사업장의 경계면에서 화학물질 감지 및 대응을 위한 이동식 센서 배치 최적화 Mobile Sensor Velocity Optimization for Chemical Detection and Response in Chemical Plant Fence Monitoring원문보기
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 취급양도 급속하게 증가하고 있다. 그러나 화학물질 누출사고는 꾸준히 발생되고 있으며 때에 따라 다량의 화학물질이 누출되는 경우에는 큰 피해로 이어질 가능성이 크다. 이러한 산업단지에는 수많은 센서로부터 얻는 정보를 이용해 누출 발생지역을 감지 감시하고 있으며, 기존의 고정식 센서를 로봇이나 드론에 적용하여 산업현장에 이용되고 있다. 이에 따라 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서 배치 방안을 제시할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 화학물질이 누출되는 경우에 대해 COMSOL을 사용하여 주요 파라미터를 적용, 실질적인 사고 시나리오를 해석하였다. 그리고 사고 시나리오를 바탕으로 센서의 감지 확률, 감지시간과 감지시나리오 수의 각 항목마다 중요도를 부여하여 이동식 센서의 위치별 속도가 산출되도록 목적함수를 선정하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 대해 신뢰성 분석을 통해 제안방법의 타당성을 확인하였다. 이상의 결과로부터 추후 적용될 이동식 센서의 농도 데이터를 기반으로 누출원의 역추적에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
최근 화학물질을 사용하는 시설이 증가하면서 취급양도 급속하게 증가하고 있다. 그러나 화학물질 누출사고는 꾸준히 발생되고 있으며 때에 따라 다량의 화학물질이 누출되는 경우에는 큰 피해로 이어질 가능성이 크다. 이러한 산업단지에는 수많은 센서로부터 얻는 정보를 이용해 누출 발생지역을 감지 감시하고 있으며, 기존의 고정식 센서를 로봇이나 드론에 적용하여 산업현장에 이용되고 있다. 이에 따라 화학물질을 취급하는 공정의 누출조건, 환경조건을 반영한 다양한 누출 시나리오를 토대로 빠른 감지와 대응을 위해 경계면의 센서 배치 방안을 제시할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 화학물질이 누출되는 경우에 대해 COMSOL을 사용하여 주요 파라미터를 적용, 실질적인 사고 시나리오를 해석하였다. 그리고 사고 시나리오를 바탕으로 센서의 감지 확률, 감지시간과 감지시나리오 수의 각 항목마다 중요도를 부여하여 이동식 센서의 위치별 속도가 산출되도록 목적함수를 선정하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 대해 신뢰성 분석을 통해 제안방법의 타당성을 확인하였다. 이상의 결과로부터 추후 적용될 이동식 센서의 농도 데이터를 기반으로 누출원의 역추적에도 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
Recently, as the number of facilities using chemicals is increasing, the amount of handling is rapidly increasing. However, chemical spills are occurring steadily, and if large quantities of chemicals are leaked in time, they are likely to cause major damage. These industrial complexes use informati...
Recently, as the number of facilities using chemicals is increasing, the amount of handling is rapidly increasing. However, chemical spills are occurring steadily, and if large quantities of chemicals are leaked in time, they are likely to cause major damage. These industrial complexes use information obtained from a number of sensors to detect and monitor leaking areas, and are used in industrial fields by applying existing fixed sensors to robots and drones. Therefore, it is necessary to propose a sensor placement method at the interface for rapid detection and response based on various leaking scenarios reflecting leaking conditions and environmental conditions of the chemical handling process. In this study, COMSOL was used to analyze the actual accident scenarios by applying the medium parameter to the case of chemical leaks. Based on the accident scenarios, the objective function is selected so that the velocity of each robot is calculated by attaching importance to each item of sensor detection probability, sensing time and sensing scenario number. We also confirmed the feasibility of this method of reliability analysis for unexpected leak accidents. Based on the above results, it is expected that it will be helpful to trace back the leakage source based on the concentration data of the portable sensor to be applied later.
