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문제 정의
- 누출량에 따라 산정된 영향범위의 분포를 바탕으로 분석결과 상관식의 적합도가 높은 것으로 평가할 수 있는 기준이 되는 상관계수 값(R2)이 1에 가까운 식을 도출하고자 했다. 그 결과 물질별 0.
- 또한, 국내 환경부 산하 화학물질안전원은 염산과 암모니아수에 대한 피해 영향범위 간이표를 제공한 바가 있으나[9], 이 외의 액체상 유해화학물질에 대한 피해영향범위 관련 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 3종의 사고대비물질을 선정하여 액체상 물질의 독성 누출 시나리오에 따른 피해영향범위에 대해 검토하였으며, 영세 및 중소기업 등에서 정량적 위험성 평가를 쉽고 빠르게 활용 및 판단할 수 있도록 저장 및 누출량에 따른 독성피해 영향범위의 상관관계식을 도출하는 것을 목적으로 하였다.
- 본 연구에서는 화학물질관리법에 따라 장외영향평가서와 위해관리계획서를 제출해야 하는 의무가 있는 영세 및 중소기업을 대상으로 제한사항을 두었기 때문에 저장 및 누출량에 따른 피해영향범위를 빠르고 쉽게 판단할 수 있는 선형 상관관계식을 도출하였다.
제안 방법
- KORA 프로그램 실행 시 지면 위 이격거리, 누출 배관 직경, 저장량과 누출속도, 대기 온도, 운전 압력 및 방류벽 면적을 변화되는 인자로 설정하여 분석하였다. 최악의 사고시나리오에서는 수동적 완화장치(방벽, 방호벽, 방류벽, 배수시설 및 저류조 등)만을 고려하며, 능동적 완화장치(중화설비, 소화설비, 수막설비, 과류방지밸브, 플레어시스템 및 긴급차단시스템 등)는 고려하지 않는다[12].
- KORA를 활용하여 산출된 액상 질산, 메탄올 및 아크릴산 등 독성물질의 피해영향거리 모델링 결과를 토대로, 영향범위 상관관계식을 도출하였다. 상관관계 분석은 변수 간 관계의 밀접한 정도를 분석하는 통계적 분석 방법을 말하며, 선형회귀분석은 종속 및 독립 변수 간의 관계를 예측하는 것으로서 계수를 조정하여 회귀 수식을 구한다[6].
- 개발된 메탄올 상관관계식을 A 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 10 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 6,320 ㎏으로 계산하였다.
- 9963으로 나타났다. 개발된 메탄올 상관관계식을 A, B 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. A 사업장은 1차 상관관계식에서 오차율 1.
- 개발된 메탄올 상관관계식을 B 사업장의 메탄올 사고시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 20 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 12,640 ㎏으로 계산하였다.
- 개발된 아크릴산 상관관계식을 A 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 저장탱크의 용량은 10 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을8,400 ㎏으로 계산하였다.
- 개발된 아크릴산 상관관계식을 B 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크의 용량은 20 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 16,800 ㎏으로 계산하였다.
- 9918으로 나타났다. 개발된 아크릴산상관관계식을 A, B 사업장의 사고 시나리오에 검증해보았다. A 사업장은 1차 상관관계식에서 오차율 19.
- 8 ㎏/s의 누출속도로 10분간 누출되는 피해영향범위를 산출하였다. 끝점거리 ERPG-2를 10 ppm으로 설정한 뒤 저장량을 변화시키면서 독성피해 영향범위를 분석하였으며, 결과는 Fig. 2에 나타내었다.
- 1∼20 ㎏/s의 누출속도로 10분간 아크릴산이 누출되었을 경우의 피해영향범위를 산출하였다. 끝점거리ERPG-2를 10 ppm으로 설정한 뒤 저장량을 변화시키면서 독성피해 영향범위를 분석하였으며, 결과는 Fig. 3에 나타내었다.
- Table 2에 독성 누출 시 사고 시나리오 분석 인자들의 조건을 나타내었다. 대기안정도는 F, 끝점거리는ERPG-2, 풍속은 1.5 m/s, 대기온도는 25℃, 그리고 습도는 50%로 설정하였다. 액상 물질의 저장탱크는 최대용량 기준으로 직경 1.
