[논문]액화염소 누출의 위험도 분석 및 위험경감조치에 대한 연구

이주연; 천영우; 황용우; 이익모

doi:10.12812/ksms.2018.20.1.001

액화염소 누출의 위험도 분석 및 위험경감조치에 대한 연구
A Study on Risk Assessment and Risk Mitigation Measures of Liquefied Chlorine Leak 원문보기

대한안전경영과학회지 = Journal of the Korea safety management & science, v.20 no.1, 2018년, pp.1 - 9

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

Abstract ▼ AI-Helper

As the chemical industry becomes more advanced, the awareness of chemical accidents is rising, and legal systems for chemical safety management are strengthened. In this study, quantitative risk assessment of liquid chlorine leak was conducted. Risk assessment was performed in the order of frequency analysis, consequence analysis, and risk calculation. The individual risk was presented in the form of contour lines. The social risk was expressed by the FN curve. The risk of day and night was in an unacceptable area, so it was required to mitigate risk. Therefore in-building, which could trap the pool, was selected as a risk mitigation measure. As a result of the cost benefit analysis, it was concluded that this measure should be reasonably implemented.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 염소 누출에 대한 정량적 위험성 평가(QRA, Quantative Risk Assessment)를 통해 위험도를 산출하고, 수용될 수 없는 위험에 대해 물질 특성을 고려한 적절한 위험경감조치를 도출하였다. 이후, 선정된 경감조치에 대해 비용편익 분석을 실시하여 본 조치가 ALARP(As Low As Reasonably Practicable)에 근거하여 합리적으로 이행 가능한지를 판단하였다.
본 연구에서는 Goldfish series에서 입증된 결과를 토대로, 고압탱크의 염소 누출에 대한 Water spray의 효과를 도출하였다. 비교를 위해 CRC Handbook의 불화수소와 염소의 수용해도(Solubility)값을 살펴보면 [Table 8]와 같다18).
본 연구에서는 염소누출 대해 정량적 위험성 평가를 실시하고, 평가된 위험을 줄이기 위해 위험경감조치를 선정하였다. 그리고 비용편익 분석을 통해 경감조치의 합리성을 판단하였다.

가설 설정

5 m/s 및 F등급으로 설정하며, 대안의 시나리오의 경우에는 3 m/s 및 D등급으로 설정한다13). 따라서 본 연구에서는 기온 역전이 발생하는 밤이 대기가 안정하다고 가정하였고, 밤의 기후 조건을 1.5 m/s, F등급으로, 낮의 기후 조건을 3 m/s, D등급으로 선정하였다. 누출공의 크기는 CCPS guideline에 따라 소규모, 중규모, 대규모 누출을 대표하는 5 mm, 25 mm, 100 mm로 선정하였다14).

