1. 서 론
2. 가스폭발 관련 기준 분석
2.1 방호벽 기준 분석
2.2 폭발과압에 따른 사고피해영향 평가 기준
2.3 폭발과압의 측정 방법
3. 실험 조건 및 상관식
3.1 실험 장치 및 조건
3.2 TNT 등가모델 상관식
4.실험결과
4.1 방호블록을 한쪽 면에 설치한 경우
4.2 방호벽을 4면에 설치한 경우
4.3 실험과 TNT 등가모델 상관식 비교
5. 결 론
1. 서 론
수소가스가 누출되어, 화재나 폭발이 발생하면, 폭연(Deflagration)에서 폭굉(Detonation)으로 전이 될 수 있으며, 이를 DDT(Deflagration to Detonation Transition)라 한다. 최근, 수소에너지와 신재생 에너지가 융합된 주거단지에 대한 실증연구가 활발히 진행되고 있다. 수소를 생산·저장하는 주택단지에서는 주민들이 수소를 직접 사용해야 하며, 수소 누출로 인한 사고 피해를 최소화하기 위해 방호벽과 같은 피해저감시설을 설치하는 것이 중요하다.
본 연구는 수소-공기 혼합가스의 폭발 실증실험을 통해 거리별 폭발과압을 측정하고, 방호벽의 효과를 분석하여, 방호벽에 따른 폭발과압의 변화 양상을 확인하고자 한다.
2. 가스폭발 관련 기준 분석
2.1 방호벽 기준 분석
Moon et al.(2021)에 따르면 폭굉으로 전이되는 DDT는 특히 수소 연소 분야에서 실험적, 이론적으로 매우 풀기 어려운 문제 중 하나이다. DDT에 관한 많은 실험과 연구가 진행되었지만, 아직 이 현상에 대한 이론과 실제의 차이는 매우 크다. 산업체에서 사고 발생 시 DDT는 가장 위험하고 큰 피해를 주게 되는 폭발 사고의 시발점이 되므로 이와 관련된 연구 결과가 필요하다.
수소 누출에 따른 사고 피해를 저감시키는 방법으로 방호벽을 사용할 수 있다. 수소를 연료로 사용하는 주택에 적용되는 한국가스안전공사의 기술지침인 KGS FU671(KGS, 2021)(수소연료 사용시설의 시설·기술·검사 기준)에 따르면 수소의 저장능력 「고압가스 안전관리법 시행규칙」 별표 1에 따라 산정한 저장능력)이 60 m3 이상인 수소저장설비를 실내에 설치하는 경우 해당 공간의 벽은 방호벽을 설치하도록 규정되어 있다.
Table 1에 국내 방호벽 종류 및 설치 기준을 나타내었다. 현재 국내의 방호벽의 종류는 철근 콘크리트제 방호벽, 콘크리트 블록제 방호벽, 강판제 방호벽 3종류가 있다. 설치 기준은 철근 콘크리트제의 경우 직경 9 mm 이상의 철근을 가로, 세로 400 mm 이하의 간격으로 배근하도록 하고 있고, 콘크리트 블록제의 경우 두께 150 mm 이상, 높이 2,000 mm 이상으로 하고 있다. 또한, 강판제 방호벽의 경우에는 두께 3.2 mm 이상의 강판을 30 mm × 30 mm 이상의 앵글로 400 mm 이하의 간격으로 용접 보강한 강판 또는 6 mm 이상의 강판을 사용하도록 규정하고 있다.
Table 1
Types and installation standards of protective walls
2.2 폭발과압에 따른 사고피해영향 평가 기준
화재폭발 사고의 피해영향을 예측하는 국내 기준으로 KOSHA GUIDE P-102-2012(사고 피해예측 기법에 관한 기술지침), P-88-2012(사고피해영향 평가에 관한 기술지침) 등이 있다.
사고 피해예측 기법에 관한 기술지침은 공정 위험성평가 시 화재·폭발·누출 사고의 피해정도 및 피해범위 등을 정량적으로 산정하고 피해 최소화 대책을 수립하는데 목적이 있다. KOSHA GUIDE에 따르면, 증기운 폭발 등과 같은 폭발 사고 시 주변 기기 및 근로자 등에 미치는 영향을 판단할 수 있는 기준은 6.9 kPa(1 psi)의 과압이 도달하는 거리로 하고 있으며, 최대 폭발과압에 의한 영향은 Table 2와 같다.
