KR101972672B1 - 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력 해석방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기 응력 해석방법은 단순 내부 가스탱크의 구조를 해석하는 단계; 단순 내부탱크 형상에 대한 출력 값을 이론 값과 비교 및 검증하는 단계; 단순 내부탱크 형상에 대한 안전성을 판단하는 단계; 먼저 재질에 대한 물성치를 입력하는 단계; 온도를 지정하여 입력하는 단계; 입력된 재질의 물성치와 온도를 실제의 내부탱크의 형상에 대입하여 내부탱크 형상에 대한 이론 값과 출력 값을 비교하여 검증하는 단계; 및 각각의 값을 비교하여 안정성을 판단하는 단계;를 포함하여 구성하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력 해석방법{A STRUCTURE SAFETY ANALYSIS FOR COOLING BALL OF COAL STOCKPILE CONSIFERING MATERIAL AND TEMPERATURE}

본 발명은 저탄장 자연발화 방지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력 해석방법에 관한 것이다.

일반적으로 석탄(Coal)을 연료로 전력을 생산하고 있는 화력 발전소에는 500MW당 대력 180ton/hr의 석탄을 연소하며 미분기 한 대당 대략 37ton에 상당하는 석탄을 보일러에 공급한다. 석탄을 사용하는 500MW의 화력발전소에는 대략 500ton 용략의 석탄 저장소가 대략 여섯 개 설치되고, 그 중 다섯 개는 정상적인 석탄의 공급이 이루어지며, 나머지 한 개는 예비로 일정기간 동안 사용할 수 있는 석탄을 비축하는 저탄장으로 운영되고 있다. 석탄을 야외에 적재하면 분진가루가 날려 작업장의 환경을 오염시키고 바람에 의해 원료의 일부가 손실되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 근래에는 주로 밀폐된 저장고에 보관하고 있다. 하지만 석탄은 다공성 물질이기 때문에 단위 무게 당 산소의 흡착량이 많아 산화 반응하기 쉬우며 열전도도가 낮아 발생열의 방출도 어렵다. 이러한 석탄을 밀폐된 저장고에 보관하면 자연발화가 일어나며, 자연발화 과정에서 생성되는 가스는 외부로 방출되지 않을 경우 가스 폭발을 유도할 수 있다. 저탄장(Coal stockpile)의 자연발화(Spontaneous ignition)에 의한 피해는 석탄 화력발전소의 저급탄 사용량의 증가에 비례하여 자주 발생하며 심각한 경제적 손해뿐 아니라 화재 시 발생하는 유해가스로 인한 환경오염을 야기시키는 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 저탄장의 온도가 일정 온도 이상이 되면 소화액을 분출하여 온도를 낮추는 자동 냉각볼(Cooling ball) 장치가 있다.

하지만 이러한 냉각볼 장치는 재질과 온도에 따른 구조적인 안정성에 대한 연구가 필요하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 가스압력에 대한 내부 탱크의 압력 해석과 외부 환경에 대한 냉각볼 형상의 구조해석을 수행하여 구조적 안정성을 평가하고, 재질과 온도라는 변수를 고려하여 냉각볼의 구조적 안정성을 평가할 수 있는 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석방법은 먼저 단순 내부 가스탱크의 구조를 해석하는 단계; 단순 내부탱크 형상에 대한 출력 값을 이론 값과 비교 및 검증하는 단계; 단순 내부탱크 형상에 대한 안전성을 판단하는 단계; 먼저 재질에 대한 물성치를 입력하는 단계; 온도를 지정하여 입력하는 단계; 입력된 재질의 물성치와 온도를 실제의 내부탱크의 형상에 대입하여 내부탱크 형상에 대한 이론 값과 출력 값을 비교하여 검증하는 단계;를 제공한다.

