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(2)

공학석사 학위논문

소형 LNG 연료추진 선박의 가스 확산·

폭발 응답해석을 통한 설계기준 제안

Suggestion of Design Criteria of Small LNG Fueled Propulsion Ship

using Gas Diffusion and Explosion Response Analysis

지도교수 이 상 갑

2020 년 8 월

한국해양대학교 대학원

[UCI]I804:21028-200000342833

(3)

본 논문을 하정훈의 공학석사 학위논문으로 인준함.

위원장 남 종 호 (인) 위 원 부 승 환 (인) 위 원 이 상 갑 (인)

2020 년 7월

한국해양대학교 대학원

(4)

목 차

목 차 ··· ⅰ 표 목 차 ··· ⅲ 그 림 목 차 ··· ⅳ Abstract ··· ⅷ 초 록 ··· ⅸ

1. 서 론 ··· 1

2. 대상선박 선정 및 규정 검토 ··· 3

2.1 대상선박의 주요요목 ··· 3

2.2 대상선박의 규정 검토 ··· 5

3. 가스 확산 · 폭발 시뮬레이션 모델링 ··· 13

3.1 기관 및 발전기 3D 모델링 ··· 13

3.2 전선 3D 모델링 ··· 14

3.3 유체 격자요소 모델링 및 민감성 검토 ··· 15

3.3.1 단동선의 유체 격자요소 검토 ··· 16

3.3.2 쌍동선의 유체 격자요소 검토 ··· 19

4. 가스 확산 시뮬레이션 ··· 22

4.1 가스 확산 시나리오 ··· 24

4.1.1 단동선의 가스 확산 시나리오 ··· 24

(5)

4.2.1 기관실 가스 확산 시뮬레이션 농도 측정위치 ··· 28

4.2.2 확산 시뮬레이션(DS1-1) 결과 ··· 28

4.2.3 확산 시뮬레이션(DS1-2) 결과 ··· 40

4.2.4 확산 시뮬레이션(DS1-3) 결과 ··· 42

4.3 단동선의 가스 확산 시뮬레이션을 통한 규정 재정립 ··· 46

4.4 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션 ··· 47

4.4.1 발전기실 및 전선의 가스 확산 시뮬레이션 농도 측정위치 ··· 47

4.4.2 확산 시뮬레이션(DS2-1) 결과 ··· 49

4.4.3 확산 시뮬레이션(DS2-2) 결과 ··· 62

4.4.4 확산 시뮬레이션(DS2-3) 결과 ··· 71

4.5 쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션을 통한 규정 재정립 ··· 76

5. 가스 폭발 시뮬레이션 ··· 77

5.1 가스 폭발 시나리오 ··· 77

5.2 cold box 주위의 가스 폭발 시뮬레이션(ES1) ··· 78

5.2.1 cold box 주위 가스 폭발 시뮬레이션 압력측정위치 ··· 78

5.2.2 cold box 주위 가스 폭발 시뮬레이션 결과 ··· 79

5.3 쌍동선의 가스 폭발 시뮬레이션을 통한 규정 재정립 ··· 82

6. 결 론 ··· 83

참고문헌 ··· 85

후 기 ··· 86

(6)

표 목 차

표 1.1 가스 연료추진 선박의 표준 가스 확산 관련규정

(KR, 2019; IMO, 2009) ··· 2

표 2.1 대상 선박의 주요요목 ··· 4

표 2.2 제2조(정의) 10호 규정검토 결과 ··· 5

표 2.3 제5조(일반사항) 4항 규정검토 결과 ··· 7

표 2.4 제7조(구역의 분리 및 위치 지정) 3항 1호 규정검토 결과 ··· 8

표 2.5 제8조(출입구 및 개구의 배치) 1항 규정검토 결과 ··· 9

표 2.6 제12조(가스 연료의 저장) 1항 4호 규정검토 결과 ··· 10

표 2.7 제14조(통풍장치) 1항 5호 규정검토 결과 ··· 11

표 3.1 대상 선박의 초기조건 ··· 15

표 4.1 천연가스 구성 성분 ··· 22

표 4.2 가스 확산 시뮬레이션 초기조건 ··· 23

표 4.3 소형 LNG 연료추진 단동선 가스 확산 시나리오 요약 ··· 25

표 4.4 소형 LNG 연료추진 쌍동선 가스 확산 시나리오 요약 ··· 27

표 4.5 가스 확산 시뮬레이션을 통한 단동선 제안 규정 ··· 46

표 4.6 가스 농도 감지센서와 강제 배기장치의 위치 ··· 57

표 4.7 가스 확산 시뮬레이션을 통한 쌍동선 제안 규정 ··· 76

표 5.1 가스 누출에 따른 가스 폭발 시나리오 ··· 77

표 5.2 가스 폭발 시뮬레이션을 통한 쌍동선 제안 규정 ··· 82

(7)

그 림 목 차

그림 2.1 5~30톤급 등록선박의 척수(해양수산부, 2019) ··· 3

그림 2.2 소형 LNG 연료추진 단동선의 일반배치도 ··· 4

그림 2.3 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 일반배치도 ··· 4

그림 2.4 대상선박의 제2조(정의) 10호 규정검토 결과 ··· 6

그림 2.5 대상선박의 제5조(일반사항) 4항 규정검토 결과 ··· 7

그림 2.6 대상선박의 제7조(구역의 분리 및 위치 지정) 3항 1호 규정검토 결과 ··· 8

그림 2.7 대상선박의 제8조(출입구 및 개구의 배치) 1항 규정검토 결과 ··· 9

그림 2.8 대상선박의 제12조(가스 연료의 저장) 1항 4호 규정검토 결과 ··· 10

그림 2.9 대상 선박의 제14조(통풍장치) 1항 5호 규정검토 결과 ··· 11

그림 3.1 기관 및 발전기 일반배치도 및 3D 모델형상 ··· 14

그림 3.2 LNG 연료추진 선박의 일반배치도 및 3D 모델형상 ··· 15

그림 3.3 기관실 모델의 유체 격자요소 적합성 조사를 위한 시뮬레이션 모델 ··· 16

그림 3.4 기관실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 시뮬레이션 결과 ··· 17

그림 3.5 기관실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 확산범위 ··· 18

그림 3.6 단동선 모델의 유체 격자요소 ··· 18

그림 3.7 발전기실 모델의 유체 격자요소 적합성 조사를 위한 시뮬레이션 모델 ··· 19

그림 3.8 발전기실 모델의 유체 격자요소크기에 따른 시뮬레이션 결과 ··· 20

그림 3.9 발전기실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 확산범위 ··· 21

그림 3.10 쌍동선 모델의 유체 격자요소 ··· 21

(8)

그림 4.1 메탄가스 농도에 따른 연소한계 ··· 22

그림 4.2 소형 LNG 연료추진 단동선 가스 확산 시나리오 ··· 25

그림 4.3 소형 LNG 연료추진 쌍동선 가스 확산 시나리오 ··· 26

그림 4.4 기관실 내부의 가스농도 측정위치 ··· 28

그림 4.5 가스누출량 50%에 대한 누출 방향에 따른 기관실(LP1)의 농도 결과 ··· 31

그림 4.8 가스누출량 50%에 대해서 가스 감지센서에 의해서 밸브가 닫힌 경우의 가스 농도 결과 ··· 39

그림 4.9 vent mast에서 가스 배출시 가스 확산 시뮬레이션 결과 ··· 41

그림 4.10 선박 정지 시, 기관실 누출 가스가 선미로 배출되는 시뮬레이션 결과 ··· 42

그림 4.11 선박 정지 시, 선수 방향(부산시 평균 바람 속도 3.6m/s)의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과 ··· 42