제안 방법

[Table 7]에 Water spray의 효과를 요약하여 나타내었다. Water spray의 적용 유무에 따라, 누출지점으로부터 300 m에 해당하는 지점의 불화수소 농도를 측정하였다. Water spray가 없었을 경우, 해당 지점의 농도는 2028 ppm이었고, Water spray가 작동했을 때는 36~49%만큼 농도가 감소한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 염소누출 대해 정량적 위험성 평가를 실시하고, 평가된 위험을 줄이기 위해 위험경감조치를 선정하였다. 그리고 비용편익 분석을 통해 경감조치의 합리성을 판단하였다.
7 g/100 mL이며, 불화수소와의 용해도 차이가 대략 100배 이상이므로 Goldfish series에서 도출되었던 효율에 미치지 못할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 수용해도 외의 누출되는 물질의 특성과 확산에 대한 Water spray의 효과를 고려하지 않았으며, 따라서 Water spray를 위험경감 조치로 선정하지 않았다.
본 연구의 대상인 고압탱크에서 누출이 일어날 수있는 장치는 파이프와 밸브이었으며, 장치의 개수와 IOGP(International association of Oil & Gas Producers)의 고유 고장 빈도 값을 곱하여 누출 발생 빈도를 계산하였다15).
이후, 사건수 분석 기법으로 누출 발생 빈도를 계산하였다. 사고 발생빈도와 피해영향을 이용하여 위험도를 나타내었고, 영국 HSE에서 정의한 위험의 3가지 영역을 기준으로, 평가된 위험의 수용여부를 판단하였다.
위험경감조치 후, 개인적 위험도를 표현한 등고선의 지름을 위험도별로 측정하였다. [Table 10]과 [Table 11]에는 경감조치 전과 후의 위험도별 등고선의 지름을 나타내고 있으며, 낮과 밤 조건에서 모든 위험의 크기가 줄어든 것을 확인할 수 있다.
위험성 평가의 수행을 위해 대상 공정의 특성과 운전 조건 등의 자료를 수집하였고, P&ID 를 통해 위험요인을 파악하였다.
사고 상황을 설정하기 위해 기상 데이터를 수집하였으며, 누출공의 크기와 끝점을 선정하였다. 이후, 사건수 분석 기법으로 누출 발생 빈도를 계산하였다. 사고 발생빈도와 피해영향을 이용하여 위험도를 나타내었고, 영국 HSE에서 정의한 위험의 3가지 영역을 기준으로, 평가된 위험의 수용여부를 판단하였다.
따라서 본 연구에서는 염소 누출에 대한 정량적 위험성 평가(QRA, Quantative Risk Assessment)를 통해 위험도를 산출하고, 수용될 수 없는 위험에 대해 물질 특성을 고려한 적절한 위험경감조치를 도출하였다. 이후, 선정된 경감조치에 대해 비용편익 분석을 실시하여 본 조치가 ALARP(As Low As Reasonably Practicable)에 근거하여 합리적으로 이행 가능한지를 판단하였다.
이후, 염소의 확산 거리를 계산하였다. 이때, 총 누출 시간을 몇 개의 영역(Segments)으로 나누어 확산과정을 해석하였다16).
이후, 위험경감조치에 대해 ALARP의 원리를 이용하여 비용편익분석을 하였다. PF 값은 1.
현재까지 국내와 국외에서 화학물질에 대한 위험성 평가는 다수 진행되었다. 주로 빈도분석 후 피해 영향 범위를 계산하였고, 위험도를 산출하였다. 그러나 도출된 위험에 대해 안전관리 방안을 제시할 뿐 안전조치에 대한 위험감소 효과를 분석한 연구는 적은 실정이다2).

