화재.폭발영향평가 소프트웨어(Sgaurd) 개발

-Fireball과 BLEVE 모델을 중심으로-

이근원, 주종대, 조진원*

산업안전교육원, 엑트원 엔지니어링*.

Development of Software for Fire and Explosion Effect    Assessment

K.W. Lee, J.D. Ju, and J.W. Cho*

Industrial Safety Education Institute, Actone Eng.*

서  론

화학공업은 시스템이 복잡한 대규모 장치 산업이며, 다양한 종류의위험물질의 취급과 더불어 고온 고압의 조건하에서 설비들을 운전하는 경우가 많아, 화재 폭발 폭발 및 누출사고 등의 발생 가능성이 항상 잠재하고 있다.  화학공업의 특성상 설계단계부터 충분한 안전이 고려되므로 타산업과 비교하여 사고의 발생빈도는 상대적으로 낮은 편이지만, 사고가 발생할 경우에는 중대산업사고로 이어지기 쉬우며 사고가 발생하면 사업장의 근로자는 물론 인근 지역의 주민들에게 까지 상당한 피해를 미칠 수 있다. 이와같이 화학공장은 생산활동에 수반하여 막대한 피해를 예상되므로 이러한 위험성을 적절히 평가하고 관리해야 한다.

본 연구에서는 이를 위해서 위험물질로 인한 화재나 폭발을 일으킬 경우 사람이나 구조물에 어느정도의 영향을 미치는지를 추정하는 화재 폭발모델식 중 Fireball과 비등 액체증기운 폭발(BLEVE)모델을 선정하여 화재 폭발의 영향을 평가하는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다. 이를 이용하여 열복사(thermal radiation)와 과압(overpressure) 계산하여 프로판, 가솔린 물질에 대한 heat flux, 물질의 양, 거리 등에 따른 상관관계식을 얻고자 하였다.

Fireball모델

화재에 의한 열복사(thermal radtiation)가 사람이나 구조물 등에 얼마만큼 영향을 미치는지를 정량적으로 추정하기 위해 여러 연구자들이 제안한 화재 모델링을 이용하여 예측할 수 있다. Fireball은 비점 이상의 온도에서 액체인 상태로 들어있는 용기가 파열될 때 일어난다. 가연성의 과열액체나 증기혼합물이 공기중으로 누출되면서 점화되어 원형과 비슷한 화염이 형성되는 것으로 흔히 비등액체팽창증기폭발(BlEVE, Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion)현상을 동반한다.

CPQRA(1989)에서 Firball의 경우 대상물에서받는 복사열 I th는 다음과 같은 식이 주어졌다.

I th = □FE .................................................................................(1)

여기서 I th = 흑체(Black Body) 목표물에 받는 복사열 [kW/m2], □ = 투과성(Transmissivity), E = 표면방출플럭스[kW/m2], F = 기하학적 인자(Geometric View Factor)이다.

대상물에 받는 복사열을 구하기 위해 Fireball Parameter를 이용하는데 Fireball Parameter는 가연성 액체의 질량과 Fireball 직경에 관계되는 누승법칙의 상관관계을 이용하였다. 투과성(Transmissivity)의 크기는 노출된 물체와 화재사이에 공기중 수증기의 양에 의존하며, TNO(1979)에서 그래프로부터 결정할 수 있도록 제시하였다. 기하학적 인자(F)와 표면방출 플럭스(Surface Emitted Flux)을 계산하여  식(1)에서 복사열을 구할 수 있다.

BLEVE모델

폭발에 의해 어떤 사람이나 구조물에 대한 피해나 부상의 정도를 평가하기 위해 폭발과압을 추정하는 여러 가지 폭발모델링이 제안되고 있다.  비등액체 팽창증기폭발 모델(BLEVE Modeling)을 이용한 폭발과압을 추정하는 방법은 세가지가 있다. 하나는 용기의 증기공간에 가스의 팽창이 주로 생기는 과압이 확실하다(과열액체의 플래슁은 무시)고 가정하고 등온팽창모델을 사용한다. 두 번째는 과열액체의 플래슁이 생기는 과압이 확실하다는 가정하에서 등온팽창 모델을 사용한다. 세 번째 방법은 단열팽창으로 가정하고 TNT의 의 상당질량을 가지고 추정한다.

