LNG 연료추진선의 기관실 안전성 확보를 위한 연구

Abstract

본 논문은 LNG 연료추진선박의 설계에 대한 안전성을 분석하고 내연기관을 탑재한 LNG연료 추진 시스템의 안전성을 시뮬레이션을 통해 검증 하였다.

주제 1 LNG 연료추진선박의 시스템 설계에 대한 안전성 분석

LNG 연료추진선박에 대한 안정성 및 위험성 분석을 위해 전체 LNG 연료 시스템 중 발생가능한 위험요인 및 결과에 대해 시나리오를 만들고 이를 기존 디젤 연료를 사용하는 선박과 비교하여 위험도를 평가하고 문서화 하였다. 본 논문에서는 대부분의 위험요소에 대해서 검증하였으며 모든 위험요소는 인명피해가능성 (PLL, Potential Loss of Life)과 유해사고율(FAR, Fatal Accident Rate)을 기반으로 정량화 하였다. 결과적으로 LNG 연료추진선으로 인한 인명피해에 대한 위험도는 FAR 4.30이며 이는 디젤연료를 사용하는 선박에 대한 위험도인 FAR 4.16보다 0.14, 즉 약 3.4% 증가한 수치이다. 위험성 분석을 위해 LNG 연료 시스템에서 기인하는 화재 및 폭발 가능성과 충격, 충돌, 좌초, 침몰 등 간접적인 요인으로 인한 화재 및 폭발 가능성을 검토하였다. 본 연구는 선박 건조 혹은 운항 중에 선원 및 선박관리자, 신조 작업자 등 관련 작업자에게 발생가능한 위험요인을 식별하고 각각의 위험요인에 대한 권고사항을 제시한다. LNG 연료탱크 자체는 충돌로 인한 화재 및 폭발 위험성을 증가시키는 주된 요인이지만 종합적인 안전성 및 위험성 평가 결과 LNG 연료추진선박을 신조하거나 개조 시 HSE 분야의 장애요인이 되지 않는다. 본 연구는 가장 위험도가 높은 탱크 배치인 LNG 탱크가 거주구역 아래에 설치 될 경우에 대해서 운영 유지 시 발생 가능한 문제점을 위험성평가를 통해 도출하였다. 또한 관련 국제 법, 규정, 권고 사항들 사이에 존재하는 주요 차이점 및 모순에 대해서도 기술하였다.

주제 2 기관실 내 LNG 연료 시스템에 대한 안전성 분석

LNG 연료추진선은 LNG를 연료로 사용하는 내연기관의 발달과 더불어 개발되었다. 본 연구에서는 엔진에 연결된 연료공급 파이프에서 발생가능한 가스 누설을 분석하였으며, 누설된 가스의 양과 점화 시간에 따라 각각 다른 사고가 발생함을 확인하였다. 누설된 가스가 초기에 점화 될 경우에는 제트파이어(Jet Fire)가 생기나 폭발이 발생하지는 않는다. 하지만 대량의 가스가 누설된 후에 점화가 일어날 경우에는 폭발이 일어날 수 있다. 폭발 가능성은 가스의 농도와 양에 영향을 받는다. 본 연구에서는 기관실 내 고압 이중관이 파열 될 경우 발생할 수 있는 화재 및 폭발 하중을 시뮬레이션을 통해 분석하였으며, 다음과 같은 사항을 고려하였다.

 기하학 모델링.

가스 누설이 발생할 공간은 FLACS V10을 통해 실제와 유사하게 모델링 하였으며, 통풍, 기체 확산, 화재 및 폭발에 대한 시뮬레이션을 실시하였다.

 통풍 및 기체 확산에 대한 시뮬레이션.(일시 적인 가스 누설의 경우)

설계 공간 및 통풍 용량 등에 대한 기본 조건을 바탕으로 하여 발생가능한 최악의 가스 누설양을 분석하고 두개의 다른 시나리오를 적용하여 시뮬레이션을 시행하였다. 설계 공간 내의 통풍양은 누설 발생 시작 조건을 기반으로 시뮬레이션 하였다.

 폭발 시뮬레이션.

FLACS를 사용하여 폭발에 대한 시물레이션을 하였으며 기관실 내벽에 작용하는 폭발 압력을 도출하였다. 이를 위해 가스의 누설양과 위치, 점화원의 위치를 바꾸어 총 6번의 시뮬레이션을 시행하였다.

 화재 시뮬레이션.

화재 시뮬레이션은 가스 누설 초기에 점화가 되었을 경우를 가정하고 제트파이어를 FLACS에서 설계한 모델을 기반으로 KAMELEON FIREEX(KFX)로 전환하여 시뮬레이션 하였다. 화재 시 구조물의 복사유량을 감안하였으며, 누설양에 따라 세가지의 시뮬레이션을 진행하였다. 화재는 정적 상태에서 화재가 발생할 경우를 가정하였으며, 최악의 경우에 대해서는 제트파이어의 방향을 달리하여 시뮬레이션 하였다.

