현재 산업단지에는 수많은 센서로부터 얻는 정보를 이용해 누출 발생지역을 감지 감시하고 있다. 그러나 화학물질 누출사고는 꾸준히 발생하고 있으며, 때에 따라 다량의 화학물질이 누출되는 경우에는 큰 피해가 발생하고 있다. 이때 중요하게 작용하는 센서 배치가 현재까지는 과거의 경험을 통하여 그 결정이 이루어지거나, 또는 센서제작 업체에서 제시하는 가이드를 통하여 설치되고 있다. 따라서 본 연구에서는 화학물질 누출이 일어났을 때 빠른 감지 및 대응을 위해 가장 중요한 요소인 센서 배치 최적화 방법론을 제시하였다. 특히 공정구조에 따른 누출흐름이 미반영된 상태에서 초기 배치 최적화를 위해 센서 개수 최소화 측면과 화학물질감지확률 측면으로 나누어 일반적으로 사용할 수 있는 수식을 제시하였다. 제시된 방법은 간단한 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 이를 통해 각 공정의 안전성 목표치를 성취함으로써 안전한 공정 운영이 가능하도록 하였다.
현재 산업단지에는 수많은 센서로부터 얻는 정보를 이용해 누출 발생지역을 감지 감시하고 있다. 그러나 화학물질 누출사고는 꾸준히 발생하고 있으며, 때에 따라 다량의 화학물질이 누출되는 경우에는 큰 피해가 발생하고 있다. 이때 중요하게 작용하는 센서 배치가 현재까지는 과거의 경험을 통하여 그 결정이 이루어지거나, 또는 센서제작 업체에서 제시하는 가이드를 통하여 설치되고 있다. 따라서 본 연구에서는 화학물질 누출이 일어났을 때 빠른 감지 및 대응을 위해 가장 중요한 요소인 센서 배치 최적화 방법론을 제시하였다. 특히 공정구조에 따른 누출흐름이 미반영된 상태에서 초기 배치 최적화를 위해 센서 개수 최소화 측면과 화학물질감지확률 측면으로 나누어 일반적으로 사용할 수 있는 수식을 제시하였다. 제시된 방법은 간단한 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 이를 통해 각 공정의 안전성 목표치를 성취함으로써 안전한 공정 운영이 가능하도록 하였다.
Nowadays, a number of sensors which are placed in industrial complex are monitoring areas involving chemical leak and other faults. However, even in the presence of the sensors, chemical leaks, sometimes involving huge amount of chemicals, continuously led to big losses in the industrial complex. In...
Nowadays, a number of sensors which are placed in industrial complex are monitoring areas involving chemical leak and other faults. However, even in the presence of the sensors, chemical leaks, sometimes involving huge amount of chemicals, continuously led to big losses in the industrial complex. In most industries, sensor installation has been performed using past experience or using senor manufacturers' guideline; which leads to poor performance of the installed sensor grid. Therefore, we investigate an optimal placement methodology of point sensors for rapid detention and response when chemical leaks happen. This research suggests a generalized formulation suitable for the optimized decision making of minimizing number of sensors to be placed and increasing the fraction of covered scenarios under assumption of negligible effect of other structures. The proposed method has been verified for suitable performance for simple leak scenario simulations, by achieving the safety objectives and guaranteeing safe process operations.
Nowadays, a number of sensors which are placed in industrial complex are monitoring areas involving chemical leak and other faults. However, even in the presence of the sensors, chemical leaks, sometimes involving huge amount of chemicals, continuously led to big losses in the industrial complex. In most industries, sensor installation has been performed using past experience or using senor manufacturers' guideline; which leads to poor performance of the installed sensor grid. Therefore, we investigate an optimal placement methodology of point sensors for rapid detention and response when chemical leaks happen. This research suggests a generalized formulation suitable for the optimized decision making of minimizing number of sensors to be placed and increasing the fraction of covered scenarios under assumption of negligible effect of other structures. The proposed method has been verified for suitable performance for simple leak scenario simulations, by achieving the safety objectives and guaranteeing safe process operations.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 공정에 최적의 센서 배치를 통해 누출원을 조기에 감지하고 초기대응을 할수 있도록 센서 배치 최적화를 하였다. 목적함수 설정을 위하여 시나리오에 적용할 공간을 미세한 격자로 나누어 누출이 이루어질 point와 센서를 설치할 point를 설정해주었고, 이때 센서의 설치는 일반적 방법인 각 장치마다 설치를 기본으로 하였다.
가설 설정
가정1 : 유체는 좌측 상단 계단에서 우측 하단 계단으로 흐른다.
가정2 : 유체는 구조물에 의한 영향을 받지 않는다. 즉 누출을 구조물에서 일어나지만 구조물이 없는 평면상태로 가정한다.
시나리오를 통하여 formulation을 검증하기 위해 Flacs에서 제공하는 시나리오에 적용하였다[11]. 염소가 사용되는 공정으로 공간의 크기는 20x22.5m로 설정되고 이때 3가지의 가정을 통해 시나리오를 간단히 하였다.
