[논문]LPG 충전소 내 설치된 방호벽의 효용성 평가

이진한; 조영도; 문종삼; 김래현

doi:10.7842/kigas.2018.22.5.38

[국내논문] LPG 충전소 내 설치된 방호벽의 효용성 평가
An Availability Assessment of Protection Wall Installed in LPG Filling Station 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.22 no.5, 2018년, pp.38 - 45

이진한 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 조영도 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 문종삼 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김래현 (서울과학기술대학교 화공생명공학과)

초록
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LPG충전소 내에서 발생하는 주요 사고는 제트화재, 풀화재, 증기운 폭발로 구분된다. 방호벽을 충전소 내에 설치하면, 제트화재 시나리오에 대해서는 복사열로 인한 피해를 경감할 수 있고 풀화재 시나리오에 대해서는 풀의 확장을 제한하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 증기운 폭발 시에는 증기운의 확산과 폭발과압으로 인한 인명피해를 경감하는 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 제트화재, 풀화재, 증기운 폭발 등 LPG충전소에서 발생 가능한 사고 시나리오별로 방호벽의 피해경감 정도를 평가할 수 있는 방법을 제안하였으며, LPG충전소 내 방호벽의 효과성에 대해 사례연구를 수행하였다. 이를 통해 제트화재와 증기운 폭발 발생 시 방호벽 뒤에 위치한 수용체의 사망확률을 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

Jet fire, pool fire, and vapor cloud explosion are major accident scenarios in LPG filling station. The protection wall would mitigate radiation effect in a jet fire. In case of a pool fire, the protection wall would restrict expanding the pool area. The protection wall might both obstruct the dispersion of released vapor and protect blast overpressure in a vapor cloud explosion scenario. In this paper, An availability assessment method of the protection wall how much reduce damage to receptors is proposed. Additionally application cases are presented for the effectiveness of protection wall in the LPG filling station. The study shows that the protection wall can effectively reduce the death probabilities of receptors located behind the wall in cases of the jet fires and the vapor cloud explosions.

Keyword

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Event tree in LPG filling station.
표 Table 1. Estimation model used for case analysis
그림 Fig. 2. Concept drawing for jet fire radiation blocked by protection wall.
그림 Fig. 3. Concept drawing for liquid pool expan-sion restricted by protection wall.
그림 Fig. 4. Illustrative drawing for epicenter of blast.
그림 Fig. 5. Concept drawing for blast wave blocked by protection wall.
그림 Fig. 6. Death probability contour by jet fire sce-nario, (a) without protection wall, (b) with protection wall.
표 Table 2. Input variable for case study
그림 Fig. 7. Death probability contour by pool fire scenario, (a) without protection wall, (b) with protection wall.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 누출원의 중심을 기준으로 방호벽이 설치되는 상대적 위치에 따라 주변 사람에 미치는 위험의 감소 효과를 정량적으로 평가하는 방법을 제안하고 시나리오 설정을 통한 사례분석을 통해 그 제안된 방법의 효용성과 한계를 논하고 자 한다.
본 연구에서는 LPG충전소 내에서 발생 가능한 제트화재, 풀화재, 증기운 폭발 시나리오가 발생하는 경우 누출원 주변 각각의 노드에 위치한 사람의 사망확률을 누출방향의 불확정성을 고려하여 예측하는 방법을 제안하였다. 이 방법의 장점은 누출원주변 방호벽이 위치하는 경우 누출원 주변의 특정 위치에서 사망확률이 의 변화를 시뮬레이션할 수 있다는 것이다.