Recently, as the number of facilities using chemicals is increasing, the amount of handling is rapidly increasing. However, chemical spills are occurring steadily, and if large quantities of chemicals are leaked in time, they are likely to cause major damage. These industrial complexes use information obtained from a number of sensors to detect and monitor leaking areas, and are used in industrial fields by applying existing fixed sensors to robots and drones. Therefore, it is necessary to propose a sensor placement method at the interface for rapid detection and response based on various leaking scenarios reflecting leaking conditions and environmental conditions of the chemical handling process. In this study, COMSOL was used to analyze the actual accident scenarios by applying the medium parameter to the case of chemical leaks. Based on the accident scenarios, the objective function is selected so that the velocity of each robot is calculated by attaching importance to each item of sensor detection probability, sensing time and sensing scenario number. We also confirmed the feasibility of this method of reliability analysis for unexpected leak accidents. Based on the above results, it is expected that it will be helpful to trace back the leakage source based on the concentration data of the portable sensor to be applied later.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 사업장 이외 지역으로 확산되는 유해화학물질을 감지 및 감시하기 위해 경계면에서 이동식 센서의 위치별 속도 최적화 연구를 하였다. 이를 위해 대기확산모델을 바탕으로 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로서 수치적인 계산으로 위치별 이동속도를 최적화하였다.
제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 본 방안의 신뢰성 분석을 하여 타당성을 높이고자 하였다.
경계면의 센서배치 최적화를 위해서는 공간의 구조와 누출이 이루어졌을 때 유체흐름의 방향을 고려하여 최적화를 진행해야 한다. 본 연구에서는 각 사업장의 공간의 구조를 고려한 누출발생시 누출물질의 감지를 위해 유체흐름을 반영한 경계면의 센서 배치 최적화를 진행하였다.
본 연구에서는 두 가지의 감시 방법을 모두 적용해 주기적인 감시를 하면서 적용 플랜트의 어느 위치에서 중점을 두고 감시를 할 수 있는 방법을 제시하였다. 즉, 위치별로 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도에 따라 도출된 중요도를 이용해 지역을 상, 중, 하로 나누고, 적용 플랜트의 평균 중요도의 기준으로 하 지역을 빠르게 지나가도록 설정하여 넓은 경계면을 적절한 위치별 이동속도를 설정하도록 제안하였다.
본 연구에서는 이동식 센서의 위치별 이동속도 최적화를 식 (1)와 같이 목적변수 Z를 최대화하기 위해, 위치 i별 감지시간 중요도, 감지농도 중요도 및 감지시나리오 수의 중요도 각각 합을 도출 하였다. 이때, 식 (2)은 각 시나리오 a에서 위치 I 에서 최초 감지시간 중 가장 작은 시간 ta,m을 각 위치 i에서의 감지시간으로 나눈 값에 감지시나리오 수가중치를 곱하여 행렬 Ti로 산출되도록 하였다.
본 연구에서는 화학물질을 사용하는 플랜트에서 유해화학물질의 누출사고를 대응하기 위한 경계면의 이동식 센서 위치별 이동속도 최적화를 하고자 하였다. 이를 위해 실제 플랜트에서 저장탱크의 톨루엔이 누출되는 경우에 대하여 누출지점과 풍향에 의해 누출 시나리오를 선정하였다.
고정식 센서의 단점으로 이동성이 없기 때문에 설치 이후 위치의 변경 및 사고 발생 시 효과적으로 실제 누출지역의 데이터를 측정하기가 어렵고, 최근에 다양한 산업에 도입되고 있는 드론과 같은 로봇에 센서를 설치하여 도입하는 시도가 이어지고 있다. 이에 따라 경계면에서 이동식 센서의 위치별 이동속도를 설정하기 위한 방법을 제시 하였다.
가설 설정
이때의 누출공 크기는 15 cm로 가정하였고, 대상 플랜트의 기상조건인 여수지역의 바람방향과 바람 속도를 사용하여 시뮬레이션을 하였다. 본 플랜트의 저장시설인 탱크를 중점으로 누출 시나리오 시뮬레이션을 실시하였고, 센서배치 최적화를 진행하였다.
제안 방법
경계면의 센서배치 이후 적절한 배치가 이루어졌는지를 확인할 수 있는 신뢰성 분석을 수행하였다. 이와 같은 신뢰성 분석을 하는 이유는 여러 사고에서도 볼 수 있듯이 사고 시나리오 이외의 사고형태로 사고가 발생하는 것을 알 수 있다.
6의 (b)와 같이 바람이 강하게 불게 되면 설치된 센서로 감지를 못하는 상황이 발생하게 된다. 그렇기 때문에 본 연구에 사용하는 누출 시나리오의 바람속도는 각 풍향마다의 연평균최대풍속을 사용하였다.
