가연성물질의 연속적 누출에 의한 폭발의 영향평가에 관한 연구

이경덕, 신창섭

충북대학교 공과대학 안전공학과

A Study on the Assessment of Explosion

by Flammable Materials Released Continously

Kyoungduck Lee, Changsub Shin

Dept. of Safety Eng., Chungbuk Nat'l Univ.

서 론

화학공정 설비의 규모가 증가하고 가연성물질, 반응성이 높은 물질의 사용·저장이 증가함에 따라 누출로 인한 화재·폭발사고의 발생 가능성이 증가하고 있다.  화학공장에서 가연성물질의 누출로 인하여 발생한 화재·폭발사고는 공정시설의 파괴는 물론 근로자 및 인근지역의 주민들에게까지 치명적인 피해를 미칠 수 있으므로 이에 대한 체계적인 연구와 방지를 위한 적절한 대책의 마련이 반드시 필요하다.

본 연구에서는 공정안전관리(PSM)의 핵심부분인 정량적 위험성 평가를 수행하기 위한 요소로 가연성 물질이 대기중으로 누출시 풍속, 대기안정도, 지표면의 특성등과 같은 조건에 따른 가연성 물질의 대기확산 과정을 모사하고, 누출된 가연성물질의 폭발범위를 계산하여 누출사고로 인한 폭발에 의한 피해정도와 영향범위를 제시하고자 한다.

분산모델

증기운의 분산모델은 누출 근원지로부터 연속적으로 방출되는 물질의 정상상태 농도를 나타내는 plume형과 고정된 양의 일시 방출로 물질의 일시적 농도를 나타내는 puff의 형태로 나타낼 수 있으며, 증기운의 대기중 확산에 영향을 미치는 인자는 풍속, 대기안정도, 표면거칠기, 누출지점의 높이와 누출된 초기물질의 부력과 운동량등이 있다.

그리고 누출된 후 확산되어 가는 과정를 4가지 단계로 구분할 수 있는데 첫 번째 단계는 저장탱크 내부의 압력에 의한 대기중 분출, 두번째 단계는 분출압력과 가연성물질의 밀도차에 의한 증기운의 거동이다.  세 번째 단계는 공기와의 밀도차에 의하여 가스가 퍼지게 되는 거동이며, 네번째 단계는 공기와 누출된 물질의 혼합으로 인한 수동적 확산 영역이다.  공기보다 무거운 분자량을 갖는 물질의 누출 또는 공기보다 분자량이 작더라도 냉각된 물질의 누출 등에 의하여 공기보다 무거운 증기운이 형성되며 중력에 의하여 지면으로 가라앉게되어 옆으로 퍼져나가게 된다.  이런 현상은 시간이 경과 함에 따라 공기와의 혼합에 의하여 밀도차가 점점 줄어들게 되어 중력의 효과를 무시할 수 있을 때 다시 수동적 확산 모델로 전환된다.

위험성 물질의 대기확산과정을 모사하기 위해 DEGADIS (DEnse GAs DISpersion) 2.1을 사용하였으며 프로그램에 사용된 logic diagram 은 Fig.1 과 같이 나타낼 수 있으며 이 프로그램의 지배식은 (1)과 같다.

[eqn: C` = Q over {2□□_y □_z U}`` exp [ -Y^2 over {2 □_y ^2}]~[exp`` -(Z-H)^2 over {2 □_z ^2} + exp`` (Z+H)^2 over {2 □_z ^2}]]  (1)

Local information

Estimate cloud size or

plume generation rate

Chemical information

□                         □                         □

□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□

↓

Run dense gas

model package

□

↓

Output from

dense gas model

Fig. 1. Logic diagram for dense gas dispersion modeling.

폭발영향평가

대기중으로 누출된 가연성 가스가 점화원과 접촉하여 발생한 폭발에 의한 피해는 물적인 것과 인적인 것이 있으며 공기중에 발생된 충격파가 재해손실의 주요원인이 된다.  이때의 압력에 의한 피해영향은 스케일화된 거리와 폭풍피크압을 나타내는 TNT 폭발을 기준으로 해서 피크압력을 산정하여 피해영향을 예측할 수 있다.

증기운의 폭발 영향을 평가하기 위하여 누출지점에서 농도가 폭발하한계가 되는 지점까지의 방출량과 연소열을 계산하여 TNT 상당량으로 나타낼 수 있는데 이때 손상의 형태에 따른 과압과 환산거리와의 관계 그래프를 이용한다.