가설 설정

즉 누출 원으로부터 오른쪽으로 향한 제트화염의 경우 방호벽에 가로막혀 수용체에게 피해를 주지 못하는 반면 왼쪽 방향으로 향한 제트화염의 경우는 수용체(Receptor)가 방호벽 뒤에 있더라도 화염의 일부가 수용체에 영향을 미칠 수 있다. 수용체가 받는 복사열은 전술한 제트화재 화염길이 모델인 Considine and Grint모델로 화염의 전체 길이를 계산한 후 수용체 관점에서 방호벽에 가려지지 않는 화염 길이의 분율 만큼 복사에너지가 수용체에 전달된다고 가정하여 그 영향을 평가하였다.
한편, 방호벽에 의해 액체풀이 제한되더라도 방호벽의 높이를 초과하는 풀화재의 경우 방호벽에 가려지지 않은 화염은 여전히 수용체에 복사열 영향을 미친다. 따라서 여기서는 전체 발생되는 복사에너지 중 전술한 풀화재 모델[5]에 따른 풀화재 화염높이에서 방호벽의 높이(2m)만큼 뺀 분율 만큼의 복사열은 수용체에 영향을 미친다고 가정하여 계산하였다. 한편 풀화재의 경우 기상의 영향을 받을 수 있는데 여기서는 풍향과 풍속에 의해 화염이 기울어지는 것을 고려하였다.
한편 풀화재의 경우 기상의 영향을 받을 수 있는데 여기서는 풍향과 풍속에 의해 화염이 기울어지는 것을 고려하였다. 즉, 화염이 기울어지는 만큼 복사열의 점원(point source)이 이동하는 것으로 가정하여 수용체에 미치는 복사열의 영향을 계산하였다.
이렇게 가연성 증기운이 바람에 따라 이동하다가 폭발하는 경우 폭발의 중심점을 어디로 하는 것이 좋은가에 대한 문제가 있는데 이에 대해 CCPS[5]가 제안한 폭발중심점 모델의 5가지는 ①누출지점과 증기운이 꼬리지점의 최소폭발한계의 중간지점, ②폭발범위 안에 있는 증기운중 갇혀 있는 부분의 중간지점, ③ 최소폭발한계에 있는 증기운 중 가장 거리가 먼 곳, ④양론 연소비의 농도에 있는 지점, ⑤설비의 누출지점이다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 폭발의 중심점은 누출지점과 최소폭발한계(LFL)의 1/2이 되는 지점으로 가정하였다.

제안 방법

제트화재는 누출원으로부터 가스가 누출되는 모든 방향으로 화염이 미칠 수 있다. 다만, 수평방향 누출시 누출 원으로부터 가장 먼 곳까지 화염이 미치므로 본 연구에서는 최악의 시나리오라고 볼 수 있는 수평방향으로 화염만을 고려하였다. 이 경우 방호벽의 복사열 차단 효과를 Fig.
전술한 3가지 시나리오에 따른 LPG충전소 누출원 주변 각각의 위치 있는 수용체별로 위험을 예측하기 위해 누출원점을 중심으로 가로(X) 100m, 세로(Y) 100m, 1m간격의 그리드를 생성하고 각 그리드가 만나는 노드에 위치한 수용체(X_j, Y_k)의 사망확률을 예측하기 위해 누출방향 변수는 무작위로 추출하는 방법을 사용하였다. 이 경우 특정 노드에 위치한 수용체의 사망확률을 구하는 식은 다음과 같이 표현된다.
한편, 풀화재의 경우 풍향과 풍속의 영향을 받으며, 증기운의 폭발의 경우도 증기운의 이동방향과 희석 정도는 풍향, 풍속, 온도, 습도, 대기안정도 등기상상태에 많은 영향을 받는다. 본 연구에서는 현실성을 반영하기 위해 인천지역의 10년간 실제 기상 데이터 셋을 무작위로 샘플링하여 풀화재와 증기운 확산을 위한 입력변수로 취하여 Bootstrap Monte Carlo 시뮬레이션을 수행하였다. 이 시뮬레이션 방법에 대해서는 참고문헌[6]에 좀더 상세하게 설명되어 있다.
전술한 바와 같이 제트화재 시나리오의 누출(화염) 방향은 균등분포함수로부터 무작위로 샘플링하고 증기운 폭발시나리오의 증기운 확산 모델링을 위한 기상변수는 기상데이터로부터 무작위로 샘플링하여입력변수로 사용하였다. 누출방향과 기상데이터 외의 입력변수도 불확실성을 고려하기 위해 확률론적 변수(probabilistic variable)를 사용할 수 있지만 여기서는 복잡성을 피하기 위해 하나의 값으로 표현되는 결정론적 변수(deterministic variable)를 입력변수로 사용하였다.
전술한 바와 같이 제트화재 시나리오의 누출(화염) 방향은 균등분포함수로부터 무작위로 샘플링하고 증기운 폭발시나리오의 증기운 확산 모델링을 위한 기상변수는 기상데이터로부터 무작위로 샘플링하여입력변수로 사용하였다. 누출방향과 기상데이터 외의 입력변수도 불확실성을 고려하기 위해 확률론적 변수(probabilistic variable)를 사용할 수 있지만 여기서는 복잡성을 피하기 위해 하나의 값으로 표현되는 결정론적 변수(deterministic variable)를 입력변수로 사용하였다.
이 방법의 장점은 누출원주변 방호벽이 위치하는 경우 누출원 주변의 특정 위치에서 사망확률이 의 변화를 시뮬레이션할 수 있다는 것이다. 또한 각 시나리오별로 방호벽의 기능인 유동방지, 복사열차단, 과압차단의 효과를 고려할 수 있는 방법을 제안하였다. 한편, 이 제안된 방법의 적용성을 시험하기 위해 각 시나리오에 대해 사례분석을 수행하여 방호벽의 피해감소 효과를 분석하였다.
또한 각 시나리오별로 방호벽의 기능인 유동방지, 복사열차단, 과압차단의 효과를 고려할 수 있는 방법을 제안하였다. 한편, 이 제안된 방법의 적용성을 시험하기 위해 각 시나리오에 대해 사례분석을 수행하여 방호벽의 피해감소 효과를 분석하였다. 이 사례분석을 통해 제트화재 시나리오와 증기운 폭발시나리오 발생 시 방호벽 뒤에 위치한 수용체의 사망확률을 효과적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

