[논문]BTX 공정에서 Gas Detector Mapping 적정성 검토에 관한 연구

서지혜; 한만형; 김일권; 천영우

doi:10.14346/jkosos.2017.32.5.168

BTX 공정에서 Gas Detector Mapping 적정성 검토에 관한 연구
A Study on Validation for Mapping of Gas Detectors at a BTX Plant 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.32 no.5, 2017년, pp.168 - 178

서지혜 (인하대학교 환경안전융합전공) , 한만형 (인하대학교 환경안전융합전공) , 김일권 (인하대학교 환경안전융합전공) , 천영우 (인하대학교 환경안전융합전공)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to prevent major and chemical accidents, some of the plants which would like to install and operate hazard chemicals handling facilities must submit Off-site Consequence Analysis due to recent arisen leak accidents since 2015. A lot of chemical industrials choose gas detectors as mitigation equipment to early detect gas vapor. The way of placement of gas detectors has two methods; Code-based Design(CBD) and Performance-based Design. The CBD has principles for gas detectors to be installed with consideration for the place that is expected to accumulate gas, and the leak locations according to legal standards and technical guidelines, and has a possibility to be unable to detect by these rules to locate gas detectors by vapor density information. The PBD has two methods; a Geographic Method and Scenario based Method. The Scenario-based Method has been suggested to make up for the Geographic Coverage Method. This Scenario-based Method draw the best optimum placement of gas detectors by considering leak locations, leak speed information, leak directions and etc. However, the domestic placement guidelines just refers to the CBD. Therefore, this study is to compare existing placement location of gas detectors by the domestic CBD with placement locations, coverages and the number of gas detectors in accordance with the Scenario-based Method. Also this study has measures for early detecting interest of Vapor Cloud and suitable placement of gas detectors to prevent chemical accidents. The Phast software was selected to simulate vapor cloud dispersion to predict the consequence. There are two cases; an accident hole size of leak(8 mm) from API which is the highst accident hole size less than 24.5 mm, and a normal leak hole size from KOSHA Guide (1.8 mm). Detect3D was also selected to locate gas detectors efficiently and compare CBD results and PBD results. Currently, domestic methods of gas detectors do not consider any risk, but just depend on domestic code methods which lead to placement of gas detectors not to make personnels recognize tolerable or intolerable risks. The results of the Scenario-based Method, however, analyze the leak estimated range by simulating leak dispersion, and then it is able to tell tolerable risks. Thus it is considered that individuals will be able to place gas detectors reasonably by making objectives and roles flexibly according to situations in a specific plant.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

PBD 1은 Column의 사고와 누출영향범위의 감지를 목적으로 설치되어진 감지기이며, PBD 3는 상압저장탱크내의 사고와 누출영향범위의 감지를 목적으로 하고 있다. PBD 2는 상압저장탱크와 Column에서 일어나는 사고를 감지하는 것을 목적으로 한다. 그렇기 때문에 PBD 2는 사고로 인한 Column의 누출영향범위와 상압저장탱크의 누출영향범위가 중첩되는 부분에 배치하게 되어 두 가지의 경우를 예방하는 역할을 수행한다.
누출사고의 효율적인 예방을 위한 배치는 공정 전체를 대상으로 사고를 대비하여 효율적인 배치를 통한 사고 예방을 목표로 한다. Fig.
따라서 본 연구는 CBD에 따라 설치된 가스감지기의 설치장소 및 설치위치를 Scenario 기반 방법론과비교하여 합리적인 가스감지기 Mapping의 적정성을 검토하고자 한다.
본 연구는 BTX 공정 내에서 국내의 CBD 적용방법론에 의해 설치된 가스감지기의 설치장소 및 설치위치를 시나리오 기반 방법론과 비교․분석하였다. 또한 화학사고 예방을 위한 합리적인 가스감지기 Mapping의 적정성을 검토하기 위하여 누출시나리오를 구성하였다.
이 방법은 시나리오를 고려한 후 위험성평가를 통해 수용 가능한 또는 수용 불가능한 위험도를 구분한 후수용 불가능한 사고를 방지하기 위한 장소에 가스감지기를 배치하는 것이다. 본 연구는 평상시 가스누출 감지향상을 위한 배치와 누출사고의 효율적인 예방을 위한 배치를 목표로 가스감지기를 배치하였다.
본 연구에서는 CBD로 배치된 가스감지기 및 가스누출영향범위를 도식화하고 배치의 적절성을 확인하기 위해 Detect3D를 이용하여 가스감지기의 Mapping 위치 및 감지범위를 나타내었다. Detect3D는 화재 및 가스 Mapping 프로젝트를 3D로 수행할 수 있는 프로그램으로 Insight numerics사에서 개발되어졌다.
평상시 가스누출의 감지 향상을 위한 배치는 Column에서 가스 및 액상누출, 상압저장탱크에서 액상누출을 고려하여, 가스감지기 범위의 향상을 목표로 설정하였다. Fig.

