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정태 양
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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 31, No. 3, pp , June 2016 by The Korean Society of Safety (pissn , eissn ) All right reserved. 냉동, 냉장시스템에서 NH 3 누출사고시장외영향평가를위한피해범위및대피거리산정에관한연구 박상욱 정승호 아주대학교환경안전공학과 ( 접수 / 수정 / 채택 ) Recommended Evacuation Distance for Offsite Risk Assessment of Ammonia Release Scenarios Sangwook Park Seungho Jung Department of Environmental and Safety Engineering, Ajou University (Received November 16, 2015 / Revised May 20, 2016 / Accepted June 16, 2016) Abstract : An accident of an ammonia tank pipeline at a storage plant resulted in one death and three injuries in Many accidents including toxic gas releases and explosions occur in the freezing and refrigerating systems using ammonia. Especially, the consequence can be substantial due to that the large amount of ammonia is usually being used in the refrigeration systems. In this study, offsite consequence analysis has been investigated when ammonia leaks outdoors from large storages. Both flammable and toxic effects are under consideration to calculate the affected area using simulation programs for consequence analysis. ERPG-2 concentration (150 ppm) has been selected to calculate the evacuation distance out of various release scenarios for their dispersions in day or night. For offsite residential, the impact area by flammability is much smaller than that by toxicity. The methodology consists of two steps as followings; 1. Calculation for discharge rates of accidental release scenarios. 2. Dispersion simulation using the discharge rate for different conditions. This proactive prediction for accidental releases of ammonia would help emergency teams act as quick as they can. Key Words : ERPG-2, gaussian plume model, EFFECT 9, ALOHA, PHAST ver 6.7, ammonia 1. 서론 암모니아는 고압가스안전관리법 에서가연성, 독성가스로적용대상일뿐만아니라 화학물질관리법 에사고대비물질, 유해화학물질로정하고있다. 암모니아는냉매로서의성능이우수해냉매로많이사용되고있으나가연성의위험과인체독성의영향이있기때문에저장과취급시주의하여야한다. 암모니아의사용량증가및기존냉동냉장시설의노후에따른시스템내에암모니아폭발및누출사고가발생하고있다. 그렇기때문에주변지역의인명과재산피해를가져올수있는화학물질누출에따른체계적인분석뿐만아니라화학물질의특성에따른지역주민의피해를최소화할수있는대피거리에대한연구와대책이시급한실정이다 년남양주에서발생한암모니아누출사고는 사망 1 명, 부상 3 명등인명피해가발생하였고주변주민이고통을호소하는등 2 차적인피해를발생시켰다 년해외의리투아니아암모니아누출폭발사건에서보다시피사업장내암모니아누출로가연성증기가형성되어화재가발생하였고그결과근무자 7 명, 사망 57 명이부상을당하였을뿐만아니라주변지역주민 32,000 명이대피하는사고가발생하였다. 기존선행연구자들의연구에서는 FTA(Fault Tree Analysis) 의결과를분석하여 CA(Consequence Analysis) 의사례를대상으로연구가진행되어왔고암모니아냉동공정을중심으로공정에대해서단지손쉽게 CA 를수행이가능한부분을확인하는단계에까지만진행이되어왔으며예측가능성을확인하는정도로만진행이되어보다구체적인수치를기반으로비상조치계획에반영하기에는부족함이있었다 1). 또한불산누 Corresponding Author : Seungho Jung, Tel : , Processsafety@ajou.ac.kr Department of Environmental and Safety Engineering, Ajou University, 206, World cup-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16499, Korea 156

