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가정상업용 DME-LPG 혼합연료 상용화 안전성 연구 (DME 연구성과 발표회)

2011. 11. 1.

발 표 자 : 김 영 규

한국가스안전공사 가스안전연구원

목 차

연구과제 연구목표 및 연구범위

연구진행내용 - DME-LPG 혼합연료 적용 고무재료 연구 - DME-LPG 혼합연료 적용 가스용품 및 설비 연구

연구성과

향후 일정

1

2

3

4

연구과제별 연구목표

2004~2006

2006~2007

2007~2009

2010~2011

2012 예정 • DME-LPG 상용화를 위한 관련 법령 정비

• LP가스용품 및 설비 안전성확인 및 특례고시(안) 도출

• 적정 DME-LPG 혼합비율 제시, 품질기준(안) 도출

• DME 기초물성, 품질기준, 재료 반응성 연구

• DME-LPG 적용 고무재료 안전성 확인

참여기관: 한국가스공사, 한국가스안전공사, 서울산업대

연 구 범 위

DME-LPG 시범보급 고시제정

DME-LPG 자동차 충전 (연구용)고시

고무재료 안전기준 제·개정 - 진행중

가스용품평가 기준제개정

고무재료평가

가정용 LPG 사용시설 - 가스렌지, 보일러, 압력조정기, 호스 등 상업용 LPG 사용시설 - 업무용대형연소기, 주물연소기 등 탱크로리, 소형저장 탱크 안전성 평가

LP 충전소 사용고무 재료 모니터링 - 설비 사용 전∙후 비교 표준고무 성능시험 - 침지시험 후 - 물리적 성능(중량,부 피,경도,인장,연신율) -성분분석

DME보급

공급설비 안전성 평가

연구진행내용 – 현장고무재료 선정

• 국내 LPG 충젂․저장 시설 실태 조사를 통해 도출된 시장

점유율 10% 이상인 가스 설비 제작사 생산 제품 내 장착

된 고무

• 대상 가스 설비 내 연료(LPG) 접촉부에 장착된 고무

선정 기준

• 일반 LPG 용기 충젂소 구성 설비 종류별 [충젂기, 압축기,

펌프, 로딩암, 밸브류 6종] 총 10종

• 동일 사이즈 및 동일 재질 부품이 장착부위 또는 장착모

델이 다양한 경우 한 종류로 분류

분류 기준

DME-LPG 적용 대상 시험 고무 선정

9/47


회전식 충전기

고정식 충전기

압축기

액중 펌프

글로브 밸브

체크 밸브

릴리프 밸브 안전 밸브

로딩암

긴급 차단 밸브

일반 LPG 용기 충전소 설비 구성 예

10/47


설비 종류 별 시험 고무 선정 제품

설비 종류 제조사 설치 충전소 수 시장 점유율

고정식 충전기 대성메카트론㈜ 41 73 %

삼진 Eng 8 14 %

압축기 CORKEN 36 51 %

BLACKMER 26 37 %

펌프

CORKEN 20 23 %

경일 산업 18 23 %

NIKKISO 16 20 %

BLACKMER 8 11 %

로딩암

MS Eng 38 63 %

삼진 Eng 7 12 %

거봉 한진 7 12 %

과충전 방지 장치

미성 계기 7 28 %

대산 Eng 4 16 %

MS Eng 3 12 %

글로브 밸브

MS Eng 40 55 %

MIYARI 11 15 %

거봉 한진 10 14 %

릴리프 밸브

MIYARI 20 41 %

㈜MS Eng 16 33 %

거봉 한진 9 18 %

11/47

안전밸브

Y밸브

저장탱크

긴급차단밸브


압 축 기

제조사 Corken 모델명

F491

압축기 사양 및 고무 재료 정보

설치 부위 부품 명 재질

2 O-ring for cylinder

Buna-N (NBR)

13 O-ring (packing cartridge)

Buna-N (NBR)

LPG 용 설비 장착 고무 선정 (예)


