수소 및 천연가스 혼합 비율에 따른 다상 유체 혼합 성능에 관한 수치해석적 연구

1. 서 론

현재 국내뿐만 아니라 세계적으로 화석 연료가 에너지원으로 공급 및 사용되고 있어 자원 고갈 및 환경 파괴가 사회 문제로 대두되고 있다. 이러한 문제점에 대한 해결 방안으로 국내에서는 기존 천연가스 배관망에 수소를 유입하여 천연가스 및 수소를 혼합하여 에너지원으로 공급하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소는 천연가스와 다르게 탄소를 배출하지 않는 친환경적인 에너지원이며 화학에너지가 전기에너지로 바로 전환되므로 발전 효율도 매우 높다. 그러나 수소는 체적당 에너지가 크므로 저장 및 운반에 대한 위험성이 있어 체계적인 안전 및 성능 검증이 필요하다¹⁾. 또한 수소 및 천연가스가 공급되는 배관망 내부에 수소 및 천연가스가 완벽하게 섞여서 공급되어야 하므로 배관망 내부의 수소 및 천연가스의 유동 흐름에 관한 분석이 필요하다. Oh²⁾는 수소 혼소 천연가스의 속도 변동에 따른 연소 특성을 수치해석을 이용하여 분석하였으며 Shin과 Cho³⁾는 수소 가스터빈 개발을 위하여 기존 천연가스에 수소 첨가량이 증가할수록 나타나는 연소 특성을 수치해석을 이용하여 분석하였다. 특히 수소 및 천연가스의 물성치는 서로 다르므로 다상 유동 해석을 통한 정밀한 유동 특성 분석이 필요하다. Kim⁴⁾은 다공체의 유동특성 및 성능을 검증하기 위하여 다상 유동 특성 해석 방법의 개발에 관한 연구를 수행하였으며 Song 등⁵⁾은 굴착용 천공드릴 비트의 유로 최적화를 위하여 암분 및 기체의 다상 유동 해석을 수행 및 성능 검증에 관한 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 배관망 내부의 수소 및 천연가스 혼합 비율에 따른 배관망 내부 유동 특성은 computational fluid dynamics (CFD)를 활용하여 분석하였다. 기존 천연가스가 흐르는 배관망 내부에 인젝션을 통하여 수소를 분사하는 타입으로 내부 유동 특성을 분석하였으며 수소 및 천연가스의 혼합 비율에 따른 내부 유동 뿐만 아니라 혼합 성능을 체계적으로 분석하였다.

2. 수소 및 천연가스 혼입 주요 배관망 형상

수소 및 천연가스의 다상 유동 해석 대상은 제주 한림 공급관리소 주요 배관망이며 Fig. 1에 다상 유동 해석을 위한 배관망 3차원 형상 및 주요 구성품을 나타내었다. 주요 배관망은 100-500 mm 범위 내로 다양하게 구성되어 있으며 각각의 배관은 연결 구간에 따라 elbow, tee 및 reducer로 연결되어 있다. Fig. 1과 같이 주요 배관망 내부에는 천연가스 배관망 내부에 수소를 주입하는 수소 주입 장치, 배관망 내부 불순물을 제거하기 위한 필터, 배관망 내부에 요구되는 온도 조건을 제어하기 위하여 열을 전달하거나 분배하는 히터, 배관망 내부에 요구되는 압력을 공급하기 위한 정압기와 같은 주요 구성품이 포함되어 있다.

Fig. 1.

Three-dimensional shape of pipe system for hydrogen mixing pipe network between natural gas supply control office

3. 수치해석 방법

수소 및 천연가스 혼입 배관망의 내부 유동 흐름 분석을 위하여 상용 CFD 코드인 ANSYS CFX-21 (Ansys, Canonsburg, PA, USA)을 이용하여 유동 해석을 수행하였다. 수소 및 천연가스 혼입 배관망 및 주요 구성품의 형상은 Solid Works (SolidWorks, Waltham, MA, USA) 프로그램을 이용하여 생성하였고 격자계는 ICEM-CFD (Ansys)를 사용하여 정렬 격자(structured grid) 및 비정렬 격자계(unstructured grid)로 생성하였다⁶⁾. Fig. 2는 수소 및 천연가스 혼입 배관망 및 주요 구성품의 격자계(grid system)를 보여준다.