0을 사용하여 경계면에서 시간에 따른 확산물질의 농도를 누출 시나리오별 시뮬레이션 결과 값을 도출하였다. 그리고 최적화를 위해 경계면 센서배치 시 주요 인자로 판단되는 기준 감지농도에 따른 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도로 나누어 시뮬레이션 결과 값으로부터 도출하였고, 위치별 중요도를 이용한 위치별 이동속도 최적화를 제시하였다. 이동식 센서가 플랜트 경계면을 한 사이클로 순환 시, 주기적 감시 결과와 최적 감시를 비교한 결과, 감지시간 측면에서 27%의 성능 향상과 100%의 신뢰성을 가졌다.
기상데이터는 풍향별 최대평균풍속을 사용한다. 네 번째는 현장 데이터를 기반으로 시뮬레이션 툴의 기체 확산 모델을 통해 시나리오를 시뮬레이션 한다. 다섯 번째는 시뮬레이션을 통해 도출된 위치에 따른 시간별 농도를 이용해 경계면의 위치별 중요도를 산출한다.
누출시나리오는 COMSOL이라는 FEM기반의 CFD를 이용하였고, 640개의 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 시나리오 당 1시간으로 총 640시간이 걸렸다. 도출된 누출 시나리오에서 남풀에 의한 시뮬레이션 결과는 Fig.
즉, 첫 번째로 대상 플랜트의 선정과 해당 플랜트의 경계면을 설정한다. 두 번째로 위험성 평가로 누출이 가능한 부위를 분석한다. 위험성 평가를 토대로 분석된 누출이 가능한 부위는 누출 시나리오의 누출지점으로 지정한다.
이때의 누출공 크기는 15 cm로 가정하였고, 대상 플랜트의 기상조건인 여수지역의 바람방향과 바람 속도를 사용하여 시뮬레이션을 하였다. 본 플랜트의 저장시설인 탱크를 중점으로 누출 시나리오 시뮬레이션을 실시하였고, 센서배치 최적화를 진행하였다.
신뢰도를 모두 만족하는 주기적 감시와 최적 이동속도 감시를 통해 중 지역 8 m/s, 상 지역은 6m/s, 그리고 하 지역은 10 m/s로 설정하여 비교하였다.
이동식 센서를 적용하는 플랜트의 요구사항에 따라 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도에 따른 위치별 중요도와 기준 감지농도 변화가 필요하며, 각각의 경우에 따른 위치별 중요도를 산출하였다.
이동식 센서의 경계면 위치별 이동속도 최적화를 위해 고려할 조건들을 Fig. 3과 같이 플로우차트로 제시하였다. 즉, 첫 번째로 대상 플랜트의 선정과 해당 플랜트의 경계면을 설정한다.
고정식 센서를 대체하기 위한 목적이기에 동일한 센서성능이 필요하며, 경계면의 넓은 범위를 감지해야 하므로, 사업장 경계면 감시주기를 짧게 하고, 누출로 인한 피해가 큰 위치가 주로 감시되도록 해야 한다. 이를 위해 경계면 모든 부위를 동일한 속도로 감시하는 것이 아니라 위치별 특성을 고려한 감시속도가 필요하여, 이동식 센서의 위치별 이동속도 최적화를 고정식 센서에서 산출하는 중요도 식을 이용하였다.
따라서 본 연구에서는 사업장 이외 지역으로 확산되는 유해화학물질을 감지 및 감시하기 위해 경계면에서 이동식 센서의 위치별 속도 최적화 연구를 하였다. 이를 위해 대기확산모델을 바탕으로 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로서 수치적인 계산으로 위치별 이동속도를 최적화하였다. 제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다.
본 연구에서는 화학물질을 사용하는 플랜트에서 유해화학물질의 누출사고를 대응하기 위한 경계면의 이동식 센서 위치별 이동속도 최적화를 하고자 하였다. 이를 위해 실제 플랜트에서 저장탱크의 톨루엔이 누출되는 경우에 대하여 누출지점과 풍향에 의해 누출 시나리오를 선정하였다. 대상 플랜트의 경계면에서의 기후에 따른 바람 방향 16개와 누출지점 40개를 곱하여 얻은 도출된 실제 플랜트의 누출 시나리오 640개를 시뮬레이션하기 위해 상용 프로그램인 COMSOL Ver5.
이를 위해 대기확산모델을 바탕으로 시나리오별 조건을 적용하여 센서의 감지확률을 구함으로서 수치적인 계산으로 위치별 이동속도를 최적화하였다. 제시된 최적화 방법은 여러 누출 시나리오를 이용하여 검증을 진행하였고, 모든 사업장에 적합한 경계면의 센서배치 최적화가 가능하도록 하였다. 또한 예상치 못한 누출사고에 본 방안의 신뢰성 분석을 하여 타당성을 높이고자 하였다.
