주변 사업장의 화학물질 확산 감지와 대응을 위한 경계면의 센서배치 최적화 및 강건성 분석 Optimal Sensor Placement of Boundaries and Robustness Analysis for Chemical Release Detection and Response of Near Plant원문보기
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 동시에 시설의 노후화, 기계적 결함, 인적오류 등으로 화학물질 누출사고 피해가 많아지고 있다. 특히, 산업단지는 군집 특성으로 인해 화학물질 누출사고 발생 시 인근 사업장으로 확산되어 큰 피해로 이어질 가능성이 크다. 이에 따라 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서배치 방안을 제시할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 염소가스가 누출되는 경우에 대해 COMSOL를 사용하여 주요 매개변수의 적용으로 실질적인 사고 시나리오를 해석하였다. 그리고 사고 시나리오를 바탕으로, 센서의 감지 확률과 감지시간 등 각 항목마다 중요도를 부여하여 최적 위치가 산출되도록 목적함수를 선정하였다. 또한 예상치 못한 지역의 누출사고에 대해 최적화된 센서배치의 강건성 분석을 통해 본 방안의 타당성을 높였다. 결과적으로, 기존 방식보다 효과적으로 경계면의 센서배치 최적화 방법의 적용 가능성을 확인하였다. 이상의 결과로 부터 이동식 센서의 배치방법과 농도 데이터를 기반으로, 누출원의 역추적에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 동시에 시설의 노후화, 기계적 결함, 인적오류 등으로 화학물질 누출사고 피해가 많아지고 있다. 특히, 산업단지는 군집 특성으로 인해 화학물질 누출사고 발생 시 인근 사업장으로 확산되어 큰 피해로 이어질 가능성이 크다. 이에 따라 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서배치 방안을 제시할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 염소가스가 누출되는 경우에 대해 COMSOL를 사용하여 주요 매개변수의 적용으로 실질적인 사고 시나리오를 해석하였다. 그리고 사고 시나리오를 바탕으로, 센서의 감지 확률과 감지시간 등 각 항목마다 중요도를 부여하여 최적 위치가 산출되도록 목적함수를 선정하였다. 또한 예상치 못한 지역의 누출사고에 대해 최적화된 센서배치의 강건성 분석을 통해 본 방안의 타당성을 높였다. 결과적으로, 기존 방식보다 효과적으로 경계면의 센서배치 최적화 방법의 적용 가능성을 확인하였다. 이상의 결과로 부터 이동식 센서의 배치방법과 농도 데이터를 기반으로, 누출원의 역추적에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
Recently, the quantities of chemical material are increasing in chemical industries. At that time, release accident is increasing due to aging of equipment, mechanical failure, human error, etc. and industrial complexes found community properties in a specific area. For that matter, chemical release...
Recently, the quantities of chemical material are increasing in chemical industries. At that time, release accident is increasing due to aging of equipment, mechanical failure, human error, etc. and industrial complexes found community properties in a specific area. For that matter, chemical release accident can lead to hight probability of large disaster. There is a need to analyze the boundaries optimal sensor placement calculated by selecting release scenarios through release condition and wether condition in a chemical process for release detection and response. This paper is to investigate chlorine release accident scenarios using COMSOL. Through accident scenarios, a numerical calculation is studied to determine optimized sensor placement with weight of detection probability, detection time and concentration. In addition, validity of sensor placement is improved by robustness analysis about unpredicted accident scenarios. Therefore, this verifies our studies can be effectively applicable on any process. As mention above, the result of this study can help to place mobile sensor, to track gas release based concentration data.
