Assessment of design accidental loads for LNG-fueled ship under gas explosions

Abstract

선박 운송은 편리함을 증가시켰지만, 황산화물(SOX), 질소산화물(NOX), 미립자 물질(PM)이 포함된 배기 가스가 배출로 환경오염을 야기할 수 있다. 국제해사기구(IMO)는 오염물질 배출량을 줄이기 위해 배출통제구역(ECA)을 2011년에 제정했으며, 현재는 4개의 ECA (발트해, 북해, 북미, 그리고 미국 카리브해)가 있다. LNG는 중유나 해상 디젤유와 같은 기존의 석유에 비해 해양연료로서 여러가지 중요한 환경적 이점을 가지고 있어 환경오염을 줄이기 위한 대체 연료가 될 수 있다. 그러나, LNG 연료 추진 선박은 천연 가스의 누출 위험성이 높기 때문에 신뢰도와 안전성에 대한 검토가 필수적이다. 본 연구는 LNG 누출 시 안전 구역을 제공하기 위한 임계 영역(Critical zone)을 정의하고, 누출이 폭발사고로 이어질 경우 확률론적방법을 기반으로 설계 최대 과압(Overpressure)을 계산하는 방법을 제시하고자 한다. 해석에 사용된 가상의 오일탱커는 오픈데크 연료가스 공급시스템(FGSS)와 Type-C 외부 탱크를 가지며, BOG (Boil-Off Gas) 콘덴서, 컴프레서, 플래시 탱크 등의 보조 장비를 포함한다. 가스 확산 시나리오는 누출 크기, 누출 위치 및 누출 방향인 누출 관련 변수와 풍속과 풍향은 환경 관련 매개변수로 구성된다. 각 매개변수의 확률밀도함수를 가지고 라틴하이퍼큐프 샘플링을 수행하였으며 50개의 시나리오를 구성하였다. 가스확산해석은 KFX (Kameleon FireEx) 프로그램을 사용하였으며, 영국 가스 실험(1992)에서 얻은 가스 방출 실험을 통해 검증하였다. 50개의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 해석 결과를 바탕으로 천연가스의 1/2LFL에서 UFL 구간을 임계영역을 정의하였다. 또한, 누설 크기, 풍속, 풍향의 변수에 대한 가스확산정도의 경향을 관찰하였다. 가스 폭발 시나리오를 수립하기 위해 가스 확산해석결과를 바탕으로 얻어진 가스 구름 부피와 가스 구름 무게 중심 데이터를 변수로 사용하였다. 가스확산 해석과 동일하게 확률론적 방법으로 50개의 시나리오를 설정하였으며, ExSim (Explosion Simulation) 프로그램을 사용하여 폭발해석을 수행하였다. 과압을 측정하기 위해서 FGSS 주변에 압력모니터를 배치하였으며, 시나리오 별로 최대과압을 정의하였다. 해당 과압은 가스폭발빈도와 결합하여, 최대과압 초과곡선을 작성하였으며, NFPA59A 및 UK HSE 위험기준을 사용하여 설계압력을 정의하였다.