충 젂 기

제조사 대성 메카트로 모델명

DS-1000S

충전기 사양 및 고무 재료 정보


2 PACKING a NBR

6 PACKING b 우레탄



펌 프

제조사 Blackmer 모델명

LGL 1.25

펌프 사양 및 고무 재료 정보


10 O-Ring

R/V Cover Buna-N (NBR)

72 O-Ring Head

Buna-N (NBR)



충 젂 기

제조사 대성 메카트로 모델명

DS-1000S


2 PACKING a NBR

6 PACKING b 우레탄

시험 고무

2

6

연구진행내용 – 표준고무 제작

• 국내 LPG 충젂․저장 시설에서 사용 중 또는 사용 가능한 재질

• 국내 고무 배합 시장에서 용이하게 제작 가능한 재질

선정 기준

• 각 재질 별 KS 코드에서 명시한 기본 성분 배합 비로 제작된 1차 고무 제작, 성능

시험 수행

• 기본 성분 중 DME에 대한 영향이 높은 성분의 비율을 낮추고 영향이 낮은 성분

의 비율을 높여 2차 고무를 제작, 성능시험을 수행하여 적정 수준의 혼합비 도출

진행 젃차

• 1차 표준 고무 종류 : NBR, HNBR, EPDM, CR, FKM (총 5종)

• 2차 표준 고무 종류 : NBR, EPDM, CR, FKM (총 4종, HNBR은 변화적어 제외)

내용

DME-LPG 적용 대상 표준 고무 제작


N B R

성분 명 배합율 화학명

K 0230L 100 Acrylate Nitrile Butadine Rubber

HAF(330) 40 Carbon black

ZnO(#2) 3 Zinc Oxide

ST/Acid 1 Stearic Acid

NS(TBBS) 0.7 N-(1, 1-dimethylethyl)-2-benzothazole sulfenamide

S 1.5 Sulfur

1차 표준 고무 제작


성분 배합율 내 용

노화방지제 - 첨가

니트릴 - 감소


H N B R


Th C 4367 100 Hydrogenated nitrile rubber

SRF(774) 30 Carbon Black

BXA-R 10 Bis(butyldiglycol) adipate

ZnO (#2) 5 Zinc Oxide


Na #445 1.5 Polymerized 1, 2-dihydro-2, 2,4-tri-methylquinoline

A #14-40E 7 Bis(t-butylperoxylisopropyl) benzene


2차 표준 고무 제작 : 없음


E P D M


EPDM 100 Ethylene Propylene Diene Methylene

FEF(550) 45 Carbon black



SR 350 10 Trimethylol Propane Trimethacrylate

RD (TMQ) 1.5 Polymeryzed 1,2-dihydro-2, 2, 4-t-methylquinolyne

S 1 Sulfur




촉진제 - Peroxide를 Sulfer로 변경


C R


D/S 40V 100 2-chloro-1, 3-butadiene

SRF (774) 50 Carbon black



MgO-40 4 Magnesium oxide

3C(Anti) 1 N-phenyl-N”-isopropyl-p-plenylene-diamine

Octamine 1 Octylated diphenylamine

Na 22 1 2-Mercapto-imidazolin(Ethylenethiouer)




노화방지제 - 첨가

카본블랙 - 증가

기타 - 내한성강화를 위해 주소재 변경

연구진행내용 – 표준고무 및 현장고무 평가결과

고무재료 내가스 성능 평가 실험(침지) 방법

구분 KS B 8217 KGS A222-2003 ECE R 67

온도 (23±2) ℃ • -20℃(액중), 40℃(액중), • (23±2) ℃

시간 72시간 • 각 24시간 • 72시간

침지액 • N-펜탄 • 시중유통 부탄 또는 LPG • N-펜탄

후처리 • (40±2) ℃, 168시간 건조 전후 • -25℃(공기중) 방치 • (40±2) ℃, 48시간 건조

시편크기 • 50ⅹ20ⅹ20mm • 부품형태 • 부품형태

판정기준

• 실 류

- 질량변화율 -5~10% 이내

• 다이아프램 류

- 질량변화율 -10~10% 이내

• 겉모양

- 팽윤, 팽창, 연화 등 확인

• 질량변화율

- -8~5% 이내

• 사용 부품별로 약간의 차이

있음

• 체적변화율 20% 이내

• 무게변화율 5%이내

• 사용 부품별로 약간의

기준 적용 차이

적용범위

• 가스연소기 및 설비의 실재료,

다이아프램

•액화석유가스 용기용 밸브 •퓨즈콕 부품 •용기내장형 가스난방기용 압력조정기 다이아프램 •LPG용 압력조정기 다이아프램 •고무호스(저압, 고압) 등