대상 데이터

5 m/s, F등급으로, 낮의 기후 조건을 3 m/s, D등급으로 선정하였다. 누출공의 크기는 CCPS guideline에 따라 소규모, 중규모, 대규모 누출을 대표하는 5 mm, 25 mm, 100 mm로 선정하였다14). 또한, 독성 영향을 산정할 수 있는 끝점은 염소 인체 영향 중, 사망 가능성이 최소인 30 ppm으로 선정하였다.
4로 채택하였다. 또한, 선행 연구에서 채택한 VPF 값에 [Table 13]과 같이 소비자 물가 지수를 반영하여 최종적으로 23억을 VPF 값으로 선정하였다.
본 연구에서 선정한 설비의 실내화 비용은 6cm 방화벽의 콘크리트 재료를 기준으로 약 3천 3백만 8십만 원으로 산정되었다. 또한, 인명피해만 고려하는 비용편익 분석을 위해 식(2)와 같은 류영돈10)이 제시한 비용산정식(ICAF, Implied cost of averting fatalities)을 이용하였다.
본 연구의 대상이 되는 공정은 염화칼륨을 전기분해하여 부산물로 생성된 수소 등을 통해 염소를 생산하는 공정이다. 이 중, 전해조에서 발생된 염소가스를 냉각 및 가압하여 저장하는 액화염소의 고압 탱크를 대상 설비로 선정하였다.
위험성 평가의 수행을 위해 대상 공정의 특성과 운전 조건 등의 자료를 수집하였고, P&ID 를 통해 위험요인을 파악하였다. 사고 상황을 설정하기 위해 기상 데이터를 수집하였으며, 누출공의 크기와 끝점을 선정하였다. 이후, 사건수 분석 기법으로 누출 발생 빈도를 계산하였다.
사고영향범위 예측을 위한 풍향은 국내 I지역의 2016년 기상청 바람장미 데이터를 활용하여 설정하였다12). 또한, 국내 시나리오 선정 지침에 의하면 최악의 시나리오의 풍속 및 대기안정도(Pasquill-Gifford Atmospheric Stability Factor)를 1.
설비를 실내에 두기 전과 후의 사망가능성이 0이 되는 지점을 [Table 9]에 나타내었다. 설비의 실내화 (In-building)는 액면 증발량을 무시할 수 있어서 사망가능성이 0이 되는 지점까지의 거리가 감소한 것으로 파악되며, 위험도 감소조치로서 효과가 있는 것으로 판단되므로 본 연구에서 위험경감조치로 선정하였다.
위험도 계산에 앞서, 주변지역의 인구분포와 낮과 밤에 따른 인구 이동형태 등 인구 데이터를 수집하였다. 밤에는 낮보다 실내에 있는 인구 비율이 높았고, 사업장과 주변 사업단지의 인구가 감소하였다.
본 연구의 대상이 되는 공정은 염화칼륨을 전기분해하여 부산물로 생성된 수소 등을 통해 염소를 생산하는 공정이다. 이 중, 전해조에서 발생된 염소가스를 냉각 및 가압하여 저장하는 액화염소의 고압 탱크를 대상 설비로 선정하였다. 본 탱크의 운전 압력은 8bar, 운전 온도는 –15℃이다.

이론/모형

본 연구에서 선정한 설비의 실내화 비용은 6cm 방화벽의 콘크리트 재료를 기준으로 약 3천 3백만 8십만 원으로 산정되었다. 또한, 인명피해만 고려하는 비용편익 분석을 위해 식(2)와 같은 류영돈10)이 제시한 비용산정식(ICAF, Implied cost of averting fatalities)을 이용하였다. L은 배관의 수명은 나타내며, Crmms는 위험경감조치비용을 뜻한다.
위험을 감소시키기 위해 가해진 조치들의 합리성을 판단하기 위해 비용편익 분석이 이용된다. 그러나 생명이나 환경 등은 금전적으로 평가될 수 없기 때문에, 영국 HSE에서는 사람이 위험을 감소하기 위해 평균적으로 지불할 의지를 액수(WTP, Willingness To Pay)로서 표현한 VPF(Value of Preventing a Fatality)를 편익으로 채택하고 있다.

