본 연구에서는 석유화학공정에서 잠재위험요소를 확인하고, 사고 결과분석을 통해 안전대책 수립 등의 위험관리 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 프로필렌 회수공정(PRP)에서 현실적인 상황을 고려한 누출 시나리오를 선정하고, PHASTRISK(ver. 6.7) 프로그램을 사용하여 화재 및 폭발 사고의 피해범위를 산출하고, 피해영향을 해석하였다. 그 결과, 6개의 PRP 공정지역 중에서 디프로파나이저 지역, 디에타나이저 지역 및 히트펌프 지역에서는 화재 및 폭발 사고의 피해범위가 매우 크게 나타났다. 따라서 제트화재가 발생하는 공정지역에서는 200 m의 반경 내에서 사람이 상주할 수 있는 건물을 설치하지 않는 것이 바람직하고, 재고량과 압력이 큰 공정지역에서는 사고위험을 사전에 예방해야 하고, 사고 발생 시에는 신속한 대처방안 수립이 요구되었다.
본 연구에서는 석유화학공정에서 잠재위험요소를 확인하고, 사고 결과분석을 통해 안전대책 수립 등의 위험관리 방안을 제시하고자 하였다. 이를 위해 프로필렌 회수공정(PRP)에서 현실적인 상황을 고려한 누출 시나리오를 선정하고, PHAST RISK(ver. 6.7) 프로그램을 사용하여 화재 및 폭발 사고의 피해범위를 산출하고, 피해영향을 해석하였다. 그 결과, 6개의 PRP 공정지역 중에서 디프로파나이저 지역, 디에타나이저 지역 및 히트펌프 지역에서는 화재 및 폭발 사고의 피해범위가 매우 크게 나타났다. 따라서 제트화재가 발생하는 공정지역에서는 200 m의 반경 내에서 사람이 상주할 수 있는 건물을 설치하지 않는 것이 바람직하고, 재고량과 압력이 큰 공정지역에서는 사고위험을 사전에 예방해야 하고, 사고 발생 시에는 신속한 대처방안 수립이 요구되었다.
This study aims to suggest risk management plan including safety measures through hazard identification followed by consequence analysis in petrochemical plants. Consequence analysis was performed through practical release scenario by using PHAST RISK(ver. 6.7) software in the propylene recovery pro...
This study aims to suggest risk management plan including safety measures through hazard identification followed by consequence analysis in petrochemical plants. Consequence analysis was performed through practical release scenario by using PHAST RISK(ver. 6.7) software in the propylene recovery process(PRP). As results, consequences by fire or explosion accidents in the depropanizer zone, deethanizer zone and heat pump zone were relatively larger than other else zones among six process zones in the PRP. In the case of jet fire, it is recommendable not to install residence building within 200 m of the process zone. Additionally, process zones having large inventory or high pressure must be prevented from accidents and required to establish quick response against accidents.
This study aims to suggest risk management plan including safety measures through hazard identification followed by consequence analysis in petrochemical plants. Consequence analysis was performed through practical release scenario by using PHAST RISK(ver. 6.7) software in the propylene recovery process(PRP). As results, consequences by fire or explosion accidents in the depropanizer zone, deethanizer zone and heat pump zone were relatively larger than other else zones among six process zones in the PRP. In the case of jet fire, it is recommendable not to install residence building within 200 m of the process zone. Additionally, process zones having large inventory or high pressure must be prevented from accidents and required to establish quick response against accidents.
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문제 정의
대상공정은 사고에 의한 영향이 다른 공정에 비해 크지만 지금까지 공정 전체에 대한 위험을 분석한 연구결과는 보고된 바 없기 때문에 사고 결과분석을 통해 최악의 누출 시나리오에 대한 안전대책을 수립하는데 도움을 주고자 하였다.
본 연구에서는 대표적인 석유화학공정 중의 하나인 프로필렌 회수공정(propylene recovery process, PRP)을 대상공정으로 선정하여 화재 및 폭발 사고의 피해영향을 해석하였다.
