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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
시뮬레이션 기법을 활용한 화학사고 예방연구 -Ⅰ
- 연구책임자
- 장창봉
- 수 행 연 도
- 2014년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- ,1. 연구제목 : 시뮬레이션 기법을 활용한 화학사고 예방 연구 2. 연구의 필요성 및 목적 본 연구는 화학물질 취급공정에서 발생하는 화학사고를 예방하기 위해 기본적으로 요구되는 리스크 분석(Risk Analysis)시 공정의 특성을 잘 반영하여 가상적 예측 결과가 실제와 매우 유사한 CFD 언어를 활용 및 적용함으로써 화학공장의 고위험 공정을 대상으로 신뢰성 있는 사고피해결과를 분석하고 결과에 따른 안전확보 방안을 제시함과 동시에 화학사고 조사시 과학적 원인조사가 이루어 질 수 있는 분석방법을 제시 하고자 한다. ○ CFD 언어를 이용한 화학공장의 고위험 공정에 대한 사고피해결과(Consequence Analysis) 분석 및 대책방안 제시 ○ 화학공장의 리스크 분석을 위한 새로운 패러다임 제시 ○ 화학사고 발생시 과학적 원인 조사를 위한 접근방법 제시 3. 연구내용 및 방법 화학사고시 과학적으로 원인을 분석함과 동시에 사고예방을 위한 화학공장의신뢰성 있는 리스크 분석 및 접근방법을 제시하기 위해 수행한 본 연구는 이를 위한 방법론적 사례로 화학공장의 고위험 공정인 RHDS(잔사유수첨탈활공정) 공정을 대상으로 실제공정과 운전조건, 설비 및 장치의 형태와 밀집도, 대기상태, 바람의 영향 등 여러 복합적 변수를 고려하여 FEA와 CFD 시뮬레이션 수행하였으며 방법은 다음과 같다. ○ 국내 화학사고 고위험 대상공정 선정 ○ 선정공정에 대한 3D 모델링을 위한 역설계 Scanning ○ 공정 리스크의 잠재위험 확인을 기반으로 한 사고시나리오 작성 ○ FEA(Finite Element Analysis) 시뮬레이션 분석 ○ CFD(Computational fluid dynamics) 시뮬레이션 - 시스템 유동해석, 확산 및 폭발 해석 ○ 시뮬레이션된 누출 화학물질의 확산거동 분석 - 시간에 따른 변수(농도, 피해범위 등) ○ 시뮬레이션을 통한 누출물질의 피해영향 결과 분석 4. 연구결과 가. CFD를 위한 3D Scanning 기술의 도입 및 활용성 CFD 시뮬레이션의 형상을 취득하기 위해 활용한 3D Scanning 기술은 잘 적용되었으며 활용성이 입증되었다. 그러나 앞으로, 더욱더 정밀한 형상을 얻을 수 있는 고도화된 Scanning 기술 즉, 쉽고 빠른 시간 내에 대상공정의 형상을 취득 수 있는 신기술의 접목이 필요하다 판단된다. 나. FEA 기법을 통한 누출공 크기 산정 방법 제시 현재 누출공의 크기를 정함에 있어서 명확한 적용방안이 제시되고 있지 않아 FEA 기법을 활용하여 누출공 크기를 산정하고 이에 대한 접근방법에 대해 제시하였으며 결과로서, 기존의 일부 관련 기술자료 대비 현실적인 누출공 크기를 산정할 수 있었다. 다. 누출량 산정을 위한 유체유동 시뮬레이션의 활용성 Flownex Code를 이용한 유체유동해석 결과, 수치계산 결과보다 훨씬 더 신뢰할 만한 정밀한 결과 값을 도출하였으며 확산 및 폭발 시뮬레이션에 원활하게 적용함으로서 뛰어난 활용성을 나타내었다. 라. CFD를 이용한 확산 및 폭발 시뮬레이션의 신뢰 및 활용성 RHDS(잔사유수첨탈황공정)공정을 대상으로 발생 가능한 사고를 선정하여 확산 및 폭발 시뮬레이션을 Flacs Code를 이용하여 수행한 결과, 단순 모델인 TNT-Equivalent, TNO-Multi Energy, Baker-Strehlow Model 보다 훨씬 더 신뢰할 만한 결과를 도출하였다. 