가정2 : 유체는 구조물에 의한 영향을 받지 않는다. 즉 누출을 구조물에서 일어나지만 구조물이 없는 평면상태로 가정한다.
제안 방법
각 점마다 유체흐름을 농도 분포로 나타내어 센서의 감지 확률을 설정하였다. 또한 누출원으로부터 센서간의 거리를 유체의 이동속도로 고려하여 감지 시간도 설정하였다.
가장 확실한 감지를 보장하기 위해서 가스센서를 무수히 설치함으로서 감지 확률을 극대화 시키는 방법을 생각할 수 있으나, 이는 센서 당 감지 효율저하와 설치 개수의 따른 비용증가를 초래하며, 감지가 중복이 되는 문제점이 발생함으로 적절하지 않다[6]. 그러므로 본 연구에서는 센서 수의 최소화, 설치비용 최소화, 감지 시간 최소화, 감지 확률 최대화로 각각 목적함수를 정하였다.
이와 같이 누출 가능성이 높은 곳과 센서 설치 필요성이 높은 위치를 선정한 후 최적의 센서 배치 진행하였다. 그리고 누출원에서 센서까지의 거리, 누출시 센서의 감지시간, 감지확률을 정량적으로 산출하였다. 센서의 설치 수를 한 개부터 최대 가능한 센서 설치까지 증가시키며 분석하고, 이에 따라 감지확률, 감지시간을 각각 분석하였다.
네 번째, 누출 simulation, 센서의 감지 가능한 농도, 누출 가능한 지점을 통해 센서의 배치를 진행한다. 이때 센서 배치는 목적함수에 따라 센서의 위치, 센서의 수가 변한다.
다섯 번째, 최적화 진행결과 하나 이상의 sensor 에 의해 감지 여부를 통하여 적용 및 재배치를 실시한다.
각 점마다 유체흐름을 농도 분포로 나타내어 센서의 감지 확률을 설정하였다. 또한 누출원으로부터 센서간의 거리를 유체의 이동속도로 고려하여 감지 시간도 설정하였다. 이를 통해 각 목적함수별 결과 값을 산출하였다.
따라서 본 연구에서는 공정에 최적의 센서 배치를 통해 누출원을 조기에 감지하고 초기대응을 할수 있도록 센서 배치 최적화를 하였다. 목적함수 설정을 위하여 시나리오에 적용할 공간을 미세한 격자로 나누어 누출이 이루어질 point와 센서를 설치할 point를 설정해주었고, 이때 센서의 설치는 일반적 방법인 각 장치마다 설치를 기본으로 하였다. 이와 같이 누출 가능성이 높은 곳과 센서 설치 필요성이 높은 위치를 선정한 후 최적의 센서 배치 진행하였다.
최적 센서 배치를 위해서는 공간의 구조에 따라 최적화를 진행하는 방법과 누출이 이루어 졌을 때 유체흐름의 방향에 따라 최적화를 진행하는 방법이 있다. 본 연구에서는 누출이 이루어진 상황에 적절한 대응을 위해 유체흐름을 반영한 센서 배치를 진행하였다.
세 번째, 누출 가능성이 높은 지점을 분석한다. 예를 들어 파이프는 파이프간의 연결 부분에서 누출가능성이 아주 높고 하나의 파이프에서 파열로 인하여 누출될 가능성이 극도로 낮다.
그리고 누출원에서 센서까지의 거리, 누출시 센서의 감지시간, 감지확률을 정량적으로 산출하였다. 센서의 설치 수를 한 개부터 최대 가능한 센서 설치까지 증가시키며 분석하고, 이에 따라 감지확률, 감지시간을 각각 분석하였다. 이후 결과를 통하여 감지시간의 최소화, 감지확률의 최대화에 도달하는 최적의 센서 배치를 진행하였다.
목적함수 설정을 위하여 시나리오에 적용할 공간을 미세한 격자로 나누어 누출이 이루어질 point와 센서를 설치할 point를 설정해주었고, 이때 센서의 설치는 일반적 방법인 각 장치마다 설치를 기본으로 하였다. 이와 같이 누출 가능성이 높은 곳과 센서 설치 필요성이 높은 위치를 선정한 후 최적의 센서 배치 진행하였다. 그리고 누출원에서 센서까지의 거리, 누출시 센서의 감지시간, 감지확률을 정량적으로 산출하였다.
센서의 설치 수를 한 개부터 최대 가능한 센서 설치까지 증가시키며 분석하고, 이에 따라 감지확률, 감지시간을 각각 분석하였다. 이후 결과를 통하여 감지시간의 최소화, 감지확률의 최대화에 도달하는 최적의 센서 배치를 진행하였다.
1과 같이 flowchart를 제시하였다[9,10]. 첫 번째로 기체 확산 모델을 선정 후 simulation tool을 이용하여 기체 확산 모델링을 진행한다. 이 결과 기체의 양, 폭발가능 범위(증기운 형성), 풍속, 물질의 독성 등 기체의 특성을 분석 할 수 있다.
이론/모형
시나리오를 통하여 formulation을 검증하기 위해 Flacs에서 제공하는 시나리오에 적용하였다[11]. 염소가 사용되는 공정으로 공간의 크기는 20x22.
