유해물질 저장시설의 누출사고에 따른 인근지역에 대한 안전영향 평가

김구회, 오영석, 장태석, 윤인섭

서울대학교 화학공학과

A Consequence Estimation of Release of Hazardous Materials

to Surrounding Area

Ku Hoy Kim, Young Seok Oh, Tae Suk Chang, En Sup Yoon

Department of Chemical Engineering, Seoul National University, Seoul 151-742, Korea

서  론

현대산업에 있어서의 대규모화, 복잡화, 고속화 등은 생산기술의 발전과 이에 따른 재해의 발생 또한 다발적이며 피해의 광역화를 수반해왔다. 석유화학시설에서의 폭발사고와 특히 유해물질의 누출로 인한 피해는 장기적인 환경에 대한 심각한 피해와 더불어 인체에 치명적인 영향을 끼칠 수 있으므로 이에 대한 체계적인 고찰과 이의 방지를 위한 적절한 대책 마련이 시급하다고 할 수 있다. 유해물질 혹은 독성물질의 누출은 석유화학산업에서 발생하는 일반적인 화재나 폭발의 경우와는 달리 구별되는 특징이 몇 가지 있다. 먼저 발생가능성 및 경제적 손실면에서는 독성물질의 누출의 경우는 화재나 폭발에 비해 낮지만 인체나 환경에 대한 치명도면에서는 화재나 폭발에 비해 월등히 높음을 알 수 있다. 또한 폭발의 경우는 다른 경우에 비해 인체에 대한 큰 피해를 유발한다는 특징이 있다.

따라서 본 연구에서는 수도권 일대의 유해물질 취급시설에서의 폭발이나 독성물질누출로 인한 피해가 공장내부의 근로자나 공장외부의 지역주민 특히 서울지역에 미칠 수 있는 여러 가지 위험상황의 유형에 대한 고찰과 위험성 평가 프로그램을 사용하여 유해물질의 누출 거동에 대해 조사하고 누출시 인근지역의 주민에의 안전기준치 설정을 위한 기반을 마련하고자 한다.

확산 모델링에 필요한 input data

일반적으로 확산모델링의 최적 적정여부를 결정짓는 데에는 누출원, 기상조건, 지형이나 지세 등이 큰 변수로 작용하고 있다. 먼저 확산모델링에 요구되는 데이타로는 누출물질의 물리적, 화학적 특징과 누출위치의 기하학적 형태, 공정의 안전장치, 누출시간, 지표면의 특성 등이 있다. 누출물질의 물리적, 화학적 특징으로는 확산도, 전도도, 비점 등이 요구되며, 혼합물일 경우에는 각각의 성분에 대한 특징들을 필요로 한다. 누출위치의 기하학적 형태는 파이프나 탱크 등 누출원의 크기 등이 포함되며, 공정의 안전장치에는 안전밸브나 럽쳐디스크의 장착여부 등이 확산 모델의 한 요소로 작용하고 있다. 누출 경과후의 시간은 인체에 대한 피해 및 환경에 대해 크게 작용하고 있기 때문에 확산모델링시 반드시 고려되어야 할 항목이다.

두 번째로 기상데이타를 들 수 있는데,  여기에는 풍속, 온도, 상대습도, 대기안정도 등이 확산에 영향을 미치며, 그 외에 탱크 등의 크기나 장치나 조업조건 등도 확산 모델에 고려되어야 한다.

유해물질의 누출과 확산모델

사고가 발생하면 공정장치로부터 유해물질이 매우 빠르게 누출되고 공장내와 인근지역에 피해를 줄 수 있는 위험한 증기운들이 형성된다. 일반적으로 유해물질의 누출은 공장과 인체, 환경에 중대한 피해를 유발하기 때문에 좋은 안전성 향상 프로그램은 이러한 사고가 발생하기 전에 그 문제점을 찾아내어 이를 사전에 방지하는 것이다. 또한 화공엔지니어들은 이러한 유해물질 누출에 대한 현상을 정확히 이해함으로써 그로 인한 피해를 사전에 방지하는 것이 필요하다. 유해물질의 대기중 확산에 영향을 미치는 파라미터로 바람의 속도, 대기안정도, 지표면의 상태, 누출지점의 높이 등이 있다. 연속누출(Continuous release)의 경우 바람의 속도가 증가함에 따라 증기형태는 더 길어지고 더 넓어진다. 따라서 누출된 물질은 바람의 방향으로 더 빠르게 이동하지만 많은 양의 공기에 의해 더 빨리 희석되기도 한다.

대기안정도는 공기의 수직혼합과 관계가 있는데, 낮에는 높이에 따라 공기의 온도가 빠른 속도로 감소하지만 밤에는 덜 감소하는 추세를 보이며, 지표면의 상태는 지표면에서의 혼합과 높이에 따른 바람에 영향을 미친다. 또한 누출높이는 지표면에서의 농도에 크게 영향을 미친다. 즉, 누출높이가 높아질수록 지표면에서의 농도가 감소함을 보이며, 누출지점의 높이는 지표면 농도(ground level concentration)에 크게 영향을 미친다.

유해물질 누출의 경우 대기중으로 확산되어 가는 과정은 일반적으로 다음의 4가지 단계를 거쳐 일어난다. 열역학적으로 누출된 가스는 평형상태에 있다고 가정하여 증기운내에 포함된 건조공기, 공기중으로부터의 수증기, 증기로 누출된 물질, 액체로 누출된 물질의 혼합되기 전과 혼합된 상태의 엔탈피 발란스(enthalpy balance)를 세워 증기운의 상태(열역학적 특성)를 계산할 수 있다.