- 대신에 누출량에 따라 산정된 영향범위의 분포를 바탕으로 회귀 분석결과 회귀식의 적합도가 높은 것으로 평가할 수 있는 기준이 되는 상관계수 값(R2)이 1에 가까운 회귀분석 모델을 도출하고자 했으며, 그 결과 0.96∼ 0.99로 높은 결정계수 값을 갖는 선형함수 형태의 회귀분석 모델을 적용하였다.
- 개발된 메탄올 상관관계식을 A 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 10 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 6,320 ㎏으로 계산하였다. 사고시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과영향범위는 94.
- 개발된 메탄올 상관관계식을 B 사업장의 메탄올 사고시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 20 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 12,640 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 127.
- 개발된 아크릴산 상관관계식을 B 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크의 용량은 20 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 16,800 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 80.
- 독성피해 영향범위 산출을 위한 사고 시나리오는 화학물질안전원이 ‘사고시나리오 선정에 관한 기술지침’에서 제시한 최악의 사고 시나리오를 선택하였다[11].
- 3%로 가장 높은 비율로 사고가 발생하는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 독성 누출을 사고 시나리오로 선정하였다. 본 연구에서의 누출량은 단일 용기에 저장되는 최대량으로 정의하였으며, 사고발생 10분 동안에 최대 저장량이 모두 누출되는 것으로 설계하였다.
- 질산은 액체상 사고대비물질로서 최근 10년간 국내 사고발생빈도가 44건으로 가장 높은 산화성 액체이며, 최근 메탄올접촉으로 인한 시력 이상 증상의 급성중독사고가 발생하고 있다[4]. 또한 23종의 기체상 물질을 제외한 액상 사고대비물질의 급성 경구, 피부, 흡입 지수와 NEPA 건강보건, 화재, 반응 지수 등 물리화학적 특성과 사고발생건수와 함께 고려하여 인화성 액체 아크릴산을 선정하였다[10].
- 메탄올의 밀도를 고려하여, 최악의 시나리오는KORA를 이용하여 저장량 60∼9,480 ㎏인 저장탱크에서 0.1∼15.8 ㎏/s의 누출속도로 10분간 누출되는 피해영향범위를 산출하였다.
- 상온에서 저장 및 취급하는 액체상태의 급성 독성물질이 누출된 경우, 저장 및 취급된 누출량이 순간적으로 누출되어 액체층을 형성하게 되며, 방류벽 등과 같은 확산방지 조치가 되어 있지 않은 경우에는 누출량과 밀도만을 고려하여 액체층의 표면적을 산정한다[11]. 본 연구에서는 물질별로 주어진 밀도를 고려하여, 최악의 시나리오로 10분 동안 설계된 저장량(㎏)이 설계된 누출속도(㎏/s)로 누출되었을 때의 독성피해 영향범위를 분석하였다. 따라서 최악의 사고시나리오의 누출 속도는 (1)식과 같으며 저장량에 비례한다.
- 따라서 본 연구에서는 독성 누출을 사고 시나리오로 선정하였다. 본 연구에서의 누출량은 단일 용기에 저장되는 최대량으로 정의하였으며, 사고발생 10분 동안에 최대 저장량이 모두 누출되는 것으로 설계하였다.
- 사고대비물질 중 질산, 메탄올 및 아크릴산을 선정하여, 사고로 인한 누출 시 독성피해 영향범위와 상관관계식을 산정하였고, 개발된 상관관계식을 실제 사업장 사고 시나리오에 적용하여 신뢰도를 검증한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 산정된 질산에 의한 피해영향거리 상관관계식의 검증을 위하여 A, B 사업장 각각의 사고 시나리오를 적용해보았다.
- 아크릴산은 저장량 60∼12,000 ㎏인 저장탱크에서0.1∼20 ㎏/s의 누출속도로 10분간 아크릴산이 누출되었을 경우의 피해영향범위를 산출하였다.
