[논문]누출특성을 통한 폭발위험장소 선정방법의 개선에 대한 연구

김대연; 천영우; 이익모; 황용우

doi:10.12812/ksms.2017.19.2.31

누출특성을 통한 폭발위험장소 선정방법의 개선에 대한 연구
A Study on the Improvement of Classification of Explosion Hazardous Area using Hypothetic Volume through Release Characteristic 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.19 no.2, 2017년, pp.31 - 39

김대연 (인하대학교 대학원 환경안전융합전공) , 천영우 (인하대학교 대학원 환경안전융합전공) , 이익모 (인하대학교 대학원 환경안전융합전공) , 황용우 (인하대학교 대학원 환경안전융합전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Classify of explosion hazardous areas must be made at the site where flammable materials are used. This reason is that it is necessary to manage ignition sources in of explosion hazardous areas in order to reduce the risk of explosion. If such an explosion hazard area is widened, it becomes difficult to increase the number of ignition sources to be managed. The method using the virtual volume currently used is much wider than the result using CFD(Computational Fluid Dynamics). Therefore, we tried to improve the current method to compare with the new method using leakage characteristics. The result is a realistic explosion hazard if the light gas is calibrated to the mass and the heavy gas is calibrated to the lower explosion limit. However, it is considered that the safety factors should be taken into account in the calculated correction formula because such a problem should be considered as a buffer for safety.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 IEC 규정에서 새롭게 제시한 차트를 과거의 가상체적을 이용한 방식과 비교하여 현재 사용되고 있는 방법의 타당성을 판단하고, 더 나은 결과를 낼 수 있도록 개선하고자 한다. 이를 통해 폭발위험장소 구분을 더 경제적이고 안전하게 함으로써 화재 및 폭발사고를 예방하고자 한다.
본 연구는 가상체적을 이용하여 폭발위험장소를 선정하는 방법에 대하여 연구를 진행한 것이다. 보수적으로 폭발위험장소를 선정하고 있는 가상체적을 이용한 방법의 경우에는 실제 폭발위험분위기를 지니는 구역보다 넓게 폭발위험장소를 설정하였다는 문제점을 지니고 있으므로, 이러한 단점을 해결하기 위하여 IEC에서 새롭게 차트를 이용한 개선된 결과값을 제시하고 있다.
따라서 본 연구에서는 IEC 규정에서 새롭게 제시한 차트를 과거의 가상체적을 이용한 방식과 비교하여 현재 사용되고 있는 방법의 타당성을 판단하고, 더 나은 결과를 낼 수 있도록 개선하고자 한다. 이를 통해 폭발위험장소 구분을 더 경제적이고 안전하게 함으로써 화재 및 폭발사고를 예방하고자 한다.

가설 설정

구해진 가상 체적은 누출 물질이 가상의 구를 이룬다고 가정하여 폭발위험장소의 범위를 산정한 것이다. 화학물질의 가상체적을 이용한 폭발위험장소의 범위는 [Table 2]와 같다.

제안 방법

누출되는 물질에 따라 원래 사용되던 가상체적을 이용한 방법과 누출특성을 이용한 새로운 방법의 비교를 위하여 가스의 무게를 기준으로 2가지군으로 물질을 선정하였다. 즉, 산업현장에서 많이 쓰이고 있는 폭발성 가스들 중에서 공기를 기준으로 각각 5개씩의 경가스와 중가스를 선정하였다.
5배가 되는 체적을 나타낸다. 누출등급은 2차누출의 경우로 고려하여 안전율을 0.5로 설정하여 연구를 진행하였다. 가상 체적을 알기 위하여, 먼저 주어진 인화성 물질의 누출을 폭발하한 이하의 필요 농도로 희석시키기 위하여 필요한 신선한 공기의 최소 이론 환기량을 정할 필요가 있다.
먼저 IEC에서 새롭게 제시한 차트와 기존 결과를 비교하여, 그 차이에 대해 결과 산정에 사용된 요소별로 보정할 수 있는 보정계수를 산정하였다. 새롭게 제시된 차트와 가상체적을 이용한 방법의 결과는 모두 가상체적을 이용한 방법의 결과값이 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
여기에서, f는 폭발성 가스분위기를 희석하는 효과측면에서의 환기 효율이며, 일반적으로 f는 1(이상적인 조건)에서 5(공기흐름 장애)의 범위를 사용한다[9]. 본 연구에서는 품질계수를 5, 신선한 공기의 치환회수를 시간당 2회로 설정하였다.
2016년 IEC (International Electronical Committee) 규정이 개정되면서 기존의 가상체적방식이 아닌 화학물질의 누출특성을 이용한 폭발위험장소 구분에 대한 새로운 차트가 제시되었다. 이 차트는 누출형태를 제트 누출, 확산, 및 중가스 누출로 나누고 있으며, 연속등식과 CFD 모델링을 바탕으로 개발되었다.
이러한 차이들이 물질의 어떤 요소에서 비롯되었는지 분석하기 위하여 폭발하한계, 밀도, 분자량에 따라 나타내보았다. [Figure 3]에서와 같이 가벼운 물질군의 경우, 분자량과 밀도에 영향을 많이 받고 있으며, 폭발하한의 경우 부피단위보다 질량단위에 의해 많은 영향을 받고 있다.

