BLEVE와 FireBall에 의한 피해 평가 프로그램의 개발

김형석, *김인태, 송희열, 김인원

건국대학교 화학공학과, *한국화재보험협회

Development of a Program for the Estimation of Damage by BLEVE and FireBall

Hyung-Seok Kim, *In-Tae Kim, Hee-Ouel Song, In-Won Kim

Department of Chemical Engineering, Kon-Kuk University,

*Korean Fire Protection Association

Ⅰ. 서론

중화학공업 육성 정책에 따른 생산위주의 경영은 상대적으로 안전관리에 대한 투자를 소홀히 함은 물론 안전문화의 정착에도 역작용을 해왔다. 화학공업의 특성상 취급하는 대부분의 물질은 고온·고압 하에서 가연성 물질과 반응성 물질들을 취급하는 경우가 많아 화재 및 폭발 사고의 가능성이 늘 잠재하고 있다. 특히, 유해물질의 누출은 근로자는 물론 인근지역의 주민들에게까지 치명적인 피해를 미칠 수 있다.

이에 대한 체계적인 고찰과 사고방지를 위한 적절한 대책 마련을 위해 전반적 인 통계자료와 개별적 사고사례 분석자료가 필요하다. 즉, 사고의 빈도와 심도를 구하여 위험을 정량화 시킬 수 있으며 이로부터 위험에 대한 정책 및 대책을 수립할 수 있다.

폭발 사고 중 BELVE(Boiling Liquid Evaporation Vapor Explosion)로 인한 대형사고로는 1984년 멕시코시티에 발생한 프로판가스 폭발사고와 1988년 미국 일리노이주에서 발생한 수소가스 폭발사고 등이 있었으며 그 규모 역시 VCE (Vapor Cloud Explosion)에 버금가는 피해가 발생하였다. 국내에서도 정량적 위험성 평가를 실시하기 위한 프로그램 개발에 대한 시도가 수차례 있었으나, 폭발과 화재를 연계한 프로그램은 없었다. 따라서 본 연구에서는 BELVE와 BELVE 이후 나타날 수 있는 FireBall을 대상으로 정량적 위험성 평가를 실시하기 위한 프로그램을 개발하고, 폭발과 화재 모델을 모사하였다. 과거 화재·폭발사고와 관련된 약 40여 개의 물질에 대한 물성 데이터 베이스를 사용하여 탱크에 저장된 물질이 물리적 폭발을 일으키거나 기화·팽창하여 BLEVE가 발생하고 그에 따른 FireBall이 발생하는 경로를 모사하였으며 각 Factor 간의 상관관계를 규명하였다. 또한 그 결과로 인해 인체 및 설비에 미칠 수 있는 피해를 예측 할 수 있도록 하였다.

Ⅱ. 프로그램의 개발

프로그램의 운영체계는 Windows95나 Windows NT를 사용할 수 있도록 하였으며, 프로그램 개발에 사용된 언어는 Visual Basic 5.0 버전이다.

영향범위를 산출하기 위한 수학처리 루틴은 각 물성치마다 구하는 방법을 모듈화 하여 여러 루틴에서 중복 사용이 가능하게 하여 프로그램을 최적화 하였다. 누출부위를 용기와 배관으로 나누고, 누출 상은 액체와 증기 그리고 액체-증기 2상으로 나누어 설계하였다.

프로그램 처리과정은 주화면에서 각 폭발방식을 선택하고 앞서 정리해 놓은  공정의 데이터를 입력한다. 그러면 프로그램이 각각의 데이터로부터 조건에 맞는 물성치를 계산하고 폭발량을 계산하여 사용자가 판단하기 쉬운 형태의 결과값으로 제공하고, 이 자료를 다시 화재모델에 적용하여 결과값을 얻을 수 있도록 하였다.

Ⅲ. 이론적 배경

폭발의 형태 및 영향을 평가하기 위해서는 먼저 사고 시나리오를 작성하고 사고 시나리오에 따라 폭발물질의 물성자료와 공정조건 및 안전장치 등을 고려하여 단위 시간당 누출량을 산정 하여야 한다. 이때 누출물질의 물성자료 및 공정조건은 분자량과 비등점을 비롯한 25개 항목에 대하여 만들어진 40여종의 주요 가연성물질의 데이터베이스로부터 참조하여 계산하게 된다.

용기폭발모델은 크게 물리적폭발과 화학반응 폭발모델로 구분할 수 있으며 화학반응모델은 조건에 따라 Physical Explosion, BLEVE, VCE로 구분되며, VCE 는 다시 TNT Equivalency Model과 TNO Corelation, Multi-Energy Model에 의하여 모사할 수 있다.

만약 BLEVE가 발생하였을 때, 화재가 발생하지 않으면 Boiling Cloud가 형성되며, 그 결과로서 VCE가 발생할 수 있다.  그렇지 않고 BELVE 발생 이후, 점화되면 FireBall이 형성된다. 폭발과 화재의 영향관계는 식[eqn: (1)-(3)]과 같다.

Physical Explosion Model

[eqn: W~=~1.4`times`10^-6 `V ~ left [ P_phe1 over P_0 right ]` left [ T_0 over T_phe1 right ]`R`T_1 `log_e `left [P_phe1 over P_phe2 right ]]……………[eqn: (1)]

BLEVE Model

[eqn: W~=~5`times`10^-4 `n_v ~ R`T_blv1 `log_e `left [P_blv1 over P_blv2 right ]] ………………………………[eqn: (2)]

FireBall Model

[eqn: I_th ~=~ tau` F` E] ………………………………………………………………[eqn: (3)]

그림 . 지도위에 피해범위를 나타낸 그림

Ⅳ. 결과

1. 폭발량 산정 결과

Benzene 저장용기에 대하여 저장량을 10 Ton, 관심 거리를 30 ft, 공기 중 온도와 상대습도를 30℃, 60%로 사고 시나리오를 설정하였다. 그림 1은 피해범위를 예측하여 지도 위에 표시한 것으로 Clancey의 과압에 의한 피해 결과를 기준으로 안전거리를 함께 나타낼 수 있도록 하였다.

