[논문]폭발위험장소 구분도의 3D Modeling을 통한 점화원 및 가연물 안전관리 방안 제안: 실내 혼합공정을 중심으로

김학재; 김덕한; 천영우

doi:10.15683/kosdi.2024.3.31.047

폭발위험장소 구분도의 3D Modeling을 통한 점화원 및 가연물 안전관리 방안 제안: 실내 혼합공정을 중심으로
Proposal for Ignition Source and Flammable Material Safety Management through 3D Modeling of Hazardous Area: Focus on Indoor Mixing Processes

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.20 no.1, 2024년, pp.47 - 59

김학재 (Program in ET&ST Convergence, Inha University) , 김덕한 (Program in ET&ST Convergence, Inha University) , 천영우 (Program in ET&ST Convergence, Inha University)

초록
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연구목적: 인화성 액체의 누출형태에 따라 제조업 사업장 내 화재·폭발사고를 예방하기 위해 기존 폭발위험장소 구분도를 개선하여 점화원 및 가연물을 안전하게 관리할 수 있는 방안을 제안하고자 한다. 연구방법: 「KS C IEC 60079-10-1」를 사용하여 폭발위험장소를 계산했으며, 계산된 폭발위험거리를 3D로 폭발위험장소를 구현하였다. 또한, 3D를 통해 구현된 폭발위험장소 내 인화성 증기의 대기확산량을 계산하기 위해 「P-91-2023」 액체의 대기확산량 공식을 활용하였다. 연구결과: 폭발위험장소를 3D로 표현했을 때 평면도의 사각지대를 확인할 수 있었으며, 폭발위험장소 내 점화원을 즉각적으로 확인 가능하였다. 다음으로 가연물은 3D로 나타난 폭발위험장소 체적 내 LEL 도달시간을 계산했을 때, 폭발위험거리와 동일하게 위험도가 나타나지 않았다. 결론: 인화성 액체의 대기확산량을 고려하여 안전관리가 이루어져야 할 것으로 판단하였다. 따라서 사업장에서 현실적으로 시행할 수 있는 환기량으로 감지·경보가 필요한 농도값을 계산하는 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study aims to propose measures for the prevention of fire and explosion accidents within manufacturing facilities by improving the existing classification criteria for hazardous locations based on the leakage patterns of flammable liquids. The objective is to suggest ways to safely manage ignition sources and combustible materials. Method: The hazardous locations were calculated using "KS C IEC 60079-10-1," and the calculated explosion hazard distances were visualized in 3D. Additionally, the formula for the atmospheric dispersion of flammable vapors, as outlined in "P-91-2023," was utilized to calculate the dispersion rates within the hazardous locations represented in 3D. Result: Visualization of hazardous locations in 3D enabled the identification of blind spots in the floor plan, facilitating immediate recognition of ignition sources within these areas. Furthermore, when calculating the time taken for the Lower Explosive Limit (LEL) to reach within the volumetric space of the hazardous locations represented in 3D, it was found that the risk level did not correspond identically with the explosion hazard distances. Conclusion: Considering the atmospheric dispersion of flammable liquids, it was concluded that safety management should be conducted. Therefore, a method for calculating the concentration values requiring detection and alert based on realistically achievable ventilation rates within the facility is proposed.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Accident frequency rate in PSM facility
표 Table 1. The characteristics of 5 substances with LEL values
표 Table 2. Factors required for hazardous areas calculation
표 Table 3. Accident scenario factors
그림 Fig. 2. 3D Mixing process
표 Table 4. Hazardous areas analysis by substance
그림 Fig. 3. Existing hazardous areas
그림 Fig. 4. Change in symbol for zone
그림 Fig. 5. 3D hazardous area classification chart layout: verification of 4 ignition sources
그림 Fig. 6. Comparison of air dispersion quantities for 5 substances
표 Table 5. Comparison of air dispersion quantities for 5 substances
그림 Fig. 7. Time to reach LEL of hexane under temperature conditions
표 Table 6. Ventilation rate based on detection time for different substances
표 Table 7. Concentration and time required for detection based on 0.9×0.9m² ventilation standard