대상 데이터

이 중 BLEVE 시나리오는 누출로 제트화재 또는 풀화재 사고가 발생했을 때 탱크로리가 가열되는 경우에 발생한다. 본 연구에서는 방호벽의 방호효과를 분석하는 것이 목적이므로 복잡성을 피하기 위해 BLEVE시나리오는 사례연구에서 제외하고, 제트화재(Jet fire), 풀화재(Pool fire), 증기운폭발(Vapor cloud explosion)의 세가지 사고를 대상으로 분석을 수행하였다.

이론/모형

LPG충전소 내에서 누출이 발생하였을 경우 확산되다가 착화되면 화재나 폭발로 이어질 수 있다. 누출사고 발생에 따라 화재와 폭발로 전개되는 과정은 Fig. 1과 같이 사건수목분석(Event tree analysis) 방법을 이용하여 분석하였다. 이 중 BLEVE 시나리오는 누출로 제트화재 또는 풀화재 사고가 발생했을 때 탱크로리가 가열되는 경우에 발생한다.
첫 번째 제트화제(jet fire) 시나리오는 누출된 액체 또는 증기가 바로 착화되어 화재가 일어나는 경우이다. 누출되는 액상 또는 기상의 LPG에 대한 누출 속도식은 Crowl and Louvar가 제안한 모델식[2]을 사용하였다. 누출된 액상 또는 기상의 LPG가 주변 점화원에 의해 바로 착화되는 경우 제트화재가 발생하는데 제트화염의 길이 예측은 CCPS[5]에서 추천한 모델 중 LPG 제트화재에 대한 단순화된 실험모델인 Considine and Grint모델을 사용하였다.
누출되는 액상 또는 기상의 LPG에 대한 누출 속도식은 Crowl and Louvar가 제안한 모델식[2]을 사용하였다. 누출된 액상 또는 기상의 LPG가 주변 점화원에 의해 바로 착화되는 경우 제트화재가 발생하는데 제트화염의 길이 예측은 CCPS[5]에서 추천한 모델 중 LPG 제트화재에 대한 단순화된 실험모델인 Considine and Grint모델을 사용하였다. 제트화재로 인해 발생되는 사망 피해 복사열이 지배적이다.
제트화재로 인해 발생되는 사망 피해 복사열이 지배적이다. 화재시 일정 거리에 있는 수용체(receptor)가 받는 복사열 강도 계산과 이에 따른 사망확률은 CCPS[5]에서 추천한 모델 중 하나를 사용하였다. 복사열 강도 예측은 가장 간단한 모델인 점누출원 모델(point source model)을 사용하였는데 누출된 가스의 에너지 중 복사열로 전환된 분율을 사용하여 예측한다.
화재시 일정 거리에 있는 수용체(receptor)가 받는 복사열 강도 계산과 이에 따른 사망확률은 CCPS[5]에서 추천한 모델 중 하나를 사용하였다. 복사열 강도 예측은 가장 간단한 모델인 점누출원 모델(point source model)을 사용하였는데 누출된 가스의 에너지 중 복사열로 전환된 분율을 사용하여 예측한다. 예측된 복사열 강도에 사람이 노출되었을 때 사망확률은 Eisenberg가 제안한 모델로부터 Probit을 구한 후 Finny가 제안한 식으로부터 확률로 변환하여 구할 수 있다.
복사열 강도 예측은 가장 간단한 모델인 점누출원 모델(point source model)을 사용하였는데 누출된 가스의 에너지 중 복사열로 전환된 분율을 사용하여 예측한다. 예측된 복사열 강도에 사람이 노출되었을 때 사망확률은 Eisenberg가 제안한 모델로부터 Probit을 구한 후 Finny가 제안한 식으로부터 확률로 변환하여 구할 수 있다.
