재 해석을 수 행하는데 중요한 인자이다. 누출연료 LNG의 가연한계 는 미 연방 규정집에서 제시하고 있는 가스 농도 2.5%
이상, 15% 이하인 영역으로 설정하여 계산하였다(13). Fig. 5는 각 파공 크기에 따른 가연한계 영역을 가시화 였다. 사고 시나리오에서 설명한 바와 같이 10 mm 파 공에서 누출되었을 경우 2000 초 까지 계산을 하였지만, 가연한계에 도달하지 않는다. 30 mm의 파공의 경우 780 초, 50 mm 파공의 경우 360 초에 모든 영역이 가 연한계에 도달한다. Fig. 6은 누출 가스의 유선을 YZ 평 면에서 나타내는 그림이다. LNG 가스는 공기보다 밀도 가 낮기 때문에 밀폐공간에서 누출 시 상단부로 상승하 여, 상단부에서 다시 하단부로 순환한다. 특히 상단부
벽면에서 이차 흐름(secondary flow)이 발생하는 것을 알 수 있다. 그 후 유동이 다시 하단부로 하강하며, 전 체적으로 재순환 영역이 발생한다.
3.2 연소 후 온도 분포
화재 사고 시나리오에 따라서 30 mm와 50 mm파공 에 대해서 각각 480 초, 160 초에 점화를 시 작 하였다.
연소 시점에서의 가연한계 영역은 주로 가스 누출 지점 근처에 분포하므로, 연소 시 누출 지점으로부터 화염이 전파된다. Fig. 7은 연소 시 밀폐 공간 내 온도 분포를 보여주는 그림으로, 2000 K 이상의 온도가 나타나는 영 역에서 점화가 되었음을 확인할 수 있다. 누출에 의한 상승기류의 대류 열전달로 인하여 연소 시 누출 지점으 로부터 성장한 화염이 주변으로 전파되어, 10 초 이내 에 전체 공간의 평균 온도가 약 1000 K로 도달하는 것 을 볼 수 있다. 또한 연료의 누출량이 많을수록 가연한 계 영역이 확대되기 때문에 연소 초기의 화염이 더 빠 르게 성장하는 것을 볼 수 있다. 따라서 밀폐 공간에서 의 화재는 화염이 순식간에 전 영역으로 전파되는 특성 이 있어, 가연한계에 도달하기 전에 연료의 공급을 차단 하고, 환기 시스템을 가동시키는 등 다양한 위험저감 방 법이 요구된다.
Fig. 4 Location of the crack
Fig. 5 Region of flammability limit of LNG
Fig. 6 Streamline of LNG gas at YZ plane
3.3 모니터링 지점에서의 온도 변화
Fig. 8은 주요 설비와 배관 주변에 위치한 모니터링 지점에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이 다. 파공 근처에 위치한 모니터링 지점 1에서 연소에 의 해 급격한 온도 변화가 나타나고, 최대 2100 K까지 온 도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 주요 시설물 근처 지점 3, 4, 5의 경우 화염의 전파와 대류 열전달에 의해 점차 적으로 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 모니터링 지점에서의 온도 변화는 근무자 대피 시간 및 화재 진 압 시스템 작동시간과 같은 임계 시간을 결정하고, 센서 의 설치 위치 및 개수를 최적화하기 위한 데이터로 활 용될 수 있을 것으로 판단된다.
3.4 임계온도 영역의 체적 변화
임계온도는 장비의 재료, 피난로 및 주요설비 운전조 건에 따라 설정이 가능하다. 본 연구에서는 800 K을 임 계온도로 설정하여, 임계온도에 해당하는 체적의 변화 를 모니터링 하였다. Fig. 9는 시간에 따른 임계온도에 해당하는 등온면의 변화를 보여주는 그림이다. Fig. 10 은 임계온도에 해당하는 영역의 체적에 대한 전체 영역 의 체적의 비를 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 30 mm와 50 mm 파공의 경우, 임계온도 영역이 연소 시작 후로부터 10 초 때에 모든 영역에 도달한다. 밀폐 공간 에서는 피해 범위를 정량화하기가 쉽지 않기 때문에, 체 적비로 피해 영역을 예측할 수 있다. 또한 설정 임계온 도 값에 따라서 피해 범위 및 피해 영역이 달라질 수 있 으므로, 임계온도에 따른 추가 연구가 필요할 것으로 사 Fig. 7 Temperature distributions at 1, 5 and 10 s after combustion
Fig. 8 Temperature evolution at different monitoring points
료된다.
3.5 복사열량 변화
복사열량은 화재 및 폭발에 의한 피해를 평가하는데 중요한 인자이며, 피해 범위 및 피해 규모를 예측할 수
있다(14,15). 본 연구에서는 한국산업안전보건 공단에서
제시하고 있는 주요 설비가 손상되는 복사열량 강도인
37.5 kW/m2을 임계 복사열량으로 설정하여 임계 시간 을 도출하였다(16). Fig. 11은 가스터빈 근처의 모니터링 지점 5에서 시간에 따른 복사열량 변화를 나타내는 그 래프이다. 30 mm 파공의 경우 약 6 초, 50 mm 파공의 경우 약 4 초에 37.5 kW/m2의 임계복사열량에 도달하 게 된다. 복사열은 화염 주변에서 방사되므로 각 모니터 링 지점에서 복사열량이 점진적으로 증가한다. 복사열 량은 화염 성장과 밀접한 관련이 있어, 파공 크기에 따 라서 임계 시간과 피해 범위를 예측할 수 있고, 근무자 대피 시간 및 화재 진압 시스템과 같은 위험저감 방법 을 제안할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 복합발전플랜트를 밀폐공간으로 가정 하여, 가스 누출에 의한 화재 거동 특성을 분석하였고, 화재에 의한 피해를 평가할 수 있는 평가 인자를 도출 하였다.
(1) 가연한계 영역은 화재 거동 및 화재 가능성에 영 향을 미치게 된다. 10 mm 파공의 경우 2000 초 까지 내 부 공간에서 가연한계에 도달한 영역이 없기 때문에, 연 소가 발생하지 않는다.
(2) 30 mm와 50 mm 파공의 경우 가연한계에 도달한 영역 내의 점화원의 유무에 따라 화재 가능성이 커진다.
화재 발생 시 가연한계 영역 내에서 화염이 전파되며, 누출지점 근처에서 상단부와 하단부를 빠르게 순환하기 때문에 대류 열전달로 인한 기류 온도가 빠르게 상승하 Fig. 9 The estimation isothermal surfaces (800 K) for dif-
ferent crack sizes
Fig. 10 Variation of volume fraction at the critical temper- ature for different crack sizes
Fig. 11 Variation of radiation heat flux at the monitoring point 5
여, 10 초 이내에 모든 영역에서 1000 K 이상의 온도가 나타난다.
(3) 800 K의 임계 온도에 해당하는 영역은 파공의 크 기와 상관없이 약 10 초 이내에 모든 영역에서 분포하 게 된다. 임계온도는 현장의 조건을 고려한 임계값 설정 이 요구된다.
(4) 복사열량, 임계 온도를 이용하여 화염의 성장과 피해 범위를 예측할 수 있는 평가인자를 도출하였다. 도 출한 평가인자를 바탕으로 추후 위험저감 방법 및 사고 consequence 정량화에 적용할 수 있다.
후 기
본 연구는 2014년도 산업통상자원부의 재원으로 한 국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 결 과입니다(No. 2014010101850).
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