Table 2
Assessing the Impact of Blast Overpressure
또한, 이 지침들에는 TNT당량 모델 피해예측 절차를 수록하고 있다. 이 모델은 대량의 인화성가스 또는 인화성액체가 용기나 배관 등에서 지속적으로 누출되어 점화원에 의한 증기운 폭발이 발생한 경우에 적용한다(KOSHA, 2012b).
사고피해영향 평가에 관한 기술지침에서의 폭발 영향평가는 폭발과압 또는 충격량(Impulse)을 함수인 프로빗 계산식을 이용하여, 인체의 손상과 구조물 피해의 확률을 추정하고 있다(KOSHA, 2012a).
2.3 폭발과압의 측정 방법
폭발 시 발생하여 공기 중으로 전파되는 폭발과압은 흔히 입사압(Incident pressure)으로 표현할 수 있으며, 최고 입사압은 side-on overpressure 또는 peak overpressure로 정의하고 있다. EN26456의 Calculation of Blast for Application to Structural Component(Karlos and Solomos, 2013)에 따르면, Fig. 1에서와 같이 이상적인 폭발과압의 형상을 표현하고 있다. 또한 Fig. 2에서와 같이 폭발과압은 측정방향에 따라 입사압(Side-on pressure or Incident pressure)과 반사압(Reflected preessure)로 표현할 수 있다. 본 실험에서는 입사압으로 폭발과압을 측정하였다.
3. 실험 조건 및 상관식
3.1 실험 장치 및 조건
본 실험은 수소 주택 내부에서 수소 가스가 누출되어 점화원에 의해 폭발이 발생하였을 때 폭발지점으로부터 일정거리에 미치는 폭발과압을 측정하기 위한 것으로 본 연구에서 구축한 실험 장치의 개략도는 Fig. 3과 같다.
Fig. 3에서 보는 바와 같이 실험장치는 ① 수소 VCE 폭발 실험을 위한 텐트, ② 텐트 내부에 누출되는 수소의 농도를 측정하기 위한 센서 2개, ③ 수소공급장치, ④ 텐트 내 수소의 농도를 일정하게 유지하기 위해 팬 2개, ⑤ 점화기(15 kV, 20 mA)를 설치하였다.
폭발실험을 위한 텐트의 크기는 2.4 m × 2.4 m × 1.5 m(내체적 8.64 m3)이며, 직사각형 알루미늄 프레임으로 제작하고 외면에 0.1 mm 두께의 폴리에틸렌을 감싸서 수소가 누출되는 경우 내부에 체류할 수 있도록 제작하였다.
텐트 내부로 공급하는 수소의 농도는 층류화염속도가 가장 빠르고 폭발과압이 최대로 예상되는 체적 기준 약 40 % 농도(40 vol%)로 조건을 설정하였다. 수소 농도 측정을 위한 센서(VQ600, SGX Sensor tech)는 텐트의 중앙부와 하부에 설치하였고, 수소 누출 시 실시간으로 농도를 측정하도록 설정하였다.
폭발실험은 다음과 같은 순서로 진행하였다. ① 수소 공급장치를 이용하여 텐트 내부에 수소를 공급하고, ② 텐트 내부의 수소 농도가 균일하게 분포하도록 2개의 송풍기를 가동 ③ 수소 농도 센서를 이용하여 텐트 내부의 수소 농도가 균일하게 분포되었는지 확인 후 ④ 송풍기를 정지시키고 ⑤ 점화기(15 kV, 20 mA)로 폭발을 유도하였다.
폭발 압력을 측정하기 위해 Piezotronics형 동압력센서(Model:133B27, Max pressure: 100 psi, PCB)를 2.5 m 및 5 m 거리의 4방향에 각각 설치하였고, 데이터 로거(Data logger, SIRIUSi-HS, DEWESoft, Sampling rate of 1,000,000/1s)를 이용하여 폭발과압 데이터를 취득하였다. 폭발과압은 지면으로부터 1.5 m 높이에서 입사압(Side-on overpressure, Incident Pressure)으로 측정하였다.
방호벽에 의한 폭발과압의 측정변화를 확인하기 위하여, 첫 번째 실험에서는 Fig. 4, Fig. 5와 같이 한쪽 면에만 2 m 높이의 방호 블록을 쌓고 실험을 실시하였다. 방호벽을 1면에만 설치한 이유는 장애물에 의한 폭발과압의 중첩현상을 분석하기 위해서이다. 두 번째 실험은 텐트 주변 나머지 3면에 2 m 높이의 방호벽 3종(강철제 방호벽 3.2 T, 6 T, 철근콘크리트 방호벽)을을 추가하여, 4면에 방호벽을 설치였다. 폭발과압 측정 센서는 텐트로부터 2.5 m, 8 m 위치에 각각 설치하여, Fig. 6, Fig. 7과 같이 실험을 실시하였다.