 분석

시뮬레이션을 통해 도출한 폭발 및 화재 하중은 유사한 구조의 기존 디젤을 연료를 사용하는 선박과 비교 하여 제시하였다. 본 분석은 정성적인 평가이며 구조강도에 대한 계산은 포함하지 않았다. 만약 하중이 일반적으로 허용가능한 하중을 초과하는 경우, 추가적인 구조 강도에 대한 시뮬레이션이 필요할 것이며 이를 대응하기 위한 권고사항이 제시되어야 한다. 전형적인 대응책은 검증된 가스 누설 감지 시스템 설치, 가스 누설 부위에 살수, 혹은 중요 구조물 및 배관에 PFP(Passive Fire Protection)적용, 가스 감지 시 연료관 자동 블로우오프(Blow-Off), 통풍 시스템 용량 조절, 발생가능한 점화원 최소화 등이 있다.

본 연구는 또한 누설에 대한 발생 빈도 평가 및 이중관의 전체 파열에 대한 계산을 포함하고 있으며 엔진과 ESD밸브(Emergency Shut-down Valve) 사이의 거리와 밸브가 닫히는 시간의 영향 또한 고려하였다.|The abstract has been divided in two parts (1 and 2) as follows:

Part 1. Safety analysis and design concept of LNG fueled ship

The safety and Risk analyses of LNG fueled ship and system carried out, focusing in particular an analysis of the causes and consequences of hazards scenarios for entire LNG fuel system and with objective to evaluate and document the risk level of the design of the vessel compared to a diesel fueled container vessel of equal type. All major hazards have been considered and the risk is quantified in terms of Potential Loss of Lives (PLL) and Fatal Accident Rate (FAR). In total, the personnel risk for the vessel has been estimated to a FAR of 4.30. A similar new conventional diesel fueled vessel will have an estimated personnel risk level of a FAR of 4.16. The net increase of FAR 0.14 corresponds to an increase in risk by 3.4 % compared to the diesel fueled container vessel. The main categories of hazard scenarios are: Fire and explosion initiated from the LNG system, fire and explosion not LNG initiated, dropped objects, collisions, grounding, foundering and occupational accidents. The purpose of the analysis is to identify safety hazards that may represent risks to crew and third parties such as maintenance personnel, yard workers and other ships during operation. The risks and hazards identified following proposed recommendations with comprehensive summary in term of design and operation. The main result from the safety analysis and HAZID showed that the estimated HAZID increase is mainly due to the presence of the LNG tank and its effect on the risk from fire/explosions due to ship collision. The HAZID results confirm that there is no major HSE showstoppers to carry out construction and conversion on vessel using dual fueled. The main selection criterion was the potential design, worst case scenario for location of LNG tank below accommodation, technical and operational capabilities in conducting such HAZID study and investigations. Several important gaps in mandatory regulations, standards, guidelines or of relevant organizations beyond mandatory regulations have been identified and addressed.

Part 2. Safety analysis of LNG fuel for machinery space

A LNG gas fuel ship is being developed where LNG gas is used as fuel in internal combustion engines (modified diesels). In this concept to investigate possible consequences of a gas leak in the feeding pipe to the engines. Depending on the size of the leak and the time of ignition, different developments of the accident can occur. Two main developments are foreseen; early ignition and late ignition. If the gas is ignited early, there will be a jet fire and no explosion. If the gas is ignited after most of the gas is released, there may be an explosion. The possibility for a strong explosion is dependent of the gas concentration and size of the gas cloud. The main objective is to find the fire and explosion loads caused by a "rupture of high pressure double wall pipe in machinery space". My safety simulations, modelling and analysis includes the following activities:

• Geometry modelling. the entire room is modelled with most details in the area where the leak will start. The geometry is modelled in FLACS v10 so that the geometry model can be applied for ventilation, dispersion, fire and explosion simulations.

• Ventilation and dispersion simulations. The leak is modelled as a transient leak.

The worst case leak size is estimated based on knowledge of the size of the room, ventilation conditions, etc. Two different leak rates in two different leak scenarios are performed. The ventilation in the room is simulated and used as start conditions when the leak starts.

• Explosion simulations. Explosions are simulated in FLACS and explosion pressures on engine room walls are obtained. Total of six simulations are performed with different cloud size, locations and two ignition locations.

• Fire simulations. The leak is modelled as a jet fire assuming it is ignited from the start of the leak. The jet fire is simulated in KAMELEON FIREEX (KFX). Radiation flux on the structure is obtained during the fire. three simulations with different constant leak rates are performed. The extent of the fire when a steady state situation is established is presented. One worst case jet direction is performed based on other fire simulations. Note that the geometry model from FLACS will be converted to KFX.

• Analysis. The obtained explosion and fire loads are compared with typical collapse loads for similar structures. This evaluation is qualitative, and does not include rigorous calculation of structure strength. If the loads are above typical acceptable loads, simulations of the structure strength will be suggested. Possible mitigating measures will also be recommended. Typical mitigating measures are a good gas detection system, start of deluge on gas detection (this may reduce possible explosion pressures), Passive fire Protection (PFP) on critical structure and piping, automatic blow down of fuel pipe system on gas detection, improved air ventilation, reduced ignition sources, etc.

The scope is extended to consider frequency assessment, and full bore rupture calculation. The effect of a smaller ESD segment and shorter ESD closure time are also considered