• 자동차 부품 고무재료

기 준 : 표준고무재료를 대상으로 LPG와 DME20%를 비교실험 검토결과 : NBR의 경우 2차 표준고무는 변화가 없고 1차 및 현장고무는 유사한 경향을 나타냄

고무재료 내가스 성능 평가 실험 - NBR 두께변화


-5

0

5

10

CR NBR HNBR EPDM FKM

1차 표준고무(두께)

20%DME두께 100%LPG두께 -10

-5

0

5

CR NBR EPDM FKM

2차 표준고무(두께)

20%DME두께 100%LPG두께

-5.00

0.00

5.00

10.00

현장고무(두께)

20%DME(두께) 100%LPG(두께)

기 준 : 표준고무재료를 대상으로 LPG와 DME20%를 비교실험 검토결과 : NBR의 경우 2차 및 현장고무는 변화가 없고, 1차의 경우 변화있음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 - NBR 너비변화


-2

0

2

4


1차 표준고무(너비)

20%DME너비 100%LPG너비

-10

-5

0

5

CR NBR EPDM FKM

2차 표준고무(너비)

20%DME너비 100%LPG너비

-2.00

0.00

2.00

4.00

현장고무(너비)

20%DME(너비) 100%LPG(너비)

기 준 : 경도변화 15 이하 적합 검토결과 : NBR의 경우 모두 유사하나 현장고무의 변화가 특히 적음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 – NBR 경도변화


-20

0

20


1차표준고무(경도)

20%DME경도 100%LPG경도

적합범위

-20

0

20

CR NBR EPDM FKM

2차표준고무(경도)

20%DME경도 100%LPG경도

적합범위

-20.00

0.00

20.00

현장고무(경도)

20%DME(경도) 100%LPG(경도)

기 준 : 부피변화 -3 ~ +10 적합 검토결과 : 2차 및 현장고무는 변화가 없으며, 1차의 경우 변화 있음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 – NBR 부피변화


-20

-10

0

10

20


1차표준고무(부피)

20%DME부피 100%LPG부피

적합범위

-20

-10

0

10

20

CR EPDM FKM NBR

2차표준고무(부피)

20%DME부피 100%LPG부피

적합범위

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

현장고무(부피)

20%DME(부피) 100%LPG(부피)

기 준 : 인장력변화 -10 ~ +10 적합 검토결과 : NBR의 경우 2차가 적합범위안에 있음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 – NBR 인장력변화


-40

-20

0

20


1차표준고무(인장력)

20%DME인장력 100%LPG인장력

적합범위

-40

-20

0

20

CR NBR EPDM FKM

2차표준고무(인장력)

20%DME인장력 100%LPG인장력

적합범위

-40

-20

0

20

현장고무(인장력)

적합범위

기 준 : 연신률변화 -10 ~ +10 적합 검토결과 : NBR의 경우 1차가 적합범위에 있음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 – NBR 연신율변화


-20

0

20


1차표준고무(연신율)

20%DME연실율 100%LPG연실율

적용범위

-30

20

CR NBR EPDM FKM

2차표준고무(연신율)

20%DME연신율 100%LPG연신율

적합범위

-20

0

20

현장고무(연신율)

적합범위

기 준 : 질량변화율 -8 ~ +10 적합 검토결과 : NBR의 경우 모두 적합하나, 2차 및 현장은 변화없음

고무재료 내가스 성능 평가 실험 - NBR 질량변화


-20

-10

0

10

20


1차표준고무(질량)

20%DME질량 100%LPG질량

적합범위

-20

-10

0

10

20

CR NBR EPDM FKM

2차표준고무(질량)

