본 연구에서는 휘발유가 저장되어 있는 탱크의 화재폭발로 인해 인적 및 재산피해의 규모 사례를 통해 화재 위험성을 확인하고, 인접탱크에 미치는 복사열 영향을 평가하여 안전이 확보되는데 필요한 보유공지를 제시하고자 한다. 경기북부지역의 환경조건(풍속, 기온)에 따른 유류저장탱크 화재 시 방출되는 복사열(최대 방출량)이 인접탱크에 미치는 영향을 평가하기 위해 시뮬레이션을 적용하였다. 연구결과, 유류저장탱크 화재 시 방출되는 복사열은 최대풍속에 의해 약 1.9배 증가하고 최대기온에 의해 약 700~800 kW 범위에서 차이가 발생되는 것을 확인하였고, 시설 중 직경 28.4 m, 높이 8.5 m의 유류저장탱크 화재 시 약 34.4 m의 보유공지 확보가 필요하다. 향후 다양한 환경조건을 적용하여 휘발유 저장탱크 화재로 인해 방출되는 복사열을 평가하고 이를 통해 구체적이고 정량적인 보유공지 확보에 대한 추가연구가 요구된다.
본 연구에서는 휘발유가 저장되어 있는 탱크의 화재폭발로 인해 인적 및 재산피해의 규모 사례를 통해 화재 위험성을 확인하고, 인접탱크에 미치는 복사열 영향을 평가하여 안전이 확보되는데 필요한 보유공지를 제시하고자 한다. 경기북부지역의 환경조건(풍속, 기온)에 따른 유류저장탱크 화재 시 방출되는 복사열(최대 방출량)이 인접탱크에 미치는 영향을 평가하기 위해 시뮬레이션을 적용하였다. 연구결과, 유류저장탱크 화재 시 방출되는 복사열은 최대풍속에 의해 약 1.9배 증가하고 최대기온에 의해 약 700~800 kW 범위에서 차이가 발생되는 것을 확인하였고, 시설 중 직경 28.4 m, 높이 8.5 m의 유류저장탱크 화재 시 약 34.4 m의 보유공지 확보가 필요하다. 향후 다양한 환경조건을 적용하여 휘발유 저장탱크 화재로 인해 방출되는 복사열을 평가하고 이를 통해 구체적이고 정량적인 보유공지 확보에 대한 추가연구가 요구된다.
In this paper, the risk of damages to humans and properties due to fire explosions in gasoline storage tanks is identified, and the effects of radiant heat on adjacent tanks are evaluated to present the necessary area to secure safety. A simulation was conducted to evaluate the effect of radiant hea...
In this paper, the risk of damages to humans and properties due to fire explosions in gasoline storage tanks is identified, and the effects of radiant heat on adjacent tanks are evaluated to present the necessary area to secure safety. A simulation was conducted to evaluate the effect of radiant heat (Maximum emission) on adjacent tanks in an oil storage tank fire due to environmental conditions (Wind speed and temperature) in the Northern Gyeonggi Province. The result indicated that the radiant heat released in the fire of an oil storage tank was increased by approximately 1.9 times by the maximum wind speed and the difference occurred in the range of 700~800 kW by the maximum temperature. If a storage tank fire occurs, securing approximately 34.4 m of holding area is necessary. In the future, evaluating the radiant heat emitted by the fire of gasoline storage tanks will be required by applying various environmental conditions, and through this, research on specific and quantitative holding area is required.
In this paper, the risk of damages to humans and properties due to fire explosions in gasoline storage tanks is identified, and the effects of radiant heat on adjacent tanks are evaluated to present the necessary area to secure safety. A simulation was conducted to evaluate the effect of radiant heat (Maximum emission) on adjacent tanks in an oil storage tank fire due to environmental conditions (Wind speed and temperature) in the Northern Gyeonggi Province. The result indicated that the radiant heat released in the fire of an oil storage tank was increased by approximately 1.9 times by the maximum wind speed and the difference occurred in the range of 700~800 kW by the maximum temperature. If a storage tank fire occurs, securing approximately 34.4 m of holding area is necessary. In the future, evaluating the radiant heat emitted by the fire of gasoline storage tanks will be required by applying various environmental conditions, and through this, research on specific and quantitative holding area is required.
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문제 정의
은 유류저장탱크 화재 시 화염으로부터 방출되는 복사열은 거리가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하고 탱크 주변의 온도가 풍향, 풍속에 의해 영향을 받는다고 하였다. 본 시뮬레이션에서는 Table 1의 주위 환경조건(기온, 풍속 등)에 따른 복사열의 영향을 평가하고자, 임의로 대상지역을 선정하여 환경조건에 따른 영향평가를 수행하였다. 대상 지역은 경기북부 지역으로 과거 10년간의 기상청 자료를 바탕으로 평균습도 59.
