[논문]냉동제조 시설의 암모니아 누출사고 위험 분석

강수진?; 이익모; 문진영; 천영우

doi:10.7842/kigas.2017.21.1.43

냉동제조 시설의 암모니아 누출사고 위험 분석
Risk Analysis of Ammonia Leak in the Refrigeration Manufacturing Facilities 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.21 no.1, 2017년, pp.43 - 51

강수진? (인하대학교 환경.안전융합전공) , 이익모 (인하대학교 화학과) , 문진영 (인하대학교 환경.안전융합전공) , 천영우 (인하대학교 환경.안전융합전공)

초록
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국내 냉동제조시설에서 암모니아 누출사고가 여전히 발생하고 있음을 볼 수가 있다. 암모니아는 가연성가스 및 독성가스이므로 사고 발생할 때 인체와 생태계에 큰 피해를 일으킬 수 있다. 국내 냉동제조시설의 암모니아 사고유형을 파악한 후 사고시나리오를 선정하여 피해범위를 산정하고 사고 빈도와 위험도를 분석하여 사고 피해를 최소화하는 대책 수립이 필요하다. 본 연구에서는 정량적 위험성 평가(QRA: quantitative risk assessment)의 분석 방법에 따라 암모니아 냉동시스템의 리시버 탱크에 대한 위험도를 분석하였다. 시나리오 분석 조건은 화학물질관리법에서 정하는 '사고시나리오 선정에 관한 기술지침' 및 미국 화학공정안전센터(CCPS: center for chemical process safety)의 가이드라인에 따라 정하였다. DVN사의 SAFETI 프로그램을 활용하여 시나리오에서 선정된 모든 사고 영향범위를 산정하고 빈도 분석을 통하여 리시버 탱크에 대한 위험도를 도출하였다. 빈도 값은 사건수 분석(ETA: event tree analysis)기법과 Part count 기법을 활용하였다. 연구 결과 암모니아 냉동시스템의 개인적 위험도는 7.71E-04/yr으로 도출되었으며, 사회적 위험도 1.17E-03/yr으로 도출되었다. 도출된 위험도는 국제 화재방지협회 (NFPA: national fire protection association)의 ALARP (as low as reasonably practicable) 범위를 적용하여 위험도의 적합성을 확인하였으며, 본 연구에서 제안한 위험도 산정 방법이 사고 피해 최소화 방안을 모색하는데 활용된다면 보다 좋은 결과가 도출될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, ammonia leak occurred frequently in the domestic refrigeration manufacturing facilities. Ammonia caused great damage to the environment and human health in the event of an accident as combustible gases and toxic gases. After considering the types of ammonia accidents of domestic refrigeration manufacturing facilities and selected accident scenarios and to analyze the risk analysis through Impact range estimates and frequency analysis and there was a need to establish measures to minimize accident damage. In this study, depending on the method of analysis quantitative risk assessment we analyzed the risk of the receiver tank of ammonia system. Scenario analysis conditions were set according to the 'Technical guidelines for the selection of accident scenario' under the chemicals control act and 'Guidelines for chemical process quantitative risk analysis' of center for chemical process safety. The risk estimates were utilized for consequence analysis and frequency analysis by SAFETI program of DNV, event tree analysis methodology and part count methodology. The individual risk of ammonia system was derived as 7.71E-04 / yr, social risk were derived as 1.17E-03 / yr. The derived risk was confirmed to apply as low as reasonably practicable of the national fire protection association and through risk calculation, it can be used as a way to minimize accidents ammonia leakage accident damage.