그림 4.12 선박 정지 시, cold box의 누출 가스가 선박의 좌현방향으로 배출되는 시뮬레이션 결과 ··· 43

그림 4.13 선박 정지 시, cold box의 누출 및 선수 방향 0°와 15°의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과 ··· 43

그림 4.14 선박 정지 시, cold box의 누출 및 선수 방향 30°와 45°의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과 ··· 44

그림 4.15 선박 정지 시, cold box의 누출과 선수 방향 15°의 바람에 대해서 8.0s연속 누출의 가스 농도 분포 ··· 45

(9)

그림 4.19 발전기 연료공급 배관 연결부 가스 누출율 100%에

따른 누출방향별 가스 확산 양상과 농도(23.66g/s) ··· 50

그림 4.20 발전기 본체 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 양상(1.37g/s) ··· 51

그림 4.21 발전기 본체 연결부 가스 누출율 100%에 따른 누출방향별 가스 확산 농도(1.37g/s) ··· 52

그림 4.22 발전기 본체 연결부 가스 누출율 50%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s) ··· 54

그림 4.23 기발전기 본체 연결부 가스 누출율 30%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s) ··· 55

그림 4.24 발전기 본체 연결부 가스 누출율 10%에 따른 누출방향별 가스 확산 시뮬레이션 결과(23.66g/s) ··· 56

그림 4.25 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치의 위치 ··· 57

그림 4.26 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 선미방향 가스 누출 시 확산양상 ··· 59

그림 4.27 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 우현방향 가스 누출 시 확산양상 ··· 60

그림 4.28 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 상부방향 가스 누출 시 확산양상 ··· 61

그림 4.29 가스 농도 감지센서 및 강제 배기장치 작동 시 가스 누출방향에 따른 가스 농도 ··· 62

그림 4.30 cold box에 연결되어 있는 갑판 위의 가스 배출배관 ··· 63

그림 4.31 cold box 주위에서 가스 누출 시 누출방향에 따른 시뮬레이션 가스 확산 양상(평면도) ··· 63

그림 4.32 cold box 주위의 가스 누출위치 ··· 64

그림 4.33 cold box 주위에서 가스 누출 시 가스 확산 양상 ··· 65

그림 4.34 대상 선박의 풍향을 고려한 시뮬레이션 방위각 ··· 66

(10)

그림 4.37 3.6m/s 풍속을 고려한 풍향별 가스 농도 ··· 69

그림 4.38 대상 선박의 폭발 가능 위험구역 ··· 70

그림 4.39 대상 선박의 vent mast 위치 ··· 71

그림 4.40 vent mast 배출구 도면 ··· 71

그림 4.41 vent mast 가스 배출 시 가스 클라우드 생성 결과 ··· 72

그림 4.42 3.6m/s 풍속에서 vent mast 가스 배출 시 풍향별 가스 확산 양상(평면) ··· 74

그림 4.43 3.6m/s 풍속에서 vent mast 가스 배출 시 풍향별 가스 확산 양상(입체, scale×5) ··· 75

그림 5.1 소형 LNG 연료 전기추진 선박의 가스 폭발 시뮬레이션 위치 ··· 77

그림 5.2 cold box 주위의 가스 폭발압력 측정위치 ··· 78

그림 5.3 cold box 주위의 가스 누출위치와 가스 폭발위치 ··· 79

그림 5.4 cold box 주위의 가스 폭발 시 가스 폭발 양상 ··· 81

그림 5.5 cold box 주위의 가스 폭발 시 가스 폭발압력 응답 ··· 81

(11)

Suggestion of Design Criteria of Small LNG Fueled Propulsion Ship

using Gas Diffusion and Explosion Response Analysis

Ha, Jung-Hoon

Department of Naval Architecture & Ocean Systems Engineering Graduate School of Korea Maritime and Ocean University

Abstract

In recent years, the International Maritime Organization(IMO) Tier III regulations have been in place to regulate the emission of nitrogen oxides(NOx) and sulfur oxides(SOx) in currently ECA(Emission Control Area), but more extended to worldwide. In this international trend, the government is also making various regulations and guidelines for the reduction of NOx, SOx and PM(particle material).

LNG fuel which can reduce CO2 generation by about 20% and nitrogen oxide(NOx) by more than 90% sulfur oxides(SOx) more than conventional oil is more concerned recently for alternative fuel. Whereas the standards for large-sized vessels are based on IGF CODE(International Code of Safety) for gases or other low-flash point fuels, regulations for small LNG fueled ship are still not defined definitely. In this study, gas explosion and diffusion response analyses are carried out for design criteria of small LNG fueled ship using FLACS(Flame Acceleration Simulator) software

KEW WORDS: Gas diffusion; Gas explosion; Small LNG fueled ship; Natural gas.

(12)

소형 LNG 연료추진 선박의 가스 확산·폭발 응답해석을 통한 설계기준 제안

하 정 훈

한국해양대학교 대학원 조선해양시스템공학과

초 록

최근 몇 년 동안, 국제해사기구(IMO) Tier Ⅲ 규정은 현재 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 배출을 규제하기 위해 ECA(배출규제해역, Emission Control Area)가 시행되어 세계적으로 확대되었다. 이런 국제화 흐름 속에서 정부는 NOx, SOx 와 PM(분진) 감소를 위한 각종 규제와 지침서도 만들고 있다. LNG 연료는 기존 석유보다 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 발생량을 90% 이상 감소하고, CO2 발생량을 약 20% 줄일 수 있어 최근 대체연료로 관심이 커지고 있다. 대형 선박의 기준은 가스나 기타 저인화점 연료에 대한 IGF CODE(국제 안전강령)에 근거하고 있지만, 소형 LNG 연료추진 선박에 대한 규정은 여전히 명확하게 규정되어 있지 않다. 본 연구에서는 소형 LNG 연료추진 선박에 대해 FLACS(Flame Acceleration Simulator) 소프트웨어를 이용하여 소형 LNG 연료추진 선박의 가스 폭발 및 확산 응답해석을 수행하여 설계기준을 재정립하였다.

(13)

1. 서 론

최근 국제해사기구(IMO)는 해상 환경오염을 감소시키기 위한 목적으로 황산 화물(SOx, sulfur oxides)과 질소산화물(NOx, nitrogen oxides)의 감축 규정을 강화 하고 있으며, 황산화물의 경우에는 기존 3.5%에서 0.5%로 규정을 강화하였고, 질소산화물의 경우에는 ECA에서 2011년부터 적용된 Tier II에서 규정이 더욱 강화되어 2016년 이후에 건조되는 선박에 대해서는 Tier III를 의무적으로 적용 해야한다. 본 연구는 “LNG벙커링 핵심 기술개발 및 체계구축사업” 사업의 일 환으로 수행되었다.