AI 본문요약
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문제 정의

둘째 가연물 관리, 물질의 특성을 고려하여 폭발위험장소를 계산함으로써 실제 사고가 발생했을 때 예측 값과의 차이를 줄이기 위하여 폭발위험장소 내 인화성 액체가 누출되었을 때 증기압과 온도 등 여러 인자를 고려하여 폭발하한계(Lower Explosion Limit, LEL)까지 도달하는 시간을 계산하고자 한다. 또한, 인화성 액체가 누출되었을 때 성상에 따른 안전관리 방안을 제안하고자 한다.
본 연구는 기존 평면도로 관리하고 있는 폭발위험장소 구분도로 누출원과 점화원을 확실하게 관리하기에 한계가 있다고 판단하여 3D 로 형상화한 폭발위험장소 구분도를 활용한 점화원 및 가연물의 안전 관리 방안을 제안하고자 한다. 먼저, 점화원 안전관리를 위한 연구에서는 SketchUp을 활용하여 공정을 3D로 구현하고, 구현한 3D 도면 상에 폭발위험장소를 표현하여 점화원이 쉽게 확인 가능한지 분석하였으며, 기존 2D 도면과 비교·분석하여 3D의 장·단점을 도출하였다.
본 연구에서는 인화성 액체의 누출형태에 따라 제조업 사업장 내 화재·폭발사고를 예방하기 위해 기존 폭발위험장소 구분도를 개선하여 점화원 및 가연물을 안전하게 관리할 수 있는 방안을 제안하고자 한다

가설 설정

따라서 본 연구는 실내에서 혼합공정을 사용하고 있는 사업장을 대상으로 연구를 진행하였다. 혼합공정의 조건은 인화성 액체를 사용하고 있는 사업장으로 가정하여 구현하였다. 화학설비 등 공정설계에 관한 기술지침을 참고하여 최소운전압력은 350kPa로 설정(KOSHA, 2012)하였으며, 상온에서 운전되는 혼합공정으로 가정하여 연구를 수행하였다.
혼합공정의 조건은 인화성 액체를 사용하고 있는 사업장으로 가정하여 구현하였다. 화학설비 등 공정설계에 관한 기술지침을 참고하여 최소운전압력은 350kPa로 설정(KOSHA, 2012)하였으며, 상온에서 운전되는 혼합공정으로 가정하여 연구를 수행하였다.

제안 방법

안전보건공단 웹사이트에 게시되어 있는 2014년부터 2022년까지 보고된 55개의 화학물질 사고사례를 수집하여 제조업종에서 발생한 사고 사례를 우선적으로 적용하였다. 그 다음으로 사고사례 중 제조업종 내에서 가장 많은 사고가 발생한 공정을 분석하였으며, 연구대상 물질로 선정된 다섯 가지 인화성 물질에 의해 유발된 사고 및 공정을 파악하고자 하였다.
첫째 점화원 관리,현재 도면으로 관리하고 있는 폭발위험장소 구분도와 실제 구축물 간의 차이를 줄이기 위해 폭발위험장소 구분도를 3D로 표현하여 관리하는 것을 제안하며, 2D 단면도 및 3D로 구현한 도면에서 각각 발생할 수 있는 장·단점을 찾아 비교 분석하고자 한다. 둘째 가연물 관리, 물질의 특성을 고려하여 폭발위험장소를 계산함으로써 실제 사고가 발생했을 때 예측 값과의 차이를 줄이기 위하여 폭발위험장소 내 인화성 액체가 누출되었을 때 증기압과 온도 등 여러 인자를 고려하여 폭발하한계(Lower Explosion Limit, LEL)까지 도달하는 시간을 계산하고자 한다. 또한, 인화성 액체가 누출되었을 때 성상에 따른 안전관리 방안을 제안하고자 한다.
또한, 대안의 시나리오 기준으로 산출된 LEL 도달시간을 활용하여 화재·폭발사고를 예방할 수 있는 감지기 설정 농도와 환기량을 제안하였다.
먼저, 점화원 안전관리를 위한 연구에서는 SketchUp을 활용하여 공정을 3D로 구현하고, 구현한 3D 도면 상에 폭발위험장소를 표현하여 점화원이 쉽게 확인 가능한지 분석하였으며, 기존 2D 도면과 비교·분석하여 3D의 장·단점을 도출하였다
본 연구는 현재 진행되고 있는 폭발위험장소 구분도의 문제점을 도출하였으며, 현 폭발위험장소 구분도 문제점을 보완하고 활용하여 화재·폭발 사고에 대한 2개의 예방 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 SketchUp Pro를 활용하여 폭발위험장소를 3D로 구현하였다. 혼합공정은 ‘B’ 공장의 평면도를 기반으로 작성하였으며, 입면도와 P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)를 확인하면서 혼합공정 라인을 3D로 구현했다.
첫째 점화원 관리,현재 도면으로 관리하고 있는 폭발위험장소 구분도와 실제 구축물 간의 차이를 줄이기 위해 폭발위험장소 구분도를 3D로 표현하여 관리하는 것을 제안하며, 2D 단면도 및 3D로 구현한 도면에서 각각 발생할 수 있는 장·단점을 찾아 비교 분석하고자 한다
혼합공정은 ‘B’ 공장의 평면도를 기반으로 작성하였으며, 입면도와 P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)를 확인하면서 혼합공정 라인을 3D로 구현했다