Fig. 8은 수소센서를 이용하여 측정한 텐트 내부의 수소 농도 변화를 나타내었다.
3.2 TNT 등가모델 상관식
수소가스 폭발 시 폭발과압은 충격파, 폭풍파 등으로 표현할 수 있다. TNT 등가모델 상관식(TNT Equivalent Model)은 개방공간에서의 폭굉(Detonation)을 전제로 해석한다(Han et al., 2015). 수소가스는 폭발할 경우 폭굉의 발생 가능성이 있기 때문에 본 실험에 앞서 요구되는 안전거리 유지 등 안전조치를 취하기 위해 수소의 TNT 등가모델 상관식에 따라 폭발과압을 계산하였다.
KOSHA GUIDE P-102-2012(KOSHA, 2012b)(사고 피해예측 기법에 관한 기술지침)에는 TNT당량 모델 피해예측 절차를 수록하고 있다. 피해예측순서는 다음과 같다. ① 누출량 산출, ② 연소열량 산출, ③ 폭발수율계수의 결정, ④ TNT 당량 산출, ⑤ 환산거리 산출, ⑥ 과압 산출, ⑦ 폭발지점으로부터 거리별 과압 산출, ⑧ 피해예측 순이다.
TNT 등가모델 상관식은 물질이 폭발할 때 발생하는 에너지에 대해 동일한 열량의 TNT 질량으로 나타낸 식을 의미한다. 먼저, TNT 당량 산출 상관식인 식 (1)을 이용하여 TNT 당량을 계산하였다.
여기서, 는 TNT 당량(kg), 는 폭발수율계수, 은 누출된 인화성가스 또는 인화성액체의 양(kg 또는 lb), 는 폭발을 일으킨 물질의 연소열(kJ/kg 또는 Btu/lb)이며, 폭발수율계수는 KOSHA GUIDE P-102-2012(KOSHA, 2012b)에 따라 0.1을 사용하고자 한다.
수소가스의 농도는 40 vol%, 텐트의 내체적은 8.64 m3, 25 ℃ 1기압에서 연소되는 수소의 질량(M)은 다음과 같다.
한편, 온도 25 ℃, 1기압에서 계산된 수소의 반응열은 아래 식 (3)와 같다.
식 (1)로부터 수소의 TNT 당량을 계산하면 식 (4)와 같다.
실험용 텐트로부터 센서까지의 거리()에 대해 2.5 m 및 5 m를 각각 대입하여, 환산거리(Scaled distance)를 계산하면, 식 (5)로 표현할 수 있다.
식 (5)에서 구한 환산거리를 적용하여, Marshall(1976)에 따르면 Fig. 9의 TNT당량에 따른 폭발압력곡선을 이용하여 환산거리에 따른 폭발과압을 계산한 결과 수소 텐트와 측정센서와의 이격거리 2.5 m는 환산거리 1.92 m로 폭발과압은 약 270 kPa로 나타났고, 이격거리 5 m는 환산거리 3.84 m로 폭발과압은 약 67 kPa로 나타났다. 하지만, Fig. 9의 TNT당량에 따른 폭발과압 그래프는 수치 간 사이 간격이 넓어 정확한 값을 추정하기는 어렵다.
Fuchs(2018)에 따르면, TNT는 고체 폭발물로 가스 폭발 특히 수소 폭발을 TNT당량으로 평가하는 것은 불합리할 수 있어, 수소 폭발을 평가할 때 실제 상황을 정확히 반영하지 못할 수도 있다.
4.실험결과
4.1 방호블록을 한쪽 면에 설치한 경우
방호블록을 한 면에 설치한 경우 폭발과압의 측정 결과를 Fig. 10과 Table 3에 나타내었다. 방호벽(블록)이 설치되지 않은 조건인 개방된 공간(예를 들면, I.P-1~6)에서는 폭발지점에서 가까운 위치(2.5 m)에서 측정한 압력이 더 먼 거리(5 m)에서 측정한 압력보다 높게 나타났다. 즉, Table 4에서 보는 바와 같이 최대 폭발과압은 2.5 m 이격거리에서 측정(I.P-1,3,5)한 값은 4.4 kPa~4.8 kPa이었고, 5 m 이격거리에서 측정(I.P-2,4,6)한 값은 2.5 kPa~3.4 kPa로 낮게 나타났다.