성능/효과

이후, 위험경감조치에 대해 ALARP의 원리를 이용하여 비용편익분석을 하였다. PF 값은 1.4로, VPF는 약 23억으로 선정하여 분석한 결과, 본 조치는 합리적인 것으로 판단되었다.
누출 시 고압탱크 내 염소의 Rain-out 비율은 누출공의 크기가 클수록 높았고, 독성 구름의 확산거리는 풍속과 대기안정도에 따라 큰 차이를 보였다.
염소의 용해도는 ‘Slightly soluble’로서 0.7 g/100 mL이며, 불화수소와의 용해도 차이가 대략 100배 이상이므로 Goldfish series에서 도출되었던 효율에 미치지 못할 것으로 판단된다.
위험성 평가 결과, 위험도는 낮과 밤 모두 수용 불가 지역에 있어 도출된 위험에 대해 위험경감조치로 설비의 실내화(In-Building)를 선정하였고, 조치전과 조치후의 위험감소효과가 낮의 경우 54%, 밤의 경우 80%로 나타났다.
조치 후의 FN curve는 [Figure 4]와 같다. 위험이 감소하여 낮과 밤의 곡선 모두 ALARP 영역에 들어온 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사고피해 영향분석이란?	사고피해 영향분석(Consequence analysis)이란 선정된 사고 시나리오의 대해 피해가 어떻게, 어디까지 미칠 것인가를 분석하는 것이다4). 이는 누출물질의 상과, 누출량, 누출되는 기간 등을 예측하는 누출원 모델링(Discharge modeling), 영향이 미친 거리와 평균 증기 농도를 계산하는 확산 모델링(Dispersion modeling), 피해의 구체적인 영향을 분석하는 영향 모델링(Effect modeling)으로 구성된다.
	최근 5년간 국내 염소 가스사고 수는?	최근 5년간 국내 염소 가스사고 수를 살펴보면 2013년에 5건, 2014년에 1건으로 총 6건이 발생하였다3). 이는 전체 고압가스 사고 발생 건수 중, 암모니아사고 (28.8%)와 산소사고(15.1%) 다음으로 염소사고 (8.2%)가 많이 발생되었음을 의미하며, 6건 모두 누출로 인한 사고였다. 또한, 염소는 호흡기를 자극하는 독성가스로서, 흡입 시 두통, 구토, 호흡곤란, 경련, 발작, 혼수 등이 나타날 수 있다.
	화학물질 누출에 대한 피해 예측이 필요한 이유는?	화학물질이 누출되면 화재나 폭발과 같은 사고가 발생할 수 있고, 독성이 있는 물질이라면 치명적인 결과를 초래할 수 있다1). 이러한 화학물질 사고는 인명과 환경에 광범위한 피해를 입힌다. 따라서 사전에 화학물질 누출에 대한 피해를 예측하는 노력이 계속되고 있다.

참고문헌 (20)

Jung, G.S.(2015), "Liquid chlorine leak damage modeling of petrochemical complex" Dongshin univ., 19-78
Shin, D.M.(2017), "A study on risk reduction through protection layers for ethylene oxide storage facilities" Myongji univ., 1-5
Korea Gas Safety Corporation(2017), 2016 Gas accident yearbook, 140-145
Moon, I., et al(2016), Introduction to Chemical Safety, Cheongsong, 8-182
Health and Safety Executive, U.K.(2010), Reducing risks, protecting people, 42-65
Kim, D.G(2012), Cost benefit analysis, Pakyoungsa, 39-110
Na, J.Y.(2013), "Cost-benefit analysis of the introduction of advanced water treatment process : focused on the case of 'K-water B water treatment plant" Seoul national univ., 8-10
Seo J.H.(2014), "Economic analysis of the used magnesia-carbon brick recycling using microwave" Pohang univ. of science & technology, 2-3
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Ryu, Y.D.(2010), "Cost-Benefit Analysis for Risk Mitigation Measures on High Pressure Urban Gas Pipelines" Seoul national Univ. of science and technology, 15-103
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Korea Meteorological Administration, "Meteorological data link portal" Climatic statistics analysis, https://data.kma.go.kr
Korea Occupational Safety & Health Agency(2016), Technical Guidelines for Selecting the worst-case scenario for the worst-case scenario, 2-10
American Institute of Chemical Engineers(2000), Center for Chemical Process Safety, Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis 2nd Edition. New York : Center for Chemical Process Safety of the American Institute of Chemical Engineers, 64-65
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DNV.GL(2014), Theory Unified Dispersion Model ,54-93
Sam Mannan(2012), Lees' loss prevention in the process industries : hazard identification, assessment, and control, volume1, Oxford : Butterworth-Heinemann/Elsevier, 1031-1040
David R. Lide(2004), CRC Handbook of chemistry and physics, 84th edition, CRC Press, 4-51,4-61
"Solubility of Things,"Levels of solubility, http://www.solubilityofthings.com/
DNV.GL(2014), Theory Indoor Dispersion 1-3

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표제어: PCR

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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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