20%DME질량 100%LPG질량

적합범위

-20.00

-10.00

0.00

10.00

20.00

현장고무(질량)

20%DME(질량) 100%LPG(질량)

적합범위

연구진행내용 – 가스용품 및 설비 안전성

DME-LPG혼합연료 적용 LP가스설비 및 용품에 대한 안전성 확인 시범보급사업을 위한 특례고시 마련

가정용 LPG 사용시설

- LPG 사용시설의 DME-LPG 적용 안전성평가

·가스레인지, 압력조정기, 호스 등

- LP가스 보일러의 안전성평가

상업용 LPG 사용시설

- LP가스용품의 DME-LPG 적용 안전성 평가

·업무용 대형연소기

·주물 연소기

- 폭발특성(폭발압력, 화염속도 등) 분석

: LP가스 설비 안전거리 유지 확인

서울산업대

한국가스안전공사

가정·상업용 가스용품 및 시설에 대한

안전성 확인 및 특례고시 마련

탱크로리, 소형저장탱크에 대한

안전성 평가

- 사용 재료 특성 분석(금속, 고무재료)

- 위험성·안전성 평가(사고발생빈도, 피해예측)

: LP가스설비 비교 평가

탱크로리 소형저장탱크


가정·상업용 DME-LPG 적용 안전성 평가

DME-LPG 사용 농도 특성 평가

DME-LPG 폭발특성 평가

DME-LPG 적용 재료 특성 평가


DME-LPG 폭발실험

DME-LPG 금속류 침지실험

DME-LPG 고무류 침지실험

주물연소기 성능시험

가스소비량

배기가스

업무용대형연소기 성능시험

가스소비량

배기가스 측정

가스레인지 성능시험

가스소비량

열효율

배기가스

무풍연소상태

전기점화성능

소화안전장치 작동성능

가스보일러 성능시험

가스소비량

열효율

배기가스

가정용 DME-LPG 적용 실험 상업용 DME-LPG

적용 실험

탱크로리 및 소형저장탱크의

DME-LPG 적용실험

경년변화에 따른 가스용품

성능시험

압력조정기

퓨즈콕

경년변화에 따른 혼합가스

농도분석 시험

• 혼합비율별

경년변화에 따른 재료

침지실험

가정·상업용 DME-LPG 적용 안전성 실험 현황

DME-LPG 가정·상업용 실험 설비

가정용 DME-LPG 실험설비 구성도 제조사별 연소시험

혼합비율별 연소시험 가스용품 적용시험 DME-LPG 안전성연구 실험동



종류

LPG용기 고압호스 압력조정기 가스미터 퓨즈콕 저압호스 가스레인지

시험항목

육안검사

기밀시험

육안검사 육안검사

기밀시험

성능시험

육안검사

기밀시험

육안검사

기밀시험

성능시험

육안검사

육안검사

성능시험

적용가스 Propane 80% - DME 20%

시험횟수 1. 가스용품 성능시험 : 2회 실시(연소시험 전 1회, 연소시험 후 1회)

2. 가스연소기 성능시험 : 4회 실시(매 250시간 연소시험 후)