Recently, the quantities of chemical material are increasing in chemical industries. At that time, release accident is increasing due to aging of equipment, mechanical failure, human error, etc. and industrial complexes found community properties in a specific area. For that matter, chemical release accident can lead to hight probability of large disaster. There is a need to analyze the boundaries optimal sensor placement calculated by selecting release scenarios through release condition and wether condition in a chemical process for release detection and response. This paper is to investigate chlorine release accident scenarios using COMSOL. Through accident scenarios, a numerical calculation is studied to determine optimized sensor placement with weight of detection probability, detection time and concentration. In addition, validity of sensor placement is improved by robustness analysis about unpredicted accident scenarios. Therefore, this verifies our studies can be effectively applicable on any process. As mention above, the result of this study can help to place mobile sensor, to track gas release based concentration data.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 사업장 이외 지역으로 확산되는 유해화학물질을 감지 및 감시하기 위해 Fig. 2와 같이 경계면의 센서배치 최적화를 연구하였다. 이를 위해 대기확산모델을 바탕으로, 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로써 수치적인 계산으로 센서배치 최적화를 결정하는 방법으로 진행하였다.
제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 본 센서배치 최적화에 대한 강건성 분석을 통해 본 경계면의 센서배치의 타당성을 높이고자 하였다.
경계면의 센서배치 최적화를 위해서는 공간의 구조와 누출이 이루어 졌을 때 유체흐름의 방향을 고려하여 최적화를 진행해야 한다. 본 연구에서는 각 사업장의 공간의 구조를 고려한 누출발생시 누출물질의 감지를 위해 유체흐름을 반영한 경계면의 센서배치 최적화를 진행하였다.
본 연구에서는 주변 사업장의 화학물질 누출사고 예방과 대응을 위해 사업장 경계면에서 센서배치 최적화와 강건성 분석을 수행하였다. 이를 위해 104개의 염소가스 누출 시나리오에 대해 CFD를 이용하여 가스분산을 해석하고, 감지시간, 감지율 및 감지 농도에 대해 가중치를 부여하여 경계면의 센서배치 최적화를 하였다.
가설 설정
6에서와 같이 지점 ○에서 Cl2가 연속적으로 누출되며. 누출원의 지름은 15 cm로 가정하여 시뮬레이션 하였다.
이때, 일반적으로 누출되는 물질의 상에 따라 액체 누출, 증기 누출, 2상(증기-액체)누출로 구분한다. 특히, 누출량 산출모델에서 한정된 시간동안에 누출되는 경우에는 순간누출(instantaneous release)로 가정하고, 연속적으로 누출되는 경우에는 연속누출(continuous release)로 구분한다. 순간누출에서 누출량은 대부분 용기, 탱크 등이 파열되었을 경우에 이들 저장용기의 저장량으로 가정하고, 연속누출인 경우에는 누출원이 간단히 구해지지 않기 때문에 공정조건에 따라 누출 상을 기상 및 액상의 특정한 누출원 모델을 사용한다.
제안 방법
경계면의 센서배치 이후 적절한 배치가 이루어졌는지를 확인할 수 있는 강건성 분석을 수행하였다. 이와 같은 강건성 분석을 하는 이유는 여러 사고에서도 볼 수 있듯이 사고 시나리오 이외의 사고형태로 사고가 발생하는 것을 알 수 있다.
경계면의 센서배치 최적화를 위해 고려할 조건들을 Fig. 3과 같이 플로우차트(flowchart)로 제시하였다. 즉, 첫 번째로 대상 사업장의 누출이 가능한 부위를 분석한다.
이를 위해 104개의 염소가스 누출 시나리오에 대해 CFD를 이용하여 가스분산을 해석하고, 감지시간, 감지율 및 감지 농도에 대해 가중치를 부여하여 경계면의 센서배치 최적화를 하였다. 그리고 배치된 센서들의 강건성 분석을 통해 예상하지 못한 사고에 대한 강건성을 분석하였다. 그 결과, 본 대상공정에서는 경게면에 3~5개의 센서를 최적 배치하는 경우에는 약 180초이내의 평균 감지시간을 나타내었고, 이때 약 95% 이상의 감지율을 나타내었다.
누출 시나리오와 formulation을 통한 센서배치의 적절성을 검증하기 위해 case study를 진행하였다. 이때, 염소가 사용되는 공정의 공간크기는 600×550 m로 설정하였다[14].
누출시나리오는 COMSOL이라는 CFD를 이용하였고, 208개의 누출시나리오를 도출하기 위해 dual hexa-core Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2639 v2(Clock speed of 2.6GHz and 24GB RAM)를 이용하였으며, 총 연산시간은 시나리오당 30분으로 총 104시간이 걸렸다. 도출된 누출 시나리오에서 남풍에 의한 시뮬레이션 결과는 Fig.