대상 데이터

화재·폭발 사고가 가장 많이 발생하는 상위 15개 화학물질 중 11개 물질이 인화성 물질이었으며, 그중 9개 물질이 인화성 액체이었다. 9개 물질 중 LEL 값이 낮은 5개 물질[톨루엔(1%), 자일렌(1.1%), 헥산(1.1%), 메틸에틸케톤(1.4%), 아세트산에틸(2%)]을 대상물질로 선정하였다. 폭발위험도가 아닌 LEL 값이 낮을 물질로 선정한 이유로는 LEL 값이 낮은 물질이 누출될 경우 폭발분위기 형성까지 더 빠른 시간 내에 도달되기 때문에 LEL 값이 낮은 5개 물질로 결정하였다.
그리고 메틸에틸케톤은 혼합공정에서 발생한 사고사례는 없었지만 혼합공정으로 운영되고 있다는 것을 화학물질 유통·사용실태조사 결과보고서에서 확인하였다. 따라서 본 연구는 실내에서 혼합공정을 사용하고 있는 사업장을 대상으로 연구를 진행하였다. 혼합공정의 조건은 인화성 액체를 사용하고 있는 사업장으로 가정하여 구현하였다.
본 연구에서는 대상물질을 선정하기 위하여 2014년부터 2020년까지 화학물질안전원의 화학사고 데이터베이스를 분석하였다. 화재·폭발 사고가 가장 많이 발생하는 상위 15개 화학물질 중 11개 물질이 인화성 물질이었으며, 그중 9개 물질이 인화성 액체이었다.
본 연구의 연구대상 업종 및 공정은 제조업의 혼합공정으로 한정되어 있다. 연구대상 물질 또한 많은 사고를 유발하는 인화성 액체 중 LEL 값이 가장 낮은 5가지 물질을 선정하여 연구를 진행하였으며 기타 화학물질에 대한 연구는 수행하지 않았다.
안전보건공단 웹사이트에 게시되어 있는 2014년부터 2022년까지 보고된 55개의 화학물질 사고사례를 수집하여 제조업종에서 발생한 사고 사례를 우선적으로 적용하였다. 그 다음으로 사고사례 중 제조업종 내에서 가장 많은 사고가 발생한 공정을 분석하였으며, 연구대상 물질로 선정된 다섯 가지 인화성 물질에 의해 유발된 사고 및 공정을 파악하고자 하였다.
본 연구의 연구대상 업종 및 공정은 제조업의 혼합공정으로 한정되어 있다. 연구대상 물질 또한 많은 사고를 유발하는 인화성 액체 중 LEL 값이 가장 낮은 5가지 물질을 선정하여 연구를 진행하였으며 기타 화학물질에 대한 연구는 수행하지 않았다. 따라서, 향후 타 산업 내 다양한 공정의 화학물질에 대한 추가 연구를 수행하고 본 연구와 비교·분석한다면 보다 의미 있는 연구가 될 것으로 예상한다.
폭발위험장소 내 누출된 가연물을 관리하기 위해서는 폭발위험장소 내 폭발분위기를 형성하는 시간을 계산하였으며, 화재·폭발 사고가 많이 발생한 인화성 물질 중 LEL 농도가 낮은 5개 물질을 선정하여 연구를 진행하였다
화재·폭발 사고가 가장 많이 발생하는 상위 15개 화학물질 중 11개 물질이 인화성 물질이었으며, 그중 9개 물질이 인화성 액체이었다

이론/모형

이를 위해 ｢산업환기설비에 관한 기술지침｣에 따라 화재·폭발 방지 필요환기량 공식은 식 (2)을 활용하였으며(KOSHA, 2019), 필요환기량을 계산하기 위해서는 시간당 사용량이 고려되지만, 시간당 사용량의 경우 사용하는 물질이 모두 증발되었다고 가정하기 때문에 본 연구에서는 시간에 따라 발생한 확산량으로 연구를 진행하였다.
먼저, 점화원 안전관리를 위한 연구에서는 SketchUp을 활용하여 공정을 3D로 구현하고, 구현한 3D 도면 상에 폭발위험장소를 표현하여 점화원이 쉽게 확인 가능한지 분석하였으며, 기존 2D 도면과 비교·분석하여 3D의 장·단점을 도출하였다. 이후 가연물에 대한 안전관리를 위해 SketchUp으로 계산된 폭발위험장소 체적 내 LEL까지 도달되는 시간을 ｢화학물질폭로영향지수(CEI) 산정지침｣의 대기확산량 공식에 따라 계산하였다. 또한, 대안의 시나리오 기준으로 산출된 LEL 도달시간을 활용하여 화재·폭발사고를 예방할 수 있는 감지기 설정 농도와 환기량을 제안하였다.