Table 3
Blast overpressure in one side protective block
| Distance (m) | Maximum Overpressure (kPa) | |||
| 2.5 |
4.4 (I.P-1) |
4.3 (I.P-3) |
4.8 (I.P-5) |
3.5 (I.P-7) |
| 5.0 |
2.5 (I.P-2) |
3.4 (I.P-4) |
3.4 (I.P-6) |
7.2 (I.P-8) |
Table 4
Blast overpressure in Four-side protective block
| Distance (m) | Maximum Overpressure (kPa) | |||
| 2.5 |
12.2 (I.P-1) |
7.3 (I.P-3) |
42.3 (I.P-5) |
247 (I.P-7) |
| 8.0 |
3.2 (I.P-2) |
2.9 (I.P-4) |
2.0 (I.P-6) | - |
|
3.0 (Upper side) | - | - | - |
10.8 (I.P-8) |
그러나, Fig. 10(d)에서 보는 바와 같이 텐트 주변 1면에 방호벽이 설치된 경우에는 폭발지점에서 더 먼거리(5 m)에서 측정(I.P-8)한 압력(7.2 kPa)이 폭발지점에서 가까운 위치(2.5 m)에서 측정(I.P-7)한 압력(3.5 kPa)보다 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 방호벽이 있을 경우 폭발과압이 중첩될 수 있는데, 실험결과 방호벽 바로 전단(I.P-8)에서 측정한 폭발과압이 약 2배 이상 중첩되는 현상을 확인할 수 있었다.
또한, 방호벽에서 멀리 떨어진 위치에서 측정(I.P-7)한 폭발과압은 텐트 주변의 같은 이격거리(2.5 m)에서 측정(I.P-1,3,5)한 압력과 비교할 때 상대적으로 낮음을 확인할 수 있었다.
Fig. 11은 폭발 순간을 초고속 카메라로 촬영한 사진이다. 점화원에 의해 전파되는 화염은 텐트 주변 1면에 설치된 방호벽(방호블록)과 상관없이 알루미늄 프레임 상부로 상승하는 특성이 나타남을 확인할 수 있었다.
4.2 방호벽을 4면에 설치한 경우
방호벽을 설치한 경우 폭발과압의 측정 결과를 Fig. 12와 Table 4에 나타내었다. 방호벽 전단의 폭발과압은 Fig. 12에서 보는 바와 같이 사인파의 형태로 중첩되어, 다양하게 나타났다. Table 4에서 보는 바와 같이 방호벽을 설치한 경우 이격거리 2.5 m에서의 폭발과압은 압력의 중첩으로 7.3 kPa에서 최대 247 kPa까지 측정되었다. 이는 장애물이 있는 경우 폭발과압은 예측하기 어려운 현상임을 알 수 있다.
반면, 방호벽을 설치한 경우 방호벽 너머에서는 폭발 압력이 크게 감소함을 알 수 있었다. Table 4에서 보는 바와 같이 방호벽 너머 이격거리 8 m 지점에서 측정한 폭발과압은 2.0 kPa에서 최대 3.2 kPa로 측정되어 압력이 급격하게 저감됨을 확인할 수 있었다.
또한, 텐트로부터 상부로 3 m 이격 지점에서는 Fig. 12(e) 및 Table 4에서 보는 바와 같이 폭발 시 압력이 저감되었으며, 주변 2.5 m 지점에서 측정된 폭발 압력 정도의 과압(10.8 kPa)이 측정되었다.
4.3 실험과 TNT 등가모델 상관식 비교
본 실험 결과와 TNT 등가모델을 이용한 상관식결과를 비교하였을 때 실험을 통해 측정한 폭발 압력은 2.5 m에서 최대 4.8 kPa, 5 m에서 최대 3.4 kPa로 나타났고, TNT 등가량의 경우에는 2.5 m에서 270 kPa, 5 m에서 67 kPa의 폭발 압력이 측정될 것으로 예측되었다.
따라서 실험을 통해 측정한 압력과 TNT 등가량으로 계산한 압력을 비교한 결과 상당한 차이가 있음을 확인하였다. 이는 TNT는 고체상태의 폭발이며, 수소는 가스로 확산해 있는 상태에서 폭발이 발생하기 때문에 많은 차이가 나는 것으로 추정된다.
