한국액체미립화학회지 제20권 제2호(2015)http://dx.doi.org/10.15435/JILASSKR.2015.20.2.101

지하복합발전플랜트 내의 가스 누출 및 확산에 의한

위험성 평가 인자 분석

최진욱*·이용남*·박재용**·성건혁**·이성혁**·김대중*,†

Analysis of Risk Assessment Factors for Gas leakageand Dispersion in Underground Power Plant

Jinwook Choi, Longnan Li, Jaeyong Park, Kunhyuk Sung, Seonghyuk Lee and Daejoong Kim

Key Words: LNG(액화천연가스), Underground space(지하공간), CFD(전산유체역학), Crack hole size(파공크기),

Flammable region(가연영역)

Abstract

Gas leakage and dispersion in the underground LNG power plant can lead to serious fire and explosion accident. In this

study, computational fluid dynamics simulation was applied to model the dynamic process of gas leakage and dispersion phe-

nomena in a closed space. To analyze the risk assessment factor, such as the flammable volume ratio, transient simulations

were carried out for different scenarios. The simulation results visualized the gas distribution with time in the closed space.

The flammable volume ratio was introduced for quantitative analysis the fire/explosion probability.

기호설명

: 파공에 의한 누출가스의 질량유량, kg/s

Cd : 파공형상에 의한 상수, 무차원

Ah : 파공의 단면적, m2

P0 : 파이프의 내부압력, Pa

γ : 정적비열에 대한 정압비열의 비율, 무차원

Wg : 가스의 분자량, kg/mol

R : 가스의 기체상수, kJ/kg·K

T : 가스의 온도, K

K : 누출속도에 의한 상수, 무차원

η : 가연영역 체적분율, 무차원

VFR : 가연영역의 부피, m3

VDomain: 밀폐공간 전체의 부피, m3

ρ : 유체의 밀도, kg/m3

1. 서 론

최근 에너지 고갈 문제와 환경 문제로 인하여 청정에

너지 자원의 활용이 각광받고 있다. 이 중 천연 가스를

액화한 액화천연가스(LNG)는 무독성이며 공해가 거의

발생하지 않기 때문에 이를 이용한 설비가 크게 늘고

있다. 그러나 LNG가스는 높은 압력으로 공급되기 때문

에, LNG가스 연료를 이용하여 동작하는 설비에서 가스

의 누출이 발생 시 화재나 폭발 등의 심각한 사고로 이

어질 수 있다(1). 이러한 사고는 상한가연한계 및 하한가

연한계 사이의 연소범위(Inflammability Range)에 해당

하는 농도로 분포하는 누출가스가 점화원에 의해 점화

m·

Recieved: 30 Apr 2015, Recieved in revised form: 26 May

2015, Accepted: 27 May 2015)*서강대학교 기계공학과**중앙대학교 기계공학부†서강대학교 기계공학과E-mail : daejoong@sogang.ac.kr

TEL : (02)705-8644 FAX : (02)712-0799

102 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 2 (2015)

되어 발생한다. 개방공간의 경우 LNG가스의 밀도가 공

기보다 낮기 때문에 공중으로 확산되어 위험성이 적으

나, 특히 밀폐공간(예: 지하복합화력 플랜트)의 경우 가

스가 누출 시 환기가 잘 이루어지지 않으면 누출 가스

의 농도가 희석되지 않고 점차 증가한다(2). 따라서 개방

공간보다 연소범위 농도에 빨리 도달하며, 화재, 폭발사

고의 위험성도 보다 높다.

가스 설비에서의 위험성 평가를 위하여, 기존에는 수

학적 모델링을 통한 파이프 파공에서의 가스 누출 관련

연구가 주를 이루었다. Yuhu et al.3)는 파공 크기에 따른

별개의 수학적 가스 누출 모델을 통합하기 위한 연구를

수행하였고, Zhu4)는 수학적 가스 누출 모델링을 통해

가스 확산에 관한 평가를 수행했다. Jo et al.5)는 수학적

누출 모델을 통하여 파이프의 위험도를 평가했다.