주제어

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문제 정의

냉동제조시설에서 암모니아 냉동시스템에 대한 위험도 분석을 실시하고 그에 따른 활용방안을 제시하고자 본 연구를 수행하고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
따라서 본 연구는 SAFETI 프로그램을 이용하여 국내 암모니아 냉동제조시설의 사고유형을 파악한 후 사고 시나리오를 선정하여 피해범위 예측하고 사고빈도를 분석하여 위험도 산정방법을 제시함으로써 향후 암모니아 누출사고 발생 시 사고피해의 범위나 규모를 최소화하는데 그 목적을 두고 있다.
본 연구에서는 암모니아 냉동제조시설에서 사고가 발생할 경우 개인적 위험도와 사회적 위험도를 산정하는 방법을 제시하였으며, 이와 유사한 사고 발생할 경우 사고의 범위와 피해 규모를 최소화하는 방안에 활용된다면 사고예방에 도움이 될 것이라고 판단된다.
그 방안으로 사고영향범위를 감소시키거나 사고가 발생하는 빈도를 감소시키는 방법 등이 있다. 본 연구에서는 위험도 감소시키기 위함 방법으로 누출 포인트 감소방안을 제시하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다. 개인적 위험도 산정결과를 등고선을 이용하여 Fig.
암모니아 냉동시스템의 위험도 분석결과를 바탕으로 위험도를 낮추기 위한 방안을 모색하였다. 그 방안으로 사고영향범위를 감소시키거나 사고가 발생하는 빈도를 감소시키는 방법 등이 있다.

제안 방법

ETA는 주요 사고지점에서 누출공의 크기에 따라 누출이 발생할 경우, 즉 각각의 초기 사건에 점화 확률을 바탕으로 작성하였다. 사건수 작성 시 점화 확률은 Lee's model[13]을 활용하였으며 Lee's model에 의한 점화 확률을 Table 6에서 나타내었다.
Part count는 P&ID 및 배치도를 활용하여 작성하였으며 용기, 밸브, 펌프, 핀 팬 열 교환기, 압축기 등으로부터 장치들을 카운트하였다.
가. 국내 냉동제조시설의 경우 경기도 지역에 많이 분포하였기 때문에 본 연구의 기상조건으로 국내 D지역의 기상 조건을 활용하였으며 기온은 12.4℃, 습도는 62%를 사용하였고 풍속 및 대기안정도는 사고시나리오 선정에 관한 기술지침[6]을 활용하여 최악의 사고시나리오는 풍속 1.5 m/s, 대기안정도 F등급을 사용하였고, 대안의 사고시나리오는 풍속 3 m/s, 대기안정도는 D등급을 사용하였다.
끝점은 “사고시나리오 선정에 관한 기술지침[6]”에 따라 독성은 농도가 ERPG-2에 도달하는 지점, 폭발은 1 psi의 과압이 걸리는 지점, 화재는 40초 동안 5 kw/m2의 복사열이 노출되는 지점, 유출 및 누출은 유출 및 누출물질의 인화한계에 이르는 지점으로 설정하였다.
본 연구에서는 암모니아 냉동제조시설을 가상으로 선정하였기 때문에 위험도를 산정하기 위한 인구 수 또한 명확하지 않았다. 따라서 인구수의 산정은 공장 및 관리 건물의 경우 일반적으로 중소기업에 근무하는 인원의 평균치를 사용하였고 교육센터는 하루에 교육받는 평균인원, 상업 및 공업단지의 인구는 소기업에서 근무하는 평균인원, 거주 지역은 아파트 단지의 평균인원으로 설정하였다. 공장 및 관리 건물의 점유 부하율은 0.
본 연구에서는 암모니아 냉동시스템에 인구분포를 적용하여 개인적 위험도를 계산하였다. Fig.
위험성 평가 방법에는 정성적 위험성 평가와 정량적 위험성 평가가 있다. 본 연구에서는 정량적 위험성 평가기법을 활용하여 사고 상황을 설정하고, 원인결과분석(CCA)기법을 활용하여 사고영향을 파악하였고, 사건수분석(ETA)를 활용하여 빈도를 알아내어 위험도를 도출하였다.

대상 데이터

누출공의 크기는 미국 화공안전센터(CCPS:center for chemical process safety)의 “화학 공정의 정량적 위험 분석 가이드라인(guidelines for chemical process quantitative risk analysis)”[7]에 따라 선정하였으며 Table 2에 나타내었다.
암모니아 프로빗 상수 A, B 및 N값은 Louvar, J.F. and Louvar, B.D[8]의 자료를 활용하였으며 A는 –16.14, B는 1이며 N은 2의 값을 사용하였다.