- 장외영향평가서 및 위해관리계획서를 제출하는 두 개의 사업장(A, B)에 대하여 KORA를 이용한 독성피해 영향범위와 본 연구의 상관관계식을 이용한 독성피해 영향범위를 비교하여 신뢰도를 검증하였다. S시에 위치한 사업장 A는 graphite와 각 화학물질들을 반응기에 순차적으로 투입하여 산화/환원반응을 통한 반제품 및 산화 그래핀 제품을 제조하는 화학제품 제조업체이다.
- 개발된 아크릴산 상관관계식을 A 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. 저장탱크의 용량은 10 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을8,400 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 55.
- 질산은 저장량 6∼12,000 ㎏인 저장탱크에서 0.01∼20 ㎏/s의 누출속도로 10분간 누출되었을 경우의 피해영향범위를 산출하였다.
- 31 m이다. 질산의 밀도와 80% 운전용량은 80%로 하여, 저장량을 12,400 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 755.
- 62 m이며, 독성을 영향모델로 설정하였다. 질산의 밀도와 운전 최대 용량을 80%로 고려하여, 저장량을 3,100 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 333.
- 질산의 상관계수 값은 2차식이 0.9905, 3차식이0.9963으로 나타났으며, 산정식을 A, B 사업장 시나리오에 대입하여 검증해보았다. A 사업장은 2차 상관관계식에서 오차율 0.
- 01∼20 ㎏/s의 누출속도로 10분간 누출되었을 경우의 피해영향범위를 산출하였다. 피해영향모델을 독성으로, 끝점거리 ERPG-2를 10 ppm으로 설정한 뒤 저장량을 변화시키면서 독성피해 영향범위를 분석하였으며, 결과는 Fig.1에 나타내었다.
대상 데이터
- A 사업장의 사고 시나리오는 탱크로리에서 저장탱크로 유입시 질산이 누출·확산되는 영향모델로 설정하였으며, 해당 설비의 설계 용량은 10 ㎥, 직경은 2.35 m, 높이는 2.31 m이다.
- 본 연구에서는 대상 물질로서 산화성 액체인 질산, 인화성 액체인 메탄올 및 아크릴산 등 3종의 액상 유해화학물질을 선정하였으며, 그 물질의 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다.
- 5 m/s, 대기온도는 25℃, 그리고 습도는 50%로 설정하였다. 액상 물질의 저장탱크는 최대용량 기준으로 직경 1.75 m, 높이 5 m, 용량 약 12 ㎥인 수직실린더 형태로 설정하였다.
데이터처리
- 선형 회귀분석을 통해 질산, 메탄올, 아크릴산의 독성피해 영향범위에 대한 상관관계를 1차, 2차 및 3차식으로 산정하였고, 선형회귀분석을 통하여 상관계수가 0.99이상인 최적의 상관관계식을 도출하였다.
이론/모형
- 따라서 영세 및 중소기업 등의 사업장 피해영향 범위를 판단하기 위해서 KORA 프로그램이 가장 적합하다고 판단하였다. 본 연구에서는 화학물질안전원에서 개발한 피해범위 예측과 위험도를 산정하는 범용프로그램인 KORA 사고예측 시뮬레이션 프로그램을 이용하였다[12].
성능/효과
- •메탄올 누출에 따른 최악의 시나리오 적용하여 두 사업장의 KORA 실제 영향범위 결과와 본 연구의상관관계식 비교 결과, A 사업장은 1차 상관관계식에서 오차율 1.93%, 2차 상관관계식에서 오차율 4.79%을 보였으며, B 사업장은 2차 상관관계식에서 오차율 5.34%의 결과가 도출되었다.
- •아크릴산 누출에 따른 최악의 시나리오 적용하여 두 사업장의 KORA 실제 영향범위 결과와 본 연구의 상관관계식 비교 결과, A 사업장은 1차 산정식에 대해 오차율 19.50%을 보였으며, B 사업장은 2차 산정식에 대해 오차율 1.39%를 나타냈다.
- •질산 누출에 따른 최악의 시나리오 적용하여 두 사업장의 KORA 실제 영향범위 결과와 본 연구의 상관관계식 비교 결과, A 사업장은 2차 상관관계식에 대해 오차율 0.51%를 나타내었고 B 사업장은 2차상관관계식에 대해 오차율 5.29%, 3차 상관관계식에 대해 오차율 4.90%의 결과가 도출되었다.
