Dense Gas Model들의 입력자료값에 따른 영향 비교

박 영재, 선우 영

건국대학교 환경공학과

A Comparison of the Effect of Input Parameters on the Dens Gases Model

Youngjae Park, Young Sunwoo

Kon-Kuk University, Department of Environmental Engineering

1. 서론

유해한 독성 화학물질의 사용 증가와 더불어 이들 물질의 누출사고 발생시 피해지역을 추정하는 수치 모델의 필요성이 증대되고 있으며, 이들 모델들의 사용 역시 증대되고 있다. 유해한 독성 화학물질이 관련된 사고의 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 누출 초기에 상당시간동안 주위의 공기보다 무거운 상태에서 대기중 움직임을 나타내며, 충분히 주위의 공기와 혼합이 이루어진 후에 수동적인 대기 확산을 나타낸다[2]. 현재 개발되어있는 누출 관련 대기 확산 모델들은 누출 초기 주변 공기보다 무거운 증기운을 모사할 수 있는 모듈을 내장하고 있다[3]. 이런 종류의 모델로는 EPA에서 개발된 ALOHA, SLAB, 미 공군에서 개발한 AFTOX 및 여러 가지 사용모델들이 있다. 이러한 모델들은 기본적인 개념은 유사하지만, 요구되는 입력자료에서 많은 차이점을 갖고있으며, 또한 내부적인 처리 방법에서 차이를 보이고 있다. 따라서, 모델들의 결과에서도 차이를 나타내게 되며, 각 입력 인자에 따른 결과에서도 많은 차이를 나타내게 된다.

본 논문에서는 이러한 누출된 유해 독성 화학물질의 대기중 이동 및 확산을 모사하는 dense gas model인 ALOHA와 SLAB에 대하여, 입력 자료 값이 결과에 미치는 영향에 대하여 알아보고자 한다.

2. 본론

본 논문에서는 dense gas model인 ALOHA와 SLAB을 사용하였다. 이들 모델에 대한 간략한 기술을 아래에 나타내었다.

1) 사용모델 개요

ⅰ. ALOHA

ALOHA[4]는 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. 그러나, 여러 지점에 대한 수용위치 지정을 동시에 행할 수 없으며, 대기중 화학변화를 모사할 수 없는 한계점이 있다.

ⅱ. SLAB

SLAB[4]은 주변보다 밀도가 큰 누출의 대기중 확산을 모사하는 PC용 모델이다. 이 모델은 지면에서의 증발, 높이에 따른 수평, 수직 제트 흐름 누출, 그리고 순간적인 누출과 같은 4가지 누출 형태에 대하여 적용이 가능하다. 증발을 제외한 기타 누출들은 에어로졸로서 특징지울수도 있다. 모델은 단일 실행에서 여러 기상 조건을 동시에 실행할 수 있지만, 실시간 기상 자료의 적용은 모델의 적용 대상이 아니다. 입력 자료는 외부 파일로 작성되며, 누출 형태, 특성, 환경 조건, 기상 조건 등이 포함되어 있다. 화학물질에 대한 데이터베이스는 모델내부에 내장되어 있지 않으나, 사용자 안내서에서 이용 가능하다.

모델은 그래프 형태의 결과를 생성하지 않으며, 테이블형태의 결과를 생성한다. 모델 결과 파일에는 입력 자료, 시간 평균 농도 및 플륨의 중심선 고도, 사용자 지정 고도에서의 농도 등이 나타나 있다.

2) 모델 입력 시나리오 설정

일반적으로 대기 확산 모델의 입력자료는 배출원관련자료, 기상관련자료, 그리고 수용자 관련 자료의 세가지로 구분된다. 이중 본 연구에서는 수용자 관련 자료로서 30분이상 노출시 치명적일 수 있는 농도값인 IDLH(Immediately Dangerous to Life and Health)의 최대 풍하측 거리에 대하여 설정하며 한계값으로는 10km로 한정하였다. 그리고 배출원 자료, 즉 누출에 대한 설정은 표 1과 같다.

표 1. 누출 시나리오

누출물질	Chlorine	IDLH 농도*	10 ppm
저장상태	가압(6atm), 상온	관리용량	70%
저장탱크 크기	직경 8.5m × 높이 15.6m의 Vertical Cylindrical Tank
누출점 높이	15m	누출점 직경	2"
누출속도	153kg/min

* IDLH : Immediately Dangerous to Life and Health

기상 관련 시나리오로는 기본 시나리오로서 표 2와 같이 기상 인자값을 설정하였으며, 이 값들은 서울지역에 대한 1987년부터 1996년까지 10년동안의 평균값이다.