가설 설정

톨루엔 Column의 경우 증류되는 톨루엔을 액상으로 만들기 위해 Evaporator를 통과하며, 이때 Evaporator 전․후단 Flange 내 Gasket을 관심 누출원으로 설정하였다. 또한 Column 내부의 체적은 50% Packing column으로 내부 충진물을 포함하는 것으로 가정하였고, 나머지 톨루엔 증기는 25%로 Column상부에서, 25%는 액체로 Column하부에서 방출되는 것으로 가정하였다. Evaporator에서 출고대기를 위해 정제된 톨루엔은 Tank farm의 상압저장탱크에 저장되기 때문에, 톨루엔 저장 탱크의 관심 누출원은 상압저장탱크의 인입측 Flange의 Gasket으로 선정하였다.

제안 방법

또한 화학사고 예방을 위한 합리적인 가스감지기 Mapping의 적정성을 검토하기 위하여 누출시나리오를 구성하였다. PHAST 프로그램으로 누출로 인한 증기운의 누출영향범위를 산정하였고, Detector3D를 이용하여 가스 감지기의 설치위치를 결정하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
PHAST로 증기운의 누출영향범위를 산정하였고,Detect3D를 이용하여 증기운의 누출영향범위와 CBD로 배치된 가스감지기를 도식화 하였다. 가스감지기는 Column에 2개, 상압저장탱크에 1개가 설치되어 있다.
본 연구는 BTX 공정 내에서 국내의 CBD 적용방법론에 의해 설치된 가스감지기의 설치장소 및 설치위치를 시나리오 기반 방법론과 비교․분석하였다. 또한 화학사고 예방을 위한 합리적인 가스감지기 Mapping의 적정성을 검토하기 위하여 누출시나리오를 구성하였다. PHAST 프로그램으로 누출로 인한 증기운의 누출영향범위를 산정하였고, Detector3D를 이용하여 가스 감지기의 설치위치를 결정하였다.
본 연구에서는 PHAST 누출 모델링을 통해 Table 5와 같은 결과를 얻었다. 모든 시나리오의 외부 누출 방향은 수평으로 설정하였으며, 관심 농도는 폭발하한계의 25%¹³⁾인 2,750 ppm으로 설정하였다. Table 5에 나타난 거리는 증기운의 영향범위를 Side view에서 본 것으로 Fig.
가연성 가스 누출 감지경보기는 감지대상 가스의 폭발하한계 25%이하에서 경보가 울리도록 설정되어야 한다. 본 연구는 가스감지기의 감지직경을 5 m로 설정하였고 폭발하한계의 25%이상이 되는 범위를 감지하도록 하였다.
를 참고하였다. 사고 시 및 평상시 기상조건의 평균풍속 및 평균온도, 대기안정도는 3.1 m/s, 25℃, D로 설정하였다.
톨루엔과 벤젠을 분리하는 Column과 분리된 톨루엔을 저장하는 상압저장탱크를 대상설비로 하여 누출장소와 누출공의 크기를 설정하였고 PHAST를 이용하여 톨루엔의 누출영향범위를 산정하였다. 산정된 누출영향범위를 Detector3D를 이용하여 도식화하였고, CBD와 시나리오를 기반으로 가스감지기를 배치하여 결과를 비교하였다.
증기운이 형성되는 범위는 위의 모델링 설정 인자를 토대로 PHAST 7.1-DNV GL 프로그램을 이용하여 인화성 증기운의 영향범위를 분석하였다. 톨루엔 Column의 경우 Vapor와 Liquid 두 가지의 상태로 구분하여 모델링을 시행하였으며, 톨루엔 Column과 톨루엔 상압저장탱크의 조건은 Table 3 및 Table 4와 같다.
본 연구에서는 BTX 공정에서 주요 생산품인 벤젠을 생산하고 벤젠의 원료로 사용되는 톨루엔을 정제하는 BT 공정의 주 시설로 톨루엔 Column과 톨루엔 저장시설을 선정하였다. 톨루엔 Column의 운전압력과 온도는 BTX 공정편람¹⁷⁾을 참고하여 설정하였으며, 상층부는 기체상태, 하층부는 액체상태이므로 각각의 상태에 따라 운전조건을 달리 하였다. 톨루엔 저장설비는 상압 저장탱크로 설정하였다.
본 연구에서는 CBD에 따라 설치된 가스감지기와 Scenario에 따라 설치된 가스감지기를 비교하기 위하여 석유화학플랜트인 BTX공정 중 벤젠과 톨루엔을 분리하는 BT공정을 대상공정으로 선택하였다. 톨루엔과 벤젠을 분리하는 Column과 분리된 톨루엔을 저장하는 상압저장탱크를 대상설비로 하여 누출장소와 누출공의 크기를 설정하였고 PHAST를 이용하여 톨루엔의 누출영향범위를 산정하였다. 산정된 누출영향범위를 Detector3D를 이용하여 도식화하였고, CBD와 시나리오를 기반으로 가스감지기를 배치하여 결과를 비교하였다.

