액화탄화수소 가스 탱크의 Pool Fire에의한 복사열 피해

손정환, 한윤봉

전북대학교 화학공학부

Radiation Damage by Pool Fire of Liquid Hydro-Carbon Gas Tank

Jung-Hwan Sohn, Yoon-Bong Hahn

School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University

서론

석유화학분야는 1960년대 이후 정부의 중화학육성정책에 힘입어 눈부신 발전을 하여왔으나 각종 장치산업의 규모가 증대되고 복잡해 짐은 물론, 사용 물질도 다양해져 화재 유발등 대형사고의 발생 가능성 즉, 잠재적 사고의 위험성이 날로 높아지고 있다.

장치산업은 특성상 설계단계에서 제반설비에 대한 안전을 고려하여 건설하기 때문에 사고의 발생 빈도가 다른 업종에 비하여 상당히 낮다고 할 수 있으나, 설비의 고장, 노후, 파손 또는 운전자의 실수에 의한 단 한 번의 사고에 의해서도 사업장은 물론 주변환경과 사람에게 막대한 영향을 미치는 등 사고의 강도가 매우 높다.

특히, 1996년도부터 정부강제규정1)으로 종합적인 안전관리 체계가 도입되어 도시가스 사업자나 일정 규모 이상의 LPG 공장 및 석유화학 공장은 종합적인 안전관리 규정과 안전성 향상 계획서를 한국가스안전공사에 제출하여 그 적합성을 심사 받고 이행실태를 평가받게 되었다. 그러나 실질적인 안전관리 측면에서 실제 발생했던 가스폭발에 대한 종합적 분석과 함께 발생 가능한 사고의 억제 및 피해 최소화를 위한 방법이 강구되어야 할 것이다.

본 연구에서는 가연성 액화 탄화수소 가스에 대한 화재 및 폭발현상 중 Pool Fire로 인한 radiation flux을 측정하는 SFRM(Solid Flame Radiation Model)2) 방법을 이용하여, 발생 가능한 Pool Fire 사고를 예측하고 폭발 피해 최소화를 위한 대책을 제시하고자 한다.

가연성 액화 탄화수소 가스가 누출되어 Pool을 형성하고 점화원에 노출되었을 경우, 화재 및 폭발현상은 강력한 radiation flux 및 detonation wave를 발생하여 다른 2차 재해를 유발할 수 있다.

본 연구는 radiation flux을 측정하는 SFRM program을 제시하고, 이를 이용하여 피해 최소화를 위한 대책을 연구하는데 도움을 줄 수 있도록 하며 아울러 실제 사고에 대한 분석을 예로 제시하였다.

이론적 필요성

액화 탄화수소 가스설비의 주위에서 화재가 발생하였을 때 화염으로부터 발생된 radiation flux가 저장탱크에 미칠 경우 더욱 큰 재앙을 가져올 수 있다.

특히 석유화학 플랜트에 다수 설치되어 있는 액화 탄화수소 가스가 누출되었을 경우에 가스 정체량이 많기 때문에 발생된 화재를 적절히 진화하지 못하여 저장탱크를 냉각시키지 못하거나 방호 system이 충분히 고려되지 않았을 경우 화염으로부터 발생된 복사열에 의하여 저장탱크가 가열되고 내용물의 급격한 증발로 인해 안전장치가 작동되더라도 탱크가 파열되어 대단위 화재 및 폭발로 이어지게 된다.

화재로 인한 현상은 Pool Fire, Get Fire, Fireball, Flash Fire가 있고 폭발현상으로는 물리적 폭발, BLEVE, 증기운 폭발, 분진폭발이 있다. 이 중에서 화재현상의 주된 피해원으로는 복사열을 들 수 있으며 폭발 현상의 주된 피해원으로는 과압에 의한 것으로 볼 수 있다. 이 중에서 본 연구의 고려대상으로는 액화 탄화수소 가스의 화재 및 폭발현상으로서 대상 모델은 Pool Fire로 하였다.