가설 설정
그리고 각 누출공의 크기에서 누출속도를 산출하고, Table 1 및 Table 2의 점화확률과 폭발확률을 사용하여 사고 피해범위를 산출하였다. 이때, 누출 후의 상태는 대기의 영향을 크게 받기 때문에 일반적으로 사용하는 3 m/s의 바람속도와 C 등급의 대기안정도로 가정하였다. 또한 사고 피해범위에 영향을 미치는 인자중의 하나인 인벤토리(inventory)는 누출이 발생되면 감지기와 차단시스템에 의해 더 이상 유체의 흐름이 없다고 가정하여 전단에서 용기의 저장량을 최대 누출 가능한 량으로 제한하였다.
제안 방법
즉, 누출공의 크기는 연결된 배관의 크기를 기준으로 하였고, 온도와 압력은 누출이 발생될 경우의 값을 입력하였다. 그리고 각 누출공의 크기에서 누출속도를 산출하고, Table 1 및 Table 2의 점화확률과 폭발확률을 사용하여 사고 피해범위를 산출하였다. 이때, 누출 후의 상태는 대기의 영향을 크게 받기 때문에 일반적으로 사용하는 3 m/s의 바람속도와 C 등급의 대기안정도로 가정하였다.
화재 및 폭발 사고의 피해범위를 산출하기 위해서는 공정흐름도(process flow diagram)와 공정배관계장도(piping and instrument diagram, P&ID)를 사용하여 구간 정의, 누출공 크기 결정 등과 같은 누출 시나리오를 설정하고, 누출유형에 따른 누출원 모델(release source model)에 의해 누출속도를 산출한다. 그리고 대기 확산의 여부에 따라 영향모델(effect model)에 의해 사고의 피해범위와 사고영향을 해석한다[2,3].
사고 피해범위를 산출하기 위해서는 각 구간별로 실제 공정조건과 누출된 후의 온도와 압력을 입력하여야 한다. 또한 누출 시나리오는 누출공의 크기를 소, 중, 대 및 파열로 구분하여 수립하는 것이 일반적이지만[3,5] 본 연구에서는 최악의 시나리오에서 화재(제트화재, 액면화재, 플래쉬화재, 화구) 사고 및 증기운 폭발사고가 발생하는 경우에 대하여 사고 피해범위를 산출하였다. 즉, 누출공의 크기는 연결된 배관의 크기를 기준으로 하였고, 온도와 압력은 누출이 발생될 경우의 값을 입력하였다.
또한 누출 시나리오는 누출공의 크기를 소, 중, 대 및 파열로 구분하여 수립하는 것이 일반적이지만[3,5] 본 연구에서는 최악의 시나리오에서 화재(제트화재, 액면화재, 플래쉬화재, 화구) 사고 및 증기운 폭발사고가 발생하는 경우에 대하여 사고 피해범위를 산출하였다. 즉, 누출공의 크기는 연결된 배관의 크기를 기준으로 하였고, 온도와 압력은 누출이 발생될 경우의 값을 입력하였다. 그리고 각 누출공의 크기에서 누출속도를 산출하고, Table 1 및 Table 2의 점화확률과 폭발확률을 사용하여 사고 피해범위를 산출하였다.
프로필렌 회수공정(PRP)에서 PHAST RISK(ver. 6.7) 프로그램을 사용하여 화재 및 폭발 사고의 피해범위를 산출하고, 피해영향을 해석하였다.
화재 및 폭발 사고의 피해범위를 산출하기 위해서는 공정흐름도(process flow diagram)와 공정배관계장도(piping and instrument diagram, P&ID)를 사용하여 구간 정의, 누출공 크기 결정 등과 같은 누출 시나리오를 설정하고, 누출유형에 따른 누출원 모델(release source model)에 의해 누출속도를 산출한다.
대상 데이터
원료로 공급되는 성분(FEED)은 USGP(unsatura-ted gas plant)에서 나오는 C3/C4 LPG와 ERU(eth-ylene recovery unit)의 디에타나이저(deethaniser) 하단에서 나오는 에틸렌을 포함하는 C2, C3 및 C4 성분을 포함하고 있다. 이들 물질들이 혼합되어 PRP의 디프로파나이저(depropaniser)로 공급된다.