해양수산부는 2030년까지 소속 관공선 총 140척 모두를 LNG 추진선 등 친환 경 선박으로 대체한다는 ｢2030 친환경 관공선 전환계획｣을 2019년 10월 29일 발표하였고, 선박 규모 및 운항 특성 등을 종합적으로 고려하여 선종별 ‘맞춤형 친환경 선박 전환’을 추진함에 따라 500톤 미만의 선박에 대한 명확한 설계기 준이 필요한 상황이다.

대형 선박의 기준은 IGF Code(International Code of Safety for ships using gases or other low-flash point fuels)에 기초하고 있는 반면, 소형 LNG 연료추진 선박에 대한 규제는 아직 명확히 확립되지 않고 있다. 소형 LNG 연료추진 선 박은 표 1.1과 같이 해양수산부의 액화 가스를 운반하는 선박 규정과 한국선급 (KR)의 가스 연료추진 선박의 규정을 모두 충족해야 하지만 IMO의 IGF Code 는 500톤을 초과하는 선박을 위한 규정으로 만들어졌기 때문에 위험구역의 이 격거리와 같은 안전기준 적용 시, 소형 LNG 연료추진 선박의 설계 기준에 과 도하게 적용되어 규정을 적용하기 어렵다.

본 연구는 소형 LNG 연료추진 선박에 대한 기존규정 검토 후, 갑판 위와

(14)

2016)를 이용한 안전성 검토를 수행하여 효율적인 가스 배출을 위한 최적의 환 기구 위치와 가스 감지를 위한 최적의 센서 위치를 결정하고, 관련 규정에 부 합하는 설계 기준안을 도출하고자 하였다.

표 1.1 가스 연료추진 선박의 표준 가스 확산 관련규정(KR, 2019; IMO, 2009)

분류 조항번호 조항설명

가스 확산

제2조 (정의) 10호

“구역 1”이란 위험구역으로서 인화성가스가 가스 연료기관의 정상운전 상태에서 발생할 수 있는 구역이며, 다음 각 목을 포함한다.

마. 가스 연료 수급밸브 주위의 누설 테두리 판 내의 개방 갑판상의 구역과 이 구역으로부터 3미터 이내 범위와 갑판 상 2.4미터 높이까지

제5조 (일반사항)

4항

④ 가스원을 포함하는 구역 내에서의 폭발은 다음 각 호의 어느 하나에 해당하는 손상이나 파괴의 원인이 되어서는 아니 된다.

제7조 (구역의 분리 및 위치 지정)

3항 1호

③ 가스 연료기관이 있는 기관구역은 다음 각 호의 요건에 적합하여야 한다.

1. 가스 연료 기관이 설치된 하나 이상의 기관구역이 단일격벽으로 분리되는 경우에는 어느 한구역의 폭발이 인접한 다른 구역의 보존성에 영향이 미치지 않도록 견고하게 설치하거나 해당 폭발압력이 안전하게 배출 되도록 할 것 제8조

(출입구 및 개구의 배치)

1항

비 위험구역에서 위험구역으로 직접 접근할 수 있는 개구를 설치하여서는 아니 된다. 다만, 「산적액체위험물 운송선박의 시설 등에 관한 기준」 제16조의 요건에 적합한 에어로크를 설치할 경우에는 그러하지 아니하다.

제12조 (가스 연료의

저장) 1항 4호

4. 압력도출 밸브의 출구는 노출 갑판 상 B/3나 6미터 중 큰 것 이상으로 높아야 하며 작업구역 및 전․후부 통행로 보다 6미터 이상 높게 하여야 하고 다음 각 목의 가장 가까운 곳으로부터 최소 10미터 이상 떨어진 곳에 위치할 것(B는

「강선구조기준」 제2조제3호에 따른 선박의 너비). 다만, 선박의 규모에 따라 부득이 설치가 불가능한 경우에는 해양수산부장관이 정하는 바에 따를 것

제14조 (통풍장치)

5. 폐위된 위험구역에서 공기 흡입구는 비 위험구역에 설치되어야 하고 그 흡입구는 모든 위험구역의 경계로부터 최소한 1.5미터 이상 떨어진 비 위험구역에 배치하여야 하며

(15)

2. 대상선박 선정 및 규정 검토

본 연구에서는 총톤수(Gross Tonnage)가 20t톤급인 소형선박을 대상선박으로 선정하였다. 그림 2.1과 같이 총톤수 5~30톤급인 선박의 경우, 1,616척(78.0%)이 기타선박으로 등록되어 있으며, 기타선박은 소형어선, 레져용 선박, 관공선이 기타선박의 대부분을 차지한다. 일반적으로 단동선(mono-hull)을 사용하고, 레저 용 선박과 같이 특수한 목적의 선형의 경우 쌍동선(catamaran)의 선형을 사용하 기도 한다. 본 연구에서는 두 가지 선형을 모두 고려하여, 소형 LNG 연료추진 선박으로 선정하였다.

그림 2.1 5~30톤급 등록선박의 척수(해양수산부, 2019)

(16)

2.1 대상선의 주요요목

소형 LNG 연료추진 선박 주요요목과 일반배치도는 표 2.1 및 그림 2.2와 그 림 2.3과 같다.

표 2.1 대상 선박의 주요요목

구 분 전장 수선간장 폭 깊이 중량

단동선 17.200m 15.100m 3.820m 1.850m 19.00톤 쌍동선 27.044m 24.000m 5.500m 1.855m 17.00톤

그림 2.2 소형 LNG 연료추진 단동선의 일반배치도

그림 2.3 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 일반배치도

(17)

2.2 대상선의 규정 검토

본 절에서는 규정 중 가스 확산 및 폭발과 관련된 규정검토 결과를 표 2.2∼

2.7에 요약하여 선형에 따른 두 가지 대상선의 규정 검토결과를 그림 2.4∼2.9 에 나타내었다. 가스 연료추진 선박의 규정 중 제2조(정의) 10호 규정에 따라 가스 연료 수급밸브 주위의 누설 테두리 판 내의 개방 갑판상의 구역은 이 구 역으로부터 3.0m 범위와 갑판 상 2.4m 높이까지 위험구역Ⅰ로 지정하고 있음에 따라 기존 규정을 대상 선박에 적용하였다.

단동선의 경우 그림 2.4(a)와 같이 대상 선박의 선폭 3.82m를 2.18m 초과하는 범위와 선체의 높이인 1.80m를 0.60m 초과하는 범위를 위험구역Ⅰ으로 지정하 여야 한다. 쌍동선의 경우 그림 2.4(b)와 같이 선폭과 높이를 초과하는 범위 선 폭은 5.50m이며 선폭을 0.50m 초과하는 범위와 선체의 높이는 약 1.90m를 0.50m 초과하는 범위가 위험구역Ⅰ로 지정되어야 한다.

기존 규정을 적용할 경우 두 가지 대상선의 선폭과 높이를 모두 초과하는 범 위, 즉 대상 선박들 모두 선박 전체에 걸쳐 위험구역Ⅰ로 지정하게 된다. 따라 서 본 연구에서는 위험구역Ⅰ의 범위를 소형선박에 적합하게 재정립하기 위하 여, 가스 누출 시 가스 확산 시뮬레이션을 통하여 위험구역 범위를 재정립하였 다.