바깥쪽의 원은 Clancey에 의한 안전한계로서 1차 안전거리(과압 0.3 psi)이며 안쪽의 원은 건물에 많은 피해가 발생할 수 있는 한계로서 2차 안전거리(과압 2.3 psi)를 나타낸 것이다. 또한 빗금 친 영역이 폭발로 영향을 받는 부분으로 사용자의 관심거리에 따라 조절할 수 있도록 하였으며 인체에 대한 영향평가 역시 같은 방법으로 표시하여 결과를 예측할 수 있도록 하였다.

2. 각 Factor 간의 영향

표 1은 대상 물질을 Benzene, 관심 거리를 30 ft, 저장 질량을 10 Ton, 공기 중 온도와 상대습도를 30℃, 60%로 설정하고 여러 저장 조건, 사고 직전의 용기내부 압력, 용기내부 온도를 변화시켜 폭발량과 과압, 그리고 FireBall이 복사하는 열량을 흑체가 받는 열량을 예측한 값을 나타낸 것이다.

압력과 온도는 개별적인 거동을 보이지 않고 함께 움직이므로, 압력에 대하여만 민감도를 보도록 하였다. 표 1에서 폭발량과 폭발과압, 복사열량 각각은 압력에 대하여 평균 2.648 lbTNT/MPa, 1.088 psi/MPa, 2.88 W/m2/MPa의 민감도를 갖는 거동을 보인다.

표 . P-T 값에따른 BLEVE 의 폭발량, 과압과 FireBall 의 복사열량

압력 [eqn: (MPa )]	온도 (。K)	폭발량[eqn: (lbTNT )]	과압 [eqn: (ps i )]	복사열량[eqn: (W/m^2 )]
0.101	498.9	1.4	2.0	150.1
0.490	502.2	3.7	3.1	152.4
0.580	514.2	4.4	3.5	154.7
1.070	516.7	5.8	4.1	155.2
1.540	520.7	6.8	4.5	155.9
2.030	525.7	7.7	4.8	156.8
2.520	532.2	8.7	5.1	157.9
3.010	537.7	9.5	5.4	158.8
3.500	544.7	10.4	5.7	159.9

Ⅴ. 결론

최근 국내 프로그램의 개발이 활발히 이루어지고 있는 것은 매우 고무적인 현상이나 실용화 측면에서는 미흡한 상태이다. 따라서 향후 위험에 관련된 각 요소를 총체적으로 평가 할 수 있는 Model의 개발과 손실방지 효과를 반영한 실질적 위험평가를 할 수 있도록 하는 것이 필요하다.

본 프로그램은 사업장에서 화재 및 폭발 위험 관리에 대한 정량적 평가를 용이하게 수행할 수 있도록 하였으며, 사업장에서 위험관리에 대한 의사결정을 할 수 있는 기본 자료로서 활용할 수 있도록 하였다.

Benzene에 대한 평가에서는 저장량과 관심거리를 법적 규정과는 별도로 수용할 수 있는 피해범위에 따라 설정 할 수 있었다. 또한 BLEVE의 피해는 저장 압력에 큰 민감도를 가졌으며, BLEVE 이후에 동반되는 FireBall의 영향평가에서는 복사열로 인한 피해가 2.88 W/m2/MPa의 민감도를 가지는 것으로 나타났다.

Nomemclatures

W    = equivalent mass of TNT (lbm)

V     = volume of compressed gas (ft3)

Pphe1= initial pressure of the compressed gas (psia)

Pphe2= final pressure of the compressed gas (psia)

P0    = standard pressure (14.7 psia)

Tphe1= temperature of compressed gas (。R)

T0    = standard temperature (492。R)

R     = gas constant (1.987 Btu/lbmole-。R)

nv       = number of moles of vapor that flashes (lbmole)

Tblv  = initial temperature of the superheated liquid (。R)

Pblv1 =initial pressure of the superheated liquid (psia)

Pblv2 =final pressure of the superheated liquid (psia)

Ith    = radiation received by a black body target (kW/m2)

E     = surface emitted flux (kW/m2)

□    = transmissivity (dimensionless)

F      = geometric view factor (dimensionless)

M    = initial mass of the flammable liquid (kg)

참고문헌

1. Guideline for Chemical Process Quantitative Risk Analysis, AIChE-CCPS, New York, 1989.

2. Robert C. Reid, The Properties of Gases & Fluids fourth Edition, McGraw-Hill, 1988

3. Crowl D. A and J. F. Louver, Chemical Process Safety : Fundamental with Application, Prentice-Hall, New Jersey, 1990

4. Guideline for Evaluating the Characteristics of Vapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs, AIChE-CCPS, New York, 1994

5. Robert H. Perry, Perry's Chemical Engineer's Handbook sixth edition, McGraw-Hill, 1988

6. David R. Ride, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, 1995

7. 유만형, 강석호, 송희열, 유인상, 화학공학열역학, 보성문화사, 1992

8. 주경민, 박성완, 정동길, Visual Basic Programmming Bible Ver 5, 영진출판사, 서울, 1997