[논문]외부화재시 LPG 소형저장탱크의 안전성에 관한 연구

임지표; 마병철; 정창복

doi:10.14346/jkosos.2015.30.4.64

외부화재시 LPG 소형저장탱크의 안전성에 관한 연구
A Study on the Safety of Small LPG Storage Tanks at External Fires 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.30 no.4, 2015년, pp.64 - 72

임지표 (한국산업안전보건공단) , 마병철 (화학물질안전원) , 정창복 (전남대학교 응용화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to study the safety of a small LPG storage tank with a capacity less than 3 ton when it is exposed to an external fire. First, simulation studies were carried out using ASPEN Plus and PHAST to demonstrate that overpressurization in the tank can be relieved by discharging the LPG through an adequately sized safety valve, but the release may lead to the secondary risk of fire and explosion around the tank. Next, the temporal variations of the temperatures of the lading and tank wall were obtained using AFFTAC, which showed that the tank wall adjacent to the vapor space could be overheated in about 11 min to such a point that the weakened strength might cause a rupture of the tank and subsequent BLEVE. The consequences of the BLEVE were estimated using PHAST. Finally, several practical measures for preventing the hazards of overheating were suggested, including an anti-explosion device, sprinkling system, insulation, heat-proof coating, and enhanced safety factor for tank fabrication. The effectiveness of these measures were examined by simulations using AFFTAC and ASPEN Plus.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가정용이나 사업장용으로 많이 사용되고 있는 3톤 미만의 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재 발생시 탱크의 안전성에 대해 조사하였다. 먼저, 1차적으로 탱크에 설치된 안전밸브가 작동하여 과압을 해소할 수 있지만, 방출되는 LPG로 인한 2차적인 화재나 폭발을 가져올 수 있음을 ASPEN Plus와 PHAST 모사를 통해 보였다.
이 연구에서는 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재가 발생할 경우 과압에 의해 안전밸브에서 방출되는 LPG의 위험성과 과열로 발생할 수 있는 저장탱크의 파열 가능성을 PHAST, AFFTAC 및 ASPEN Plus를 이용한 모사를 통해 확인하고, BLEVE 등에 의한 피해 크기를 예측하고자 한다. 아울러 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재 발생시 피해를 최소화 할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
이 연구에서는 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재가 발생할 경우 과압에 의해 안전밸브에서 방출되는 LPG의 위험성과 과열로 발생할 수 있는 저장탱크의 파열 가능성을 PHAST, AFFTAC 및 ASPEN Plus를 이용한 모사를 통해 확인하고, BLEVE 등에 의한 피해 크기를 예측하고자 한다. 아울러 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재 발생시 피해를 최소화 할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

① 탱크 내부의 액상와 기상의 온도(T_LPG)는 동일하며 시간에 따라서 변하지만 공간적으로는 균일하다.
② 액상과 접촉하고 있는 탱크 안쪽 벽면의 온도는 액상의 온도와 동일하다.
소화설비 설치 유무와 10 mm 두께의 보온재 설치 유무에 따른 4개 시나리오에 대해 안전밸브의 배출용량을 계산한 결과를 Table 4에 나타내었다. 배출용량의 계산은 지름과 높이가 각각 1.8 m와 2 m인 수직형 탱크를 가정하였으며 액체상태의 LPG와 저장탱크의 접촉면적은 초기 액체의 액위를 1.6 m로 하여 9.0 m²를 적용하였다.
안전밸브가 설치된 LPG 저장탱크 주변에 화재가 발생할 때 탱크 내부의 압력 및 온도가 보이는 동적 거동을 ASPEN Plus를 이용하여 모사하였다. 안전밸브로는 2.1절에서 설정한 오리피스 G를 사용하였고, 80%와 20%로 각각 충전된 두 개의 탱크 주변에서 30분 동안 화재가 일어나는 것으로 가정하였다.
위험성 검토시 LPG 소형저장탱크는 실제 탱크와 유사하게 탄소강으로 제작된 것을 가정하였으며 안지름과 체적 및 두께는 각각 1.8 m와 6.8 m³ 및 12.7 mm를 사용하였다. 또한 불꽃과 저장탱크 벽의 복사능(0.