대상 데이터

누출되는 물질에 따라 원래 사용되던 가상체적을 이용한 방법과 누출특성을 이용한 새로운 방법의 비교를 위하여 가스의 무게를 기준으로 2가지군으로 물질을 선정하였다. 즉, 산업현장에서 많이 쓰이고 있는 폭발성 가스들 중에서 공기를 기준으로 각각 5개씩의 경가스와 중가스를 선정하였다. 사고 시나리오의 경우 본래 액체누출과 기상누출로 구분해야 하지만, 비교를 위하여 기상누출만을 고려하였다.

데이터처리

보정계수산정을 위해 영향이 큰 요소에 대해서 선형 회귀분석을 실시하였다. 1차회귀분석 결과, 분자량에 대한 식은 y=0.

성능/효과

그 값은 두 물질군에 따라 확연히 다른 양상을 보여주었다. 가벼운 물질군은 가상체적을 이용한 방법이 누출특성을 이용한 방법보다 2배에서 3배 정도 크게 측정되었으며, 그 변동폭이 무거운 물질보다 넓게 나타났다. 무거운 물질군의 경우는 아세톤을 제외하고는 1.
[Figure 2]에 두 방법을 이용하여 산정한 폭발위험반경의 값을 비교하여 제시하였다. 가상체적을 이용한 방법의 결과는 29.15m ~ 9.29m, 누출특성의 이용한 방법의 결과는 15m ~ 4.5m로 폭발위험반경의 크기는 가상체적을 이용한 방법의 값이 대체로 크게 산출되었으며, 그 차이는 가벼운 가스에서 더욱 크게 나타났다. 각 방법에서 최대값을 가지는 물질은 똑같이 수소로 나타났으며, 최소값을 가지는 물질 또한 암모니아로 같게 나타났다.
가장 넓은 위험장소를 가지는 물질은 수소로서 29.15m의 값을 보이며, 가장 작은 범위는 9.29m로써 암모니아에서 나타났다. 폭발하한이 작을수록 가상체적이 커져서 폭발위험장소가 넓어지는 경향을 보이는데,이는 시나리오가 동일할 경우 물질의 폭발하한이 가상 체적의 크기를 결정하는 가장 큰 요인이기 때문이다.
5m로 폭발위험반경의 크기는 가상체적을 이용한 방법의 값이 대체로 크게 산출되었으며, 그 차이는 가벼운 가스에서 더욱 크게 나타났다. 각 방법에서 최대값을 가지는 물질은 똑같이 수소로 나타났으며, 최소값을 가지는 물질 또한 암모니아로 같게 나타났다. 또 누출특성을 이용하여 산출한 폭발위험반경은 가벼운 가스와 무거운 가스 사이에 불연속적인 모습을 보여주지만, 가상체적의 경우 무거운 가스와 가벼운 가스 사이에 값의 연속성을 보이고 있다.
4848로 산출되었다. 그리고 질량단위의 경우에는 y=14.20x+0.85로 관계식이 나타났으며, 표준오차의 경우 0.0419로 매우 작게 나타났으며, 상관계수는 0.9620, 결정계수지표는 0.9254로 신뢰도가 매우 크게 나타났다. 따라서 두 방법 중에서, 부피단위보다 질량단위가 더 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
9254로 신뢰도가 매우 크게 나타났다. 따라서 두 방법 중에서, 부피단위보다 질량단위가 더 많은 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
먼저 IEC에서 새롭게 제시한 차트와 기존 결과를 비교하여, 그 차이에 대해 결과 산정에 사용된 요소별로 보정할 수 있는 보정계수를 산정하였다. 새롭게 제시된 차트와 가상체적을 이용한 방법의 결과는 모두 가상체적을 이용한 방법의 결과값이 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
)의 한 연구 보고서에 따르면, 저압상태의 2차누출일 때 가상체적으로 추정하는 증기운의 부피가 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 사용한 결과보다 100∼3,000배 크다는 결과가 보고되었다. 이러한 결과는 가상체적을 이용한 폭발위험장소의 범위가 상당히 안전에 치중하여 규정되었다는 것을 알려주며, 현재 설정된 폭발위험장소의 범위가 실제 폭발위험분위기가 형성되는 범위보다 매우 크게 설정되어 있다는 것을 알려준다. 안전을 위해서는 실제보다 넓게 범위를 정하는 것이 안정적이지만, 폭발위험장소의 범위에 설치해야 하는 방폭설비가 증가하게 되므로 비용 문제가 발생한다.
또 물질군 별로도 차이의 양상이 다르게 나타났다. 이에 따라 물질군 별로 요소에 따른 비교를 진행한 결과, 가벼운 물질은 분자량과 밀도에 영향을 많이 받고 있으며, 폭발하한의 경우 부피단위보다 질량단위에 의해 많은 영향을 받고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 가벼운 물질의 경우 가상체적을 이용한 방법에 물질의 질량요소에 보정을 가한다면 보수적인 부분을 줄일 수 있으며, 본 연구에서는 분자량에 대해서는 y=0.
8144로 나타나 분자량이 두 방법 사이의 차이를 보이는 요소가 될 수 있는 확률이 상당히 높게 나타났다. 회귀분석관계식의 정확도를 알기 위한 결정계수지표는 0.6633으로 나타났으며 이 값은 관계식이 충분한 신뢰도를 가지고 있다는 것을 보여준다. 밀도에 대한 식은 y=0.