최근에는 전산유체역학(Computational Fluid Dynam-

ics, CFD) 기법이 피해 및 안전평가 부분에 널리 적용되

고 있다. Siddiqui et al.(6)는 내부 설비에서 유독가스인

염소가스가 누출되는 경우에 대한 위험성 평가를 위해

전산유체역학 기법을 활용하였다. Zhao et al.(7)는 전산

유체역학을 이용하여 개방된 공간에서의 가스 파이프

누출 시 발생하는 피해에 대한 평가를 진행하였다.

이처럼 전산유체역학 기법은 누출가스의 유동과 화재,

폭발 과정 중 온도와 충격파에 대한 영향을 자세하게 모

델링 할 수 있기 때문에 널리 활용되고 있다. 그러나 보

다 사고 위험성이 높은 밀폐공간에서의 가연 가스 누출

및 확산과 이에 따른 피해 평가에 대한 연구는 부족한 실

정이다. 따라서 관련 연구 및 이를 기반으로 정량화된 피

해 평가 인자를 도출을 위한 연구가 필요하다.

본 연구에서는 전산유체역학 기법의 적용을 통해, 밀

폐공간인 지하대공간 내부의 LNG 가스를 이용하는 설

비의 배관에서 파공에 의한 가스 누출이 발생하는 시나

리오에 대하여, 파공크기에 따른 가스의 누출 및 확산의

특성을 평가하고, 이를 통해 정량적 위험성 평가(Quan-

titative Risk Analysis)를 위한 평가 인자를 도출하고자

하였다.

2. 수치해석 모델

2.1 수치해석 모델 설정

지하대공간 내부에서 LNG 가스 누출에 의한 확산을

모사하기 위하여 가상의 공간을 모델링하고, 파공 크기

에 따른 누출 시나리오와 초기조건을 선정하였다.

2.1.1 기하형상 및 격자

본 연구에서는 수치해석을 위하여 30 m × 50 m × 30 m

크기의 지하대공간과 그 내부의 설비 형상을 가상으로

모델링하였다. 해석을 위한 격자는 총 37만개의 polyhe-

dral 격자를 생성하였다. 가상의 기하형상과 격자 모델

링은 Fig. 1에 나타내었다.

2.1.2 누출 시나리오 선정

LNG 가스의 누출상황을 모사하기 위하여, 가스 배관

의 곡관부에서 파공이 발생하는 상황을 가정하였다. 파

공크기에 따른 누출 및 확산 특성 평가를 위하여 파공

크기는 10 mm, 30 mm, 50 mm의 직경을 갖는 세 가지

시나리오로 선정하였으며, 누출 후 1800초 경과 시점까

지 비정상 유동 해석을 수행하였다.

2.1.3 초기조건

앞서 설정한 가상공간에 대하여, 수치해석을 위한 초

기조건을 설정하였다. 초기조건으로 실제상황과 유사하

도록 300의 온도와 1atm의 압력을 갖는 실제 air가 가상

공간 내에 분포하도록 설정하였다(N2 : O2 : CO2 :

H2O = 0.79 : 0.2 : 0.005 : 0.005).

2.1.4 수치해석 모델

수치해석은 Fluent 13(ANSYS Inc.)를 사용하였다. 해

석에는 가스 유동해석을 위한 energy equation 및 stan-

dard k-ε turbulent model, 가스의 농도분포를 계산하기

위한 species transport model의 세 모델을 이용하였다.

계산에 사용된 지배방정식은 질량, 운동량, 에너지 및

물질전달 보존 방정식이다. 사용된 지배방정식은 아래

Fig. 1 Geometry and meshes for numerical analysis

한국액체미립화학회지 제20권 제2호(2015)/ 103

식 (1)에서 식 (5)까지 나타내었다.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ρ는 유체의 밀도, 는 유체의 속도, Keff는 유효 열전

도율, 는 확산플럭스, 는 유효 편향응력, µt는 난류

점도, σ는 난류 프랜틀 수이다. YM은 압축성 난류의 파

동팽창(fluctuating dilatation)에서 전체 소산율에 기여하

는 항이다. Gk와 Gb는 각각 평균 속도 그래디언트와 부

력에 의한 난류 운동에너지이다. C1ε, C2ε, C3ε는 상수이

며, Y는 각 종의 질량분율, R은 화학반응에 의한 종의

생성량, S는 각 방정식의 원항(source term)을 의미한다.