제안 방법

이 연구를 통해 외부화재에 대비하여 소형 LPG 저장탱크에도 폭발장지장치나 살수설비를 설치하는 것을 권장하였다. 기존 저장탱크나 소규모 사업장에서 이런 설비가 곤란한 경우, 보온재나 내열코팅, 탱크 설계시 안전율 제고 등을 대안으로 제시하였다. 마지막으로, 이런 방안에 따른 안전성 향상 효과를 AFFTAC과 ASPEN Plus를 이용한 모사를 통해 제시하였다.
기존 저장탱크나 소규모 사업장에서 이런 설비가 곤란한 경우, 보온재나 내열코팅, 탱크 설계시 안전율 제고 등을 대안으로 제시하였다. 마지막으로, 이런 방안에 따른 안전성 향상 효과를 AFFTAC과 ASPEN Plus를 이용한 모사를 통해 제시하였다.
가정용이나 사업장용으로 많이 사용되고 있는 3톤 미만의 LPG 소형저장탱크 주변에서 화재 발생시 탱크의 안전성에 대해 조사하였다. 먼저, 1차적으로 탱크에 설치된 안전밸브가 작동하여 과압을 해소할 수 있지만, 방출되는 LPG로 인한 2차적인 화재나 폭발을 가져올 수 있음을 ASPEN Plus와 PHAST 모사를 통해 보였다. 다음, AFFTAC을 이용하여 탱크 내부와 벽면의 온도를 동적모사한 결과, 액체와 접촉하지 않는 벽이 과열에 따른 강도 저하로 파열되어 분출화재나 BLEVE로 이어질 수 있음을 보였다.
안전밸브가 설치된 LPG 저장탱크 주변에 화재가 발생할 때 탱크 내부의 압력 및 온도가 보이는 동적 거동을 ASPEN Plus를 이용하여 모사하였다. 안전밸브로는 2.
LPG 소형저장탱크 주변에서 화재가 발생하여 10분 이내에 소화가 되지 않을 때에는 저장탱크 파열에 의한 분출화재나 BLEVE가 발생할 수 있다. 여기서는 KOSHA Guide에서 제시한 최악의 누출 시나리오 선정지침¹⁴⁾과 화학공장의 피해최소화대책에 관한 기술 지침¹⁵⁾에 의해 시나리오를 선정한 후 PHAST를 이용하여 피해결과를 예측하였다.
이러한 LPG 탱크의 안전성 향상 방안에 따른 탱크 파열 시간 연장 효과를 알아보기 위하여 AFFTAC을 이용한 모사를 수행하였다. Fig.

이론/모형

LPG 저장탱크 주변에서 화재 발생시 과열에 의한 위험성을 AFFTAC(Analysis of Fire Effects on Tank Cars)을 이용하여 검토하였다. AFFTAC은 미국연방철도국(United States Federal Railroad Administration)이 탑재된 탱크 주변에서 발생한 화재의 영향을 예측하기 위하여 개발한 컴퓨터 프로그램이다.
7 mm를 사용하였다. 또한 불꽃과 저장탱크 벽의 복사능(0.9) 등은 API STD 521⁵⁾, F.Heymes 등¹¹⁾ , T.A.Roberts 등¹³⁾을 참고하여 선정하였다. 다만 배치계수, 열전도도, 열전달계수, 열용량, 증발잠열 등은 AFFTAC 내부에서 계산된 값을 사용하였다.