두 번째 풀화재(pool fire) 시나리오의 경우 누출속도는 제트화재와 마찬가지로 액상누출모델인 Crowl and Louvar 모델[2]을 사용하였으며, 풀이 형성된 후 화재가 발생하는 풀화재 예측도 제트화재와 마찬가지로 CCPS에서 제안한 모델[5] 중 Table 1에 제시된 풀화재(Pool fire) 식을 사용하였다. 풀화재의 경우에도 제트화재와 마찬가지로 복사열이 지배적인 피해영향이므로 복사열에 의한 사람의 사망확률은 Eisenberg의 복사열 피해 Probit 모델을 사용하였다.
두 번째 풀화재(pool fire) 시나리오의 경우 누출속도는 제트화재와 마찬가지로 액상누출모델인 Crowl and Louvar 모델[2]을 사용하였으며, 풀이 형성된 후 화재가 발생하는 풀화재 예측도 제트화재와 마찬가지로 CCPS에서 제안한 모델[5] 중 Table 1에 제시된 풀화재(Pool fire) 식을 사용하였다. 풀화재의 경우에도 제트화재와 마찬가지로 복사열이 지배적인 피해영향이므로 복사열에 의한 사람의 사망확률은 Eisenberg의 복사열 피해 Probit 모델을 사용하였다.
세 번째 증기운 폭발(VCE, vapor cloud explosion) 시나리오의 경우 배관 등 누출원으로부터 액상의 가스가 누출되면 지면에서 증발되어 확산되면서 바람방향에 따라 이동하다가 그 증기운이 점화원을 만나면 폭발로 이어지게 된다. 이 시나리오의 경우 누출모델은 풀화재와 동일한 액상누출 예측 모델[2]을 사용하였으며, 확산은 DEGADIS모델[3]을 사용하였다. 증기운의 착화확률은 HSE모델[4]을 사용하여 예측하였다.
이 시나리오의 경우 누출모델은 풀화재와 동일한 액상누출 예측 모델[2]을 사용하였으며, 확산은 DEGADIS모델[3]을 사용하였다. 증기운의 착화확률은 HSE모델[4]을 사용하여 예측하였다. 증기운 폭발에 따른 피해예측은 CCPS 제안한 모델[5] 중 Table 1의 증기운 폭발모델인 TNT Equivalency 모델을 사용하여 과압의 크기를 예측하였다.
증기운의 착화확률은 HSE모델[4]을 사용하여 예측하였다. 증기운 폭발에 따른 피해예측은 CCPS 제안한 모델[5] 중 Table 1의 증기운 폭발모델인 TNT Equivalency 모델을 사용하여 과압의 크기를 예측하였다. 한편, 과압으로 인해 사람이 사망할 확률은 Eisenberg의 과압피해 Probit 모델을 사용하여 예측하였다.
증기운 폭발에 따른 피해예측은 CCPS 제안한 모델[5] 중 Table 1의 증기운 폭발모델인 TNT Equivalency 모델을 사용하여 과압의 크기를 예측하였다. 한편, 과압으로 인해 사람이 사망할 확률은 Eisenberg의 과압피해 Probit 모델을 사용하여 예측하였다. 전술한 바와 같이 복사열 피해와 마찬가지로 Probit 값으로부터 사망확률을 구할 수 있다.
2에는 화염방향을 2개 방향으로 도시하였으나 실제는 모든 수평방향으로 화염이 향할 수 있다. 여기서는 시뮬레이션을 위해 화염의 방향은 수평면의 모든 방향으로 균일하게 분포한다는 가정하에 균등분포(uniform distribution)로부터 샘플링한 확률론적 값을 화염방향을 입력변수로 취하는 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하였다. 즉 샘플링된 확률론적 입력변수를 취하여 반복계산(random trial)을 하게 되면 모든 화염방향이 고려된 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.