2.2 경계조건 설정

파공을 제외한 각종 내부 설비의 경계조건은 단열 벽

조건으로 설정하였다. 파공에서의 LNG가스 누출을 모

사하기 위하여, 가스의 온도와 누출 질량유량을 경계조

건으로 설정하였다.

2.2.1 가스 물성 설정

원활한 해석을 위하여, LNG가스는 구성비가 가장 높

은 methane gas로 가정하여 해석하였다. 또한 가스의 온

도는 173로 설정하였다.

2.2.2 질량유량 설정

누출되는 가스를 모사하기 위하여, 압축기체 연료가

누출될 때의 질량유량 에 대한 식 (6)(8)을 이용하였다.

(6)

Cd는 파공형상에 따른 상수로써, rounded orifice의 평

균값인 0.97을 사용하였다. Ah는 파공의 면적이다. P0는

내부압력으로, Zhao et al.(7)의 논문에서 사용한 840 kPa

를 사용하였다. γ는 가스의 분자량, 는 정적비열에 대한

정압비열의 비율, R는 기체상수, T는 누출 가스의 온도

이다. K는 가스의 누출속도와 관련된 상수이며 식 (7)(8)

를 통해 얻을 수 있다.

(7)

식 (6)로부터 얻은 파공크기에 따른 질량유량은 Table

1에 나타내었다.

3. 결과 및 분석

3.1 해석결과

수치해석을 통해 LNG가스의 시간에 따른 분포 데이

터를 얻을 수 있었다. Fig. 2는 50 mm 파공 시나리오에

서 누출 후 180초 경과 시점에서의 가스의 질량분율을

∂ρ∂t------ ∇ ρυ( )⋅+ Sm=

∂∂t---- ρE( ) ∇ υ ρE p+( )( ) =⋅+

∇ keff∇T hj jJj∑–( ) τeffυ)( ) Sh+ +⋅

∂∂t---- ρk( ) ∂

∂xi------- ρkui( )+

∂∂xj------- µ

µt

σk

-----+⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂k

∂xj-------=

+Gk Gb ρε– YM– Sk+ +

∂∂t---- ρε( ) ∂

∂xi------- ρεui( )+

∂∂xj------- µ

µt

σε

-----+⎝ ⎠⎛ ⎞ ∂ε

∂xj-------=

+C1ε

ε

K---- Gk G

3εGb+( ) C

2ερε2

k----– Sk+

∂∂t---- ρYi( ) ∇ ρυYi( )⋅+ ∇ Ji Ri Si+ +⋅–=

υ

J τeff

m·

m· CdAhP0K

Wg

γRT---------=

K γ2

γ 1+----------⎝ ⎠⎛ ⎞

γ 1+

2 γ 1–( )-----------------

=

Table 1 Mass flow rate for boundary conditions with hole

size variation

Hole size Mass flow rate (kg/s)

10 mm 0.143

30 mm 1.283

50 mm 3.563

m·

Fig. 2 Mass fraction of LNG gas on 50 mm crack hole

size scenario after 180 seconds from leakage

104 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 2 (2015)

나타낸다.

3.1.1 가연영역 가시화

가연영역(Flammable Region)은 가연가스가 형성한

농도장에서 연소범위에 해당하는 공간 상의 영역이다.

즉 누출된 가스가 하한 및 상한가연한계의 농도로 분포

하는 영역을 일컫는다. LNG가스의 가연한계는 체적분율

을 기준으로 정의하며, 하한가연한계는 5%, 상한가연한

계는 15%(9)이다. 그러나 미 연방 규정집에서는 하한가연

한계를 절반인 2.5%로 규정하고 있다(10). 본 연구에서는

해당 규정에 의거하여, 각 시나리오에서 가스 농도가

2.5% 이상 15% 이하인 영역을 가시화하였다. 10 mm 파

공의 경우는 누출량이 매우 미미하여 누출 후 1800초 이

상 경과에도 가연영역이 파공 근처에 매우 작게 분포하

는 경향을 보였다. 30 mm, 50 mm 파공 시나리오의 경우

LNG가스의 가연영역은 시간에 따라 파공면에 수직방향

으로 확산하며 천장을 따라 분포하고, 이후 순환에 의하

여 전 영역으로 확대되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 3

및 4는 30 mm와 50 mm의 파공 시나리오에서 누출 후

60초, 180초, 300초 및 600초 경과 시의 가연영역을 가시

화한 것이다. 이 결과들을 통해 공기보다 밀도가 낮은

LNG가스의 통념적 확산 특성에 부합함을 확인하였다.