이러한 특징에 따르면, 본 발명의 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석방법은 저탄장 자연발화 방지를 위해 재질과 온도에 따른 냉각볼 장치를 내부 압력과 외부 압력에 대한 구조를 해석하여 구조적 안정성을 평가할 수 있다. 이로 인해 자연발화의 원인과 영향 인자에 대한 안정성을 알 수 있어 사전에 예방할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조립된 냉각볼의 절단면을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각볼의 내부 가스탱크 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플랜지가 없는 단순 냉각볼 형상이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Principal Stress 해석결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 형상에 대한 구조해석 결과로 Principal Stress를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저탄장의 개념도를 나타낸 것다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각볼의 상세한 구조를 나타낸 구조도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부에 1차 노즐부와 옆면에 플랜지가 있는 냉각볼의 구조도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부 케이스의 형상을 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각볼 외부케이스의 응력분포를 나타낸 그림이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 딥러닝을 이용한 태양 양성자 입자 예측방법에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 조립된 냉각볼의 절단면을 나타낸 도면이고. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각볼의 내부 가스탱크 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플랜지가 없는 단순 냉각볼 형상이다.

도 1, 도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석방법은 먼저 단순 내부 가스탱크의 구조를 해석한다.

상기 가스탱크는 냉각볼 내부에 위치하고 있으며 가스탱크 내부에 액화질소(Liquid nitrogen)가 담겨 있다.

상기 냉각볼은 가스탱크뿐 아니라 제어장치, 소화액 분사노즐, 외부 케이스 및 솔레노이드 밸브를 포함하여 구성하고 있다.

상기 내부 가스탱크는 외부의 플랜지로 다른 구성품과 조립되며 내부에는 액화질소로 채워져 있다. 내부 압력은 3,0㎫이다.

상기 냉각볼의 두께가 직경에 비해 열 배보다 작은 경우 얇은 셀 구조물로 간주하므로 냉각볼의 내부탱크는 직경과 두께의 비가 0.0833인 얇은 셀 구조물이다.

구조해석은 우선 플랜지(Flange)가 없는 단순 내부 탱크 형상에 대하여 해석하고(S10), 단순 내부탱크 형상에 대한 출력 값을 이론 값과 비교 및 검증한다(S20).

상기의 이론적 계산은 다음의 응력식을 이용하여 계산하였다.

즉 다시 말해, 내부탱크 응력은 얇은 벽면에 작용하는 하중을 단면으로 나누는 값이다. 이때 내경 (d _i )는 60mm, 두께(t)는 5mm이며 압력(P)는 내부압력으로 3.0MPa를 적용하였다. 계산결과 응력식을 이용한 이론적 계산 값은 9.0MPa로 계산되었다.

도 4는 플랜지가 없는 단순 형상을 나타낸 냉각볼로써, 형상 설계는 CATIA 프로그램을 사용하였고, 구조해석은 ANSYS R18.0를 이용하였으며, 내부 전체에 3.0MPa의 내압이 가해지는 조건으로 부여하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Principal Stress 해석결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 형상에 대한 구조해석 결과로 Principal Stress를 나타낸 것이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 내부 표면에서 최대 9.11MPa의 응력을 받고 있으며 외부 표면은 7.70MPa의 응력을 받고 있다는 것을 알 수 있다.

따라서, 이론적으로 계산한 결과값과 ANSYS 결과값을 비교하여 오차율을 계산한다.

상기 계산된 오차율은 1.22%였다. 통상적으로 오차가 5% 미만이면 결과가 우수한 것이라고 판단하는 것에 준하여 단순 내부탱크 형상에 대한 안전성을 판단한다(30).

상기의 결과를 바탕으로 재질과 온도를 고려한 냉각볼 응력해석방법에 대해 설명한다.

먼저 재질에 대한 물성치를 입력한다(S40).

상기 물성치 값은 재질에 따라 달라질 수 있다.

다음으로 최대온도를 지정하여 입력한다(S50).

입력된 재질의 물성치와 온도를 실제의 내부탱크의 형상에 대입하여 내부탱크 형상에 대한 이론 값과 출력 값을 비교하여 검증하고(S60), 각각의 값을 비교하여 안정성을 판단한다(S70).

한 예로, 냉각볼의 재질이 SUS 304 스테인레스 스틸일 경우를 예로 들어 설한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 저탄장의 개념도를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각볼의 상세한 구조를 나타낸 구조도이다.