표 2.2 제2조(정의) 10호 규정검토 결과

조항번호 규정 대상선박 비고

위험구역 Ⅰ구역 경계범위 3.00m 확산 시뮬레이션을 통한 위험구역Ⅰ에 대한 경계 범위 재정립

필요

시뮬레이션 위험구역 Ⅰ구역 갑판 상 검토필요

경계 높이 2.40m

(18)

(a) 단동선

(b) 쌍동선

그림 2.4 대상선박의 제2조(정의) 10호 규정검토 결과

표 2.3의 제5조(일반사항) 4항 규정에 의하여 가스원을 포함하는 구역 내에서 의 폭발은 손상이나 파괴의 원인이 되어서는 안 된다. 그림 2.5와 같이 두 가지 대상 선박의 가스원을 포함한 구역 내에서 다양한 시나리오의 가스 확산 시뮬 레이션을 수행하여 결과를 바탕으로 가스 폭발 시뮬레이션을 수행하였다.

(19)

표 2.3 제5조(일반사항) 4항 규정검토 결과

제5조 (일반사항)

4항

가스원을 포함하는 구역에서 폭발은 손상이나 파괴의 원인이 되서는 안 된다.

확산 및 폭발 시뮬레이션을 통한 폭발가능성 및 폭발압력에 안전성 검토

필요

시뮬레이션 검토필요

(a) 단동선

(b) 쌍동선

그림 2.5 대상선박의 제5조(일반사항) 4항 규정검토 결과

표 2.4의 제7조(구역의 분리 및 위치 지정) 3항 1호 규정은 가스 연료 기관구 역이 단일격벽으로 분리되는 경우 폭발에 의하여 인접한 다른 구역의 보존성에 영향을 미치면 안 되며, 가스 연료 기관구역이 단일격벽으로 분리되는 경우 폭 발압력이 안전하게 배출될 것을 규정하고 있다. 두 가지 대상 선박은 가스 연 료 기관 및 발전구역이 그림 2.6과 같이 단일격벽으로 되어 있으므로 가스 확 산 시뮬레이션을 수행하여 효율적인 가스 배출을 위한 환기구 및 가스 감지를 위한 가스 감지센서 수량을 제안하여 폭발 가능성을 제거하고자 하였다.

(20)

표 2.4 제7조(구역의 분리 및 위치 지정) 3항 1호 규정검토 결과

제7조 (구역의 분리 및 위치 지정)

3항 1호

가스 연료 기관구역이 단일격벽으로 분리되는 경우 폭발에 의하여 인접한 다른 구역의 보존성에 영향을 미치면

안 된다.

확산 및 폭발 시뮬레이션을 통한

폭발 가능성 및 폭발압력에 안전성

검토 필요

시뮬레이션 가스 연료 기관구역이 단일격벽으로 검토필요

분리되는 경우 폭발압력이 안전하게 배출될 것.

(a) 단동선

(b) 쌍동선

그림 2.6 대상선박의 제7조(구역의 분리 및 위치 지정) 3항 1호 규정검토 결과 표 2.5의 제8조(출입구 및 개구의 배치) 1항 규정은 비 위험구역에서 위험구 역으로 직접 접근할 수 있는 개구가 있으면 안 되지만, 에어로크를 설치할 경 우 제외되므로, 표 2.5와 그림 2.7과 같이 단동선은 직접 접근 할 수 있는 개구 를 배치하지 않았고, 쌍동선은 발전기실 앞의 공간에 에어로크가 설치되므로 가스 확산 시뮬레이션을 통한 규정 검토에서 제외하였다.

(21)

표 2.5 제8조(출입구 및 개구의 배치) 1항 규정검토 결과

제8조 (출입구 및

개구의 배치) 1항

비 위험구역에서 위험구역으로 직접 접근할 수 있는 개구가 있으면 안 된다.

(단, 에어로크 설치할 경우 제외)

단동선 직접 접근 할 수 있는 개구 미 존재

규정 만족 쌍동선

에어로크 설치

(a) 단동선

(b) 쌍동선

그림 2.7 대상선박의 제8조(출입구 및 개구의 배치) 1항 규정검토 결과 표 2.6의 제12조(가스 연료의 저장) 1항 4호`는 압력도출 밸브의 출구는 규정 상 제한거리인 6m 보다 높게 설치되어야 하고, 압력도출 밸브의 출구는 공기유 입구나 배출구 또는 거주구역, 업무구역, 제어구역 및 기타 안전구역으로부터 최소 10m 이상 떨어진 곳에 배치하여야 하는 규정이다. 대상 선박은 그림 2.8 과 같이 단동선 vent mast의 높이는 약 6.250m로 노출 갑판상의 높이는 규정을 만족하지만, 압력도출 밸브의 출구에서 기타 안전구역 최소 이격거리인 10.000m에 대한 규정을 만족하지고 있지 못한다. 또한 쌍동선 vent mast의 높이 는 갑판에서 7.245m로 규정을 만족하지만, 압력도출 밸브의 출구에서 기타 안 전구역 최소 이격거리인 10.000m에 대한 규정을 만족하지 못하고 있으므로, 두

(22)

표 2.6 제12조(가스 연료의 저장) 1항 4호 규정검토 결과

제12조 (가스 연료의 저장) 1항

4호

vent mast의 노출 갑판 상 높이 6.00m 단동선: 6.250m

쌍동선: 7.254m 규정 만족 공기유입구나 배출구 또는

거주구역 등 기타

안전구역으로부터 이격거리 10.00m

확산시뮬레이션을 통한 가스 확산범위 검토

필요

시뮬레이션 검토필요

(a) 단동선

(23)

표 2.7 제14조(통풍장치) 1항 5호 규정검토 결과

제14조 (통풍장치)

1항 5호

공기 흡입구는 비 위험구역에 설치되어야함.

비 위험구역인

선미부에 설치함 규정 만족

공기 흡입구는 위험구역으로 부터 최소 1.5m 이격 설치되어야함.

위험구역으로부터 1.5m 이상 이격되어

있음.

규정 만족

공기흡입 덕트가 가스 위험구역을 통과하는 경우 덕트내 압력은 그

구역보다 양압으로 유지

공기흡입 덕트가 위험구역을 지나지

않음.

규정 만족

(a) 단동선

(b) 쌍동선

그림 2.9 대상선박의 제14조(통풍장치) 1항 5호 규정검토 결과

표 2.7의 제14조(통풍장치) 1항 5호 규정에 의해 공기 흡입구는 위험구역으로 부터 최소 1.5m 이격 설치되어야 하고, 공기흡입 덕트가 가스 위험구역을 통과 하는 경우 덕트내 압력은 그 구역보다 양압으로 유지해야 한다. 그림 2.9(a) 단 동선의 경우 공기 흡입구가 선미 비 위험구역에 설치되어 있으며, 모든 위험구

(24)

같이 공기 흡입구가 비 위험구역에 설치되어 있으며, 모든 위험구역의 경계로 부터 최소 1.5m이격 되어있고, 또한 두 대상선 모두 공기 흡입 덕트가 가스 위 험구역을 통과하지 않고 있어 규정을 만족하므로 가스 확산 시뮬레이션을 통한 규정 검토에서 제외하였다.

