장애물이 있는 부분밀폐계 공간에서의 화염거동에 대한 폭발실험 연구 = Explosion Study and Science of Flame Behavior in Semi-confined Space with Obstacles

국문 초록 (Abstract)

오늘날 가스 사용량의 증가로 인한 잠재 위험요인의 증가로 사고의 부담 또한 커지고 있다. 가스 폭발 사고의 경우 그 피해가 다른 재해에 비해 수십배 이상으로 커지는 경우가 많다. 특히나 가스설비가 위치한 부분 밀폐공간에서의 가스폭발은 큰 과압을 생성하고, 이로 인한 피해는 아주 치명적일 수 있다.
가스폭발의 영향은 발생 설비나 공정에만 국한되지 않고 인근지역의 설비나 인명에까지 영향을 미칠 수 있기 때문에 항상 적절한 안전관리가 필요하다. 그러므로 가스 시설은 설치 및 이용 전에 폭발 사고와 같은 중대 재해 발생 원리 및 그 영향에 대한 연구가 이루어지고, 이를 토대로 적극적인 폭발 예방 대책 및 피해 최소화 대책을 수립하여야 한다. 즉, 폭발은 어떻게 하여 발생되고, 폭발이 일어날 때는 얼마나 큰 과압이 발생되며 그 거동은 어떠한지를 정확히 예측하고, 이를 근거로 한 대책이 수립되어야 한다. 이를 위해서는 먼저 폭발에 의한 피해를 예측할 수 있는 폭발 피해 추정 도구가 개발되어야 한다. 이런 피해 예측도구를 개발하여 사용하기 위해서는 이론적 접근도 중요하지만, 사용 가스시설을 모델화하여 폭발거동 관련 실험을 실시하여 이를 통한 검증 또한 중요하다.
본 연구의 목표는 현재 운용하고 있는 가스 정압실의 구조를 축소하여 폭발장치를 만들고 이 장치를 이용하여 가스폭발 실험을 실시함으로서 폭발장치 주변에 미치는 폭발압력 분포와 이들 압력의 영향과 관련된 자료를 수집하고 이를 토대로 가스시설의 안전한 설계 및 정확한 피해예측 평가도구를 개발하는데 도움을 줄 수 있는 자료를 제시하는데 있다.
연구결과 얻을 수 있는 실험 자료를 요약하면 다음과 같다.
1) 대체 폭발모델 개발의 신뢰성 검증을 위한 실험 데이터
2) 정압실 폭발 방출구의 이탈 압력 및 설계압력
3) 폭발 방출구 주변 시설에 대한 안전 기술 기준
본 실험에서는 모델 내 장애물의 형상 및 크기를 달리하여 실험하였는데, 이는 장애물의 영향에 따른 폭발특성을 알아보는데 중점을 맞췄기 때문이다.
실험 실시 후 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
장애물 형상 및 크기에 따른 폭발 실험을 한 결과, 선행 연구 결과에 어긋나는 결과를 가져왔다. 이는 장애물에 대한 기존 실험 이 L/D비가 큰 실험장치로 실험을 실시한데 반해, 본 실험모델은 L/D비가 작은 장치로 실험하였기 때문인 것으로 보인다. 그 결과 선행 연구논문에서 제시한 형상별 실험 결과는 사각형＞삼각형＞원형 순서로 폭발압력이 줄어든 반면 이 실험의 결과는 그 반대의 현상이 나타났다. 이는 폭발이 모델의 특성에 따라 아주 다른 결과를 가져옴을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Past accidents have demonstrated that the most severe threat to gas facilities, chemical and petrochemical industries is the hazard of gas explosions, which have been the predominant causes in view of high damage potential. In particular, the gas explosions occurring in confined and partially confined regions have been concentrated as real concern due to a domino effect and more serious consequences.
The consequences due to the explosions have a wide range of the accidental process and equipment as well as the surrounding facility and life, so it is necessary to consider an appropriate safety management. Thus, explosion hazard assessment is an important element in the safe design of the existing installation or new one, and must be considered in the development of an installation safety case. In addition, it is crucial to be able to quantify the magnitude of explosion hazard on existing installations. So that, if necessary, remedial measures can be evaluated and implemented. For such assessments, predictive tools that accurately predict gas explosions are needed. The tools should be tested against sufficient experimental data before it can become a useful tool. A rapidly growing number of CFD explosion codes such as EXSIM, FLACS, AutoReaGas, COBRA, CFX and etc., are being used in explosion assessments. These codes give the better potential of providing high accuracy and more detailed information that are useful for designing gas explosion. However, the tools currently available have only been tested against very limited appropriate experimental data. Exerimental studies are also required to make further understanding of the explosion phenomena, and the data gathered is invaluable to the validation of physical sub-model which may be used to enhance appropriate predictive tools.
The main objectives of the present investigation are :
(1) to provide new experimental set-up scaled down for real structure (for example, gas governor room)
(2) to provide experimental data gathered using various factors influencing on explosion strength,
(3) to give more safe design of equipment and process, safety cases and emergency planning from the results of the experiments,
(4) to suggest a validation in order to develop reliable predictive tools mentioned above.
The main results that are able to achieve from this project can be summarized as follows.
1) Validation data of for a development of an alternative explosion model
2) Design pressure for an explosion vent used in governor room
3) Safety standards on the surrounding facilities of the explosion vent

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 요약 = 1
• 표목차 = 3
• 그림목차 = 4
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구의 필요성 = 1
• 2. 이론적 배경 = 5
• 3. 연구 방법 = 17
• Ⅱ. 실험 = 19
• 1. 실험 기구 및 실험 절차 = 19
• 1.1 실험 기구 = 19
• 1.2 실험 절차 = 25
• 2. 실험 결과 및 고찰 = 32
• 2.1 실험 결과 = 32
• 2.2 실험 결과 및 고찰 = 60
• Ⅲ. 결론 = 65
• Ⅳ. 참고문헌 = 68
• Ⅴ. Abstract = 73