- 0 m로 나타났으며, 이에 대한 결과를 Table6에 나타내었다. 1차 상관관계식에서 오차율 1.93%, 2차 상관관계식에서 오차율 4.79%, 3차 상관관계식에서 오차율 11.7%의 결과값이 도출되었다.
- 3 m로 나타났다. 1차 상관관계식에서 오차율 15%, 2차 상관관계식에서 오차율 5.29%, 3차 상관관계식에서 오차율 4.9%의 결과값이 도출되었다.
- 2 m로 나타났으며, 결과를 Table 8에 나타내었다. 1차 상관관계식에서 오차율 19.5%, 3차 상관관계식에서 오차율 25.95%의 결과값이 도출되었다.
- 개발된 메탄올 상관관계식을 A, B 사업장의 사고 시나리오와 검증해보았다. A 사업장은 1차 상관관계식에서 오차율 1.93%, 2차 상관관계식에서 오차율 4.79%의 결과값이 도출되었다. 또한,B 사업장은 2차 상관관계식에서 오차율 5.
- 개발된 아크릴산상관관계식을 A, B 사업장의 사고 시나리오에 검증해보았다. A 사업장은 1차 상관관계식에서 오차율 19.5%의 결과값이 도출되었으며, B 사업장은 2차 상관관계식에서 오차율 1.39%의 결과값이 도출되었다.
- 9963으로 나타났으며, 산정식을 A, B 사업장 시나리오에 대입하여 검증해보았다. A 사업장은 2차 상관관계식에서 오차율 0.51%로 실제 영향범위 값과 가장 흡사한 결과가 도출되었고 B 사업장은 2차 상관관계식에서오차율 5.29%, 3차 상관관계식에서 오차율 4.9%의 결과값이 도출되었다. 따라서 질산은 2차 상관관계식이 가장 적합하다고 판단하였다.
- 2 m로 나타났다. 결과적으로 1차 상관관계식에서 오차율 26.23%, 2차 상관관계식에서 오차율5.34%의 결과값이 도출되었다.
- 2 m로 나타났으며, 이에 대한 결과를 Table 4에 나타내었다. 결과적으로 2차 상관관계식에서 오차율 0.51%로 실제 영향범위 값과 가장 흡사한 결과가 도출되었다.
- 8 m로 나타났다. 결과적으로 2차 상관관계식에서 오차율 1.39%의 결과값이 도출되었다.
- 또한, 국내에서 발생한 화학물질 관련 사고사례는 화학물질안전원에서 제공하는 통계에 따르면, 화학물질 사고는 유출 및 누출, 화재, 폭발 등의 복합적이고 다양하게 나타나고 있다. 그 중 유출 및 누출에서 각각 41.0%및 32.3%로 가장 높은 비율로 사고가 발생하는 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 독성 누출을 사고 시나리오로 선정하였다.
- 34%의 결과가 도출되었다. 따라서 메탄올은 본 연구의 2차 상관관계식인 y =-8E-07x2 + 0.0185x + 14.477이 가장 적합한 식으로 판단된다.
- 39%를 나타냈다. 따라서 아크릴산은 저장량이 클수록 본 연구의 2차 상관관계식인 y = -4E-07x2 + 0.011x + 6.9842이 적합할 것으로 사료된다.
- 9%의 결과값이 도출되었다. 따라서 질산은 2차 상관관계식이 가장 적합하다고 판단하였다.
- 90%의 결과가 도출되었다. 따라서 질산은 본 연구의 2차 상관관계식인 y=-3E-06x2 + 0.0933x + 55.807이 가장 적합한 식으로 판단된다.
- 3 kg/s인 누출량 180 kg부터 피해영향 범위 값이 나타났으며, 초반 lag 구간이 나타났다. 또한, 메탄올의 밀도를 고려하였을 때 질산과 아크릴산과는 다르게 누출속도 15.8 kg/s일 때 누출량 9,480kg까지만 피해영향범위가 나타났다. 그 때의 피해영향범위는 117.
