174K ME-GI LNG선의 카고컴프레서룸 내부의 CFD를 이용한 가스 누출 및 확산에 관한 정량적인 위험도 분석에 관한 연구

Abstract

최근에 LNG선에 증발가스(Boil Off Gas)를 연료로 사용하기 위하여, 고압의 압축기나 고압펌프와 LNG 기화기를 장착한 LNG 선이 많이 건조 되고 있다. 이는 LNG 연료가 다른 연료에 비해서 친환경적이고 국제해사기구의 엄격한 환경요구기준을 만족시키는 대안의 연료로 간주 되기 때문이다. 그러나 안전과 관련하여 가스의 누출, 폭발, 화재 등과 같이 조사 하여야 할 많은 사항이 있다. IGC code 가 적용된 LNG 선은 오랫동안 운행하여 왔으며, 거기에는 많은 적합한 안전 규약이 있다. 그러나, LNG 연료 추진선박의 경우는 안전규약이 충분치가 않다. 왜냐하면 IGF code 가 적용된 LNG 연료추진선박은 충분히 참고할 만한 실적이 없었기 때문이다. IGF code 의 대부분의 안전규약은 IGC code 의 요구에 따라 적용 되어 왔기 때문에 LNG 연료추진선의위험요인을 막기 위해서 부적합한 규약이 많이 있다. IGC code 와 IGF code 에 의해서 적용되는 카고컴프레서룸 내부의 가스 감지시스템의 경우는 단지 가스 감지기의 개수만이 정의되어 있고, 가스 감지기의 위치에 대한 규정은 없어 선주의 요구나 조선소와 선급의 동의에 따라 설치된다. 카고컴프레서룸의 최소한의 가스 감지기의 수는 세 개 이지만 감지기의 위치에 대한 규정은 없다. 그러므로 선주는 IGF 나 IGC code 의 가스감지 시스템 규약에 대해 의존도가 높지는 않다. 본 연구는 고압의 LNG 연료 처리 장비를 갖추고 있는 LNG 선의 카고컴프레서룸 내부의 가스누출 및 확산에 관한 논문이며, IGC 와 IGF code 에 상술된 가스 감지기의 수와 위치의 안전규정에 대하여 합리적인 방법을 제시하고자 한다. ME-GI(Man Electronic-Gas Injection) 엔진을 장착한 174K LNG 선박의 카고컴프레서룸 내부의 LNG 가스의 누출 및 확산을 시뮬레이션 하기 위하여, 기계실 내부의 구조, 장비의 배치, 배관의 3차원 배치를 실재와 동일하게 설계 하였다. 본 연구는 고압가스 분출과 저압가스 분출시뮬레이션으로 구성된다. 고압가스 분출의 경우는 고압펌프와 LNG 기화기의 이송파이프에서 파공홀(Pinhole)의 크기를 4.5, 5.0, 5.6 mm 로 분류하여 분출질량유량 별로 시뮬레이션을 수행하였다. 저압가스 분출의 경우는 VR(Vapor Return)컴프레서의 이송파이프에서 파공홀의 크기를 100 과 140 mm로 분류하여 분출질량유량 별로 가스시뮬레이션을 수행 하였다. 174K LNG 선박의 가스시뮬레이션의 결과 고압가스 분출의 경우는 최대 분출량이 적용된 5.6 mm 파공홀의 경우 환기능력에 대한 것이 입증 되었고, VR 컴프레서의 이송파이프의 저압가스 분출의 경우도 파공홀의 크기를 100 과 140 mm 로 나누어 분출 유량이 1.8 과 3.5 kg/s 에 따른 환기능력에 대해 입증하였다. 그러나 CFD시뮬레이션을 통해 카고컴프레서룸 내부의 가스 감지기를 다른 최적 지점으로 이동하여 추가해야 하는 것이 확인되었다. 본 연구의 CFD 결과는 위험기반의 설계, 분석에 유용하고, 최적의 가스감지센서의 위치에도 유용하다고 하겠다.|Recently many high pressure gas fueled LNG vessels which are combined with high pressure fuel gas compressor or high pressure pump/vaporizer have been building because LNG fuel is regarded as environment friendly and it satisfies the IMO requirements. However there are many reasons to examine its safety requirements such as gas leakage, explosion, and fire. Since LNG carriers applied with IGC code have sailed for long time so there are many adequate safety regulations available. However safety regulation for LNG-fueled vessels are still insufficient, because LNG -fueled vessels applied with the IGF code do not have enough reference. Most safety regulations applied for the IGF code are in accordance with the safety requirements of IGC code to cover the insufficient of safety regulations in the IGF code to prevent the risk in LNG-fueled vessels. In particular, for gas detection system applied in the machinery room by IGF/IGC code just defines the number of gas detectors. There are no rules for their locations, so the gas detectors are installed in accordance to the agreement among the ship-owners, shipyard and the classification societies. The minimum number of detectors in the machinery room (cargo compressor room) by IGF/IGC code is three but there are no rules for the detecting points. Therefore, ship-owners do not heavily rely on the detecting system defined by IGF/IGC code. Therefore this study considers gas dispersion in the cargo compressor room of LNG carrier equipped with high pressure cargo handling equipment, bringing up reasonable method of safety regulation, the number of gas detector and its location, specified in the IGF/IGC code.

To perform LNG gas dispersion simulation in cargo compressor room, the geometry of the cargo compressor room, and the arrangement of equipment and piping are designed with the same 3-dimensional size as 1 to 1 scale. Scenarios for a gas leak were examined for high pressure and low pressure leak simulation. For high pressure gas leak, the size of the pinhole was divided into 4.5, 5.0, and 5.6 mm from the discharge pipes of the high-pressure pump and LNG vaporizers to simulate by mass flow rate of the eruption. For low pressure gas leak, the size of the pinhole from the discharge pipe of VR (Vapor Return) compressor was divided into 100 and 140 mm in size to carry out a gas simulation by the mass flow rate.

The results show that the cargo compressor room of 174K ME-GI LNG vessels has no serious risk problems regarding the flammable gas concentration since it is verified that ventilation assessment was safe for a 5.6 mm pinhole for high pressure leak as gas rupture condition and the low pressure gas explosion in the discharge pipe of VR compressor was also divided into 100 and 140 mm in size to demonstrate ventilation capability according to 1.8 and 3.5 kg/s. However, based on the CFD simulation, it is verified that the actual gas detection sensors in cargo compressor room should be moved to other optimum points and their quantity should be increased. The CFD results of this study will be useful for risk based design and analysis and optimum gas detection points can be applied.