W = -□U/HcTNT ...............................................................................................................(2)

□U = ml,f ul,f +mv,f Uu,f - mv.i Ul,i -mv,i Uv,i ........(3)

ml,f = (1-f)ml,i .........................................................................(4)

mv,f = f ml,i + mv,i ...............................................................(5)

여기서  W = TNT의 상당질량(lb), U = 용기내용물의 내부에너지의 변화[Btu], Hc =  TNT 의 연소열[Btu/lb], ml,f = 플레슁공정 다음에 존재하는 액체의 질량[lb], Ul,f = 플레슁공정 다음에 존재하는 내부에너지[Btu/lb], mv,f = 플레슁공정 다음에 존재하는 증기의 질량[lb], Uv,f = 플레슁공정 다음의 증기의 내부에너지[Btu/lb], mv,i = 플레슁공정 이전에 존재하는 액체의 질량[lb], Uv,i = 플레슁공정 이전의 액체의 내부에너지[Btu/lb], mv,i = 플레슁공정 이전에 존재하는 증기의 질량[Btu], U = 플레슁공정 이전에 존재하는 증기의 질량[Btu], U = 플레슁공정 이전의 액체의 내부에너지[Btu/lb], f = 증기로 플레쉬되는 액체의 분율[-]이다.

본    론

본 연구에서는  화학공장에 잠재하는 위험성 중 화재.폭발 사고시 예상되는 위험을 평가하기 위해 컴퓨터를 이용하여 위험성을 계산할 수 있는 프로그램을 두가지 모델에 대해 개발하였다.  이 모델은 Fire ball모델과 BLEVE모델을 이용한 계산이다. Fire ball 모델의 경우는 프로판과 가솔린에 대해 거리에 따른 열 플럭스의 계산이고, BLEVE 모델은 과열액체의 플래슁(Flashing)에 의해 생기는 과압이 확실하다는 가정하에 단열팽창으로 가정하고 TNT 상당질량을 가지고 과압(Over Pressure)을 추정하는 프로그램이다.

시스템의 구성은 그래픽이 쉽고, 사용이 편리한 윈도우즈(Windows)에서 구동하도록 하였으며 풀다운 메뉴(full down menu) 방식을 채택하였다. 프로그램의 개발언어는 C++을 사용하였으며, 프로그램의 이름을 Sguard로 명명하였다. 프로그램 초기화면은 File, Edit, View 폭발계산 및 Help 화면으로 구성되어 있으며, 화재.폭발의 위험성 계산은 폭발계산화면에서 이루어진다.  Fire ball Model Data 입력은 인화성 액체 중 프로판과 가솔린의 필요자료가 들어있으며 필요시 필요한 물질을 입력하면 된다. 프로그램을 이용한 Fire Ball 모델 계산 결과의 예를 <그림1>에 나타내었다.

BLEVE Model에 사용한 물질은 Saturated-water의 경우로 등온팽창모델과 단열팽창모델의 두 경우에 대해 프로그램을 작성하였다. 초기압력을 입력하면 steam table이 이미 프로그램상에서 입력되어 있으므로 비엔트로피(Specific entropy)와 비엔탈피(Specific enthalpy)가 계산되어 화면상에 입력되도록 되어 있다. 수평거리와 주위온도을 주면 입력이 완료되어 폭발원(폭심)에서 대상물까지 피크과압(Peak Overpressure)이 계산된다. 이 피크과압을 계산하기 위해서는 폭발물질을 TNT 당량으로 환산해야 되는데 이를 위해 TNT 환산법칙(Scaling law)을 사용하였다. 이 BLEVE Model을 이용한 계산결과의 예를 <그림 2>에 나타내었다.

이상과 같이 두가지 모델의 경우에 컴퓨터 프로그램을 이용하여 화재.폭발에 의한 열복사와 과압을 계산하는 것을 논의하였다. 이 프로그램을 이용하여 프로판, 가솔린 등의 물질에 대한 Heat Flux, 물질의 양, 거리 등에 따른 상관관계를 얻었다.

결론및 제안

본 연구에서는 Fire ball과 BLEVE에 의한 화재.폭발의 영향으로 사람이나 구조물에 어느정도 피해를 미치는지를 예측하는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다.     이를 이용하여 열복사(thermal radiation)와 과압(overpressure) 계산하여 프로판, 가솔린 물질에 대한 heat flux, 물질의 양, 거리 등에 따른 상관관계식을 얻었다. 이 모델을 이용한 상관관계식은 안전거리 확보의 정량적 평가방법의 프로그램 개발의 기초자료에도 이용할 수 있을 것으로 사료된다. 향후 소프트웨어개발과 동시에 화재.폭발로 인한 위험성 평가를 표준화 정량화된 모델의 프로그램 개발이 필요하다.

참고문헌

1. Process safety Institute, Hazard Evaluation (Consequence Analysis Methods),JBFAssociates, Inc, 1993.

2. Daniel A.Crowl and Joseph F.Louvar,  Chemical Process  Safety(Fundamentals with Applications), Prentice-Hall. Inc, 1990.1. Process safety Institute, Hazard Evaluation (Consequence AnalysisMethods), JBF Associates, Inc, 1993.