- 0 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과 116.9 m, 78.9 m, 46.8 m로 나타났다. 결과적으로 2차 상관관계식에서 오차율 1.
- 6 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과 66.5 m,71.2 m, 41.2 m로 나타났으며, 결과를 Table 8에 나타내었다. 1차 상관관계식에서 오차율 19.
- 3 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 각각 825.2 m, 751.5 m, 1029.2 m로 나타났으며, 이에 대한 결과를 Table 4에 나타내었다. 결과적으로 2차 상관관계식에서 오차율 0.
- 9 m로 나타났다. 본연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 283.9 m, 316.2 m, 350.3 m로 나타났다. 1차 상관관계식에서 오차율 15%, 2차 상관관계식에서 오차율 5.
- 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 20 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 12,640 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 127.3 m로 나타났다. 연구결과의 검증을 위해 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 160.
- 질산의 밀도와 운전 최대 용량을 80%로 고려하여, 저장량을 3,100 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 333.9 m로 나타났다. 본연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 283.
- 질산의 밀도와 80% 운전용량은 80%로 하여, 저장량을 12,400 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 755.3 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 각각 825.
- 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크의 용량은 20 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 16,800 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 80.0 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과 116.
- 저장탱크의 용량은 10 ㎥로 아크릴산의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을8,400 ㎏으로 계산하였다. 사고 시나리오에 대한 실제KORA 프로그램을 분석한 결과 영향범위는 55.6 m로 나타났다. 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과 66.
- 독성을 영향모델로 설정하고, 저장탱크 용량은 10 ㎥로 메탄올의 밀도와 80% 운전용량을 고려하여 저장량을 6,320 ㎏으로 계산하였다. 사고시나리오에 대한 실제 KORA 프로그램을 분석한 결과영향범위는 94.9 m로 나타났다. 연구결과의 검증을 위해 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 각각 93.
- 3의 피해영향거리를 식으로 전환한 1∼3차 영향범위 산정식 및 상관계수를 Table 7에 나타내었다. 선형회귀분석을 통해 분석한 결과, 1차식은 y = 0.006x +16.053이고 상관계수는 0.9346, 2차식은 y = -4E-07x2 +0.011x + 6.9842이고 상관계수는 0.9811, 3차식은 y =7E-11x3 - 2E-06x2 + 0.0165x + 2.2008이고 상관계수는 0.9918으로 나타났다.
- 2의 피해영향거리를 식으로 전환한 1∼3차 영향범위 산정식 및 상관계수를 Table 5에 나타내었다. 선형회귀분석을 통해 분석한 결과, 1차식은 y = 0.0107x+ 25.448로 선형화되었으며, 이 때의 상관계수는 0.9513이었다. 2차식은 y = -8E-07x2 + 0.
- 1의 피해영향거리를 식으로 전환한 1∼3차 영향범위 산정식 및 상관계수를 Table 3에 나타내었다. 선형회귀분석을 통해 분석한 결과, 1차식은 y = 0.0582x+ 103.470로 선형화되었으며, 이 때의 상관계수는 0.9611이었다. 2차식은 y = -3E-06x2 + 0.
- 아크릴산은 초반 lag 구간이 가장 길었으며, 누출속도0.7 kg/s인 누출량 420 kg부터 피해영향 범위가 나타났다. 아크릴산의 독성피해 영향범위의 최대값은 81.
- 3 m로 나타났다. 연구결과의 검증을 위해 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 160.7 m,120.5 m, 266.2 m로 나타났다. 결과적으로 1차 상관관계식에서 오차율 26.
- 9 m로 나타났다. 연구결과의 검증을 위해 본 연구의 1차, 2차, 3차 상관관계식에 저장량을 대입하여 독성피해 영향범위를 계산한 결과는 각각 93.1 m,99.4 m, 106.0 m로 나타났으며, 이에 대한 결과를 Table6에 나타내었다. 1차 상관관계식에서 오차율 1.
- 4에 나타낸 바와 같이 비교 분석해보았다. 질산은 누출속도 0.02 kg/s인 누출량 12 kg부터 피해영향 범위 값이 나타났으며, 질산의 독성피해 영향범위의 최대값은 740.1 m로 분석하였다.
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