그러므로 풍속은 사업장의 풍향별 최고 풍속을 이용하였다. 또한 풍향은 동, 서, 남, 북 등 여러 방향이 설정될 수 있으나, 본 연구에서는 8개 방향(북, 북동, 동, 동남, 남, 남서, 서, 서북)으로 설정하였다.
본 연구에서는 센서배치 최적화 모델에 대한 목적함수를 식 (1a)와 같이 센서 설치위치 j별 감지시간 중요도, 감지농도 중요도 및 감지시나리오 수의 중요도 각각 합의 최대화가 되도록 하였다. 이때, 식 (1b)는 각 시나리오에 대한 위치 i별 감지하는 시나리오에 대해 중요도를 곱하여 행렬 Ni로 표현하였다.
순간누출에서 누출량은 대부분 용기, 탱크 등이 파열되었을 경우에 이들 저장용기의 저장량으로 가정하고, 연속누출인 경우에는 누출원이 간단히 구해지지 않기 때문에 공정조건에 따라 누출 상을 기상 및 액상의 특정한 누출원 모델을 사용한다. 이때, 저장형태와 누출이나 파열이 일어난 부위 등을 고려하여 용기누출 또는 배관 누출 중 적절한 모델을 선택하여 초기 누출속도를 산출한다. 발생 가능한 누출유형으로는 호스의 균열이나 호스의 끊어짐으로 인한 사고, 접합부, 밸브, 밸브 봉합 불량으로 인한 누출사고, 압력용기 및 펌프의 누출사고, 압력용기의 과충전 및 과압으로 인한 사고, 저장탱크 및 이송용기의 파손으로 인한 누출 등이 있다[10].
본 연구에서는 주변 사업장의 화학물질 누출사고 예방과 대응을 위해 사업장 경계면에서 센서배치 최적화와 강건성 분석을 수행하였다. 이를 위해 104개의 염소가스 누출 시나리오에 대해 CFD를 이용하여 가스분산을 해석하고, 감지시간, 감지율 및 감지 농도에 대해 가중치를 부여하여 경계면의 센서배치 최적화를 하였다. 그리고 배치된 센서들의 강건성 분석을 통해 예상하지 못한 사고에 대한 강건성을 분석하였다.
2와 같이 경계면의 센서배치 최적화를 연구하였다. 이를 위해 대기확산모델을 바탕으로, 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로써 수치적인 계산으로 센서배치 최적화를 결정하는 방법으로 진행하였다. 제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다.
이를 위해 대기확산모델을 바탕으로, 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로써 수치적인 계산으로 센서배치 최적화를 결정하는 방법으로 진행하였다. 제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 본 센서배치 최적화에 대한 강건성 분석을 통해 본 경계면의 센서배치의 타당성을 높이고자 하였다.
3과 같이 플로우차트(flowchart)로 제시하였다. 즉, 첫 번째로 대상 사업장의 누출이 가능한 부위를 분석한다. 위험성평가를 토대로 분석되는 누출이 가능한 부위를 시나리오의 누출지점으로 지정한다.
즉, 현장의 PFD와 P&ID를 기초로 고정의 위험한 구간을 세부적으로 나누어 사고 시나리오를 선정하고, 위험성 평가를 실시한다.
성능/효과
104개의 누출 시나리오를 이용하여 경계면의 센서배치 최적화를 진행한 결과, 모든 시나리오를 감지할 수 있는 제약변수를 만족하였으며, 누출물질이 경계면에 이르는 시간이 있기 때문에 약 180초 이내에서 누출을 감지할 수 있는 센서배치 최적화가 가능하였다. 즉, 경계면에 3개의 센서를 배치하는 경우에는 Fig.
강건성 테스트를 진행한 결과, Fig. 9과 같이 3개의 센서를 최적으로 배치한 경우에는 104개의 누출 시나리오 중 100개 즉, 96.2%의 감지확률을 나타내었으며, Fig. 10과 같이 4개의 센서의 최적 배치에서는 104개의 누출 시나리오 중 103개 즉, 99%의 감지 확률을 나타내었다. 또한 Fig.