성능/효과

6에 나타내었다. 2.4에 전술한 바와 같이 제트화재의 화염의 방향은 수평면의 전방향으로 균등하게 분포하는 확률은 가진다고 가정하였으므로 방호벽이 없는 경우 누출원의 중심으로부터 방향에 관계없이 같은 거리에 위치한 수용체는 같은 사망확률은 가지는 것으로 나타났다. 한편 방호벽이 존재할 경우 방호벽 뒤에 있는 수용체 관점에서 방호벽에 가로막히지 않은 화염길이 분율 만큼만 복사열이 수용체에 미칠 수 있다고 가정하였으므로 방호벽 뒤 수용체의 사망확률은 상대적으로 많이 줄어드는 것으로 평가되었다.
4에 전술한 바와 같이 제트화재의 화염의 방향은 수평면의 전방향으로 균등하게 분포하는 확률은 가진다고 가정하였으므로 방호벽이 없는 경우 누출원의 중심으로부터 방향에 관계없이 같은 거리에 위치한 수용체는 같은 사망확률은 가지는 것으로 나타났다. 한편 방호벽이 존재할 경우 방호벽 뒤에 있는 수용체 관점에서 방호벽에 가로막히지 않은 화염길이 분율 만큼만 복사열이 수용체에 미칠 수 있다고 가정하였으므로 방호벽 뒤 수용체의 사망확률은 상대적으로 많이 줄어드는 것으로 평가되었다.
한편, 이 제안된 방법의 적용성을 시험하기 위해 각 시나리오에 대해 사례분석을 수행하여 방호벽의 피해감소 효과를 분석하였다. 이 사례분석을 통해 제트화재 시나리오와 증기운 폭발시나리오 발생 시 방호벽 뒤에 위치한 수용체의 사망확률을 효과적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
본 논문에 제시된 방법으로 방호벽 사망확률 감소 효과 분석할 수 있었다. 이 방법을 응용하여 LPG충전소내 설비(누출원) 및 방호벽의 배치 변화에 따른 주변지역의 위험 변화를 비교평가 한다면 제한된 부지내에서 충전소 내 각종 설비와 방호벽의 배치를 최적화함으로써 위험을 감소시키는 데에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 방호벽은 증기운이 바람에 따라 이동하다가 점화원에 의해 점화되어 폭발할 경우 폭발과압도 차단하는 역할도 한다. 이렇게 증기운 폭발시 방호벽은 유동방지와 폭발과압을 차단하는 기능을 동시에 수행함에 따라 증기운 폭발 시나리에의 경우 사람이 방호벽 뒤의 위치한 경우 사망확률 감소 효과는 상대적으로 큰 것으로 평가되었다.