표 2. 기상 시나리오

온도	12.5 ℃	상대습도	65%
풍속	2.35 m/sec	운량	50%

일반적으로 대기 확산 모델에서는 대기 안정도를 추정하기 위한 방법으로서 Pasquill-Gifford의 방법을 사용한다.[5] 이 방법은 풍속과 운량을 가지고 주간과 야간에 대하여 대기의 안정도를 6개의 등급으로 나누는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 풍속을 1.35, 2.35, 3.35, 4.35, 5.35, 6.35 그리고 7.35 m/sec로 변화시키며 ALOHA와 SLAB의 결과를 분석하였으며, 운량은 0%, 50%, 100%로 그 값을 변화시켜보았다. 또한, 지표면과 가까운 대기층의 난류형성에 많은 영향을 주는 지면 거칠기는 표 3과 같이 설정하여 각 값들을 변화시키며 결과를 비교하였다. 이들 변수들은 모든 경우의 수에 대하여 dense gas 모델인 ALOHA와 SLAB을 실행하여 결과를 비교하여보았다.

표 3. 지면 거칠기

a surface of ice	a runway	open country	tall tree	industrial area
0.001	0.1	3	9	100

3) 결과

본 연구에서는 7개의 풍향과 3개의 운량, 그리고 5개의 지면 거칠기 값에 대한 모든 경우의 수를 조합하여 모델링 결과인 IDLH 피해 범위를 비교하여 각 변수들의 영향을 분석하여 보았다. 표 4와 5는 ALOHA와 SLAB의 결과중 일부를 나타낸 것이다.

표 4. ALOHA 결과중 IDLH 범위        표 5. SLAB 결과중 IDLH 범위

[단위 km]	[단위 km]

풍 속 (m/sec)	운량 (주간)
	100%	50%	0%
1.35 2.35 3.35 4.35 5.35 6.35 7.35	3.0 2.7 2.3 2.0 1.8 1.7 1.5	2.2 1.7 1.4 1.6 1.4 1.7 1.5	1.8 1.7 1.4 1.6 1.4 1.7 1.5

풍 속 (m/sec)	운량 (주간)
	100%	50%	0%
1.35 2.35 3.35 4.35 5.35 6.35 7.35	0.7 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2	0.15 0.1 0.08 0.2 0.2 0.2 0.2	0.05 0.1 0.08 0.2 0.2 0.2 0.2

그림 1. 안정도 D에서 지면 거칠기에 따른 풍속별 피해 범위 변화

그림 2. 안정도 A에서 지면 거칠기에 따른 피해 범위 변화

그림 1과 2는 표 4와 5와 같은 모사 결과를 비교·분석한 결과이다.

3. 결과 고찰

본 연구에서는 화학공장내의 저장시설에서 유해 화학물질의 누출사고에 사용되어지는 대표적인 모델인 ALOHA와 SLAB의 각 입력 자료가 결과에 미치는 영향에 대하여 분석하여 본다. 현재까지의 연구를 통하여 몇 가지 결론을 유추할 수 있었다. 풍속이 빠를수록 누출물질의 확산이 잘 일어나 IDLH로 대표되는 피해 범위가 작아진다. 지면 거칠기가 클수록, 즉 지면의 마찰력이 클수록 풍속이 피해 범위의 추정에 미치는 영향이 작다. 또한, 지면 거칠기가 적을수록 풍하측의 피해 범위는 지수적으로 증가한다. 또한, 두 모델을 비교하여보면 전체적으로 SLAB이 ALOHA보다 지면 거칠기의 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Jawad S. Touma, "Performance Evaluation of Dense Gas Dispersion 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 Environment Vol. 29 No. 16, 1995 pp 2075~2087

4. "Guidance of the Application of Refined Dispersion Models to Hazardous/Toxic Air    Pollutant Release", Office of Air Quality Planning and Standards, US EPA, 1993,    pp 3-2∼3-7

5. Kenneth Wark, Cecil Warner, "AIR POLLUTION 2nd edition", Harper Collins       Publishers, 1981, pp 77∼83