본 연구에서는 두 가지의 감시 방법을 모두 적용해 주기적인 감시를 하면서 적용 플랜트의 어느 위치에서 중점을 두고 감시를 할 수 있는 방법을 제시하였다. 즉, 위치별로 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도에 따라 도출된 중요도를 이용해 지역을 상, 중, 하로 나누고, 적용 플랜트의 평균 중요도의 기준으로 하 지역을 빠르게 지나가도록 설정하여 넓은 경계면을 적절한 위치별 이동속도를 설정하도록 제안하였다.
대상 데이터
화학물질 누출사고를 대비한 실제 플랜트의 적용을 위하여 화학물질 저장시설을 보유한 여수 산업단지의 플랜트 중 하나를 선택하였고 Fig. 4와 같이 위성지도를 기반으로 Fig. 5와 같이 실제 플랜트의 구조를 형성하였고(거리: m), 누출지점은 저장탱크로 ○로 표시된 곳이다. 이때, Table 3과 같이 누출물질은 톨루엔이며, 누출형태는 연속누출로 지정하였다.
데이터처리
이를 위해 실제 플랜트에서 저장탱크의 톨루엔이 누출되는 경우에 대하여 누출지점과 풍향에 의해 누출 시나리오를 선정하였다. 대상 플랜트의 경계면에서의 기후에 따른 바람 방향 16개와 누출지점 40개를 곱하여 얻은 도출된 실제 플랜트의 누출 시나리오 640개를 시뮬레이션하기 위해 상용 프로그램인 COMSOL Ver5.0을 사용하여 경계면에서 시간에 따른 확산물질의 농도를 누출 시나리오별 시뮬레이션 결과 값을 도출하였다. 그리고 최적화를 위해 경계면 센서배치 시 주요 인자로 판단되는 기준 감지농도에 따른 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도로 나누어 시뮬레이션 결과 값으로부터 도출하였고, 위치별 중요도를 이용한 위치별 이동속도 최적화를 제시하였다.
성능/효과
가중치 변화에 따라 위치별 중요도는 모든 가중치(감지시간, 감지시나리오 수, 감지농도)를 이용한 경우와 같이 평균 중요도를 기준으로 상, 중, 하 지역이 유사하게 나타났다. 결과적으로, 임의의 간단한 구조와 실제 플랜트 모두 상, 중, 하 지역이 가중치에 큰 영향 없이 존재한다는 것으로 분석하였다.
결과적으로 Table 5에서 확인할 수 있듯이 본 연구에서 제시한 최적 위치별 이동속도 감시를 통하여 감지시간 측면에서 주기적 감시보다 27%가 향상 되었고, 임의의 간단한 구조와 똑같이 부분적 감시와 주기적 감시보다 감지시간과 신뢰도측면에서 효과적인 방법으로 분석되며, 위치별 중요도에 따른 이동속도 차이가 클수록 효과가 증가할 것으로 예상된다.
가중치 변화에 따라 위치별 중요도는 모든 가중치(감지시간, 감지시나리오 수, 감지농도)를 이용한 경우와 같이 평균 중요도를 기준으로 상, 중, 하 지역이 유사하게 나타났다. 결과적으로, 임의의 간단한 구조와 실제 플랜트 모두 상, 중, 하 지역이 가중치에 큰 영향 없이 존재한다는 것으로 분석하였다.
또한 가중치 및 기준농도에 따른 위치별 중요도를 산출한 결과로, 임의의 간단한 구조와 실제 플랜트 모두 가중치 및 기준농도에 따라 산출된 위치별중요도 상, 중, 하 지역이 유사한 것으로 분석되었으며, 결과적으로 이동식 센서의 위치별 중요도 산출시 각 가중치(1, 1, 1)와 기준농도(ERPG-2)를 변경할 필요가 없음을 분석하였다.
그리고 최적화를 위해 경계면 센서배치 시 주요 인자로 판단되는 기준 감지농도에 따른 감지시간, 감지시나리오 수 및 감지농도로 나누어 시뮬레이션 결과 값으로부터 도출하였고, 위치별 중요도를 이용한 위치별 이동속도 최적화를 제시하였다. 이동식 센서가 플랜트 경계면을 한 사이클로 순환 시, 주기적 감시 결과와 최적 감시를 비교한 결과, 감지시간 측면에서 27%의 성능 향상과 100%의 신뢰성을 가졌다.