본 연구에서는 휘발유가 저장되어 있는 저장탱크의 화재폭발로 인해 인적 및 재산피해의 규모와 인접탱크에 영향을 미치는 복사열에 대한 안전한 보유공지 확보 방안을 검토하고자, 국내외의 유류저장탱크 화재 사례를 통해 피해 규모를 살펴보았고 경기북부지역을 대상으로 주위의 환경조건(풍속, 기온 등)에 따른 복사열 영향을 평가하고자 한다.
가설 설정
본 시뮬레이션에서는 Table 1의 주위 환경조건(기온, 풍속 등)에 따른 복사열의 영향을 평가하고자, 임의로 대상지역을 선정하여 환경조건에 따른 영향평가를 수행하였다. 대상 지역은 경기북부 지역으로 과거 10년간의 기상청 자료를 바탕으로 평균습도 59.8%, 최저기온 -17.8 ℃, 평균기온 12.5 ℃, 최고기온 39.5 ℃의 환경조건에서 평균 풍속(2.5 m/s)와 최대 풍속(8.6 m/s)일 때를 가정하여 Table 1의 조건을 적용하여 수행하였다. 그리고 유류저장탱크의 액면 화재 해석에 대한 가정 및 제한 사항으로는, 액면의 표면적은 일정하고 완전 연소가 이루어지고 있으며, 사고 탱크에 소화약제(포소화약제, 물 등)에 의한 화재진압에 따른 화염 크기의 감소는 고려하지 않았다.
제안 방법
일반적으로 액면 화재에서 화염의 형태는 선회 유동 및 단류 등 매우 복잡한 난류반응 유동 특성을 가지고 있다. 따라서 직접 화염의 형태를 모사하기보다는 액면 화재 모델식을 사용하여 화염의 형태를 단순화하여 해석하였다. 화염의 형태는 원통의 형상으로 단순화하였으며, 여기에 Thomas(13)가 제시한 화염의 길이와 바람에 의한 화염의 기울기에 기하학적 인자를 고려한 화염 길이(식 1)와 화염 기울기(식 2)를 적용하여 화염의 형상을 모델링하였다.
시뮬레이션 해석영역은 Figure 3과 같이 가로 100 m × 세로 150 m × 높이 100 m인 공간에서 휘발유(제1석유류 비수용성액체)가 가득 찬 저장탱크(직경 28.4 m × 높이 8.5 m, 체적 5,381 ㎥)에 화재가 발생되어 인접탱크 4기(10 m, 30 m, 50 m, 70 m)에 미치는 복사열의 영향을 산정하였다.
따라서 직접 화염의 형태를 모사하기보다는 액면 화재 모델식을 사용하여 화염의 형태를 단순화하여 해석하였다. 화염의 형태는 원통의 형상으로 단순화하였으며, 여기에 Thomas(13)가 제시한 화염의 길이와 바람에 의한 화염의 기울기에 기하학적 인자를 고려한 화염 길이(식 1)와 화염 기울기(식 2)를 적용하여 화염의 형상을 모델링하였다. 식 1에서 a는 화염의 길이, U*는 차원이 없는(Non-dimensional) 풍속, Uw는 1.
휘발유가 저장되어 있는 저장탱크의 화재폭발로 인해 인적 및 재산피해의 규모와 인접탱크에 영향을 미치는 복사열에 대한 안전한 보유공지 확보 방안을 검토하고자, 국내외의 유류저장탱크 화재 사례를 통해 피해 규모를 살펴보았고 경기북부지역을 대상으로 주위의 환경조건(풍속, 기온 등)에 따른 복사열 영향 평가를 하였다.
대상 데이터
최근 미국 텍사스와 캘리포니아에서 유류저장탱크의 화재가 발생하였다. 2019년 3월 미국의 텍사스 Deer park의 Intercontinental Terminal Co (ITC)에서 Figure 1과 같이 나프타 저장 탱크의 누출로 인해 화재가 발생하였다. 이 사고로 1억 달러의 피해가 발생하였고, 화재가 확산되어 4일 만에 진화되었다.
경기북부지역을 대상으로 환경조건(기온 및 풍속)에 따른 휘발유 저장탱크(직경 28.4 m × 높이 8.5 m)에서 액면 화재 발생 시 복사열 영향을 평가하기 위해 인접탱크 4기에 거리별 10 m, 30 m, 50 m, 70 m에 대해서 Figure 4와 같이 시뮬레이션을 수행하였다.