(25)

3. 가스 확산 · 폭발 시뮬레이션 모델링

가스 확산 및 폭발 시뮬레이션을 통한 규정 검토를 수행하기 위하여 일반 배 치도와 3D geometry 모델을 기반으로 FLACS의 CASD(Computer Aided Scenario Design)를 사용하여 가스 확산 및 폭발 시뮬레이션을 위한 기관실과 발전기 및 전선 모델링을 정확하게 구현하였다.

3.1 기관 및 발전기 3D 모델링

CASD를 이용하여 유체격자의 투과율을 고려해 150∼200mm 두께의 솔리드 요소를 사용하여 선체 외판을 형성하고 내부에는 기관과 발전기를 배치하여 구 조물에 의한 유체의 흐름이 보다 정확하게 구현 될 수 있게 하였다. 그림 3.1은 단동선과 쌍동선의 LNG 연료추진 기관과 발전기의 일반배치도 및 3D 모델형 상을 각각 보여준다.

(a) 단동선 기관

(26)

(b) 쌍동선 발전기

그림 3.1 기관 및 발전기 일반배치도 및 3D 모델형상

3.2 전선 3D 모델링

본 절은 전선의 일반배치도를 기반으로 하여 가스 확산 및 폭발 시뮬레이션 을 위한 CASD 모델링을 수행하였고, 그림 3.2와 같이 전선 모델은 솔리드 요 소를 사용하여 선체외형을 모델링하고, 거주구와 연료탱크 및 cold box, vent room과 vent mast등 실제도면과 동일하게 구현하였다.

(a) 단동선

(27)

(b) 쌍동선

그림 3.2 LNG 연료추진 선박의 일반배치도 및 3D 모델형상

3.3 유체 격자요소 모델링 및 민감성 검토

표 3.1의 초기 조건을 반영하여, 본 연구에서는 기관실과 발전기실 높이(약 2.0m)의 10등분한 길이(0.2m)를 기준으로 0.05m 요소 크기 증감에 따른 가스 확 산 시뮬레이션을 수행하여, 가스 확산 양상과 가스의 투과율을 고려하여 적정 유체격자크기를 결정 한 후, 체적당 가스의 확산량이 큰 유체격자 요소를 선정 하였다.

표 3.1 대상 선박의 초기조건 초기조건

구분 단동선 쌍동선

누출 파이프 직경 1 1/2 inch

누출 가스의 질량 유량 85.17kg/hr

누출 가스의 온도 26.99°C

누출 시간 10.00s

발전기실 내부 온도 20.00°C

발전기실 내부 체적 abt. 32.00m³ abt. 9.94m³ 발전기실 내부 압력 101.325KPa(1atm)

(28)

3.3.1 단동선의 유체 격자요소 검토

그림 3.3은 가스 누출위치와 유체 격자크기 0.25m∼0.10m에 따른 유체 격자 요소 검토를 위한 기관실의 시뮬레이션 모델을 보여주고 있다. 가스 확산 시뮬 레이션 결과는 그림 3.4와 같이 유사한 결과를 보여주고 있지만, 본 연구에서는 가스 확산 및 폭발 시뮬레이션을 보수적으로 평가하기 위하여 그림 3.5와 같이 기관실 내에 가스 확산량이 수렴하는 유체 격자요소 0.15m를 사용하기로 하였 다. 유체 격자요소 0.15m에 대한 시뮬레이션 모델은 그림 3.6에 명시하였다.

(a) 기관실 모델의 가스 누출위치

(b) 유체 격자크기

그림 3.3 기관실 모델의 유체 격자요소 적합성조사를 위한 시뮬레이션 모델

(29)

(a) 정면도

(b) 평면도

그림 3.4 기관실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 시뮬레이션 결과

(30)

그림 3.5 기관실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 확산범위

(31)

3.3.2 쌍동선의 유체 격자요소 검토

그림 3.7은 가스 누출위치와 유체 격자크기 0.20m∼0.05m에 따른 유체 격자 요소 검토를 위한 발전기실의 시뮬레이션 모델을 보여주고 있다. 가스 확산 시 뮬레이션 결과는 그림 3.8과 같이 유사한 결과를 보여주고 있지만, 본 연구에서 는 가스 확산 및 폭발 시뮬레이션을 보수적으로 평가하기 위하여 그림 3.9와 같이 발전기실 내에 가스 확산량이 수렴하는 유체 격자요소 0.10m를 사용하기 로 하였다. 유체 격자요소 0.10m에 대한 시뮬레이션 모델은 그림 3.10에 명시하 였다.

(a) 발전기실 모델의 가스 누출위치

(32)

(a) 정면도

(b) 평면도

그림 3.8 발전기실 모델의 유체 격자요소크기에 따른 시뮬레이션 결과

(33)

그림 3.9 발전기실 모델의 유체 격자요소 크기에 따른 확산범위

(34)

4. 가스 확산 시뮬레이션

소형 LNG 연료추진 선박의 가스 안전 구역이 가스 연료(Natural gas)의 누출 로부터 폭발 안전성 확보와 관련된 규정의 적용과 필요성을 확인하기 위해 가 스 확산 및 폭발 전용 해석 프로그램인 FLACS를 이용하여 가스 확산 시뮬레이 션을 수행하였다. 대상 선박의 연료인 Natural Gas(NG)의 구성 성분은 표 4.1과 같이 메탄이 91%이상으로 많은 부분을 차지하고 있고, 메탄가스의 농도에 따른 폭발은 그림 4.1과 같이 연소 하한계(LFL, Lower Flammable Limit)와 연소 상한 계(UFL, Upper Flammable Limit) 구간에서 발생하며, 메탄가스의 LFL은 가스 농 도가 5% 이상, UFL은 메탄가스의 농도가 17% 이하를 의미한다.

표 4.1 천연가스 구성 성분

구분 가스성분 %(100.00%, 체적 비)

CH4 C2H6 C3H8 N2 i-C4H10 n-C4H10 i-C5H12 NG 91.04 5.61 2.14 0.20 0.47 0.50 0.02

그림 4.1 메탄가스 농도에 따른 연소한계

가스 확산 시뮬레이션은 발전기실, 연료저장탱크의 가스 배관 및 각종 연결

(35)

레이션의 초기조건은 표 4.2에 요약하였다. 본 연구에서는 가스 확산 시뮬레이 션을 통해서 내부의 연료 가스가 환기 시스템을 통해서 외부로 배출이 되는 경 우에 대해서도 가스 확산 범위와 안전거리를 확인하는데 목적이 있고, 최종적 으로 각 시나리오의 해석 결과로부터 얻어진 가스 확산정도와 가스 농도를 정 밀분석하고 효율적인 가스 배출을 위한 환기구 및 가스 감지를 위한 가스 감지 센서 수량을 제안하여 소형 LNG 연료추진 선박에 적합한 설계 기준안 도출에 최종 목적이 있다.

