系统安全研究组
KIM Seonjin研究员，PARK Dongwook首席，LEE Sangick首席
1. 概要
KR根据IMO 2050 Net-Zero目标,为了实现作为新一代无碳船舶而备受瞩目的氢气推进船舶,提出了预防和缓解加注中事故的加注安全区域设定方法论。 根据相关方法论,比较分析危险度高的氢气和LNG,提供可适用的示例指南,有望为确立国内氢气加注安全文化做出贡献。
2. 燃料特性
下表比较了本目标燃料氢气和LNG的主要成分甲烷的特性。 众所周知，氢气密度低，扩散度高，易燃范围广，点火能量低，是一种极易燃气体，可引起火灾和爆炸。 另外燃烧速度和火焰传播速度很快,发生火灾及爆炸时,有可能比现有的碳氢化合物带来更高的危险。
考虑到上述氢气的特性,必然存在与现有的LNG加注不同的危险因素。
3. 安全区域设置方法论
"安全区"是常规加注作业中可能因燃料泄漏而造成可燃气体运行环境的三维空间，该区域仅允许特定/必要的人员出入和工作活动，以尽量减少人员伤亡和设备/基础设施从形成的可燃气体运行中受损。 另外为了防止火灾/爆炸,主要目的是泄漏控制和点火源元素控制。 这些区域设置加注移动设备、接收船的主管位置、管道内燃料量、移送条件（移送流量、压力、作业位置、加注方式等）、环境条件（大气温度、风速、风向等）、安全设备以及泄漏位置的影响。
为了建立通用适用于替代燃料的加注安全区域,提出了以下方法论。
1) 确认相关规章制度
目前由于对氢气的加注规则不足,因此应参考LNG加注规定,先行讨论是否违反规定和协约。
2) 收集目标信息
收集的信息有加注作业空间、船舶信息(接收船)及加注方法和加注工程等。 本研究考虑了常见高压氢、液氢和LNG的燃料转运，主要变量设置为进料压力。
3) 选定泄露情况
使用ISO提出的确定性方法进行了解释。 加注作业位置参照"氢技术开发路线图"的氢港建设方案,设定为釜山新港,环境条件以气象厅的韩国气候表为基础。 为了建立保守的安全区范围，假设泄漏发生在供给管的两端。 基于此计算出的泄漏情景如下。
[Environmental condition]
[Leakage scenarios considering various bunkering conditions]
4) 气体扩散模式
加注过程中易燃物质泄漏引起的火灾或爆炸事故会造成严重的人员伤亡和设备损坏。 因此为了事先掌握处理物质的危险度,确保安全性,有必要进行气体扩散分析。 但是泄漏和扩散会随着燃料的特性与周围环境之间的相互作用、热力学变化、相变等,物理特性会随时间而变化。 另外由于风速及风向等环境条件不能保持恒定,因此实际上不可能以与现场相同的条件实现解析模型。
因此将使用假设部分条件或只在特定条件下支持的Workbook、Integral、CFD等模型。 本研究采用Integral模型比较了高压氢、液氢和常规LNG的扩散特性，分析了不同加注条件下的扩散趋势。
为了与LNG进行公正的比较,以各燃料可燃性下限(Lower Flammable Limit,以下简称LFL)为基准,分析了扩散分析结果。
对于气体氢气,越高压泄漏位置越接近海平面,就越具有宽的扩散度。 经证实，这是受墙面反射扩散或气体扩散的反射效应影响。
[Gas dispersion analysis result - compressed hydrogen]
LNG与液化氢的LFL分散距离比较图如下。 证实了较高的供给压力有广泛的扩散性。 另外在海面上5米时,LNG的分散距离比氢气大,但从10米以上开始,氢气的扩散距离更大。 但是当泄漏高度为20m时,几乎没有对墙面反射扩散的影响,因此LFL的分散距离变短。
[Gas dispersion analysis result - comparison of LH2 with LNG]
确认了当环境条件不同时，其倾向性可能会有所不同，其中风速是温度和湿度的主要变量。这反映了氢的低密度特性，其他燃料可能会有不同的倾向。
在上述条件下,供给压力为10 barg的气体扩散分析结果显示,LNG在海平面上15米到27.7米的分散范围(安全区域),氢在海平面上5米到52.8米,分散距离约为1.9倍。 这意味着,通过比较最短的分散距离,液化氢的安全范围比LNG约大于1.9倍。
本研究设定了相同的泄露尺寸，但由于液化氢气每体积的能量密度比LNG低2.5倍，在加注时间相同的条件下，氢气加注管道/软管的直径应比LNG宽约1.6倍。 这对泄露区域的大小和漏露量有密切的影响。
5) 安全区域布局
通过气体扩散模拟得出的对象燃料的扩散范围应适用于对象船舶,并设置安全区域。 此时扩散范围应为拟考虑的气体浓度，应在安全管理区域内列出。 另外,计算出的气体扩散范围的安全区域应考虑如下图所示的R1、R2、R3和H1、H2、H3,并在加注操作前进行评估。
[Graphical presentation of safety zone]
水平(R1)释放(Horizontal release)和垂直(上方向)(H1)释放(Vertical release)
向陆地/甲板(H2和R2)和海上(H3和R3)向下释放