이론/모형
PRP에서 주로 사용되는 물질인 C3+는 누출 시 화재 및 폭발 형태로 사고가 발생되며, 이들 사고의 피해범위를 예측하기 위해 상용프로그램인 DNV사의 PHAST RISK ver. 6.7을 사용하였다.
성능/효과
Table 9는 6개의 공정지역에서 화재로 인한 사망 확률을 나타낸 것이다. 100%의 사망 확률을 나타내는 거리는 디프로파나이저 지역과 디에타나이저 지역 그리고 히트펌프 지역에서 약 200 m를 나타내었다. 즉, 재고량과 압력이 크게 영향을 미치기 때문에 제트화재로 인해 사망 확률이 100%인 구간의 거리가 넓게 나타났다.
그 결과, PRP는 6개의 공정지역(디프로파나이저, 건조 및 오염제거탑, 디에타나이저, C3 스플리터, 히트펌프 및 건조재생유닛)으로 구분하여 사고 피해범위를 산출할 수 있었다. 그리고 디프로파나이저 지역, 디에타나이저 지역 및 히트펌프 지역에서는 전단에 환류드럼이 있어서 재고량이 많고, 펌프의 이송압력이 높아서 누출량이 크기 때문에 연소하한거리가 300 m 이상을 나타내어 화재 및 폭발 사고의 피해범위가 매우 크게 나타났다.
그 결과, PRP는 6개의 공정지역(디프로파나이저, 건조 및 오염제거탑, 디에타나이저, C3 스플리터, 히트펌프 및 건조재생유닛)으로 구분하여 사고 피해범위를 산출할 수 있었다. 그리고 디프로파나이저 지역, 디에타나이저 지역 및 히트펌프 지역에서는 전단에 환류드럼이 있어서 재고량이 많고, 펌프의 이송압력이 높아서 누출량이 크기 때문에 연소하한거리가 300 m 이상을 나타내어 화재 및 폭발 사고의 피해범위가 매우 크게 나타났다. 또한 건조 및 오염제거탑 지역은 용기누출에 의해 화구를 형성하였고, 나머지 5개의 공정지역에서는 펌프가 배관에 연결되어 있어서 누출물질의 분출에 의해 제트화재를 형성하였다.
12%로 매우 높게 나타났다. 따라서 건물을 설계 시에는 복사열의 영향을 고려하여 위치를 선정하고, 건물의 강도는 복사열을 견딜 수 있도록 설계하는 것이 바람직하였다.
7 kW/m2 이상의 복사열을 나타내었다. 또한 건축물 내에서도 운전원이 임무 수행이 곤란하고, 건축물 내의 기기에도 복사열이 전달되는 15.77 kW/m2를 나타내는 거리는 240 m로 나타났다. 이것은 펌프의 운전압력이 33.
이와 같은 방법으로 6개의 공정지역에 대해 산출한 최대 농도범위는 Table 5와 같으며, 디프로파나이저 지역과 디에타나이저 지역 및 히트펌프 지역에서 LFL에 도달하는 거리가 약 300 m로 크게 나타났는데, 이것은 압력이 높고, 재고량이 많아서 누출로 인한 확산 효과가 크기 때문인 것으로 판단된다.
따라서 Table 10은 6개의 공정지역에서 폭발사고에 의한 과압의 영향범위를 나타낸 것이다. 표에서와 같이 디에타나이저 지역과 C3 스플리터 지역을 제외한 나머지 지역에서 폭발이 발생하는 것으로 나타났으며, 히트펌프 지역에서는 폭발로 인해 사망에 이를 수 있는 피해범위가 약 231 m로 상대적으로 크게 나타났다. 이것은 재고량과 압력이 크게 영향을 미친 것으로 생각되며, 폭발을 예방하기 위해서 화재 등 각종 재해위험을 사전에 예방토록 해야 하고, 신속한 대처방안이 요구된다.