성능/효과
그러나 최적의 센서 배치를 통해 센서 감지확률을 산출한 결과 Fig. 4 그래프와 같이 단 두 개만의 센서로 100%의 감지확률을 가진다.
두 번째, 화학물질 중에는 누출되었을 때 증기운을 형성하여 폭발가능성이 있거나, 점화원과 만나 불이 발생할 가능성이 있다. 그러므로 각 물질들을 고려하여 센서를 설치하고 잠재적으로 누출가능성이 있는 지역과 점화원 사이에 센서를 설치한다.
일곱 번째, 센서 설치 지역에 많은 먼지가 떠있는 경우 센서의 오작동이 발생된다. 이뿐만 아니라 측정데이터가 실제와 다르게 측정될 가능성이 높다.
또한 센서 수가 10개에서 약 100%의 감지확률을 보인다. 즉 누출이 일어날 가능성이 높은 지역에 센서가 모두 설치되었을 때 100% 감지가 가능하다는 결과이다.
후속연구
가스폭발은 일정 농도를 가진 기체가 모여 증기운을 형성 후 폭발이 이루어지기 때문이다. 그러므로 증기운을 형성되기 이전에 가스를 감지가 되는 위치, 시간 등을 고려하면 보다 안전하고 센서 최적 배치에 도움이 될 것이다. 최종적으로 이외의 여러 영향을 고려하여 각 공정에 최적화된 센서를 설치가 이루어진다면 각 기업체 추구하거나 법률에 제시된 기준치를 만족하는 안전한 공정 운용이 가능할 것으로 보인다.
그러므로 증기운을 형성되기 이전에 가스를 감지가 되는 위치, 시간 등을 고려하면 보다 안전하고 센서 최적 배치에 도움이 될 것이다. 최종적으로 이외의 여러 영향을 고려하여 각 공정에 최적화된 센서를 설치가 이루어진다면 각 기업체 추구하거나 법률에 제시된 기준치를 만족하는 안전한 공정 운용이 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업단지란?
산업단지는 고도의 자본, 기술 집약적 산업으로서 한 국가의 산업화의 잣대로까지 간주될 수 있는 기간산업이다. 그러나 산업단지에서 화학물질 유출사고로 인명피해와 중요한 시설들이 붕괴되는 문제가 발생하고 있다[1].
누출된 후 유독물질은 어떤 형태로 바람에 의해 이동하는가?
분산모델은 기체상태의 화학물질이 사고지점에서 공장이나 다른 인근지역으로 바람에 전달되는 현상을 설명해 준다. 누출된 후 유독물질은 독특한 plume 또는 puff의 형태로 바람에 의해 멀리 이동한다. 유독물질은 공기로 분산되어 급격히 혼합되기 때문에 농도는 누출원에서 바람에 의해 진행 될수록 저하된다.
산업단지에서 일어난 화학물질 유출사고의 예는?
그러나 산업단지에서 화학물질 유출사고로 인명피해와 중요한 시설들이 붕괴되는 문제가 발생하고 있다[1]. 예로써 이천에서 가스 누출로 인하여 13명의 인명 피해가 발생하였고, 청주에서도 반도체의 폐염산수용액 가스 누출이 이루어져 18명의 인명 피해가 발생하였다. 이와 같은 사고의 발생률을 감소시키기 위해 여러 방법을 적용하고 있지만 사고는 꾸준히 발생하고 있다.
참고문헌 (11)
Park, M. N., A Comparative Study on Models and Simulation Systems of Accidental Gas Explosion, M.S. Thesis, Myongji University, (2005)
Sam, M., Lees' Process Safety Essentials:Hazard Identification, Assessment and control, 1st ed., Butterworth-Heinemann, Amsterdam, (2014)
Jack, C., Hazardous Gas Monitors: A Practical Guide to Selection, Operation and Applications, 1st ed., McGraw-Hill, New York, (2000)
Daniel, A. C. and Joseph, F. L., Chemical Process Safety: Fundamentals with Applications, 3rd ed., Prentice Hall PTR, Boston, (2011)
Vid, Y., Gas Detection Handbook, 15th ed., MSA The Safety Company, (2007)
Cho, S. H., A Study On Optimal Sensor lacation based on Minimax Method With Cost Minimization, M.S. Thesis, Seoul University, (2014)
Legg, S. W. and Benavides-Serrano, A. J., "A stochastic programming approach for gas detector placement using CFD-based despersion simulations", Computers and Chemical Engineering, 47, 194-201, (2012)
Benavides-Serrano, A. J. and Mannan, M. S., "A quantitative assessment on the placement practices of gas detectors in the process industries", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 35, 339-351, (2014)
Ucinski and Dariusz, "Optimal sensor location for parameter estimation of distributed processes", International Journal of control, 73(13), 1235-1248, (2000)
Scott, D., Olav, R. H., Filippo, G., and Are, B., "Using CFD to Analyze Gas Detector Placement in Process Facilities", Mary Kay O'Connor Process Safety Center Symposium 2011, International Process Safety Symposium 2011, (2011)
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