그리고 배치된 센서들의 강건성 분석을 통해 예상하지 못한 사고에 대한 강건성을 분석하였다. 그 결과, 본 대상공정에서는 경게면에 3~5개의 센서를 최적 배치하는 경우에는 약 180초이내의 평균 감지시간을 나타내었고, 이때 약 95% 이상의 감지율을 나타내었다.
따라서 경계면의 최적 센서배치를 통해 누출 시나리오에 대한 감지율이 약 95% 이상을 나타내었기 때문에 현재의 최적 센서배치는 매우 높은 강건성을 가지고 있다고 판단되며, 내부에 설치된 센서와 동시에 감지를 하는 경우에는 거의 모든 누출 시나리오를 감지할 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 본 연구에서 제시한 경계면의 센서배치 방법은 드론이나 로봇 탑재와 같이 이동식 센서에서 요구되는 이동경로 최적화 방안 제시 등에 활용이 가능할 것으로 기대한다. 또한 이와 같이 경계면에 설치된 센서는 기존의 고정식 센서와 함께 작동하여 누출원의 역추적이 가능하고, 사고발생 시에는 기존보다 빠른 대응이 가능하여 사고피해를 최소화하는 데 크게 도움을 줄 것으로 판단된다.
후속연구
따라서 본 연구에서 제시한 경계면의 센서배치 방법은 드론이나 로봇 탑재와 같이 이동식 센서에서 요구되는 이동경로 최적화 방안 제시 등에 활용이 가능할 것으로 기대한다. 또한 이와 같이 경계면에 설치된 센서는 기존의 고정식 센서와 함께 작동하여 누출원의 역추적이 가능하고, 사고발생 시에는 기존보다 빠른 대응이 가능하여 사고피해를 최소화하는 데 크게 도움을 줄 것으로 판단된다.
그러나 현재의 대상 시나리오에서는 3~5개의 센서를 이용하여 약 180초 이하의 감지시간을 가질수 있으나, 사업장 규모와 특성 등에 따라 전기, 통신, 관리실 위치 등을 고려하여 사고발생시 피해비용과 설치비 등의 경제성을 고려할 필요가 있다. 또한 본 연구에서는 2D구조에 의해 공기보다 무거운 가스에 대해 누출 시뮬레이션을 실시하였으나, 기체의 분산 특성과 대기안정도 등을 고려하여 3D구조에서 경계면의 센서배치 최적화에 관한 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기확산모델이란?
화학공장에서 누출된 유해가스의 확산은 바람, 온도와 날씨에 영향을 받으며, 특히 바람은 확산의 방향에 크게 영향을 미치기 때문에 바람의 세기와 방향의 불확실성을 고려한 많은 연구들이 수많은 관심 속에 이루어지고 있다[6]. 따라서 대기확산을 예측하기 위한 대기확산모델은 화학물질이 누출되어 가스 상태로 대기 중에 노출되면 사고지점에서부터 공장이나 인근지역에 미치는 영향을 해석하는 이론이다. 특히, 대기 중으로 확산된 누출물질은 공기와 급격히 혼합되기 때문에 누출지점에서 멀리 떨어질수록 농도는 낮아지게 된다.
산업단지에서 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서배치 방안을 제시해야 하는 이유는?
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 동시에 시설의 노후화, 기계적 결함, 인적오류 등으로 화학물질 누출사고 피해가 많아지고 있다. 특히, 산업단지는 군집 특성으로 인해 화학물질 누출사고 발생 시 인근 사업장으로 확산되어 큰 피해로 이어질 가능성이 크다. 이에 따라 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서배치 방안을 제시할 필요가 있다.
화학물질 누출사고 피해가 많아지는 이유는?
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 동시에 시설의 노후화, 기계적 결함, 인적오류 등으로 화학물질 누출사고 피해가 많아지고 있다. 특히, 산업단지는 군집 특성으로 인해 화학물질 누출사고 발생 시 인근 사업장으로 확산되어 큰 피해로 이어질 가능성이 크다.
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