누출된 유해가스의 확산 및 이동에 관한 연구

박 영재, 선우 영

건국대학교 환경공학과

A Study of the Dispersion & Transport of Accidentally Released Toxic Gases

Youngjae Park, Young Sunwoo

Kon-Kuk University, Department of Environmental Engineering

1. 서 론

유해한 독성물질의 폭넓은 사용 증가와 더불어 이들 물질의 누출사고 발생시 피해지역을 추정하는 수치 모델의 필요성이 커지고 있다. 유해 독성 화학물질의 누출사고의 가장 큰 특징은 일반 환경대기의 비중보다 더 무거운 증기운을 형성한다는 것이다[1]. 일반 대기오염물질의 모사에서는 바람장의 상태에 의존하는 수동적인(passive) 대기확산의 움직임을 나타내는데 반하여, 누출된 유해 화학물질은 많은 경우 상당시간동안 주위의 공기보다 무거운 상태에서 대기중 움직임을 나타낸 후, 충분히 주위의 공기와 혼합이 이루어진 후에 수동적인 대기 확산을 나타낸다[2]. 따라서, 이러한 누출된 유해 화학물질의 대기중 움직임을 수치적으로 모사할 때에는 주변의 공기보다 무거운 증기운을 형성하여 이동하는 것과 함께 수동적인 확산이 발생하는 시점부터는 이의 모사를 행할 수 있는 모듈을 내장하여야 한다[3].

본 논문에서는 이러한 누출된 유해 독성 화학물질의 대기중 이동 및 확산을 모사하기 위하여 미국 EPA와 NOAA에서 공동개발한 ALOHA 모델을[4] 사용하였으며, 대조모델로서 미국 EPA의 INPUFF 모델을 이용하였다[5]. 또한 연구 대상지역으로는 화학물질을 대량 취급하는 산업체가 밀집하여 있는 울산의 석유화학단지를 설정하였으며, 기상 분석을 통하여 최악의 경우(worst-case)와 가장 발생확률이 높은(most-probable) 기상 상태를 설정하여 시나리오별 모델 결과를 분석함으로서 누출 사고 발생시 특성들을 도출하였다.

2. 본 론

본 논문에서 사용된 모델은 기상 모델로서 PCRAMMET[6], 대기확산 모델로서 ALOHA 및 대조모델로서 INPUFF를 사용하였다. 이중 대기확산 모델인 ALOHA와 INPUFF 모델에 대한 간략한 기술을 아래에 나타내었다.

1) 사용모델 개요

ⅰ. ALOHA

ALOHA는 GUI를 이용한 PC용 모델이며, 일반적인 대기 확산 및 주변 공기보다 무거운 가스(dense gas) 누출을 모사할 수 있는 모델이다. 이 모델은 모델 실행을 위해 입력변수를 입력하는 5개의 모듈 또는 데이터베이스를 내장하고 있다. 이들 모듈은 "Chemical", "Site Data", "Atmospheric", "Source" 그리고 "Compu- tational"이다. 누출 형태는 "Source" 모듈을 이용하며, pool evaporation, 저장조로부터 기·액상 누출, 파열된 파이프에서의 가스누출로 대표되는 누출 형태를 설정할 수 있다. 만약 사용자가 누출양을 알고 있다면 누출형태를 지정할 필요는 없으며, 모델은 가스의 온도, 누출 시간 등과 같은 기타 다른 인자들을 필요로 한다. 화학물질에 대한 물리·화학적인 자료는 모델 내장 데이터베이스에서 이용할 수 있다.

모델의 결과는 "text summary"와 "footprint" plot, 그리고 농도에 대한 time- series 등으로 표현할 수 있다[7][8]. 그러나, 여러지점에 대한 수용위치 지정을 동시에 행할 수 없으며, 대기중 화학변화를 모사할 수 없는 한계점이 있다.