Pool Fire의 경우 이미 누출된 가연물이 설비에 매우 근접한 영역이나 설비 그 자체에서 발생되기 때문에 그 위험성은 대단히 높다고 볼 수 있다. Pool Fire에 의한 radiation flux의 방출량을 측정하는 SFRM 방법2)의 각 단계를 고찰하여 실제 사고에 대응시켜 봄으로써 사고에 대한 문제점을 찾고 대안을 제시할 수 있다. 또한 안전관리 측면에서도 이에 대한 고찰은 기초 지식으로서 그 중요성이 충분하다.

실질적인 액화 탄화수소 가스의 위험성 분석은 누출된 가스의 화재 및 폭발로 인한 radiation flux나 detonation wave를 측정함으로써 예측될 수 있다. 저장탱크의 안전을 위한 설비로는 방류제, 탱크의 내열구조, 냉각장치, 안전밸브, 안전거리, 소화전 설비 등이 있다. 그러나 가스관계법에서는 방소화 및 방폭설비에 관한 최소한의 설비기준만을 규정하고 있기 때문에 실질적인 안전은 사업자 스스로 국·내외의 관련 기준을 활용하여 설계, 설비 및 유지관리에 만전을 기하는데 있다.

Pool Fire에 대한 SFRM 방법(Solid Flame Radiation Model)2)

Fig.1 Schematic illustration of the pool fire.3)

탄화수소계 물질의 실험결과에 기초를 둔 복사강도는 식(1)3)4)로 표현된다.

[eqn: rm& q□= tau~ F~ E_f]              --------------------(1)

또한, 화염의 복사능(Ef)은 식(2)3)로 표현된다.

[eqn: rm& E_f = epsilon ~E_max]              --------------------(2)

연소속도(m")는 식(3)과 같이 Thomas의 경험적 상관관계식을 사용하였으며,

[eqn: rm& m□=~ 0.11[1-exp(-0.46D)]]      --------------------(3)

풍속에 따른 화염기울기는 A.G.A.(American Gas Association)의 제안식인 식(4)3)을 사용하였다.

Fig.2 Flame tilt for wind speed.3)

[eqn: rm&cos theta = 1 over SQRT { U^*} ~~~~for~ U^* SUCC 1# rm&cos theta = 1~~~~~~~~for~ U^* <= 1]     -------------------(4)

풍속에 의해 변화된 화염길이는 Thomas 상관관계식인 식(5)3)을 이용하였다.

[eqn: rm&L_f ~=~42 ~D~ left[m□ over { rho _a SQRT { gD~}} right]^0.61]    -------------------(5)

결과 및 고찰

그림3, 4, 5는 LNG에 대한 SFPM 방법2)을 이용하여 각 인자를 변화시킨 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 SFPM방법을 이용한 복사량을 측정해 볼 때 LNG 탱크의 Pool Fire에대한 복사열의 양에 변화를 미치는 가장 큰 인자는 풍속인 것을 알 수 있다.

결과적으로 액화 탄화수소 가스의 화염으로부터 방출되는 복사열은 풍속에 의해 그 양의 변화가 크다고 판단된다. 따라서 저장탱크의 주위에 풍속을 완화시키는 시설이 설치되어야 화재 및 폭발로 인한 복사열로부터 저장탱크의 안전성을 확보할 수 있다.

Fig.3 Effect of temperature on radiation flux

Fig.4 Effect of humidity on radiation flux.

Fig.5 Effect of wind speed on radiation flux.

참고문헌

1.김연종, 안상현, 조현춘: "가스시설의 위험성평가 기법 및 적절한 기법의 선택을 위한 고려사항", 화학공업과 기술, Vol. 14, No4, P351(1996)

2.이영순:"화학공장 사고결과 영향분석(I)", 월간 화공기술, Vol.1, No.3, P68 (1997)

3.유철진:화공안전공학, P547