2는 6개의 공정지역 중에서 디프로파나이저 지역의 최대 누출직경(200 mm)에 대해 산출한 최대 농도분포를 나타낸 대표적인 그림이다. 프로필렌의 연소하한농도(lower flammable limit, LFL)와 연소상한농도(upper flammable limit, UFL)는 각각 2.4%와 11.0%로, LFL의 1/2에 도달하는 거리는 약 630 m이었고, LFL에 도달하는 거리는 약 303 m를 나타내었다. 이것은 LFL의 1/2범위 안에서는 점화원이 존재할 경우 화재 또는 폭발의 위험이 있을 수 있으며, 특히 303 m 범위 안에서는 점화원에 의해 화재 및 폭발이 충분히 발생할 수 있음을 의미한다.
후속연구
따라서 제트화재가 발생하는 공정지역에서는 200 m의 반경 내에서 사람이 상주할 수 있는 건물을 설치하지 않는 것이 바람직하고, 재고량과 압력이 큰 공정지역에서는 사고위험을 사전에 예방해야 하며, 사고 발생 시에는 신속한 대처방안 수립이 요구되었다. 또한 이상의 결과로부터 석유화학공정에서 잠재위험요소를 확인하고, 사고 결과분석을 통해 안전대책 수립 등의 위험관리 방안을 제시하는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구간(node)란?
공정설비의 누출빈도와 사고 피해크기를 예측하기 위해 기본적인 적용단위의 개념으로 사용되는 구간(node)은 공정에서 누출이 발생 시 차단(isolation)을 형성할 수 있는 공간으로 정의한다.
누출물질의 대기 확산에 미치는 매개변수에는 무엇이 있는가?
이때, 누출물질의 대기 확산에 미치는 매개변수는 바람속도, 대기안정도(atmospheric stability), 대지조건, 누출지점의 높이 등이 있으며[6,7], 이들 매개변수 중에서 가장 영향이 큰 것은 바람속도와 대기안정도이다[2,3,8].
석유화학공장에서 화재 및 폭발 사고 등의 중대산업사고를 예방하여 안전을 유지하기 위해서는 사고가 발생하기 전에 위험인자를 확인하여 이를 제거하거나 완화함으로써 사고의 위험을 줄이는 것이 무엇보다 중요한 이유는?
에너지 산업의 급속한 발전에 따라 석유화학공장은 시설이 복잡하고, 다양화되고 있으며, 특히 다양한 종류의 유해물질을 대량으로 취급하고 있다. 또한 석유화학공장은 고도의 기술집약인 장치산업이지만 장치의 노후화 등으로 인해 전 세계적으로 예고 없이 사고가 발생되어 많은 피해를 일으키고 있다. 특히, 인화성 물질이나 독성물질과 같은 화학물질에 의한 누출사고나 폭발 및 화재 사고는 다른 산업사고와는 다르게 사업장의 근로자는 물론 인근지역 주민과 환경 및 생태계에 이르기까지 심각한 피해를 줄 수 있는 복합적인 성격을 가지고 있다[1].
참고문헌 (10)
Korea Occupational Safety and Health Agency (KOSHA), Consequence Analysis (CA), Industrial Safety Training Institute of KOSHA, ISTI-2001-29-86, (2001)
Center for Chemical Process Safety(CCPS), Guidelines for Consequence Analysis of Chemical Releases, American Institute of Chemical Engineers (AIChE), (1999).
Center for Chemical Process Safety(CCPS), Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, American Institute of Chemical Engineers (AIChE), (2000)
API, Risk Based Inspection Base Resource Document : API-581, American Petroleum Institute, 1st ed., (2000)
DNV, Quantitative Risk Assessment(QRA) Principles, Det Norske Veritas, (2010)
Roy, P. K., Bhatt, A., and Rajagopal, C., "Quantitative risk assessment for accidental release of titanium tetrachloride in a titanium sponge production plant", J. of Hazardous Materials, 102(2-3), 167-186, (2003)
Si, H., Ji, H., and Zeng, X., "Quantitative risk assessment model of hazardous chemicals leakage and application", Safety Science, 50(7), 1452-1461, (2012)
Fabbrocino, G., Iervolino, I., Orlando, F., and Salzano, E., "Quantitative risk analysis of oil storage facilities in seismic areas", J. of Hazardous Materials, 123(1-3), 61-69, (2005)
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