이론/모형

누출률은 공정 조건 및 누출공의 크기에 따라 사고 시나리오 별로 SAFETI에 포함된 가스 및 액체의 누출률 모델을 사용하여 계산하였으며 그 결과를 Table 5에 나타내었다.
또한 사회적 위험도의 허용 여부를 판단하기 위한 기준을 정하기 위해 Fig. 10에 나타낸 미국 전국방화협회(NFPA)[15]의 위험도 기준을 활용하였다.
사고 시나리오범위 예측은 정량적 소프트웨어인 DNV사의 SAFETI을 사용하였다. 미국 화학공정안전센터(CCPS: center for chemical process safety)[9]의 guideline에 따라 사고영향범위의 분석 절차를 수행하였다.
본 연구에서는 사고빈도를 계산하기 위해 part counts기법과 사건수분석(ETA: event tree analysis)기법을 활용하였으며 각 장치별 고유의 고장 빈도값은 석유 및 가스 생산 국제 협회(IOGP : international association of oil & gas producer)[11] 데이터 및 정량적 위험성 평가 가이드라인의 purple book[12]의 데이터를 활용하였다.
사건수 작성 시 점화 확률은 Lee's model[13]을 활용하였으며 Lee's model에 의한 점화 확률을 Table 6에서 나타내었다.
사고 시나리오범위 예측은 정량적 소프트웨어인 DNV사의 SAFETI을 사용하였다. 미국 화학공정안전센터(CCPS: center for chemical process safety)[9]의 guideline에 따라 사고영향범위의 분석 절차를 수행하였다.

성능/효과

(1) 암모니아 냉동시스템 내 리시버의 누출 포인트 감소 전 후의 각각 개인적 위험도는 7.71E-04/yr 및 7.06E-04/yr로 도출되었으며, NFPA의 위험도 기준 범위를 초과하였다.
(2) 암모니아 냉동시스템 내 리시버의 누출 포인트 감소 전 후의 각각 사회적 위험도는 1.17E-03/yr 및 1.03E-03/yr로 도출되었으며, NPFA의 ALARP 영역 내에 포함되었다.
4와 같이 나타났다. 5 kw/m²의 복사열이 노출되는 지점을 그래프로 도식하였으며 최악의 시나리오의 경우 최대 약 84.2 m까지 영향을 미치는 것으로 나타났다
3과 같이 나타내었다. ERPG-2에 도달하는 지점을 그래프로 도식하였으며 최악의 시나리오의 경우 최대 약 144.3 m, 대안의 시나리오의 최대 약 195.9 m까지 영향을 미치는 것으로 나타났다.
2 m까지 영향을 미치는 것으로 나타났다. Pool fire 모델링 결과를 Fig. 6과 Fig. 7에서 나타내었으며 최악의 시나리오의 경우 최대 약 84.9 m, 대안의 시나리오는 최대 약 90.9 m까지 영향을 미치는 것으로 나타났다.
9에 개인적 위험도를 ①에서 ⑦의 위험수준을 등고선으로 나타내었다. 개인적 위험도는 7.71E-04/yr로 계산되었으며 NFPA의 허용 가능한 범위를 초과하는 것으로 나타났다.
도출된 시나리오 별 빈도를 Table 7에 나타내었다. 리시버의 누출빈도가 가장 크게 나왔으며 5 mm의 누출빈도는 3.94E-03이며 jet fire와 pool fire의 합한 빈도는 7.46E-05이며 독성빈도 값은 3.90E-03로 나타났다.
국내 사고현황(03~14년)에 관한 화학물질안전원의 공식자료[2]에 따르면 다양한 화학사고의 형태 중 화학물질 유출 및 누출로 인한 사고가 가장 빈번한 것으로 조사되었다. 물질별 유출 및 누출 사고를 살펴보면 산류, 인화성 액체, 독성가스 및 염기류 등의 순으로 사고가 빈번하게 발생하였으며, 사고의 발생 건수는 매년 증가하는 추세로 나타났다. 최근 2년간 유출 및 누출 사고의 원인물질 중 암모니아가 대표적이며, 독성가스의 유출 및 누출 사고에서도 암모니아가 약 63%를 차지할 정도로 그 사고가 빈번하게 발생하였다.
11에 나타내었다. 암모니아 시스템 내 리시버의 사회적 위험도는 1.17E-03/yr로 계산되었으며 결과 값은 낮과 밤의 위험도 값을 종합한 결과이며, 사회적 위험도는 NFPA 의 허용 가능한 범위에 포함되는 것으로 나타났다.
12에 나타내었다. 위험도 감소방안 전 후의 개인적 위험도는 각각 7.71E-04/yr 및 7.06E-04/yr로 산정되었으며 NFPA의 허용 가능한 범위를 초과하는 것으로 나타났다.
13에 나타내었다. 위험도 감소방안 전 후의 사회적 위험도는 낮과 밤의 위험도를 종합한 결과이며 각각 1.17E-03/yr 및 1.03E-03/yr로 산정되었으며 NPFA의 허용 가능한 범위에 포함하는 것으로 나타났다.
주요 사고지점에서의 누출 사건에 대한 사건수를 작성하여 Fig. 8에서 나타내었으며 누출공 5 mm 사이즈의 누출빈도는 1.95E-04, jet fire와 pool fire의 합한 빈도는 3.69E-06, 독성빈도 값은 1.93E-04로 나타났다.