표 1은 스테인레스의 물성치이다.

도 7, 도 8 및 표 1을 참조하면, 석탄이 쌓여있는 형태에 냉각볼은 중간 중간에 배치된다. 저탄장 높이는 30m를 기준으로 설정하였으며 온도는 최대온도 189.7℃를 적용하였다.

도 8을 참조하면 냉각볼은 케이스, 모터, 솔레노이드 밸브, 내부 가스탱크, 축전지 등으로 구성되어 있으며 구조 해석은 내부의 가스탱크와 외부 케이스에 대하여 수행하였다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 상부에 1차 노즐부와 옆면에 플랜지가 있는 냉각볼의 구조도이다.

도 9를 참조하여 상기와 같은 조건으로 먼저 내부 가스탱크의 구조를 해석한다.

내부 가스탱크는 구형이며 상부에는 1차 노즐부가 있으며, 옆에는 플랜지가 있는 형태이다. 내부탱크는 직경(d)가 60mm이며 두께(t)가 5mm로, 직경에 대한 두께의 비가 0.0833으로, 얇은 쉘 구조물이다. 3MPa의 내부압력을 가해진 상태이며 SUS 304 재질을 부여하였다. 내부적으로 -20℃의 온도가 주어진 상태이다.

내부 탱크의 응력해석은 상기와 동일하게 응력식으로 계산한다. 그 결과 상부의 노즐 부분에서 최댓값 41.55MPa이 나타났으며 최솟값은 플랜지 및 일부 본체에서 0.547MPa으로 나타났다. 내부 압력을 받는 대부분의 면적에는 9.6MPa의 응력을 받는 것으로 나타났다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 외부 케이스의 형상을 나타낸 모식도이다.

도 10을 참조하면 냉각볼의 몸체는 상, 중, 하의 세 부분으로 나뉘어 진다. 그리고 중간에 소화액이 분사되는 노즐이 있는 형상이다. 외부케이스는 직경(d)이 160mm이며 평균 두께(t)가 5mm로 직경에 대한 두께의 비가 0.0313으로, 얇은 쉘 구조물이다.

해석조건은 0.443MPa의 외부압력을 가해진 상태이며 재질은 SUS 304를 적용하였다. 외부 온도는 189.7℃를 적용하였다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각볼 외부케이스의 응력분포를 나타낸 그림이다.

도 11을 참조하면 외부케이스는 상, 중, 하 부분의 부품이 조립된 상태로 해석된다.

외부케이스의 구조해석 결과 최대응력은 볼트 체결 부분에서 178.98MPa으로 나타났다. 최소응력은 0.00054MPa으로 나타났다. 또한 케이스의 내부의 대부분 면적에서 39.77MPa으로 나타났다.

표 2는 온도와 재질을 고려하지 않은 단순 해석 값과 온도와 재질을 고려하여 해석한 결과를 나타낸 비교 값으로 압력용기의 내부의 응력만을 비교한 것이다. 표 2를 참조하면 내부탱크는 응력 값이 비슷하게 나타났으나 외부 케이스는 온도로 인하여 응력 값이 많이 상승하였음을 알 수 있다. 따라서 온도가 상승함에 따라 응력도 상승하여 응력을 많이 받는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 단순 내부 가스탱크의 구조를 해석하는 단계;
   단순 내부탱크 형상에 대한 출력 값을 이론 값과 비교 및 검증하는 단계;
   단순 내부탱크 형상에 대한 안전성을 판단하는 단계;
   먼저 재질에 대한 물성치를 입력하는 단계;
   온도를 지정하여 입력하는 단계;
   입력된 재질의 물성치와 온도를 실제의 내부탱크의 형상에 대입하여 내부탱크 형상에 대한 이론 값과 출력 값을 비교하여 검증하는 단계; 및
   각각의 값을 비교하여 안정성을 판단하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재질과 온도를 고려한 저탄장 자연발화 방지를 위한 압력용기의 응력해석방법.

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