데이터처리
5 m)에서 액면 화재 발생 시 복사열 영향을 평가하기 위해 인접탱크 4기에 거리별 10 m, 30 m, 50 m, 70 m에 대해서 Figure 4와 같이 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 프로그램은 ANSYS Fluent R16.2를 사용하였고, 인접탱크 거리별로 최대발열량 (kW/㎡)을 평가하였다.
이론/모형
So(14)는 인접탱크에 영향을 미치는 표면 복사열 플럭스 (Radiant heat flux)를 예측하기 위해, 구분종좌법(Discrete ordinates method) 복사열 모델을 사용하였다. 구분종좌법 복사열 모델은 결과값의 정확도가 높고 계산시간의 효율성 측면에서 우수하고, 비교적 개념이 간단하여 계산하고자 하는 형상에 대한 큰 제약 없이 적용할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 휘발유 액면 화재로 인해 인접탱크가 받는 복사열의 영향을 예측하기 위해 ANSYS Fluent R16.2를 사용하여 해석하였다. 일반적으로 액면 화재에서 화염의 형태는 선회 유동 및 단류 등 매우 복잡한 난류반응 유동 특성을 가지고 있다.
성능/효과
그리고 사고탱크와 거리가 10 m일 때, 최고기온과 최저기온에서 복사열이 약 700∼800 kW/㎡ 차이를 보이다가, 거리가 30 m로 멀어질수록 최고 및 최저기온 간 복사열의 영향은 급격하게 저하되고 완만하게 복사열이 저감되어, 30 m 이상의 거리에서는 최대기온과 최저기온에 따른 복사열은 큰 차이 없이 거의 비슷한 추세를 보였다.
그리고 최대풍속과 최대기온일 경우, 물분무설비를 통하여 37 ℓ/min⋅㎡로 냉각할 경우 탱크 주변에 요구되는 보유공지의 길이는 약 34.4 m로 확인되었다.
인접탱크 거리별로 최대발열량(복사열)의 시뮬레이션 결과, Figure 5와 같이 전반적으로 최대풍속 8.6 m/s 일 때가 평균풍속 2.5 m/s보다 1.9배 높은 복사열이 인접탱크에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그리고 사고탱크와 거리가 10 m일 때, 최고기온과 최저기온에서 복사열이 약 700∼800 kW/㎡ 차이를 보이다가, 거리가 30 m로 멀어질수록 최고 및 최저기온 간 복사열의 영향은 급격하게 저하되고 완만하게 복사열이 저감되어, 30 m 이상의 거리에서는 최대기온과 최저기온에 따른 복사열은 큰 차이 없이 거의 비슷한 추세를 보였다.
화재 사고탱크에서 발생되는 복사열의 영향이 인접탱크가 위치한 거리뿐만 아니라 화재 당시의 환경조건(풍속, 최고 및 최저기온)의 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 풍속은 동일한 유종의 탱크 직경에서 발생되는 복사열에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 확인되었다. 그러므로 유류저장탱크에서 화재 발생에 따른 소화설비의 종류 및 용량을 고려할 때는 최대풍속에 의한 복사열의 영향을 반드시 고려하여 설계 및 안전관리에 포함시켜야 할 것이다.
6 m/s일 경우, 인접 탱크와 거리가 50 m 이내에서는 최고기온과 최저기온의 복사열이 차이를 보이다가 50 m 이상의 거리에서는 거의 동일한 수준으로 나타났다. 화재 사고탱크에서 발생되는 복사열의 영향이 인접탱크가 위치한 거리뿐만 아니라 화재 당시의 환경조건(풍속, 최고 및 최저기온)의 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 풍속은 동일한 유종의 탱크 직경에서 발생되는 복사열에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 확인되었다.
화재폭발 사고가 발생된 휘발유가 저장된 탱크(직경 28.4 m, 높이 8.5 m)에서 방출하는 복사열이 인접탱크에 미치는 영향을 최대 및 평균 풍속과 최대 및 최저 기온의 환경조건을 변화하여 평가한 결과, 주위의 기온에 따라 약 700∼800 kW/㎡의 차이가 발생하였고, 최대풍속일 경우에는 평균풍속보다 약 1.9배의 높은 복사열이 인접탱크에 영향을 미치는 것으로 나타났다.
후속연구
향후의 연구계획은 저장탱크 직경별로 다양한 유종(에탄올, 원유, 경유 등)에 대한 최대발열량을 평가하여 사고 탱크의 복사열에 의한 영향을 최소화하는 방안을 검토할 예정이다.
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