5. 결 론
본 연구에서는 수소 연료를 사용하는 수소 주택 내에서 가스 사용 중 수소가 누출되어 발생할 수 있는 수소-공기 혼합가스 폭발실험을 수행하고, 폭발원점으로의 이격거리에 따른 폭발과압을 측정하였다. 또한, TNT등가모델을 이용하여 거리에 따른 폭발과압과 비교하였다. 폭발 실험을 위한 텐트의 크기는 2.4 m × 2.4 m × 1.5 m이며, 0.1 mm 두께의 폴리에틸렌 재질의 비닐 텐트로 선정하였다. 이 텐트에 수소를 공급하여 수소 농도 40 vol% 조건에서 점화원을 인가하여 폭발이 발생하도록 하였다. 이 조건에서 수소-공기 혼합가스 폭발 시 폭발과압을 측정하였고, 방호벽에 의해 반사되는 폭발과압(입사압)의 중첩 현상을 분석하였다. 폭발실험은 텐트 주변 1면에만 방호벽을 설치한 경우와 4면에 방호벽을 설치한 경우로 구분하여 실시하였다.
본 연구를 통해 도출한 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 방호벽(블록)이 설치되지 않은 개방된 공간에서의 최대폭발과압은 폭발지점에서 가까운 위치(2.5 m)에서 측정한 과압이 먼 거리(5 m)에서 측정한 과압보다 높게 나타났다. 반면, 방호벽이 설치된 공간에서의 폭발 과압은 방호벽 전단에서 폭발 과압이 약 2배 이상 중첩되어 폭발 지점에서 먼 거리(5 m, 방호벽 인근)의 폭발과압은 높아지지만, 폭발지점에서 가까운 거리(2.5 m)의 폭발과압이 저감되는 효과가 있음을 확인하였다.
(2) 폭발 지점(텐트) 주변 4면에 방호벽을 설치한 경우 방호벽 전단의 폭발과압은 중첩으로 압력이 7.3 kPa에서 최대 247 kPa까지 측정되었다. 증폭된 폭발 압력은 약 50배까지 증폭이 될 수 있음을 확인하였다.
(3) 방호벽을 설치한 경우 방호벽 너머에서는 폭발과압이 급격하게 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서, 수소 폭발에 따른 사고 피해를 저감시키기 위해 일정량 이상의 저장시설에는 방호벽을 설치하는 것이 필요함을 알 수 있었다.
(4) 수소 폭발과압은 본 연구에서 실험을 통해 측정한 압력과 TNT 등가모델을 이용하여 계산한 압력을 비교한 결과 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 TNT와 수소의 상태 등 폭발 시 물성이 많이 다른 것이 원인으로 추정된다.
(5) 폭발원으로부터의 안전거리와 측정한 폭발과압 간의 상관관계에서 방호벽은 이러한 폭발과압을 조절하는데 효과적임을 알 수 있었다. 다만, 방호벽에 의해서 위치에 따라 폭발과압이 중첩되거나 저감될 수 있기 때문에 방호벽의 설계와 배치 시 신중한 고려가 필요함을 확인할 수 있었다.
(6) 본 연구는 수소-공기 혼합가스 폭발에서 방호벽의 효과를 실험적으로 분석하였으나, 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫째, 실험은 제한된 환경에서 수행되었으며, 실제 상황을 충분히 반영할 필요가 있다. 특히. 기상 조건, 구조물의 형상 그리고 방호벽의 재료 특성 등이 폭발 결과에 미치는 영향을 다루지는 못했다. 향후 연구에서는 다양한 변수와 복합적인 환경 조건을 고려한 실험과 시뮬레이션 연구가 필요하며, 이를 통해 보다 실용적이고 포괄적인 실증실험 연구가 가능할 것이다.
(7) 두번째로, 폭발로 인한 2차 피해, 예를 들어 파편에 의한 손상이나 인명 피해는 고려되지 않았다. 이러한 2차 피해는 실제 폭발사고에서 매우 중요한 요소이므로, 이를 포함한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
(8) 본 연구에서 사용된 TNT등가모델은 수소 폭발의 폭발과압을 완전히 설명하지 못할 수 있으며, 수소 특성에 맞는 좀 더 정교한 모델링 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 추가적인 연구결과는 수소에너지 활성화와 더불어, 안전 규정 중 특히, 안전거리(Safety Distance) 설정에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