표 4.2 가스 확산 시뮬레이션 초기조건

구 분 단동선 쌍동선

유입 질량유량

발전기실 내 5.8% NG+ 94.2% air 23.66g/s NG + 383.30g/s air

연료공급 배관 100.0% NG

23.66g/s NG

파이프 직경

연료공급 배관 1 1/2 inch(이중 배관)

매니폴드 - 3/4 inch(이중 배관)

배출배관 200.00mm(단일 배관)

용량

기관실, 발전기실 체적 abt. 32.00m³ abt. 9.94m³ LNG 탱크 C-Type [none]

(B.O.G: 0.7×10-6m³/s)

2.00m³ (B.O.G: 0.10m³/day) 환기 용량 발전기실 980m³/hr emergency: 85.17kg/hr

normal: 0.00kg/hr cold box 80m³/hr

발전기 연료공급 시 배관의 유체온도

26.99°C FGSS 출구에서 배관의 유체온도

대기 온도 20.00°C

메탄의 연소 하한계(LFL) 5.0%

메탄의 연소 상한계(UFL) 17.0%

가스 농도 감지센서 작동 상태 1.0%(20% LFL) 0.5%(10% LFL) 참조

가스 농도 감지센서가 20%와 10% LFL 이상의 가스 농도를 감지할 경우 연료공 급 배관을 차단하고 알림을 작동함.

(36)

4.1 가스 확산 시나리오

가스 확산 및 폭발과 관련한 기준안을 재정립하기 위하여 본 연구에서 고려 된 가스 확산 시나리오는 기관실 및 발전기실의 내부에서 가스가 누출되는 경 우, 연료탱크의 cold box에서 누출되는 경우, 압력도출 밸브를 통하여 선외로 가스가 배출되는 경우 크게 3부분으로 나누어 시나리오 기준을 설정하였고, 시 나리오에 따라 누출율과 누출 방향에 따른 확산 경향 및 가스 농도를 확인하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.

4.1.1 단동선의 가스 확산 시나리오

단동선 기관실 내부의 환기는 건조사양서에 따라 시간당 30회 공기 순환을 고려하여 2개의 Fan에서 강제 환기 조건을 적용하여 배기시스템으로 인한 가스 가 외부로 누출 되었을 때의 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였고, cold box와 LNG 연료실과 완전히 독립된 공간으로 격리되고, cold box에서 이중배관을 형 성하여 기관실의 엔진입구까지 연결되므로, LNG 연료실의 확산 시뮬레이션은 제외 하였다.

□ 확산-1 : 기관실 내부 중 터보차저(turbo charger) 직전 배관 연결부에서 가 스가 누출되는 경우와 기관실 내부 중 주기의 몸체 연결 조립부 에서 가스가 누출되는 경우(LP1, LP2)

□ 확산-2 : LNG 연료탱크에서 기화가스가 vent mast로 배출되는 경우(VP1) □ 확산-3 : 기관실 선내의 누출가스와 cold box 내부의 누출가스가 환기구를

통해서 선외로 배출되는 경우(VP2, VP3)

단동선의 가스 확산 시뮬레이션 시나리오의 가스 누출위치는 그림 4.2와 같 이 나타내었으며, 누출방향 및 누출량을 고려하여 표 4.3과 같이 시나리오 초기

(37)

그림 4.2 소형 LNG 연료추진 단동선 가스 확산 시나리오 표 4.3 소형 LNG 연료추진 단동선 가스 확산 시나리오 요약 선내 확산

시나리오 가스 누출 위치 누출가스

구성 누출방향 환기

용량 파공율

DS1-1

LP1

(과급기 전) 기관실 기화 가스 (100%NG)

선수, 선미,

좌현, 위 960m³/hr

10%, 30%, 50%

LP2

(기관 몸체) 기관실

혼합가스 (5.8%NG +94.2% Air)

선수, 선미,

좌현, 위 960m³/hr

10%, 30%, 50%

선외 확산

시나리오 가스 누출 위치 배기가스

구성 배기 위치 환기 용량

DS1-2 LNG 탱크 연료실 기화 가스

(100%NG) VP1 960m³/hr

DS1-3

LP1 혹은 LP2 기관실

혼합가스 (5.8%NG +94.2% Air)

VP2 960m³/hr LP3

(cold box내 배관)

연료실 100%NG VP3 80m³/hr

(38)

4.1.2 쌍동선 가스 확산 시나리오

쌍동선 발전기실 내부의 환기는 건조사양서에 따라 긴급 상황 시 환기 시스 템이 작동하는 것을 고려하여 배기 시스템으로 인한 가스가 외부로 누출 되었 을 때의 가스 확산 시뮬레이션은 제외하였고, cold box와 LNG 연료탱크가 선체 외부에 배치되어 있는 것을 고려하여 손상 가능성이 선내에 존재하는 것보다 비교적 높을 것으로 사료되어 확산 시뮬레이션을 수행하였다.

□ 확산-1 : 발전기실 내부에서 발전기와 연료공급 배관 연결부에서 가스가 누출되는 경우 및 발전기 본체 연결부에서 가스가 공기와 혼합 된 상태로 누출되는 경우(LP1, LP2)

□ 확산-2 : cold box 인접부위에서 선외로 가스가 누출되는 경우(LP3)

□ 확산-3 : 압력도출 밸브의 가스 배출구인 vent mast로 가스가 배출되는 경 우(VP1)

쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션 시나리오의 가스 누출위치는 그림 4.3와 같 이 나타내었으며, 누출방향 및 누출량을 고려하여 표 4.4과 같이 시나리오 초기 조건을 요약하여 명시하였다.

(39)

표 4.4 소형 LNG 연료추진 쌍동선 가스 확산 시나리오 요약 선내 확산

시나리오 가스누출 위치 누출가스 구성 누출

방향 환기용량 누출율

DS2-1

LP1

(과급기 전) 발전기실 기화 가스 (100%NG)

선미 우현

상부 85.17kg/hr

10%

30%

50%

LP2 (발전기

몸체)

발전기실

혼합가스 (5.8%NG +94.2% Air)

선미 우현 상부

85.17kg/hr

10%

30%

50%

선외 확산

시나리오 가스누출 위치 누출 및

배기가스 구성 풍향 환기용량 누출율

DS2-2 LP3 cold box 주변

기화 가스 (100%NG)

8방위 -

(선외)

파이프 직경비 DS2-3 VP1 vent

mast

기화 가스 (100%NG)

4.2 소형 LNG 연료추진 단동선의 가스 확산 시뮬레이션

소형 LNG 연료추진 단동선의 기관실 내부의 가스 확산 해석은 정립한 확산 시나리오를 기준으로 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였다. 엔진의 과급기 이전 에서 누출이 발생한 경우와 엔진 몸체의 연결부에서 누출이 발생한 경우의 2가 지 조건에 대해서 누출율과 누출 방향에 따라서 시뮬레이션을 수행하였으며, 배관 및 엔진 결합부에서 누출한 경우는 명확한 누출율을 산정하기 어려워 API-581기준(DNV-GL, 2008)에 따라 0.25∼2inch 범위에 해당하는 누출 구멍 크 기를 가정하여 1inch에 대한 파공 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

소형 LNG 연료추진 단동선의 선외 가스 확산 해석은 정립한 확산 시나리오 를 기준으로 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였다. 비교적 가스의 클라우드가 형성되어 있을 수 있는 선박이 정지한 상태에서 시뮬레이션을 수행하였고, 선 외 확산 시뮬레이션의 경우 외부에 노출되어 있음에 따라 가스 확산 시뮬레이 션에 바람의 영향을 고려하였다. 부산시 평균 풍속(3.6m/s)이 작용하는 시나리 오를 고려하여, 풍향에 따른 가스 누출에 따른 가스 확산 시뮬레이션을 수행하 여, 위험구역Ⅰ의 경계와 통풍장치의 대한 기존 규정을 재정립하고자 하였다.