대상 데이터

또한 Column 내부의 체적은 50% Packing column으로 내부 충진물을 포함하는 것으로 가정하였고, 나머지 톨루엔 증기는 25%로 Column상부에서, 25%는 액체로 Column하부에서 방출되는 것으로 가정하였다. Evaporator에서 출고대기를 위해 정제된 톨루엔은 Tank farm의 상압저장탱크에 저장되기 때문에, 톨루엔 저장 탱크의 관심 누출원은 상압저장탱크의 인입측 Flange의 Gasket으로 선정하였다.
따라서 사고 시 누출 시나리오는 대상설비를 톨루엔 Column과 톨루엔 저장시설로 선정하였으며, 해당 설비의 Gasket 및 배관에서 직경 8 mm 누출공이 발생하여 누출이 이루어진 것으로 설정하였다.
따라서 평상시 누출 시나리오는 대상설비를 톨루엔 Column과 톨루엔 저장시설로 선정하였으며 예측하지 못한 압축섬유 개스킷 류의 플랜지에서 직경 1.78 mm의 누출공의 누출이 이루어진 것으로 설정하였다¹⁹⁾.
본 연구에서는 BTX 공정에서 주요 생산품인 벤젠을 생산하고 벤젠의 원료로 사용되는 톨루엔을 정제하는 BT 공정의 주 시설로 톨루엔 Column과 톨루엔 저장시설을 선정하였다. 톨루엔 Column의 운전압력과 온도는 BTX 공정편람¹⁷⁾을 참고하여 설정하였으며, 상층부는 기체상태, 하층부는 액체상태이므로 각각의 상태에 따라 운전조건을 달리 하였다.
본 연구에서는 CBD에 따라 설치된 가스감지기와 Scenario에 따라 설치된 가스감지기를 비교하기 위하여 석유화학플랜트인 BTX공정 중 벤젠과 톨루엔을 분리하는 BT공정을 대상공정으로 선택하였다. 톨루엔과 벤젠을 분리하는 Column과 분리된 톨루엔을 저장하는 상압저장탱크를 대상설비로 하여 누출장소와 누출공의 크기를 설정하였고 PHAST를 이용하여 톨루엔의 누출영향범위를 산정하였다.
본 연구에서는 증기운 발생 모델로 톨루엔 Column과 톨루엔 저장탱크를 선정하였다. 톨루엔은 화학물질안전관리정보시스템의 MSDS¹⁶⁾를 참고하였으며 물리․화학적 명세는 Table 3과 같다.