ⅱ. INPUFF

INPUFF 모델은 그 적용범위가 광범위한 Gaussian integrated puff 모델이다. INPUFF 모델은 시간에 따른 배출량의 변화를 모사할 수 있으며, 정상상태로 표현되는 각각의 개별적인 퍼프가 비정상상태의 모델 domain내에서 임의의 시간간격별 농도 분포를 계산하는 모델이다[9].

ALOHA와는 달리 100개까지의 특정 위치를 지정하여 농도를 계산할 수 있으며, 모델 domain내에 기상 측정점이 많을수록 더 정확한 기상상태의 모사가 가능하다. 그러나, 주변 공기보다 무거운 가스의 모사를 할 수 없으며, 대기중 화학변화를 고려할 수 없다.

2) 모델 입력 시나리오 설정

본 연구에서는 기상 및 누출점 시나리오를 설정하고 조합하여 연구를 진행하였다. 각각의 시나리오 설정 방법 및 내용은 다음과 같다.

ⅰ. 기상 시나리오

기상 시나리오는 울산 측후소에서 측정한 94년 1월에서 95년 12월까지 2년동안의 시간별 풍향, 풍속, 기온 등을 기상 모델인 PCRAMMET를 이용하여 처리하였다. 처리된 자료를 가장 발생확률이 높은 경우와 최악의 상황으로 고려되는 경우를 계절별 2회씩 각각 설정하여 총 16개의 기상 시나리오를 설정하였다. 설정된 시나리오는 표 1과 표 2에 나타내었다.

표 1. 대표 기상 시나리오

계절	No.	년/월/일/시	풍향 (degree)	풍속 (m/sec)	기온 (℃)	안정도 (P-G 안정도)	혼합고 (m)
봄	M*-1	94/04/20/06	360	2.2	13.1	D**	71.5
	M-2	95/05/20/21	160	2.2	16.7	D	3000
여름	M-3	94/07/28/09	70	1.7	26.8	D	18.8
	M-4	94/06/22/15	250	1.7	24.6	D	40
가을	M-5	94/09/27/22	320	1.7	16.1	D	70
	M-6	94/11/14/12	50	1.7	17.5	D	7.7
겨울	M-7	95/12/02/24	360	2.0	3.5	D	62.1
	M-8	95/02/25/23	320	2.0	4.3	D	78

* ; M = Most-probably case

** ; Pasquill-Gifford Stability Class

표 2. 최악의 기상 시나리오

계절	No.	년/월/일/시	풍향 (degree)	풍속 (m/sec)	기온 (℃)	안정도 (P-G 안정도)	혼합고 (m)
봄	W*-1	95/04/18/09	180	0.7	14.2	F	7.2
	W-2	95/03/08/02	160	1.2	5.7	F	48.3
여름	W-3	95/08/16/10	180	1.5	33.2	F	40
	W-4	95/06/01/08	140	0.5	22.0	F	85.5
가을	W-5	94/11/12/11	180	0.7	19.7	F	32.3
	W-6	94/11/24/11	140	0.7	13.3	F	31.5
겨울	W-7	95/02/08/07	180	0.3	2.7	F	28.2
	W-8	94/12/24/11	160	0.5	13.0	F	0

* ; W = Worst case

** ; Pasquill-Gifford Stability Class

ⅱ. 오염원 시나리오

연구 물질로는 울산 석유화학 단지내 공장에서 실제 저장되고 있는 대표적인 물질을 대상으로 하였으며, 그 물질은 다음과 같다 ; 1) Acetaldehyde, 2) Butadiene, 3) Chlorine. 이밖에 누출고, 누출 시간 및 leak의 직경은 표 3에 나타내었다. 대상 물질에 대하여 표 3에서 각각의 설정값들을 조합하는 27개의 경우를 오염원 시나리오로 설정하여 모델 입력자료로 사용하였다.