(40)

4.2.1 기관실 가스 확산 시뮬레이션 농도 측정위치

기관실 내부의 농도를 측정하기 위해 그림 4.4와 같이 21개의 측정위치를 설 정하고, 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였다. 공기보다 비중이 가벼운 천연 가 스의 상승하려는 성질을 고려하여 기관실 상부에 9개의 측정위치를 고려하였 고, 중간부와 바닥부에 적절하게 농도 측정위치를 배치하였다.

그림 4.4 기관실 내부의 가스농도 측정위치

4.2.2 확산 시뮬레이션(DS1-1) 결과

기관실내 기관과 연료공급 배관 연결부(LP1)에서 가스가 누출 되었을 경우, 누출방향과 누출량에 따른 가스 농도를 측정하였다. 또한 가스농도 감지센서가 1%의 가스 농도를 감지하여, 기관실 내의 가스 농도를 감지하여 연료수급 밸브 를 차단하는 상황을 시뮬레이션에 반영하였다. 본 연구에서는 LP1과 LP2는 비 교적 유사하며, 가스의 혼합비가 100% NG인 상태로 가스가 누출되는 LP1의

(41)

(1) 공급 질량유량(406.96g/s)의 50%로 누출하는 경우

(a) 누출방향: 좌현

(42)

(c) 누출방향: 선수

(43)

(44)

(45)

(d) 누출방향: 선미

(46)

(47)

(b) 누출방향: 상부

(48)

(49)

(50)

(4) 공급 질량유량이 1% 가스 감지센서에 의해서 가스 누출이 멈춘 경우

(a) 누출방향: 선미

(51)

그림 4.8 가스누출량 50%에 대해서 가스 감지센서에 의해서 밸브가 닫힌 경우의 가스 농도 결과

그림 4.5∼4.7은 가스 누출 시 가스의 농도가 점진적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 가스 누출 방향에 따른 양상은 비교적 큰 차이를 보여주고 있지 않으며, 가스 누출량이 클수록 비교적 가스의 농도가 빠르게 증가하는 것을 확 인 할 수 있다. 그림 4.8과 같이 시뮬레이션의 농도 측정 결과에서 가스 감지센 서에 의해서 주 배관 밸브가 닫힌 이후의 기관실 내부의 가스의 농도는 더 이 상 증가하지 않고, 강제 환기에 의해서 점차 감소하는 경향을 보인다.

그림 4.8의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 기관실 내부에 가스가 누출되어 확 산이 진행하더라도 가스 감지센서에서 가스의 감지가 충분히 가능하다면 가스 폭발 한계(LFL)에 도달하는 상황이 없다고 보인다. 건조사양서에 따라서 기관 실의 가스 감지센서를 2개 이상 설치를 의무화 하고 있기 때문에 하나가 고장 나더라도 나머지 하나에서 감지가 된다면 LFL 농도에 도달하는 경우가 없을 것 이라 사료된다. LP2에서 가스가 누출되는 경우는 LP1의 경향과 유사함으로

(52)

4.2.3 확산 시뮬레이션(DS1-2) 결과

vent mast 확산 시뮬레이션은 LNG탱크에서 저장된 LNG의 하루 총 기화량 (BOR)과 vent mast로 배출되는 가스량을 기준으로 확산 시뮬레이션을 수행해야 한다. 당해 연구 단계에서는 LNG 탱크의 BOR 계산과 압력 릴리프 밸브(Relief valve)에서 토출되는 정확한 가스량이 미확정이기 때문에 정확한 가스량을 확인 후 vent mast확산 시뮬레이션 수행 예정이다.

일반적으로 C-Type 탱크의 경우는 여름철을 고려하여 최대 기화량(BOR)을 보수적으로 0.3%로 산정하면 vent mast로 배출되는 가스량은 약 0.7×10-6m³/s로 아주 미소하게 선외로 배출되므로 배출과 동시에 가스가 공기와 혼합 및 소산 되어 큰 문제가 없다고 판단된다.

연료탱크 내부의 LNG가 기화되어 설정 압력(setting pressure)을 초과하여 릴 리프 밸브를 통해서 일정 기화가스가 vent mast로 배출되는 가스에 대해서 시뮬 레이션을 수행하였다. 자연 배기 상태의 경우 배기가스의 비중(약 0.67kg/m³)이 공기(약 1.21kg/m³)보다 상대적으로 작기 때문에 수직 기둥 형상으로 가스가 발 달하여 가스 클라우드를 형성하였고, 그림 4.9(a)와 같이 가스 클라우드 범위는 약 1.0m의 직경을 가진 기둥 형상으로 수직 높이가 약 7.1m까지 가스 기둥을 형성하였다. 선미방향 바람을 고려하는 경우 바람이 1.8m/s를 초과하면 vent mast 출구 주변의 가스 농도 비율이 5% LFL 미만으로 떨어졌으며, 그림 4.9(b) 와 같이 풍속의 크기가 클수록 응집하는 가스 클라우드 형성을 어렵게 만들어 가스 클라우드 범위는 축소 경향을 보이고 있다.

(53)

(a) 풍속 미고려

(b) 부산시 평균풍속 고려(3.6m/s)

그림 4.9 vent mast에서 가스 배출시 가스 확산 시뮬레이션 결과

4.2.4 확산 시뮬레이션(DS1-3) 결과 (1) VP2에서 가스가 누출되는 경우

선박이 정지 상황에서 기관실에서 누출이 발생한 가스가 강제 환기에 의해서 선외로 배출되는 경우로 가스와 공기의 혼합가스가 8.0m/s의 속도로 선미 방향 으로 배출된다. 그림 4.10은 혼합가스가 선미로 배출되는 시뮬레이션 결과이고, 1% 농도의 범위로 기준을 적용하면 선미 배출구 끝부분에서 약 6.0m×0.8m의 영역을 가지고 5% 초과하는 영역은 발생하지 않는다.

(54)

선박의 정지 상태에서 선수 방향으로 부산시의 평균 바람 속도(3.6m/s)를 고 려한 시뮬레이션 결과를 그림 4.11과 같다. 그림 4.11 같이 가스 확산 범위가 선박의 정지 시의 경우보다 축소됨을 확인할 수 있고, 5%의 농도를 가지는 범 위는 없는 것으로 나타난다. 따라서 거주구와 선수부에 위치하는 공기 흡입구 위치로부터 1.5m 이상으로 충분히 떨어져 있다고 사료된다.