모사방법

가연성 물질의 누출시 확산으로 인한 폭발에 의한 피해를 모사하기 위해 화학공장과 가정에서 연료로 많이 사용되고 있는 연료가스를 선정하였으며 확산조건 중 대기조건은 95년도 청주 평균기상을 기준으로 대기조건을 선정하였다.    가연성물질의 대기확산 과정을 모사하므로써 누출시 대기조건의 변화에 따른 거리별 농도변화를 예측하였으며 누출지점에서 농도가 폭발하한계가 되는 지점까지의 가연성 증기운의 방출량을 구하였다.  또한 폭발하한계 이상의 총방출량을 이용하여 TNT 상당량으로 환산하고 고려하고자 하는 손상의 형태에 따른 값을 기준으로 특정과압에서 폭발중심으로 부터의 반경을 결정하여 주변에 심각한 손상을 미칠수 있는 이격거리를 제시하였다.

Fig. 2. The variation of concentration

by the wind speed for LPG.

Table. 1 The variation of TNT equivalency and damage distance

by wind speed.

Wind speed (m/s)	Mass of contaminent		TNT equivalency (kg)	Damage distance(m)
				nearly complete destruction for house	lower limit of serious structural damage	miner damage to house structures	10% window glass broken
	between the LFL and UFL	above the LFL
1 m/s	11434	11569	3455.7	226.8	468.7	1360.7	2796.6
2 m/s	3336	3556	1062.2	153.0	316.3	918.3	1887.6
3 m/s	1835	1939	579.2	125.0	258.4	750.2	1542.1
4 m/s	1015	1128	337.0	104.4	215.7	626.3	1287.4
5 m/s	723	864	258.2	95.5	197.4	573.1	1178.0
6 m/s	554	638	190.8	86.4	178.5	518.1	1065.0

결과 및 고찰

방출원으로부터 누출된 가스가 바람에 의해 plume 의 형태로 분산될때 Fig.1 은 풍속을 변화시켰을 때의 농도변화를 나타내고 있는데 풍속이 느릴때 방출된 가스는 공기와의 완만한 혼합을 보이면서 확산된다.

또 Table.1에서는 풍속이 증가함에 따라 폭발하한계이상에 해당하는 가스량은 감소하며 이로 인한 TNT 상당량도 감소하고 있는 것을 알 수 있다.  그리고 손상형태별 피해범위는 풍속이 증가할수록 짧아졌는데 이것은 풍속이 증가할수록  공기와의 희석속도가 빨라지므로써 농도값이 낮아지기 때문이다.

결 론

DEGADIS 2.1을 사용하여 대기조건에 따른 가연성물질의 방출량, 확산거리,  TNT상당량과 손상형태별 위험거리와의 관계를 모사한 결과 풍속이 느려질수록 공기와의 완만한 혼합을 보이면서 확산거리가 길어지며, 대기안전도 등급이 A일때 초기 누출가스는 공기와의 급속한 혼합을 보이며 확산되고, 지면거칠기가 작을수록 거리에 따른 농도값이 커짐을 알 수 있었다.

대기조건에 따른  TNT 상당량의 변화는 풍속이 느려질수록, 대기의 안정도가 안정될수록, 또 지면의 거칠기가 적을수록 폭발하한계이상의 방출량과  TNT 상당량이 증가함을 보이고 있다.

가연성 물질의 저장탱크에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 과압이 미치는 거리는 누출시 풍속이 증가하면 공기와의 희석속도가 빨라져 피해거리가 짧아지게되며, 지면거칠기가 작아질수록 저장탱크에 미치는 과압이 커져 저장탱크간의 안전이격거리가 길어진다.

참 고 문 헌

1. Haven, J. A., Mathematical Model for Atmospheric Dispersion of              Hazardous Chemical Gas Release : An Overview, Proceedings, American      Institute of Chemical Engineers Center for Chemical Process Safety's         International Symposium on Preventing Major Chemical Accidents,            Washington, DC., 1987

2. Spicer, T. O. and J. A. Havens, User□s Guide for the DEGADIS 2.1 Dense     Gas Dispersion Model, Enviromental Protection Agency, Report EPA-450       /4-89-019, 1989

3. Spicer, T. O. and J, A. Havens, Application of Dispersion Models to           Flammable Cloud Analyses, J of Hazardous Materals., 49, 115, 1996.