이론/모형

2차 누출의 경우 정상 작동상태에서 발생되지 않는 모든 누출로 간주되며 예측주기는 통상 무시한다. 1차 누출등급의 경우 누출공의 크기는 누출 오리피스의 형태와 크기에 따라 달라지지만 누출이 예상되어지지 않는 2차 누출등급의 경우는 누출공 산정에 고려해야 하는 요소를 결정하기 어렵기 때문에 KOSHA Guide¹⁹⁾를 참고하여 결정하였다.
13. Effect areas of vapor dispersion at the columns during the general operations and placement of gas detectors applying scenario-based method(vapor phase).
현실적인 조건으로 감지기를 배치하기 위하여 기상 조건은 화학물질안전원의 시나리오 선정에 관한 기술지침의 대안의 시나리오¹⁸⁾를 참고하였다. 사고 시 및 평상시 기상조건의 평균풍속 및 평균온도, 대기안정도는 3.

성능/효과

1) Column에서 평상시에 증기로 발생되는 누출영향 범위의 경우 Fig. 6에서 보듯이 CBD를 이용한 가스감지기의 배치로는 감지할 수 없었다. 그러나 Fig.
1) 원칙적으로 안전을 위한 가스감지기의 배치 및 설치는 Column에서 발생할 수 있는 모든 누출원에 대하여 고려해야한다. 그러나 Column에서 증기와 액체로 인한 누출 영향범위를 모두 고려하여 설치할 경우 설치장소가 증가하여, 현실적인 사업장 운영에 적합하지 않을 수 있다.
2) Column에서 평상시에 액체로 발생되는 누출영향 범위의 경우 Fig. 8과 같이 CBD로 배치하였을 때 Column 하부에서 발생되는 누출영향범위가 중복되는 부분에 가스감지기가 설치되어진 것을 확인할 수 있다. 그러나 정밀한 감지능력을 고려하였을 때, 정확히 영향범위가 중복된 부분에 설치되어진 것이 아니므로 가스감지기의 감지확률이 낮을 것으로 판단된다.
2) 위의 Fig. 20와 같이 각각의 가스감지기는 감지목적에 따라 배치 및 설치 위치가 달라진다. 이처럼 시나리오기반으로 가스감지기를 설치하는 경우 각 사업장의 감지기 설치 목적에 따라 감지기의 역할 및 목적이 유연하게 달라질 수 있다.
3) Fig. 10에서 L 1.78 / 1, L 1.78 / 3의 누출영향범위는 기존의 CBD로 설치하였을 때 감지를 할 수 없는 것으로 판단되었다. 또한 하나의 가스감지기로 모든 누출원에서 발생할 가능성이 있는 누출영향범위를 감지가 불가능한 것으로 판단된다.
그러나 정밀한 감지능력을 고려하였을 때, 정확히 영향범위가 중복된 부분에 설치되어진 것이 아니므로 가스감지기의 감지확률이 낮을 것으로 판단된다. Fig. 16에서 시나리오를 기반으로 가스감지기를 설치한 경우, 누출영향범위를 산정함으로써 누출영향범위가 중복되는 장소에 가스감지기를 설치하므로 기존의 CBD를 이용한 배치보다 더 효율적으로 누출을 감지할 수 있는 것을 확인하였다.
16는 Column에서 액체로 인해 발생되는 누출영향범위를 감지하기 위한 가스감지기의 배치이다. 누출영향범위의 중복 정도에 따라 더 붉게 표시되며 중복된 누출영향범위에 가스감지기가 설치되어 감지범위가 향상된 것을 확인할 수 있다.
78 / 3의 누출영향범위는 기존의 CBD로 설치하였을 때 감지를 할 수 없는 것으로 판단되었다. 또한 하나의 가스감지기로 모든 누출원에서 발생할 가능성이 있는 누출영향범위를 감지가 불가능한 것으로 판단된다. PBD인 경우 가스감지기 배치는 Fig.