그림 4.10 선박 정지 시, 기관실 누출 가스가 선미로 배출되는 시뮬레이션 결과

그림 4.11 선박 정지 시, 선수 방향(부산시 평균 바람 속도 3.6m/s)의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과

(2) VP3에서 가스가 누출되는 경우

선박의 정지 상황에서 cold box에서 누출이 발생하여 강제 환기에 의한 누출 가스가 선외로 배출되는 경우로 순수 천연 가스가 8.0m/s의 속도로 선박의 측 면방향으로 배출된다. 그림 4.12는 천연 가스가 좌현방향으로 배출되는 시뮬레

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그림 4.12 선박 정지 시, cold box의 누출 가스가 선박의 좌현방향으로 배출되는 시뮬레이션 결과

(a) 바람 방향 0° 결과 (b) 바람 방향 15° 결과

그림 4.13 선박 정지 시, cold box의 누출 및 선수 방향 0°와 15°의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과

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(a) 바람 방향 30° 결과 (b) 바람 방향 45° 결과

그림 4.14 선박 정지 시, cold box의 누출 및 선수 방향 30°와 45°의 바람을 고려한 시뮬레이션 결과

그림 4.13과 그림 4.14는 선박의 정지 시 선미에서 선수로 부는 바람의 방향 에 따라서 가스 농도 시뮬레이션 결과이고, 가스 확산 범위가 선박의 정지 시 의 경우보다 축소됨을 확인할 수 있고, 특히 선수 방향 15°로 바람이 불어오는 경우 가스 농도 범위가 가장 넓게 형성됨을 확인할 수 있다. 바람 방향 15°의 경우에 대한 가스 5%의 농도 범위는 가스 배출구에서 약 3.6mx1.4m로 나타난 다. 이 결과는 cold box에서 순수 연료 가스 100%가 누출되는 경우로 상당히 보수적인 시나리오의 결과이고, 실제 cold box에서 누출된 가스와 공기의 혼합 형태로 외기로 배출되기 때문에 시뮬레이션 결과 보다는 가스 확산 범위가 상 당히 감소되고 가스 농도도 줄어들 것이라 사료된다.

본 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 설계 기준 정립을 위해 아직 공기 흡기구 의 위치가 미확정 단계지만, 거주구상부와 선수 앞쪽으로 공기 흡입구의 배치 를 가정하고, 공기 흡입구 위치는 최소 FR.15에서 선수 방향에 위치할 경우 배 출 가스가 흡입구 위치까지 1.5m의 안전거리는 확보 가능하다고 사료된다.

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(a) 평면 응답

(b) 측면 응답

그림 4.15 선박 정지 시, cold box의 누출과 선수 방향 15°의 바람에 대해서 8.0s연속 누출의 가스 농도 분포

그림 4.15는 선박의 정지 시 선미에서 선수로 15°로 부는 바람의 방향에 대해 서 8.0s간 연속 가스를 누출 시킨 후 가스 농도 시뮬레이션 결과이다. 여기서 8.0s를 선정한 이유는 가스 클라우드가 충분히 성장하여 더 이상 가스의 확산

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같이 가스 누출정지(8.0s)로부터 약 3.0s후에는 선체 주위의 잔류 가스가 상당히 소멸됨을 확인할 수 있고, 흡입구가 최소 FR.15에서 선수 방향에 위치할 경우 거주구의 앞쪽으로는 가스가 도달하지 않으므로 흡입구 위치는 안전하다고 사 료된다. 또한 가스 누출이 멈춘 후 약 2.0s범위 내에 5%의 LFL 초과 영역은 완 전히 소실하므로 폭발의 위험성은 희박하다고 사료된다.

4.3 단동선의 가스 확산 시뮬레이션을 통한 규정 재정립

소형 LNG 연료추진 단동선 가스 확산 시뮬레이션을 통하여 규정을 검토한 결과는 표 4.5와 같다. 제2조(정의) 10호는 위험구역Ⅰ 구역의 경계범위는 가스 연료 수급되어 공급되는 기관실에서의 가스 확산 시뮬레이션을 통하여, 가스 감지센서와 배기장치가 존재하지 않았을 경우 그림 4.5∼4.7 결과를 고려하여 위험구역Ⅰ로 제안된다.

제12조(가스 연료의 저장) 1항 4호는 공기유입구나 배출구 또는 거주구역 등 기타 안전구역으로부터 이격거리 10.00m에 대한 기존 규정에 대하여, 100% NG 가 배기되는 상황을 반영하여 확산 시뮬레이션을 수행하였고 결과는 그림 4.12 와 같다. 결과적으로 100% NG가스가 배기되었을 때 가스가 확산되는 범위가 5.80m인 것을 반영하여 기존 규정을 완화 할 수 있다.

표 4.5 가스 확산 시뮬레이션을 통한 단동선 제안 규정

조항번호 기존 규정 제안 사항

위험구역 Ⅰ구역 경계범위 3.00m

기관실 내부 위험구역 Ⅰ구역 갑판 상 경계 높이 2.40m

제12조 (가스 연료의 저장) 1항 4호

공기유입구나 배출구 또는 거주구역 등

기타 안전구역으로부터 이격거리 10.00m 5.80m

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4.4 소형 LNG 연료추진 쌍동선의 가스 확산 시뮬레이션

소형 LNG 연료추진 쌍동선의 발전기실 내부의 가스 확산은 단동선 가스 확 산 시뮬레이션과 동일한 시나리오를 바탕으로 발전기와 연료공급 배관 연결부 에서 누출이 발생한 경우와 발전기 본체의 연결부에서 누출이 발생한 경우의 2 가지 조건에 대해서 누출율과 누출방향에 따라서 시뮬레이션을 수행하였다. 또 한 API-581기준에 따라 배관지름 1.00∼2.00inch 범위에 해당하는 파이프의 누 출 구멍 크기인 1.00inch에 대한 파공 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

소형 LNG 연료추진 쌍동선의 선외 가스 확산 해석은 단동선과 동일하게 정 립한 확산 시나리오를 기준으로 가스 확산 시뮬레이션을 수행하여, 위험구역Ⅰ 의 경계와 통풍장치의 대한 기존 규정을 재정립하고자 하였다.

4.4.1 발전기실 및 전선의 가스 확산 시뮬레이션 농도 측정위치

발전기실 내부의 농도를 측정하기 위해 그림 4.16과 같이 22개의 측정위치를 설정하여 가스 확산 시뮬레이션을 수행하였다. 공기보다 비중이 가벼운 천연 가스가 대기 중에서 상승하는 성질을 고려하여 발전기실 상부에 12개의 가스 농도 측정점(Monitoring Point, M.P.)을 배치하였고, 발전기실 중간부에 적절하게 농도 측정위치를 배치하였다.

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그림 4.16 발전기실 내부의 가스농도 측정위치

연료탱크 및 cold box가 선외에 존재하는 것을 고려하여, 전선의 가스 농도 측정위치를 그림 4.17과 같이 배관 연결부 주위에 8개를 배치하고, 나머지의 농 도 측정위치를 선·수미 방향으로 1.0m 간격으로 15개의 M.P.를 적절히 배치하 여 총 23개의 M.P.를 배치하였다.

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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.

(b) 누출방향: 우현

(c) 누출방향: 상부

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

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(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.

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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.

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(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

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(d) 누출방향: 선미 (e) 누출방향: 우현

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(f) 누출방향: 상부

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

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(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)