3.1.2 가연영역 체적분율

정량적 위험성 평가를 위한 인자를 도출하기 위하여,

전체 공간의 체적 대비 가연영역에 해당하는 체적의 비율

인 가연영역 체적분율(Flammable Volume Ratio)을 이용하

였다. 가연영역 체적분율 η는 식 (8)과 같이 정의된다(11).

(8)

이를 이용하여, 각 시나리오 별로 시간에 따른 가연영

역 체적분율의 변화를 도시화할 수 있었다. 이는 Fig. 5

에 나타내었다. 가연영역의 가시화와 같이, 10 mm 파공

시나리오의 경우 전체 시간에 대하여 체적분율이 거의

0에 가까운 수치를 나타내었다. 그 외의 시나리오에서는

누출 경과 후 특정 시점에서부터 체적분율이 급격히 증

ηVFR

VDomain

-----------------=

Fig. 3 Visualization of flammable region in geometry for

30 mm crack hole. (a) after 60 seconds from leak-

age (b) after 120 seconds from leakage (c) after

300 seconds from leakage (d) after 600 seconds

from leakage

Fig. 4 Visualization of flammable region in Geometry for

50 mm crack hole. (a) after 60 seconds from leak-

age (b) after 120 seconds from leakage (c) after

300 seconds from leakage (d) after 600 seconds

from leakag

Fig. 5 Flammable volume ratio according to time with

crack hole size

한국액체미립화학회지 제20권 제2호(2015)/ 105

가하여 1에 가까워짐을 알 수 있었다. 30 mm 파공 시

나리오에서는 누출 후 380초부터 가연영역 체적분율이

증가하기 시작하여 750초 전후로 전체 기하영역이 가연

영역화 되었고, 50 mm 파공 시나리오에서는 누출 후

75초부터 가연영역이 급격히 확산되며 300초 전후로 전

영역이 가연영역으로 변화하였다.

3.2 결과 분석

위 과정에서 얻은 데이터를 이용하여 정량적 위험성

평가를 위한 인자를 도출하기 위한 분석을 진행하였다.

3.2.1 발화가능성 예측

가시화된 가연영역 데이터와 예상 점화원 지점을 바

탕으로 발화가능성을 예측할 수 있다. 가연영역은 점화

로 인하여 화재 및 폭발 가능성이 매우 높은 영역이다.

따라서 점화 예상 지점에 대한 데이터를 얻을 수 있다

면 두 데이터간의 비교분석을 통해 발화가능성에 대한

평가가 가능하다. 잠재적 발화원이 가연영역 내부에 있

는 경우 특히 사고 위험성이 높다고 평가할 수 있다. 이

는 본 연구에서 진행한 것과 다른, 실제형상 등의 기하

구조에서도 적용이 가능하다.

3.2.2 사고 대응 매뉴얼 제시

가연영역 체적분율의 데이터와 내부 설비의 형상 데

이터를 바탕으로 사고 발생 시의 대응 매뉴얼을 제시할

수 있다. LNG가스는 누출 시 설비 의 상단부에서부터

분포하므로, 시설 상단부에 피해에 대한 대비책을 마련

해야 한다. 또한 파공크기에 따른 가연영역 체적분율의

변화 데이터와내부 설비의 형상 데이터를 바탕으로 사

고 발생 시의 대응 매뉴얼을 제시할 수 있다. LNG가스

는 누출 시 설비의 상단부에서부터 분포하므로, 시설 상

단부에 피해에 대한 대비책을 마련해야 한다. 또한 파공

크기에 따른 가연영역 체적분율의 변화 데이터와 대피

로 등의 설비 형상 데이터를 바탕으로 근무자의 대피시

간에 대한 지침과 최적화된 대피로 설정 등의 대응 매

뉴얼을 구성하는 데에 기여할 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 수치해석적 기법을 통하여 밀폐공간의 하

나인 지하대공간과 내부 설비를 임의로 모델링하고, 설

비의 배관부 파공으로 인한 LNG가스의 누출 및 확산

해석을 진행하여 파공크기에 따른 확산 특성을 분석하

였다.