그리고 화학사고의 원인조사에 있어서 이러한 시뮬레이션을 방법을 활용할 경우 과학적으로 원인 분석이 가능함과 동시에 리스크 분석에 활용할 경우에는 화학사고 예방을 위한 실용적 리스크 평가가 어루어질 수 있을 것으로 판단된다. 마. 폭발 시뮬레이션을 통한 안전거리 산출 방법 제시 현장에서 아직까지 논쟁이 많은 안전거리 산정과 관련하여 본 연구의 폭발 시뮬레인션을 결과를 활용하여 관련된 법령 조건을 만족함과 동시에 사업장의 실질적인 리스크 관리를 위한 접근방법에 대해 제시하였다. 그러나 법에서 제시된 안전거리의 경우, 제시된 거리의 근거가 되는 피해 결과와 영향인자에 대해서는 아직까지 명확하게 제시되고 있지 않아 사업장 자율적으로 기준을 정해야 하는 문제로 인해 향후, 이 부분에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다 바. 연구의 제한 및 문제점 본 연구에서 적용 및 활용한 각각의 시뮬레이션 기법은 단계별로 정밀한 결과를 얻을 수 있는 큰 장점이 있으나 경험적으로 다음과 같은 과제들을 해결해 가야 할 것으로 판단된다. ○ 시뮬레이션을 위해 수반되는 고가의 비용 및 시간 ○ 시뮬레이션 및 해석을 위한 전문적인 지식 ○ 시뮬레이터 사용을 위한 장시간의 교육 ○ 공정별 시뮬레이션 결과의 검증을 위한 누출 및 폭발실험 ○ 각각의 시뮬레이터간 데이터 연동을 위한 많은 절차 및 방법 5. 활용방안 및 기대성과 연구를 통해 제시된 시뮬레이션 기법을 활용한 리스크 분석 방법은 임의적으로 이루어지고 있는 누출공 크기와 누출량 산정 방법을 대체할 수 있는 과학적인 접근 방법으로써 활용할 수 있으며 또한, 이를 기반으로 한 확산 및 폭발 CFD 시뮬레이션은 실제와 가장 근접한 사고피해를 예측 및 분석함으로써 정밀한 리스크 분석이나 화학사고시 원인을 과학적으로 분석할 수 있는 방법으로도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 6. 중심어 : 리스크 분석, 3D Scanning, FEA, CFD 7. 참고문헌 및 연락처 가. 참고문헌 [1] Anna Qial, Steven Zhang, "Advanced CFD modeling on vapor dispersion and vapor cloud explosion", Journal of Loss Prevention in the Process Industries", 23, 843-848,(2010) [2] A,C. van den Berg and A. Lannoy, "Method for vapour cloud explosion blast modeling", Journal of Hazardous Material, 34, 151-171 (1993) [3] 장창봉, 권혁면 등. CFD를 이용한 가연성 가스의 확산 및 폭발연구, 한국가스학회지 2012;16(5):58-65 [4] 안전보건공단 전문기술실, 석유화학공정 심사기술편람 고도화정제공정, 안전보건공단;2008.(20~22쪽.) [5] CCPS(AIChE). Guidelines for chemical process quantitative risk analysis 2nd edition.New York: Wilyinter-science;2000.p.5-15. [6] M-Tech, “Flownex Manual”, M-Tech;2014 [7] Gexcon, “Flacs Manual”, Gexcon;2013. 나. 연락처 1) 연구책임자 : 안전연구실 장창봉 연구원
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