후속연구

가상체적을 이용한 방법의 경우 단순히 누출량에 따라 부피를 산정하여 범위를 정하는 것이기 때문에, 이러한 물성이 반영되지 않은 상태이다. 따라서 폭발하한 등의 물성에 대한 보정계수를 산출하여 사용한다면, 이런 물성에 따른 차이를 반영할 수 있을 것이라고 판단된다.
그러나 이러한 성질의 차를 직접적으로 반영하기에는 많은 실험이 동반되어야 하는 어려움이 있다. 하지만 IEC 방법에서 물질군을 구분하여 산정하고 있으며, 물질에 따른 결과값의 증감추이가 비슷한 양상을 보이고 있으므로 가상체적을 이용한 방법 또한 새로운 IEC 방법과 결과치를 비교함으로써 두 물질군에 각기 다른 보정을 실시할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEC 규정에서 새로이 제시된 차트는 누출 형태를 어떻게 나누는가?	2016년 IEC (International Electronical Committee) 규정이 개정되면서 기존의 가상체적방식이 아닌 화학물질의 누출특성을 이용한 폭발위험장소 구분에 대한 새로운 차트가 제시되었다. 이 차트는 누출형태를 제트 누출, 확산, 및 중가스 누출로 나누고 있으며, 연속등식과 CFD 모델링을 바탕으로 개발되었다.
	KS 기준에 나타난 폭발위험장소 규정의 현황은 어떤가?	이러한 폭발위험장소를 구분하는 규정은 API, NFPA 등에서 제시하고 있으며, 한국에서는 2011년 개정된 산업안전보건법에서 한국산업표준(KS)에 준하여 폭발위험장소를 구분하고 있다. KS 기준에서는 가상체적에 의해 환기등급을 결정하여 폭발위험장소의 형태 즉, 0종, 1종, 2종 또는 비위험 장소를 결정하고 있으나, 폭발위험장소의 범위는 간단한 예시만 제시하고 있을 뿐 구체적인 기술적 사항이 규정되어 있지 않아서, 현장에 적용할 경우에는 다양한 지식과 경험을 필요로 한다. 또한, KS 기준에서 정한, 가상 체적을 이용한 폭발위험장소의 범위는 누출구의 면적에 크게 좌우되지만, 반면에 누출의 형태와 같은 사항을 반영하지 못하고 있다.
	가상체적을 이용하여 추정한 폭발위험장소의 범위가 실제 폭발위험분위기가 형성되는 범위보다 아주 크다는 것의 근거는?	K.)의 한 연구 보고서에 따르면, 저압상태의 2차누출일 때 가상체적으로 추정하는 증기운의 부피가 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 사용한 결과보다 100∼3,000배 크다는 결과가 보고되었다. 이러한 결과는 가상체적을 이용한 폭발위험장소의 범위가 상당히 안전에 치중하여 규정되었다는 것을 알려주며, 현재 설정된 폭발위험장소의 범위가 실제 폭발위험분위기가 형성되는 범위보다 매우 크게 설정되어 있다는 것을 알려준다.

참고문헌 (9)

KOSHA Guide P-92, "Technical Guideline for Source Modelling", Korea Occupational Safety & Health Agency, pp. 4-7. 2012.
API PR 505, "Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Zone 0, Zone 1, and Zone 2", American Petroleum Institute, pp. 21-43, 1997.
NFPA 497A, "Recommended Practice for Classification of Class I Hazardoud (Classifie d) Locations for Electrical Installation in Chemical Process Areas", National Fire Protection Association, pp. 4-39, 1992.
Woonchul Shin(2014), "Case Study on Prevention of Fire/Explosion Accidents caused by Chemical Substances in Small/Medium Sized Construction Sites", Journal of the Korea safety management & science v.16 no.3 ,pp. 63-70
IEC 60079-10-1, 2015, Explosive atmospheres-part 10-1: Classification of areas- Explosive gas atmospheres.
HSE, RR630, 2008, Area classification for secondary releases from low pressure natural gas systems ,HSE
HSE, RR993, 2013, Technical Input on ventilation effectiveness for area classification guidance EI-15,HSE
KS C IEC 60079-10-1, "Explosive atmospheres - Part 10-1 : Classification of Areas-Explosive Gas Atmospheres", Korean Industrial Standards, pp. 1-34, 2012.
KOSHA Guide P-92, "Technical Guideline for Source Modelling", Korea Occupational Safety & Health Agency, pp. 4-7. 2012.

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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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