Fig 1. Stage of a continuous release/an instantaneous release

초기난류혼합(Initial turbulent mixing) : 여기서는 2가지 모델을 사용하여 누출물질의 거동을 묘사하는데, 균일제트모델(uniform jet model)과 가우스제트모델(gaussian jet model)이다. 균일제트모델에서는 어떤 단면적에 대해 균일한 농도분포를 갖는 제트로서 누출물질을 다룬다. 가우스제트는 Ooms model(1972)을 기초로 한 확산모델로서 제트의 농도와 밀도 분포가 가우스분포를 갖는다고 가정하여 제트의 흐름에 대해 과잉질량플럭스의 변화속도(dM/ds)와 운동량플럭스의 변화속도(dI/ds) 등을 사용하여 표현한다.

과밀증기운 확산(Dense cloud dispersion) : 과밀증기운 확산모델은 Cox와 Carpenter model로 표현할 수 있고, 공기보다 무거운 물질의 누출이나 냉각된 물질의 누출의 경우에 대해 적용된다.

수동확산(Passive Dispersion) : 누출지역으로부터 어느 정도 떨어진 지점에서 누출물질의 확산은 대기의 난류에 의한 영향을 받게 되며 이러한 확산은 대기의 안정도(stability class)나 표면의 상태 등에 크게 의존한다.

연속누출(Continuous release)의 경우,

[eqn: C~=~ G over {2 pi sigma_y sigma_z u} LEFT [ exp -y^2 over {2 sigma_y ^2} RIGHT ] ~ LEFT [ exp {-(z-H)^2 over {2 sigma_z ^2}} ~+~exp {-(z+H)^2 over {2 sigma_z ^2}}RIGHT ]]

여기서,	x,y,z = 누출원으로부터의 거리, m(x=downwind, y=crosswind, z=vertical)

C = 위치 x,y,z에서의 농도(kg/m3)

G = emission rate(kg/s)

H = 지표면에서부터의 누출원의 높이, m

□y,□z = dispersion coefficient, m (function of distance downwind)

u = 바람의 속도, m/s

순간누출(Instantaneous release)의 경우,

[eqn: C~=~ M over {2 pi^{3/2} sigma_x sigma_y sigma_z } LEFT {exp LEFT [ - (x-ut)^2 over {2 sigma_x ^2} - y^2 over {2 sigma_y ^2} RIGHT ] RIGHT } ~ ###TIMES ~ LEFT [ exp {-(z-H)^2 over {2 sigma_z ^2}} ~+~exp {-(z+H)^2 over {2 sigma_z ^2}}RIGHT ]]

여기서,	M = 누출량, kg,

t = 누출후의 경과 시간, s

잘 알려진 가우스모델이 바람의 속도와 방향에 크게 의존하는 부유가스(buoyant gas)의 확산 거동을 잘 설명하고 있다. 특히 수십년간에 걸쳐 이러한 부유가스들은 가우스모델을 사용하여 발전소에서의 누출을 대상으로 연구되어 왔다. 이러한 확산모델은 사고위치로부터 유해물질이 공장내부나 인근지역으로의 공기중 이동을 묘사하는 것이다. 물질의 최대 농도는 누출위치에서 감지되며, 바람이 부는 방향으로는 농도는 난류혼합(turbulent mixing)과 유해물질의 공기중으로의 확산에 의해 감소된다.

대상시설의 선정

현재 서울을 비롯한 수도권 일대에는 유해물질을 고압상태로 저장하는 업소가 산재하고 있다. 유해물질의 노출에 의한 영향을 산정하기 위하여 염소를 저장하고 있는 T정수장을 대상으로 하였다. 염소저장탱크에 균열이 생겨 누출되는 경우와 갑작스런 파열에 의한 경우를 나누어 계산하였다. 여기서 사용된 PHAST(Process Hazard Analysis Software Tools)는 DNV Technica의 공정안전분석소프트웨어로서 다음과 같이 구성되어 있다.

기상데이타는 서울대 기상관측소의 협조하에 서울지역의 월별 풍향 및 풍속을 조사하여 봄, 여름, 가을, 겨울별로 계산을 시도하였다.

Fig 2. PHAST의 구성

결  론

확산모델링 소프트웨어를 사용하여 봄, 여름, 가을, 겨울의 4가지 경우에 대해 사용한 시나리오는 저장탱크의 균열로 인한 연속누출의 경우와 저장탱크의 갑작스런 파열로 인한 경우에 대하여 시도하였다. 봄, 여름, 가을, 겨울의 네 경우에 있어서 확산거리(dispersion length) 및 확산지역(dispersion area)을 지배하는 요소는 대기안정도인 것으로 나타났다. 대기가 가장 안정한 상태인 F 등급과 가장 불안정한 상태인 A 등급과의 확산거리는 큰 차이를 보이고 있으며, 확산지역 또한 이와 비슷한 결과를 유도해 낼 수 있었다. 확산모델링에서 바람의 속도 및 방향은 유해물질이 확산되는 방향을 결정하며, 바람의 속도에 따라 유해물질의 누출 경로가 약간 길어짐을 보이고 있다. 이러한 현상은 연속누출보다는 갑작스런 누출의 경우에 더욱 두드러지게 나타나는데, 저장탱크의 갑작스런 파열로 인한 누출의 경우 피해반경이 누출지점을 중심으로 원의 형태로 나타나며, 이러한 증기운은 바람의 속도와 방향에 따라 이동함을 알 수 있다.

참 고 문 헌

1. CCPS, "Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis", CCPS of the     AIChE, 1989

2. Crowl, Daniel A. and J.F. Louvar, "Chemical Process Safety: Fundamentals with      Applications", Prentice Hall, 1990

3. Lees, Frank P., "Loss Prevention in the Process Industries", Butterworths, 1986

4. CCPS, "Vapor Cloud Source Dispersion Models", CCPS of the AIChE, 1989