성능/효과

²⁾ 대표적인 사례가 1998년 발생한 부천 LPG 충전소 폭발사고이다.³⁾마지막으로, 탱크에서 외부화재에 의한 BLEVE 등이 발생할 경우 주변의 근로자 또는 주민이나 설비에 막대한 영향을 미칠 수 있다.
먼저, 1차적으로 탱크에 설치된 안전밸브가 작동하여 과압을 해소할 수 있지만, 방출되는 LPG로 인한 2차적인 화재나 폭발을 가져올 수 있음을 ASPEN Plus와 PHAST 모사를 통해 보였다. 다음, AFFTAC을 이용하여 탱크 내부와 벽면의 온도를 동적모사한 결과, 액체와 접촉하지 않는 벽이 과열에 따른 강도 저하로 파열되어 분출화재나 BLEVE로 이어질 수 있음을 보였다. 이어, PHAST를 이용하여 분출화재에 따른 복사열을 계산한 결과 7∼10 m 거리에서 최대 122 kw/m²이며 BLEVE에 따른 폭발과압은 5 m 거리에서 12 bar 등 거리별 분포가 매우 위험한 수준을 보였다.
이때 보온재의 외피는 화재에 견딜 수 있도록 알루미늄이나 함석이 아닌 스테인레스강으로 시공하여야 한다. 마지막으로, 안전율을 3.5가 아닌 4이상을 적용하여 탱크를 두껍게 제작하거나 탄소강이 아닌 고온에 강한 재질(스테인레스강 등)로 탱크를 제작함으로써 외부화재시 119가 도착할 때까지 강도를 유지하는 것도 고려할 수 있다. 하지만 스테인레스강으로 탱크를 제작하는 것은 경제적인 측면을 감안할 경우 바람직하지는 않다.
11은 탱크 재질을 탄소강에서 스테인레스강으로 바꿀 경우에 예상되는 파열 시간을 각각 나타내는 그래프이다. 세 가지 방법 모두 119가 도착할 수 있는 20분 이상 동안 탱크가 파열되지 않고 충분히 견디는 것을 알 수 있다.
반면 Table 8은 소형저장탱크에 규산칼슘으로 제작된 보온재를 시공하였을 경우 폭발하한계로 확산되는 수직 및 수평거리를 나타낸다. 열전도도에 의해 계산된 환경변수(0.15)를 사용함으로써 배출용량이 5,915 kg/hr에서 887kg/hr로 감소하며, 따라서 안전밸브의 크기도 G에서 최소 오리피스인 D로 바뀌어 확산 거리가 크게 줄어듦을 알 수 있다. 이 결과를 통해, 보온재를 사용하더라도 폭발범위를 형성하지만 그렇지 않은 경우에 비해 그 크기가 훨씬 작아지며, 10 m 이상의 안전거리를 유지하면 다른 점화원에 의해 폭발할 가능성은 낮아짐을 알 수 있다.
15)를 사용함으로써 배출용량이 5,915 kg/hr에서 887kg/hr로 감소하며, 따라서 안전밸브의 크기도 G에서 최소 오리피스인 D로 바뀌어 확산 거리가 크게 줄어듦을 알 수 있다. 이 결과를 통해, 보온재를 사용하더라도 폭발범위를 형성하지만 그렇지 않은 경우에 비해 그 크기가 훨씬 작아지며, 10 m 이상의 안전거리를 유지하면 다른 점화원에 의해 폭발할 가능성은 낮아짐을 알 수 있다.
이 연구를 통해 외부화재에 대비하여 소형 LPG 저장탱크에도 폭발장지장치나 살수설비를 설치하는 것을 권장하였다. 기존 저장탱크나 소규모 사업장에서 이런 설비가 곤란한 경우, 보온재나 내열코팅, 탱크 설계시 안전율 제고 등을 대안으로 제시하였다.
이어, PHAST를 이용하여 분출화재에 따른 복사열을 계산한 결과 7∼10 m 거리에서 최대 122 kw/m2이며 BLEVE에 따른 폭발과압은 5 m 거리에서 12 bar 등 거리별 분포가 매우 위험한 수준을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPG의 주요 성분은 무엇인가?	LPG(Liquefied Petroleum Gas)는 도시가스와 더불어 가정에서나 사업장에서 없어서는 안 되는 중요한 물질이지만 누출될 경우 화재나 폭발이 발생할 수 있는 위험한 가스이다. Table 1에 LPG의 주요 성분인 프로판과 부탄의 물성을 나타내었다.
	아파트 단지, 고속도로 휴게소, 중소규모 사업장 등에서는 폭발 방지장치나 살수장치 등의 설치를 피하기 위하여 LPG를 어디에 저장하여 사용하는가?	LPG는 저압에서 쉽게 압축되므로 주로 액화상태로 탱크에 저장한 후 기화시켜 사용한다. 특히 아파트 단지, 고속도로 휴게소, 중소규모 사업장 등에서는 폭발 방지장치나 살수장치 등의 설치를 피하기 위하여 C3-LPG를 3톤 미만의 소형탱크에 저장하거나 합계 5톤 미만의 소형저장탱크를 복수로 설치하여 사용하고 있다. 이는 액화석유가스의 안전관리 및 사업법(액화석유가스법)에서 3톤 이상의 저장탱크에는 폭발방지 장치를 설치하거나 물분무장치(살수장치) 또는 소화전을 설치하여 외부화재시 안전을 확보하도록 의무화하고 있으나 소형저장탱크에는 안전밸브 외에는 특별한 안전조치를 규정하고 있지 않기 때문이다.
	LPG를 C3-LPG를 3톤 미만의 소형탱크에 저장하거나 합계 5톤 미만의 소형저장탱크를 복수로 설치하여 사용하는 것이 허락되는 이유는 무엇인가?	특히 아파트 단지, 고속도로 휴게소, 중소규모 사업장 등에서는 폭발 방지장치나 살수장치 등의 설치를 피하기 위하여 C3-LPG를 3톤 미만의 소형탱크에 저장하거나 합계 5톤 미만의 소형저장탱크를 복수로 설치하여 사용하고 있다. 이는 액화석유가스의 안전관리 및 사업법(액화석유가스법)에서 3톤 이상의 저장탱크에는 폭발방지 장치를 설치하거나 물분무장치(살수장치) 또는 소화전을 설치하여 외부화재시 안전을 확보하도록 의무화하고 있으나 소형저장탱크에는 안전밸브 외에는 특별한 안전조치를 규정하고 있지 않기 때문이다. Fig.

참고문헌 (16)

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원문보기 상세보기
L. -S. Lee and Y. -S. Lee, "A Study on the Proability of BLEVE of Above-ground LPG Storage Tanks Exposed to External Fire", Journal of the Korea Institute of Gas, Vol. 7, No. 1, pp. 19-23. 2003.
J. -G. Yoon, "The Study for Cause of Boo-choon LPG Station Accident", Journal of the Korean Institute Industry of Safety, Vol. 16, No. 3, pp. 31-34. 2001.
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API STD 521, "Pressure-relieving and Depressuring Systems", API, pp. 36-223. 2014.
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F. Heymes, L. Aprin, A.M. Birk, P. Slangen, J.B. Jarry, H. Francois and G. Dusserre, "An Experimental Study of an LPG Tank at Low Filling Level Heated by a Remote Wall Fire", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 26, pp. 1484-1491. 2013.

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KOSHA Guide P-110, "Technical Guideline for Damage Minimization Measure of Chemical Factory", KOSHA, pp. 1-22. 2012.
KOSHA Guide P-102, "Technical Guideline for Consequence Analysis", KOSHA, pp. 12-14. 2012.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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