시험기준 KS Code 또는 KGS Code

시험기간 약 800시간


6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

0 250 500 750

kW

Hour

제조사별 실제가스소비량

A B C

D E

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

0 250 500 750

kW

Hour

DME 혼합비율별 실제가스소비량

DME 0% DME 15%

DME 20% DME 25%

DME-LPG 가스렌지 가스소비량 측정시험


DME-LPG 가스렌지 효율측정시험

40.00

42.00

44.00

46.00

48.00

50.00

0 250 500 750

%

Hour

시료 1

대버너

중버너 40.00

42.00

44.00

46.00

48.00

50.00

0 250 500 750

%

Hour

시료 2

대버너

중버너

40.00

42.00

44.00

46.00

48.00

50.00

0 250 500 750

%

Hour

시료 3

대버너

중버너

40.00

42.00

44.00

46.00

48.00

50.00

0 250 500 750

%

Hour

시료 4

대버너

중버너

- 8 -


DME-LPG 가스렌지 800시간 연소전후 연소상태시험

시료 가스종류 불옮김 리프팅 소화 그을음발생 황염접촉

1 LPG 100% ○ ○ ○ ○ ○

2 LPG 85% : DME 15% ○ ○ ○ ○ ○

3 LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○

4 LPG 75% : DME 25% ○ ○ ○ ○ ○

A LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○

B LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○

C LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○

D LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○

E LPG 80% : DME 20% ○ ○ ○ ○ ○


DME-LPG 가스렌지 혼합비율별 연소상태

Propane 100% Propane 80%

DME 20%

Propane 85%

DME 15%

Propane 75%

DME 25%

Propane 100% Propane 80%

DME 20%

Propane 85%

DME 15%

Propane 75%

DME 25%


DME-LPG 가스렌지 혼합비율별 연소상태

A B C D E

A B C D E

Propane 80% : DME 20%(wt.%)

Propane 80% : DME 20%(wt.%)


DME-LPG 가스렌지 혼합비율별 점화성능

시료 가스종류 실험횟수 점화횟수

1 LPG 100% 10 10

2 LPG 85% : DME 15% 10 10

3 LPG 80% : DME 20% 10 10

4 LPG 75% : DME 25% 10 10

A LPG 80% : DME 20% 10 10

B LPG 80% : DME 20% 10 10

C LPG 80% : DME 20% 10 10

D LPG 80% : DME 20% 10 10

E LPG 80% : DME 20% 10 10


DME-LPG 가스렌지 혼합비율별 소화안전장치 성능

사용전 성능시험 800시간 연소후 성능시험

안전기준 : 열림시간: 10초, 닫힘시간: 90초 이내


DME-LPG 가스렌지 제조사별 CO 농도

0.00000

0.00500

0.01000

0.01500

0.02000

0.02500

0.03000

0.03500

0.04000

0hr 250hr 500hr 800hr

C

O

농

도(

%)

연소시간

LPG 100%

DME 15%

DME 20%

DME 25%

• LPG 100%에 비하여 DME혼합비율이 높을수록 CO배출량 감소

• CO배출 제한치 기준치 0.07%를 만족함


DME-LPG 보일러 성능시험

열교환 시스템

보일러 성능 시험 장치

DME-LPG 적용실험

보일러 성능 시험 시스템 구성도


DME-LPG 압력조정기 성능시험

압력조정기 성능시험 장치

압력조정기 성능시험

시험항목 : 조정압력시험, 폐쇄압력시험, 안전장치 작동시험, 기밀시험

압력조정기 시험대상

1단감압식 저압조정기 자동절체식일체형

<저압조정기 안전기준> 조정성능: 조정압력의 ±20 ％ 이내의 범위 기밀성능: 입구:1.56MPa, 출구: 5.5kPa 폐쇄압력: 3.5kPa 안전장치: 표준압력(7), 개시압(5.6~8.4), 정지압(5.04~8.4)kPa

실험용 용기 제작

·검출기 : FID

·컬럼 : SPB-1

·캐리어 가스 : 질소

GC HP 5890 :

연구진행내용 – 경년변환에 따른 액위 농도분석

연구진행내용 – 경년변환에 따른 액위 농도분석

가스성분 Propane (wt.%)

비고 DME (wt.%)

비고

초기농도 79.76% 20.24%

5개월 경과후

상단 78.87% -0.89% 21.13% +0.41%

중단 79.03% -0.73% 20.97% +0.73%

하단 79.28% -0.48% 20.72% +0.48%

가스성분 Propane (wt.%)

비고 DME (wt.%)

비고

초기농도 78.82% 21.18%

5개월 경과후

상단 79.14% +0.32% 20.86% -0.32%

중단 79.06% +0.24% 20.94% -0.24%

하단 79.68% +0.86% 20.32% -0.86%

용기Ⅰ 용기Ⅱ Propane 80% : DME 20%

- 45 -

DME-LPG 혼합연료 폭발특성 실험장치

연료

농도

L100

(Vol. %)

D20/L80

혼합연료

(Vol. %)

D40/L60

혼합연료

(Vol. %)

D60/L40

혼합연료

(Vol. %)

D80/L20

혼합연료

(Vol. %)

