안전밸브로부터 암모니아 누출에 따른 확산 거동 및 방호수막 저감 효과 분석
Analysis of Dispersion Behavior and Water Curtain Mitigation Effects of Ammonia Released from a Pressure Safety Valve
- 주제(키워드) 암모니아 , 안전밸브 , 방호수막 , 영향평가 , 전산유체역학
- 주제(DDC) 628
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 정승호
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035383
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
암모니아는 수소 에너지원의 구조적 한계를 보완할 수 있는 대체 에너지원으로 주목받고 있으며, 전 세계적으로 대규모 수입되고 있다. 이에 따라 각 국에서는 암모니아 저장 및 취급을 위한 항만 인프라 구축을 추진하고 있으며 한국 또한 암모니아 기반 에너지 전환을 대비해 벙커링 시설 건설을 계획하고 있다. 대용량의 암모니아는 저장탱크에서 상압·저온 조건으로 저장되는데, 냉각시스템 이상으로 인해 내부 압력이 상승하면, 안전밸브가 작동하여 대기 중으로 방출 및 확산될 수 있다. 독성과 인화성을 동시에 지닌 물질인 암모니아는 누출 시 심각한 인명 및 환경 피해를 초래할 수 있어 사고 대비를 위한 정량적인 위험성 평가가 필요하다. 본 연구에서는 냉장시스템 이상으로 인한 압력 상승으로 안전밸브가 작동할 때, 대용량 암모니아 저장탱크에서 누출되는 암모니아의 농도별 확산 거동을 해석하고, 안전밸브 인근에서 방호수막이 작동할 경우의 물리적 저감 효과를 평가하고자 하였다. 이를 위해 전산유체역학(CFD) 프로그램인 OpenFOAM을 활용하였으며, Institut national de l’environnement industriel et des risques (INERIS) 4번 실험 및 Champclauson 5번 실험 기반 시뮬레이션을 통해 모델 검증을 수행한 뒤, 검증된 buoyantPimpleNFoam 및 sprayFoam을 이용하여 실제 항만 지형을 반영한 당진항 저장탱크 시나리오를 분석하였다. 농도별 확산 해석 결과, 냄새 인지 농도(1 ppm)와 Emergency Response Planning Guidelines(ERPG)-1, 2, 3(25, 150, 1500 ppm) 농도의 초기 플룸은 상층 및 수평 방향으로 확산되었으며, 누출 종료 이후 1 ppm 저농도 플룸은 지표면 방향의 침강 및 장기 잔류 특성이 나타났다. 반면, 중·고농도 플룸 (25-1500 ppm)은 하층 확산 없이 대기 혼합 속도가 빠르게 증가하여 상대적으로 짧은 시간 내에 희석 및 소멸되는 양상을 보였다. 또한 인화하한값(15 vol%) 및 인화상한값(28 vol%) 농도 플룸은 누출 지속시간 동안만 존재하고, 종료 직후 즉각적으로 소멸하는 특성을 나타냈다. 방호수막 가동 시 모든 ERPG 농도 수준에서 암모니아 플룸의 수평 확산이 효과적으로 차단되고 상층 확산으로 전환되었으나, 플룸 내부의 농도 분포와 공간적 위치에 따라 방호수막과의 상호작용 메커니즘은 다른 양상을 보였다. 강한 부력을 갖고 플룸 중심부에 위치한 ERPG-2, 3 고농도 영역은 방호수막 와류의 간섭을 받지 않고 하강 현상 없이 지속적인 상승 확산을 유지하였다. 반면, 상대적으로 부력이 약하고 플룸 외곽에 위치한 ERPG-1 저농도 영역은 방호수막이 형성하는 와류의 영향을 받아 일시적으로 하강한 후 재상승하는 거동을 나타냈다. 결론적으로 농도별 세부 거동에는 차이가 있었으나, 방호수막은 모든 농도 범위에서 플룸의 흐름을 상층으로 전환시킴으로써 고농도 암모니아의 수평 확산을 물리적으로 억제함을 확인하였다. 본 연구는 대용량 암모니아 저장탱크 안전밸브 누출 시 농도별 확산 특성과 방호수막의 저감 효과를 3차원 CFD 기반으로 입증하였다는 의미를 가지며, 향후 암모니아 저장시설의 안전 설계, 방호수막 배치 전략, 비상 대응계획 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
more목차
제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 연구 목적 6
제2장 연구 방법 7
제1절 사고 시나리오 및 입력 조건 선정 7
1. 사고 시나리오 선정 7
2. 사고 시나리오 입력 조건 7
3. 누출률 선정 9
4. 누출공 크기 선정 11
5. 누출 시간 선정 15
제2절 암모니아 확산 완화 방안 선정 18
1. 위험관리를 위한 사고 예방과 완화 방법 18
(1) 본질적 안전 기술, 공정 및 재료 선택 18
(2) 사고 개시 사건 사고 예방 19
(3) 누출 완화 및 예방 안전 시스템 19
(4) 누출 희석, 지연, 완화 시스템 19
(5) 인체 누출 예방 및 완화 20
2. 완화 장치 분석 및 선정 20
제3절 영향 평가 21
1. 전체 QRA 개요 21
2. 영향 평가 범위 선정 22
제4절 시뮬레이션 프로그램 24
1. 2D 화학 사고 분석 프로그램 24
(1) KORA 24
(2) ALOHA 24
(3) EFFECTS 25
(4) PHAST 25
2. CFD 프로그램 26
3. CFD 유체해석 방정식 27
(1) 질량 보존 방정식 27
(2) 운동량 보존 방정식 28
(3) 에너지 보존 방정식 28
(4) 화학종 수송 방정식 29
4. OpenFOAM 29
제5절 시뮬레이션 검증 33
1. 암모니아 확산 시뮬레이션 검증 33
2. 방호수막 물리적 저감 효과 시뮬레이션 검증 35
제6절 사고 시나리오 시뮬레이션 분석 39
1. 당진항 안전밸브 암모니아 농도별 누출·확산 거동 분석 39
2. 당진항 방호수막 암모니아 누출·확산 저감 효과 분석 40
제3장 결과 및 고찰 41
제1절 INERIS 실험 기반 시뮬레이션 모델 검증 결과 41
제2절 Champclauson 실험 기반 시뮬레이션 모델 검증 결과 43
1. 거리별 암모니아 저감 효율 비교 및 분석 43
2. 30 m 지점 암모니아 저감 효율 상세 분석 47
제3절 당진항 암모니아 누출·확산 시뮬레이션 결과 49
제4절 당진항 암모니아 누출·확산 방호수막 적용 시뮬레이션 결과 53
제5절 고찰 55
제4장 결론 56
참고문헌 58
Appendix 63
영문 요약(Abstract) 64