후속연구

본 논문에 제시된 방법으로 방호벽 사망확률 감소 효과 분석할 수 있었다. 이 방법을 응용하여 LPG충전소내 설비(누출원) 및 방호벽의 배치 변화에 따른 주변지역의 위험 변화를 비교평가 한다면 제한된 부지내에서 충전소 내 각종 설비와 방호벽의 배치를 최적화함으로써 위험을 감소시키는 데에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPG 충전소 내 방호벽 설치로 인한 효과는 무엇인가?	LPG충전소 내에서 발생하는 주요 사고는 제트화재, 풀화재, 증기운 폭발로 구분된다. 방호벽을 충전소 내에 설치하면, 제트화재 시나리오에 대해서는 복사열로 인한 피해를 경감할 수 있고 풀화재 시나리오에 대해서는 풀의 확장을 제한하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 증기운 폭발 시에는 증기운의 확산과 폭발과압으로 인한 인명피해를 경감하는 효과를 얻을 수 있다.
	누출방향의 불확정성을 고려하여 예측하는 방법의 장점은 무엇인가?	본 연구에서는 LPG충전소 내에서 발생 가능한 제트화재, 풀화재, 증기운 폭발 시나리오가 발생하는 경우 누출원 주변 각각의 노드에 위치한 사람의 사망확률을 누출방향의 불확정성을 고려하여 예측하는 방법을 제안하였다. 이 방법의 장점은 누출원주변 방호벽이 위치하는 경우 누출원 주변의 특정 위치에서 사망확률이 의 변화를 시뮬레이션할 수 있다는 것이다. 또한 각 시나리오별로 방호벽의 기능인 유동방지, 복사열차단, 과압차단의 효과를 고려할 수 있는 방법을 제안하였다.
	LPG충전소에 설치되는 안전설비의 종류에는 무엇이 있는가?	LPG충전소에서 누출 사고시 화재 폭발의 위험을 줄이기 위해서는 안전장치를 추가로 설치하거나, 기존에 설치된 안전장치의 성능을 향상시키거나, 안전설비의 배치를 최적화하는 방안을 고려할 수 있다. LPG충전소에 설치되는 안전설비는 과류 차단밸브, 과압안전장치, 누출경보기 연동 긴급차단장치 등 사고빈도를 감소시키는 안전설비와 물 분무 설비, 방호벽 등 사고 시 피해를 경감시키는 설비가 있다. 기존 연구결과[1]에서는 LPG충전소 내 최악의 시나리오인 탱크로리 비등액체증기폭발(BLEVE, boiling liquid expanding vapor explosion)을 효과적으로 감소시킬 수 있는 안전설비로 냉각살수 장치, 탱크로리용 과류차단밸브, 방호벽을 제안하였다.

참고문헌 (6)

Lee, J. H., Yu, K. S., Park, K. S., "Availability Analysis of Safety Devices installed for Preventing Accidental Event in the LPG Refuelling Station". KIGAS, 10(1), 26-31, (2006)
Crowl, D.A. and J.F. Louvar, Chemical process safety, fundamentals with applications, 2ed., New Jersey: Prentice Hall International Series in the Physical and Chemical Engineering Sciences, (2002)
Spicer, T.O. and J.A. Havens, "Field Test Validation of The DEGADIS Model". Journal of Hazardous Materials, vol 16, p. 231-245, (1987)

상세보기
HSE, Ignition probability of flammable gases, 1st ed., Health & Safety Executive, (1997)
CCPS, "Guidelines for consequence analysis of chemical releases", New York, New York: Center for chemical process safety of the AIChE, (1999)
Lee, J. H., Jo, Y. D., Kim, L. H., "An approach to estimating the individual risk for toxic-gas releases using the load-resistance model", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, vol. 31, p. 88-96 (2014)

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저자의 다른 논문 :

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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