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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
화재폭발 영향도 및 사고 해석모델 연구(II)
- 연구책임자
- 한우섭 외 2명
- 수 행 연 도
- 2017년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1. 연구배경 가연성가스 등의 수요 증가로 대용량 저장시설이 증가하면서 화재폭발사고 규모가 대형화되고 있으며 이러한 저장탱크 화재폭발사고로 인해 사업장을 포함한 사업장 외부에까지 큰 피해가 예상되어 이에 대한 피해저감 대책이 중요해지고 있다. 저장탱크의 화재폭발사고에서 큰 피해가 예상되는 비등액체팽창폭발 (BLEVE)에서는 파이어볼(Fireball)에 의한 폭발 압력과 화염의 복사열, 그리고 파편의 비산에 의한 피해를 예상할 수 있다. 그러나 화재폭발 피해영향 평가를 위한 예측모델과 각각의 위험요인에 대한 평가 기준값이 다양하게 제시되고 있어 효율적인 활용을 위해서는 각 기준값에 대한 적용성 검토가 필요하다. 또한 저장탱크의 화재폭발 피해 영향 범위를 조사하는 경우에 정확한 누출량의 정보는 해석의 정확성에 매우 중요한 자료가 되므로 원인물질의 조건이 명확히 조사된 저장탱크 사고사례를 통해 화재폭발 피해영향 평가를 검토할 수 있다면 활용성이 높을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 저장탱크의 화재 폭발사고 예방을 위해 기존 영향 평가모델의 평가 기준값의 타당성을 조사하였다. 이를 위해 먼저 국내외 저장탱크에서 발생한 화재폭발사고사례를 조사, 분석하여 사고원인 및 예방대책을 검토하였다. 또한 누출 원인 물질과 누출량이 상세히 조사된 실제 저장탱크 화재폭발사고사례의 피해 결과를 고려하여 화재폭발 영향평가 모델의 산정 결과와 비교, 분석하였다. 평가기준이 코드 및 국가 별로 달라 적용하기가 쉽지 않은 폭풍압, 복사열 및 가스확산(폭발농도 영역)등에 대해서 실제 화재폭발 사고사례의 사고발생 조건을 고려한 평가모델 계산값과 실제 피해영향 결과를 비교하여 효율적인 화재폭발사고 영향평가 지표 및 활용법을 제시하하여 저장탱크의 화재폭발사고 저감에 기여하고자 하였다. 2. 주요 연구 내용 - 연구 결과 저장탱크의 화재폭발사고 분석결과, 사고원인은 낙뢰(33 %), 화기작업(13 %), 운전미스(12 %), 설비고장 (8 %), 과실(8 %)등으로 높았으며, 휴먼에러의 인적요인(36 %) 및 자연재해(36 %)에 의한 것이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 프로판 누출에 의한 실제 폭발사고사례의 피해결과를 해석모델을 통해 파이어볼의 직경(D)과 화염지속시간(t) 자료를 비교, 검토한 결과 프로판 누출량(Wg)이 커질수록 파이어볼의 직경(D) 및 지속시간(t)은 증가하였으며, 실제 사고 결과와 비교하면 KHK모델은 과대평가를 Hasegawa-Sato모델은 과소평가 경향을 나타내었으며, AIChE:CCPS(2010) 모델의 결과가 가장 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 기존의 파이어볼의 복사열 기준값(11.6 kW/m2)은 약 10초 동안에 화상을 입는 조건이지만, 저장탱크 누출에 의한 화재폭발사고 시에 폭로시간이 10 초 이상인 사례가 많으므로 이에 대한 고려가 요구되며, 파이어볼 복사열 기준값은 지속시간을 고려하여 설정하는 것이 필요하다. 