후속연구

(3) 또한 위험도 감소시키는 방안으로 누출 포인트 감소방안 외에도 수동적 완화장치 및 능동적 완화장치를 제안함으로써 사고 발생 빈도 및 위험도를 낮추는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물질별 유출 및 누출 사고에 암모니아가 차지하는 비중이 어떻게 되는가?	물질별 유출 및 누출 사고를 살펴보면 산류, 인화성 액체, 독성가스 및 염기류 등의 순으로 사고가 빈번하게 발생하였으며, 사고의 발생 건수는 매년 증가하는 추세로 나타났다. 최근 2년간 유출 및 누출 사고의 원인물질 중 암모니아가 대표적이며, 독성가스의 유출 및 누출 사고에서도 암모니아가 약 63%를 차지할 정도로 그 사고가 빈번하게 발생하였다. 시설별로는 암모니아 냉동제조시설에서의 사고가 가장 많았다.
	암모니아가 가지고 있는 위험성은 무엇인가?	국내 냉동제조시설에서 암모니아 누출사고가 여전히 발생하고 있음을 볼 수가 있다. 암모니아는 가연성가스 및 독성가스이므로 사고 발생할 때 인체와 생태계에 큰 피해를 일으킬 수 있다. 국내 냉동제조시설의 암모니아 사고유형을 파악한 후 사고시나리오를 선정하여 피해범위를 산정하고 사고 빈도와 위험도를 분석하여 사고 피해를 최소화하는 대책 수립이 필요하다.
	냉동제조시설에서 암모니아 유출 및 누출 사고가 많이 일어나는 이유는 무엇인가?	시설별로는 암모니아 냉동제조시설에서의 사고가 가장 많았다. 냉동제조시설 중 약 64%에 해당하는 시설이 15년 이상 경과된 노후 시설이었으며 그로 인한 암모니아 유출 및 누출 등의 사고도 증가하는 추세를 보였다[3].

참고문헌 (15)

Ju, H. S., Lee, Y. S., Im, O. J., and Yu, J. M., "Through a risk assessment of chemicals spills industrial complex environmental impact assessment studies Improvement", Korea Environment Institute, (2013)
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Park, S. W., and Jeong, S. H., "Damage and evacuation distance range Prediction of Ammonia leak in the refrigeration system", Theory and Application of Chemical Engineering, Vol 21, No. 1, (2015)
GAPS Guidelines, "AMMONIA HAZARDS", A Publication of Global Asset Protection Services LLC,( 2015)
National Institute Chemical Safety, "Technical guidelines for selecting accident scenarios", http://nics.me.go.kr/, (2014)
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Louvar, J.F., and Louvar, B.D., "Health and Environmental Risk Analysis: Fundamentals with Applications", (1998)
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Seong, D. H., "A Study on the way of creating hazard Risk Contour facilities", Hoseo University, (2012)
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Lees, F.P., "Loss Prevention in the Process Industries", 2nd Edition, Butterworths-Heinemann, (1996)
Gwon, H. M., Seong, D. H., Kim, J. H., Im, D. S., Kim, K. Y., Pyeon, M. W., Moon, I., Go, J. U., Lee , Y. S., and Yoon, I. S., "A great comprehensive risk management system for industrial accidents Study on Construction (IRMS)", Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 3, (2003)
NFPA 59A, "Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG)," National Fire Protection Association, (2013)

저자의 다른 논문 :

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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