이상의 결과로부터 누출 시나리오 기반 CFD 시뮬레이션 활용은 모든 사업장에 적용이 가능하고, CFD 시뮬레이션 결과를 활용해 경계면에서 고정식 센서 최적배치와 이동식 센서의 위치별 이동속도 최적화 방법의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구결과는 누출사고 발생 시 신속한 대응이 가능하고, 사고 피해를 최소화 하는데 도움을 줄 수 있고, 추후 농도 데이터 기반에 의한 누출원 역추적에 크게 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
후속연구
이상의 결과로부터 누출 시나리오 기반 CFD 시뮬레이션 활용은 모든 사업장에 적용이 가능하고, CFD 시뮬레이션 결과를 활용해 경계면에서 고정식 센서 최적배치와 이동식 센서의 위치별 이동속도 최적화 방법의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 본 연구결과는 누출사고 발생 시 신속한 대응이 가능하고, 사고 피해를 최소화 하는데 도움을 줄 수 있고, 추후 농도 데이터 기반에 의한 누출원 역추적에 크게 도움을 줄 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
매년 상당수 발생하고 있는 화학사고 사례는?
1976년 이탈리아 세베소(Seveso)의 TCDD(trichloro-dibenzo-p-dioxin) 누출 사고, 1984년 인도 보팔(Bopal)의 MIC(methyl isocynate, CH3NCO)누출사고, 또한, 2008년 미국의 펜실베니아(Pennsylvania)주에서 발생한 발연황산 누출 사고, 최근에 - 발생한 2012년 경북 구미 불산 누출 사고 등 여러 누출 사고로 인한 대규모 피해가 발생한 사고에 대한 계기로, 위험물 취급시설에 대해서는 설계·설치 단계에서부터 플랜트 외부영향을 고려하여 취급시설이 안전하게 운영되도록 유도하고 위험도에 따라 안전성을 확보하는 장치마련 필요성이 제기되었다[2]. 이에 따라 유해화학물질 취급시설을 설치·운영하고자 하는 플랜트는 장외영향평가서를 작성하여환경부장관에게 제출하는 제도가 시행되고 있다.
센서의 역할은?
센서는 산업의 분야에서 광범위하게 사용되는 기기이며 그 종류도 일일이 헤아릴 수 없을 정도로 많다. 센서는 물리량을 측정하여 장치의 작동 기준을 제공하거나 환경의 상태를 파악하여 물질의 구성요소를 분석할 수 있는 데이터 제공과 함께 다양한 역할을 담당한다.
현재 화학산업은 어떠한가?
현재 화학산업은 복잡하고, 다양한 형태로 미래부가가치를 생산하고 고부가 가치 신물질 및 신제품 생산을 위한 화학산업의 범위가 확대되고 있으며, 또한 기술의 발전에 의한 고도화가 진행되고 있다. 과거 화학산업의 공정에서 경험하지 못한 고온, 고압 등 가혹한 조건의 생산방식 과 큰 규모의 복잡한 공정에 따른 많은 위험에 또한 노출되어 있어, 우리의 실생활에 여러 방면에 파급되는 위험을 제어하기 위해 모니터링을 진행하고 있다.
참고문헌 (9)
Chemical Safety Clearing-house, http://cscme.go.kr, (2016.12.29.)
KOSHA, Consequence Analysis (CA), Industrial Safety Training Institute of KOSHA, Korea Occupational Safety and Health Agency, ISTI-2001-29-86, (2001)
Dandrieux, A., Dusserre, G., and Ollivier, J., "Small Scale Field Experiments of Chlorine Dispersion", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 15, 5-10, (2002)
Go, J. S., "Study on the Consequence Effect Analysis & Process Hazard Review at Gas Release from Hydrogen Fluoride Storage Tank", Journal of the Korea society of Disaster information, 9(4), 449-461, (2013)
Cho, S. H., A Study On Optimal Sensor location based on Minimax Method With Cost Minimization, M.S. Thesis, Seoul University, (2014)
Miyata, E., and Mori, S., "Optimization of gas detector locations by application of atmospheric dispersion modeling tools", R&D Report, SUMITOMO KAGAKU, v.2011-I, (2011)
Legg, S. W. and Benavides-Serrano, A. J., "A stochastic programming approach for gas detector placement using CFD-based dispersion simulations", Computers and Chemical Engineering, 47, 194-201, (2012)
Kim, H. G., Park, S. G., Introduction to Sensor Engineering, Mechanism Researcher, Seoul, (2007)
Kim, Y. S., Lee, S. J., Park, T. K., and Lee, G. B., "Robust leak detection and its localization using interval estimation for water distribution network", Computers and Chemical Engineering, 92, 1-17, (2016)
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