D100

(Vol. %)

연료/공기

혼합농도(%) 4.01 4.34 4.74 5.22 5.8 6.54

*L = LPG, D = DME

▶ 실험변수

- 6가지 연료

- 각 연료와 공기 혼합비는 양론농도

DME-LPG 혼합연료 폭발특성 시험연료

DME-LPG 혼합연료 폭발특성 실험 결과

화염전파거동

·장애물 도착시간 : DME 100% (22ms) > LPG(30ms)

·벤트 시간 : DME 100% (30ms) > LPG(38ms)

·LPG와 DME 20%의 장애물 도착 및 화염벤트 시간 유사

화염속도: DME 증가량에 따라 증가

·DME 100% : 최대화염속도(=15.7m/s)

·LPG 100% : 최소화염속도(=12.6m/s)

·LPG와 DME 20%의 화염속도가 매우 비슷한 경향

DME-LPG 혼합연료 폭발특성 실험결과

사용가능 DME-LPG혼합연료 혼합비

확인(2:8)

DME-LPG적용 설비 고무재료 성능평가

- 진행중

DME-LPG적용 표준 고무재료 제시

- 진행중

1. DME-LPG혼합연료 적용 LP사용시설

- LP설비 및 가스용품 안전성 확인

2. DME-LPG혼합연료 적용 공급시설

- 탱크로리,소형저장탱크 안전 확인

3. LP가스용 재료 특성시험

- 고무 및 금속재료 안전 확인

4. DME혼합연료 폭발특성시험

- LP인프라 안전거리 유지

DME-LPG혼합연료 시범보급사업을 위한 안전성 확인

DME-LPG혼합연료 상용화를 위한 법령 정비

(액법)문제점 관련법령 검토사항

혼합연료를

연료용 가스에 포함

품질기준 관련 고시1) - 한국석유관리원 수행필요

순수LPG와 DME-LPG

혼합연료 혼용저장불가

(가스성분 및 가격차이)

별표32)

별표53)

별표64)

- 저장능력(W=0.9dV)에 따른 사업소 경계와의 거리

• d(프로판0.472, 부탄0.54, DME0.63))의 차이 적용여부 : 서울산업대 연구용역 결과 DME20% 혼합연료의 폭발위험성은 유사함.

- 벌크로리 저장능력(G=V/C)

• C(프로판2.35, 부탄2.05, DME1.67) 차이 개정필요

- 배관 등 설비의 도색과 표시

- 추가연구 등 검증 사항

• 가스누출검지기 정상작동, 방폭성능, 가스용 PE배관 안전성

가스가격 차이로 인한 거래가격 표기 필요

별지5) 별표206)

- LPG → DME-LPG로 변경 표기 충전사업자 ↔ 판매사업자 충전사업자 ↔ 사용자 판매사업자 ↔ 사용자

용기 별도표기 기준 관련고시7) - 용기 표기(고법은 저장탱크 포함) 및 가스가격조사 관련 조항

혼합연료 적용 보급 제외대상표기

별도 고시 제정

- <실증 및 시범사업 미추진> 자동차충전, 일부가스용품(연료전지, 이동식부탄

연소기, 냉난방기 등), 일부 특정설비(기화기 등)은 제외

사용량 대비 가격 사업자 자율결정

1) 액화석유가스의 품질기준과 검사방법•검사수수료 및 검사소요경비 지원방법 등에 관한 고시 별표 2) 액화석유가스 충전의 시설 •기술 •검사 •정밀안전진단안전성평가기준 3) 액화석유가스 집단공급저장소의 시설기술 •검사 •정밀안전진단안전성평가기준 4) 액화석유가스 판매액화석유가스충전사업자의 영업소에 설치하는 용기저장소의 5) 액화석유가스 안전공급계약서 별지 서식 32호 시설•기술•검사기준 6) 액화석유가스의 공급방법 7) 액화석유가스 안전대책의 효율적 추진을 위한 용기관리 및 소비자보호에 관한 기준

가정상업용 DME-LPG 혼합연료°€스안전공사.pdf · 2011-11-08 · 연구진행내용...

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