Fig. 2.

Grid system for the pipe system calculation

Fig. 3은 수소 및 천연가스 혼입 배관망의 경계 조건(boundary condition)을 보여준다. 주요 배관망 입구부는 천연가스의 질량유량(mass flow rate)을 주었고, 수소가 주입되는 수소 주입 장치 입구부에도 수소의 질량유량을 주었다. 또한 출구부에는 대기압(atmospheric pressure) 조건을 주었다.

Fig. 3.

Boundary conditions for the pipe system calculation

수소 및 천연가스 혼입 배관망의 비압축성 난류 흐름(turbulent flow) 분석을 위하여 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 이용하였다⁷⁾. 난류의 흐름을 분석하기 위하여 난류 모델(turbulent model)은 유동 박리(flow separation)의 예측에 유리한 shear stress transport model을 사용하였다⁸⁾. 작동 유체(working fluid)는 수소 및 천연가스로 사용하였다.

4. 수치해석 결과 분석

배관망 내부의 수소 및 천연가스의 혼합 특성은 혼합가스가 배관망 내부에서 균일하게 분포하는 정도를 분석하기 위하여 질량 분율(mass fraction)을 이용하여 분석하였다. 질량 분율은 특정 성분의 질량이 전체 질량에서 차지하는 비율을 나타낸다. 질량 단위로 혼합 성분을 나타내므로 연소 해석이나 연료 혼합 및 화학 반응 결과를 분석할 때 자주 사용된다. 혼합물 내의 물질의 질량 백분율은 혼합물의 총 질량(m_t) 대비 물질의 질량(m_i) 비율이며 식으로 표현하면 식 (1)과 같다.

수소 및 천연가스의 혼합 성능은 수소 및 천연가스가 완벽하게 섞여서 공급되는지 확인하기 위하여 혼합 효율(mixing efficiency)을 이용하여 분석하였다. 단면적의 평균 질량 비율에서 질량 비율의 표준편차를 기반으로 혼합 효율이 정의되며 혼합 효율의 식은 식 (2)와 같다⁹⁾.

이때 c는 혼합 대상 물질의 질량 분율을 나타내며 $$ \overline{c}$$는 계산 대상 영역에서 질량 분율의 평균값을 나타낸다. 또한 A는 유동 해석 후처리의 단면이 되며 혼합이 완료된 정도를 평가하려는 특정 영역을 나타낸다.

수소 및 천연가스를 배관망 내에서 혼합할 경우 두 유체가 얼마나 균일하게 혼합되는지가 시스템 안정성 및 연소 효율에 직접적인 영향을 준다. 수소는 천연가스보다 분자량이 작고 확산 속도가 빠르지만 밀도가 낮기 때문에 배관망 내부에서 농도 격차가 쉽게 발생할 수 있으므로 배관망 내부의 위치별 혼합 효율을 정량적으로 분석하여 유동 균일성을 분석하였다. Fig. 4는 배관망 내부 수치해석 후처리 위치를 보여준다. #1에서 #5는 수소 주입 장치 후단, 필터 후단, 히터 후단, 정압기 후단 및 배관망 출구부를 의미한다. Fig. 4와 같이 배관망 내부 위치에 따른 혼합 효율 통해 유동 균일성을 분석하였다.

Fig. 4.

Post locations for the pipe system calculation

수소 및 천연가스 혼입 배관망의 형상은 매우 길고 배관망 내부 전체가 복잡한 유동 흐름을 나타내므로 주요 구성품의 유동 특성 및 배관망 내부의 혼합 효율은 수소 혼입 비율이 20%, 40%, 60% 및 80% 일 때 수치해석 결과를 비교 분석하였다. Fig. 5는 수소 주입 장치에서 수소 혼입 비율에 따른 유동 특성을 비교한 것이다. 수소 혼입 비율이 증가할수록 수소 유동 흐름이 매우 복잡하게 흐르는 것을 확인할 수 있다. Fig. 6, Fig. 7 및 Fig. 8은 필터, 히터 및 정압기에서 수소 혼입 비율에 따른 유동 특성을 비교한 것으로 주요 구성품의 형상이 복잡하므로 난류 흐름이 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 5.