또한 파이어볼을 완전흑체(1750 k, ε=1.0)로 가정하여 계산하는 기존 모델의 평가 결과는 실제사고의 예측에 있어서 복사열을 과대평가하는 경향을 나타냈으며 파이어볼 온도(T)의 4승에 비례하여 증가하는 KHK모델에서는 온도 변화가 복사열 강도에 큰 영향을 주므로 효율적인 평가를 위해서는 정확한 화염온도의 정보가 필요하다. 그러므로 화염온도의 실측값을 사용하여 계산한 KHK모델(1150∼1500 k) 및 화염면으로부터 대기중으로의 투과율을 고려한 AIChE:CCPS(2010)모델이 실제 폭발사고의 복사열 예측에 근사할 것으로 판단된다. 또한 기존의 파이어볼의 기준값(11.6 kW/m2)은 10초 동안에 화상 여부로 평가하지만 실제 폭발사고에서는 화염지속시간이 10초 이상도 많으므로 누출량 및 지속시간을 고려하여 5∼10 kW/m2 정도를 기준값으로 정할 필요가 있다. ALOHA에 의한 누출사고 시나리오에 대한 예측평가 결과 비등액체폭발 (BLEVE ; Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)에 의한 복사열 위험성이 가장 광범위한 지역에 영향을 주었다. 반면에 BLEVE의 위험성 지속시간은 증기운폭발, Flash화재 및 Jet화재와 비교하여 위험의 지속시간은 상대적으로 작았다. ALOHA에 의한 피해 평가로부터 Jet화재의 경우 위험 지역은 넓지는 않지만 1 시간 이상의 프로판 화염이 지속될 수 있으며, 이러한 결과로부터 위험지역의 크기 뿐만 아니라 복사열 노출시간도 화학물질의 화재폭발 위험성 평가에 중요한 지표임을 알 수 있었다. 또한 실제사고 시의 정확한 누출량을 적용하는 경우에 TNT당량모델을 적용한 과압 환산거리 및 피해상황은 실제 폭발사고의 결과와 유사하게 나타났다. - 시사점 저장탱크의 화재폭발사고 저감을 위해서는 화재폭발에 의해 발생할 수 있는 물적, 인적피해의 예측이 가장 우선적으로 검토되어야 한다. 이러한 피해예측결과를 기반으로 예방대책을 포함한 피해최소화 대책을 강구할 수 있기 때문이다. 이러한 관점에서 본 연구에서 검토한 복사열 및 과압피해 영향평가는 물리적위험성에 대한 것이지만 향후에 누출에 의한 화학물질의 독성위험 평가가 이루어진다면 종합적인 누출 피해영향 평가가 가능할 것이다. 3. 연구 활용 방안 - 제언 화재폭발의 피해영향평가를 위한 해석모델은 다양한 계산 조건을 검토하기 위하여 상세한 모델을 적용하는 것이 바람직하지만, 시간적 및 비용적 측면에서 활용성이 쉽지 않다. 그러므로 사고원인물질에 대한 상세한 조사가 이루어진다면 전반적인 계산의 정밀성과 계산 효율성의 양면을 고려한 거시적인 사고현상 해석 평가에 부합할 수 있는 간이 해석모델을 활용할 필요가 있다. - 개선 방안 * 파이어볼에 의한 피해영향평가에 있어서 최악의 시나리오로 상정시에는 화염온도를 1750 K로 설정하고, 대안적인 시나리오를 고려하는 경우에는 파이어볼의 온도를 1200∼1500 K로 정하여 계산하면 타당할 것으로 판단된다. * 파이어볼의 피해영향평가를 기존과 같이 복사열 기준값(11.6 kW/m2)만으로 평가해서는 않되며, 파이어볼의 지속시간을 고려하여 설정해야 한다. * 폭발사고 시의 원인물질 조건에 대한 사고조사를 통하면 폭풍압 모델평가에서 폭발사고 시의 보다 정확한 누출정보를 활용하면 TNT 등가법을 적용하더라도 폭풍압 피해 기준값에 타당한 영향범위 평가가 가능하다. - 활용 * 저장탱크의 화재폭발 피해 영향 기준값 및 해석을 통한 화학물질의 화재폭발 사고예방에 활용 * 화재폭발 재해형태 예측 정보제공을 통한 저장탱크의 화재폭발사고 저감에 기여 4. 연락처 - 산업안전보건연구원 산업화학연구실 한우섭 부장
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