18은 상압저장탱크에서 평상시 액체상 누출의 감지향상을 위한 배치를 도식화 한 것이다. 시나리오를 고려하여, 두 누출원으로 인해 발생하는 누출영향범위를 감지할 수 있도록 가스감지기의 위치가 조정된 것을 확인할 수 있다.
이처럼 CBD를 기반으로 설치된 가스감지기의 경우 Column상부에서 평상시 증기로 발생되는 누출 영향범위에 대한 감지가 불가능하며, 시나리오 기반으로 설치한 가스감지기의 경우 감지할 수 있는 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화학공장 사고예방을 위해 화학물질관리법에서 권장하는 것은?	가장 많이 발생한 사고 유형은3) 발생조건에 따라 밀폐공간 증기운 폭발과 개방공간 증기운 폭발로 구분되는4) 증기운 폭발이다3). 따라서 화학공장의 이러한 특수성을 잘 인식하여 안전사고를 예방할 수 있는 안전관리 방안을 수립할 필요성이 요구되고 있으며5), 사고예방을 위해 화학물질관리법상에서는 가스감지기, 누액감지기 등의 완화장치를 설치하도록 권장하고 있다6). 가스감지기의 배치 방법론은 해외의 경우 영국의 Health & Safety Executive (이하, HSE) 기관에서 1993년 4월 처음 지리적으로 누출범위를 산정하고 Grid(격자)를 이용하여 감지기를 설치하는 Geographic Coverage Method(이하, 지리적 범위 방법론)7)과 지리적 범위 방법론을 보완하기 위해 Scenario 기반 방법론8)이 제안되었다.
	증기운 폭발은 발생조건에 따라 어떻게 구분되는가?	대표적인 예는 세계 2위 석유회사인 BP가 운영하던 석유 시추선(Deepwater Horizon) 폭발사고로 현재까지 변상액만 55조원으로 막대한 재산적 손실을 가져오는 대형사고의 실정을 나타내며1), 이와 같이 화학물질 대량 취급, 설비 노후화 등으로 인한 중대산업사고로 인근 주민과 환경에까지 치명적인 영향을 미치는 사고 발생 가능성은 매우 높다2). 가장 많이 발생한 사고 유형은3) 발생조건에 따라 밀폐공간 증기운 폭발과 개방공간 증기운 폭발로 구분되는4) 증기운 폭발이다3). 따라서 화학공장의 이러한 특수성을 잘 인식하여 안전사고를 예방할 수 있는 안전관리 방안을 수립할 필요성이 요구되고 있으며5), 사고예방을 위해 화학물질관리법상에서는 가스감지기, 누액감지기 등의 완화장치를 설치하도록 권장하고 있다6).
	국내에서 가스감지기의 배치 방법론으로 규정하고 있는 것은 무엇인가?	가스감지기의 배치 방법론은 해외의 경우 영국의 Health & Safety Executive (이하, HSE) 기관에서 1993년 4월 처음 지리적으로 누출범위를 산정하고 Grid(격자)를 이용하여 감지기를 설치하는 Geographic Coverage Method(이하, 지리적 범위 방법론)7)과 지리적 범위 방법론을 보완하기 위해 Scenario 기반 방법론8)이 제안되었다. 국내의 경우 법적 기준과 기술지침에 따라 가스가 누적되는 장소 및 누출되는 장소를 고려하여 설치하도록 규정하고 있다.(이하, CBD : Code Based Design) 하지만 상기의 방법은 가스감지기 설치 장소에 대한 일관성이 결여되고, 위치 및 장소가 설치자에 따라 상이한 문제가 발생되고 있으며 규칙만으론 가스감지기가 누출을 감지하지 못할 가능성이 존재한다9).

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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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