성능/효과

폭발위험장소 내 누출된 가연물을 관리하기 위해서는 폭발위험장소 내 폭발분위기를 형성하는 시간을 계산하였으며, 화재·폭발 사고가 많이 발생한 인화성 물질 중 LEL 농도가 낮은 5개 물질을 선정하여 연구를 진행하였다. 5개 물질 중 사고가 가장 많이 발생한 톨루엔의 폭발위험거리 크게 형성되었으나 증기압을 고려한 대기확산량 계산 결과, 폭발위험거리가 가장 넓게 나온 톨루엔보다 헥산의 LEL 농도 도달 시간이 더 짧게 나타났다. 이와 같이 물질에 따른 대기확산량을 계산한다면 물질의 특성을 고려하지 않은 액체 누출률 공식을 사용하는 현 방식보다 더욱 안전한 관리가 가능할 것으로 판단된다.
5와 같이 폭발위험장소 구분도를 3D로 표현할 경우 점화원이 직관적으로 확인이 가능했으며, 기존 방식으로 표현했을 때 보이지 않았던 전기기계·기구(펌프, 콘센트, 배전함, 분전반 등)를 확인할 수 있다
그리고 메틸에틸케톤은 혼합공정에서 발생한 사고사례는 없었지만 혼합공정으로 운영되고 있다는 것을 화학물질 유통·사용실태조사 결과보고서에서 확인하였다
따라서, 제조업 사업장의 실내에서 발생하는 많은 화재·폭발 사고를 예방하기 위해서 화재·폭발 3요소인 점화원, 가연물, 산소 중 제어할 수 있는 인자인 점화원과 가연물에 대한 확실히 관리 및 안전대책 강화가 필요하다고 판단하였다.
안전보건공단 사고조사 보고서를 분석한 결과 2016년 톨루엔 계량작업 중 화재사고, 드레인 작업 중 화재사고,접착제 제조공정 폭발사고, 그리고 중·소규모 사업장의 화재·폭발 사고예방에 나와있는 자일엔 폭발사고를 통해 4가지 물질이 사업장 내에 있는 혼합공정에서 사고가 발생한 것을 확인하였다
, 2016) 등 적절하지 못한 점화원 관리의 결과이었다. 제조업인 ○○기업에서 발생한 사고와 실내에서의 화재폭발사고 발생 현황을 미루어 보았을 때, PSM 대상 사업장 내 점화원과 가연물(인화성 물질)을 관리하기 위한 폭발위험장소 구분도와 전기 단선도로는 제대된 관리가 이루어지지 않음을 알 수 있다. 따라서, 제조업 사업장의 실내에서 발생하는 많은 화재·폭발 사고를 예방하기 위해서 화재·폭발 3요소인 점화원, 가연물, 산소 중 제어할 수 있는 인자인 점화원과 가연물에 대한 확실히 관리 및 안전대책 강화가 필요하다고 판단하였다.

후속연구

따라서, 향후 타 산업 내 다양한 공정의 화학물질에 대한 추가 연구를 수행하고 본 연구와 비교·분석한다면 보다 의미 있는 연구가 될 것으로 예상한다
따라서, 향후 타 산업 내 다양한 공정의 화학물질에 대한 추가 연구를 수행하고 본 연구와 비교·분석한다면 보다 의미 있는 연구가 될 것으로 예상한다. 또한, 해당 연구 내용을 3D 폭발위험장소 구분도에 적용하여 작성한다면, 각 물질의 특성이 고려된 결과를 3차원의 입체적인 도면으로 확인할 수 있기에 보다 정확한 폭발위험장소 구분이 가능할 것이다.
5개 물질 중 사고가 가장 많이 발생한 톨루엔의 폭발위험거리 크게 형성되었으나 증기압을 고려한 대기확산량 계산 결과, 폭발위험거리가 가장 넓게 나온 톨루엔보다 헥산의 LEL 농도 도달 시간이 더 짧게 나타났다. 이와 같이 물질에 따른 대기확산량을 계산한다면 물질의 특성을 고려하지 않은 액체 누출률 공식을 사용하는 현 방식보다 더욱 안전한 관리가 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (16)

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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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