표 3. 모델 입력 파라미터 및 설정 인자값

Parameter	설 정 값
누출고 (m)	0	1.5	3
누출시간 (min)	10	30	60
leak 직경 (cm)	2.5	5	10

3) 모델링 결과

표 1~3과 같은 시나리오값들의 조합에 의하여 ALOHA 모델 및 INPUFF 모델을 실행하였다. ALOHA와 INPUFF는 근본적으로 그 사용목적에서 약간의 차이점을 갖고 있기 때문에 직접적인 비교는 어려웠으나, 상대적으로 시뮬레이션 결과는 상당히 유사한 결과를 나타내었다. 그림 1은 설정 시나리오중 하나에 대한ALOHA 결과중 footprint plot를 나타낸 것이며, 그림 2는 INPUFF의 결과를 도시한 것이다.

두 모델을 이용하여 화학공장에서 저장중인 유해 화학물질이 누출되었을 경우 누출된 물질의 이동 및 확산 범위를 추정함으로서 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다 ; 1) 누출 시간이 30분 이내인 경우 누출물질의 확산범위는 약 5Km 이내였으며, 1시간 이상 누출된 경우 10km를 초과하여 광범위하게 확산되어 넓은 지역에 걸쳐 심각한 피해를 야기할 수도 있을 것으로 사료된다. 2) 피해 범위의 산정에 있어 가장 영향이 큰 기상인자로는 안정도 또는 혼합고보다는 풍향 및 풍속이였다. 이에 따라 계절별로 본다면 봄과 여름에 사고가 발생할 경우 그 피해범위내에 주거지역이 포함될 확률이 높아진다. 3) 누출점의 높이는 결과에 큰 영향을 주지 않음이 두 모델의 시뮬레이션 결과에서 나타났다.

그림 1. ALOHA 결과 중 footprint plot      그림 2. INPUFF 결과중 확산 범위

3. 결론

화학공장내의 저장시설에서 누출된 유해화학물질의 이동 및 확산을 두가지 모델을 이용하여 모사하였다. 모델의 결과를 분석하여보면 누출특성에 대하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다 ; 1) 피해범위는 누출조건의 영향인자이며, 2) 모사 결과를 바탕으로 누출점 높이는 대기중 확산에 큰 영향을 미치지 않을 볼수 있고, 3) 누출후 주변 공기보다 무거운 상태를 나타내는 경우 그렇지 않은 경우보다 확산 속도 및 범위가 작음을 나타내었다.

두 모델의 결과값은 어느정도 차이를 나타내고 있으나, 각 시나리오별 경향은 상당히 일치함을 나타내고 있다. 따라서, 실제 누출 사고 발생시 신속히 이용할 수 있는 취급의 용이성을 확보한 모델이 유용성에서 앞선다고 할 수 있다.

참고문헌

1. Jawad S. Touma, "Performance Evaluation of Dense Gas Disperison Model",         Journal of Applied Meteorology, Vol. 34 1995 pp 603~618

2. Daniel A. Crowl, Joseph F. Louvar, " Chemical Process Safety : Fundamentals       with Applications", PRT Prentice Hall, 1990, pp 121~151

3. Manju Mohan, M. P. Singh, " Development of Dense Gas Dispersion Model for Emerg     ency Preparedness",Atmospheric Environemnt Vol. 29 No. 16, 1995 pp 2075~2087

4. Elizbeth M. Insley, Michael D. Walters, " Comparison of CAMEO versus ISCST3     for Toxic Impact Assessment" Air & Waste Management association, 89th Annual     Meeting, 1996

5. 조영도, 김래현, □가스누출 확산모델과 폭발 피해 영향평가□ 화학공업과 기술,     제14권 제 4호, 1996 pp360~370

6. Office of Air Quality Planning and Standards, " PCRAMMET User's Guide", US EPA, 1995

7. Chemical Emergency Preparedness and Prevention Office, "ALOHA user's Manual",     US EPA & NOAA, 1995

8. Office of Air Quality Planning and Standards, "Guidance on the Application of Refined     Dispersion Models to Hazardous/Toxic Air Pollutant Releases", U.S EPA, 1993. 4, pp3-2

9. U.S EPA Research Triangle Park, "INPUFF 2.0 User's Guide", US Department of     Commerce, 1986