Comparison of streamline for injection (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, and (d) 80%

Fig. 6.

Comparison of streamline for filter (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, and (d) 80%

Fig. 7.

Comparison of streamline for heater (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, and (d) 80%

Fig. 8.

Comparison of streamline for regulator (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, and (d) 80%

배관망 내부의 수소 및 천연가스 흐름이 주요 구성품들을 지나면서 유동 흐름뿐만 아니라 혼합 특성도 정밀한 분석이 필요하다. 따라서 수소 및 천연가스 혼입 배관망 내부에 수소 및 천연가스 혼합이 원활하게 이루어지는 것을 확인하기 위하여 주요 구성품의 후단 부근의 수소 혼합 효율 및 천연가스 혼합 효율을 Table 1과 2에 비교하였다. Table 1 및 2를 보면 수소 혼입 비율에 따른 수소 혼합 효율 및 천연가스 혼합 효율은 수소 주입 장치의 후단에서는 100% 이하이다. 수소 주입 장치 후단의 수소 혼합 효율 및 천연가스 혼합 효율은 100% 이하이나 수소 주입 장치를 지나면서 수소 혼합 효율이 증가하며 필터 후단부터는 수소 혼합 효율 및 천연가스 혼합 효율이 약 100%로 예측되는 것을 확인하였다.

Table 1.

Comparison of mixing efficiency for hydrogen

Table 2.

Comparison of mixing efficiency for natural gas

수소 혼입 비율에 따른 수소 및 천연가스 혼합이 원활히 이루어지는 것을 확인하기 위하여 질량 분율 분포를 Fig. 9에 비교하였다. Fig. 9에서도 수소 주입 장치 후단에서는 수소 질량 분율 분포가 불균일하나 필터 후단부터는 균일함을 확인하였다. 배관망 주요 구성품인 필터 후단부터는 수소 혼입 비율에 따라 수소 및 천연가스의 수소 혼합 효율이 약 100%이므로 필터 후단부터는 수소 및 천연가스 혼합이 원활히 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Comparison of mass fraction contour (a) 20%, (b) 40%, (c) 60%, and (d) 80%

5. 결 론

본 연구에서는 제주 한림 공급관리소 주요 배관망의 수소 혼입 비율에 따른 수소 및 천연가스의 혼합 유동 특성을 분석하였으며 본 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.

• 1) 주요 배관망 형상 복잡한 배관 구조로 구성되어 있고 주요 구성품을 포함하고 있으므로 주요 배관망 전 구간에서 불규칙한 난류 흐름이 발생되며 주요 배관망 형상 내부의 불규칙한 난류 흐름은 수소 및 천연가스 혼합 효과가 뚜렷하게 나타낸다.
• 2) 주요 배관망 내부의 수소 주입 장치 부근에서는 수소 및 천연가스 혼합이 불완전하나 주요 구성품인 필터 이후부터는 수소 및 천연가스 혼합이 원활히 이루어진다.
• 3) 주요 구성품인 필터, 히터 및 정압기의 유로 형상은 매우 복잡하므로 주요 구성품을 통과하면서 수소 및 천연가스의 혼합 성능이 효과적으로 향상될 수 있음을 확인하였다.
• 4) 수소 혼입 비율에 따라 수소 주입 장치 후단에는 혼합 효율의 차이가 있으나 주요 구성품인 필터 후단부터는 혼합 효율이 약 100%로 예측되므로 수소 및 천연가스의 혼합 성능이 향상됨을 확인하였다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 “천연가스 공급스테이션의 수소 혼입 안전성 확보를 위한 설계연구(No. RS-2023-00305219)” 사업으로 수행되었습니다.

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