세 가지 파공크기에 대하여, 가스 누출 시나리오를 모

사하기 위해 설비 내부의 공기에 대한 초기조건과 파공

에서의 가스 온도 및 질량유량에 대한 경계조건을 설정

하고 비정상 유동 해석을 수행하였다.

해석 결과를 바탕으로 화재 및 폭발 등의 사고가능성

이 높은 가연영역의 가시화 작업을 진행하였으며, 가연

영역은 시간에 따라 파공면으로부터 수직으로 확장되며

천장을 따라 확산한 후 순환하여 분포함을 확인하였다.

또한 전체 기하체적 대비 가연영역의 부피인 가연영

역 체적분율의 시간에 따른 경향을 확인하였다. 파공 크

기에 관계없이, 가연영역은 특정 시점부터 급격하게 전

파되어 전체 영역에 분포하였다. 파공 크기가 작은 시나

리오에서는 가스 누출량이 전체 내부 설비에 비하여 극

미하기 때문에 가연영역이 거의 형성되지 않았으나, 파

공 크기가 클수록 가연영역이 빠르게 형성되어 전체 영

역에 분포하는 경향을 보였다.

이 결과들은 실제 설비에서의 발화가능성 평가 및 사

고 발생 시 대응 매뉴얼을 제시하기 위한 정량적인 인

자로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

후 기

본 연구는 2014년도 산업통상자원부의 재원으로 한

국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 결

과입니다(No. 2014010101850).

참고문헌

(1) 하태웅, 하종만, 김은자, “밀폐공간 및 강제환기공간

에의 천연가스 고압분출 시 농도 확산분포 거동해석

(I)”, 한국가스학회지, Vol. 16, No. 4, 2012, pp. 23~31.

(2) 고원경, 강승규, 정영대, 방효중, “지하 대공간에서 가

스폭발 방지를 위한 환기 기준에 관한 연구 동향”, 한

국연소학회 춘계학술대회, 2014, pp. 25~26.

(3) D. Yuhu, G. Huilin, Z. Jing’en and F. Yaorong, “Math-

ematical modeling of gas release through holes in pipe-

lines”, Chemical Engineering Journal, Vol. 92, No. 1-3,

2003, pp. 237~241.

(4) D. Zhu, “Example of Simulating Analysis on LNG Leak-

age and Dispersion”, Procedia Engineering, Vol. 71, 2014,

106 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 20 NO. 2 (2015)

pp. 220~229.

(5) M. Siddiqui, S. Jayanti and T. Swaminathan, “CFD

analysis of dense gas dispersion in indoor environ-

ment for risk assessment and risk mitigation”, Journal

of Hazardous Materials, Vol. 209-210, 2012, pp.

177~185.

(6) Y. Jo and B. Ahn, “A method of quantitative risk

assessment for transmission pipeline carrying natural

gas”, Journal of Hazardous Materials, Vol. 123, 2005,

pp. 1~12.

(7) Y. Zhao, L. Xihong and L. Jianbo, “Analysis on the

diffusion hazards of dynamic leakage of pipeline”,

Reliability Engineering and System Safety, Vol. 92,

No. 1, 2007, pp. 47~53.

(8) Marc J. Assaek and Konstantinos E, Kakosimos,

“Fires, Explosions, and Toxic has dispersions, CRC

Press, 2010, pp. 35~40, 67~69, 149~150.

(9) Biao Sun, Ranjeet P. Utikar, Vishuu K. Pareek and K.

Guo, “Computational fluid dynamics analysis of lique-

fied natural gas dispersion for risk assessment strate-

gies”, Journal of Loss Prevention in the Process

Industries, Vol. 26, No. 1, 2013, pp. 117~128.

(10) 49 CFR Part 193, Liquefied Natural Gas Facilities :

Federal Safety Standards.

(11) J. Choi, N. Hur, S. Kang, E. Lee and K. lee, “A CFD

simulation of hydrogen dispersion for the hydrogen

leakage from a fuel cell vehicle in an underground park-

ing garage”, International Journal of Hydrogen Energy,

Vol. 38, No. 19, 2013, pp. 8084~8091.