2 냉동, 냉장시스템에서 NH 3 누출사고시장외영향평가를위한피해범위및대피거리산정에관한연구 출사고등화학물질과관련된중대사고를통하여국민의관심과환경의영향에대해서관심이집중되고있는시기에도유해화학물질로인한피해예방대책과규제강화그리고사고에대응하기위한핵심정보인노출기준, 노출경로, 사고물질의특성, 방제방법등의자료에만의존하고있는실정이다 2). 본연구는대용량냉동, 냉장시스템에서냉매로사용하고있는암모니아누출시독성에따른피해범위예측과주변지역의주민의피해를최소화할수있는대피거리를산정하여그결과데이터를통한냉동, 냉장시스템내암모니아누출에따른안전대책수립시도움을주고자한다. 2. 이론적배경 암모니아를사용하는시스템내에서는사고발생시누출물질이탱크내에갈라진틈을통하여누출되거나탱크내에연결된배관에구멍이발생하는등의경로로누출이일어난다. 이연구에서는저장용기에구멍이발생하여 10 분동안전량누출될경우와용기에연결된배관이완전파열되거나누출시실제누출을가정해계산하였다 3). 누출된물질이대기에노출이되면기체상태로확산이이루어지고누출된물질은공기와혼합되어멀리날아갈수록농도는낮아진다. 누출물질이대기로노출될경우물질의확산에큰영향을미치는변수로는대기안정도와바람속도이다. 2.1 암모니아누출관련사고형태및피해 2012 년경기도광주냉동, 냉장창고사고부터 13 년안성암모니아누출사고 14 년남양주, 창원, 서천냉동창고시스템내암모니아누출사고는암모니아의폭발성과독성에따른누출사고이다. 그러나정부및대처관계부서에서는사고발생시체계적인대응을 Table 1. Ammonia accident in refrigeration systems Date Location Gwangju, Kyungkido Anseong, Kyungkido Namyangju, Kyungkido Changwon, Gyeongsangnamdo Seocheon, Chungcheongnamdo Accident type Explosion Explosion Warehouse type Consequence 2 fatalities, 10 injuries Evacuation order 1 fatality, 3 injuries Evacuation order Evacuation order 하지못하는모습을보여주었다. 이에대한사고현황은 Table 1 과같다. 2.2 암모니아물질의특성 한국산업표준에서는암모니아는상온에서기체상태로개방된공간에서누출될경우공기보다가벼워빠르게소산, 확산되기때문에폭발분위기생성을무시하고있다 4). 또한점화되기위해선 15 ~ 28% 의암모니아증기가존재하여야하기때문에가연성위험이크다여기지않아왔다. 그럼에도불구하고실제로는폭발사고가다수발생하였다. 2.3 암모니아저장에따른온도와압력관계 암모니아의다양한공정그리고운전조건에따라다르게냉동저장하는경우가많다. 그리고암모니아의저장압력은저장온도에따라서결정이되며 Table 2 에나타내었다. Table 2. Temperature and pressure for saturated liquid condition Temperature ( ) Pressure (atmg) 시나리오조건분석 3) 최악의시나리오분석시풍속은 1.5 m/s로하고대기안정도는 F, 대기온도는 25, 구름 50%, 대기습도 50% 를적용한다. 최악의사고시나리오의경우지표면에서누출한것으로가정한다. 2.5 냉동냉장시스템암모니아사용현황 암모니아는자연냉매로서온난화지수가낮고물질이가지는냉동능력이다른물질에비해크다. 냉동시스템내에자연순환을이용해저온을유지하기위해서많은양의냉매가필요한데암모니아는다른물질 Table 3. Classification by used coolant capacity 5) Freezer capacity Ammonia R - 22 R - 404A <= 100 RT <= 500 RT > 1000 RT <= 1000 RT * RT: 냉동단위, 0 의물 1 ton 을 24 시간에 0 의얼음으로만들때제거해야하는열량. 한국안전학회지, 제 31 권제 3 호, 2016 년 157

3 박상욱 정승호 에비해냉동능력이커많이이용하게된다. 사용냉매에따른분류는 Table 3 에나타내었다. 2.6 대기확산누출율모델링 6) EPA(Environmental Protection Agency) 의 위험분석을위한기술지침 에서의방법은일반적으로저장용기자체에서구멍이발생하거나용기에연결되어있는배관이깨져서누출되는상황에대하여시뮬레이션을하고있다. 물질의누출율을결정하는데이용하는요소는저장용기내의물질량이다. 저장용기내의유체방출속도는저장압력및온도그리고구멍크기, 유체의물리적, 화학적특성에의해결정되어지게되는데 EPA 의방법에서는용기내에저장되어있는물질의질량에따라일정한방출속도로전량방출될때까지지속시간을 10 분으로정의하여이러한변수들을무시하고있다 7). 또한파이프를통하여방출될때의파이프의마찰력과물질저장량에따른수두압력강하를무시한다. 2.7 가우시안대기확산모델 : 가벼운가스 7) Gaussian 플름모델은일반적으로공기보다가벼운기체의연속누출확산평가에사용되며다음과같은가정하에정립된모델이다 연속누출 (Continuous emission) 유해물질의누출량은시간당연속적으로발생하고이들누출율은시간내내변하지않는다고가정한다. 실제로시간에따라누출량이계속변화하나이연구에서는간단히일정한속도로나온다. 가정하였다 질량의보존 (Conservation of mass) 누출원으로부터일정거리떨어진관심지점까지유해물질이이동하는동안누출원으로부터누출되는누출물질의양은유지되고보전된다. 어떠한물질도화학반응에의해서없어지지않으며지표면에서의반응, 중력에의한하강, 난류영향에의해없어지지않는다. 난류소용돌이 (turbulent eddy) 에의하여지표면가까이에서누출된물질은다른후속의난류소용돌이에의하여지표면에서멀리다시확산된다고가정된다. (eddy reflection) 정상상태조건 (Steady-state conditions) 기상조건은시간에따라누출원으로부터관심지점까지의이동시간동안은변하지않는다고가정한다. 보통상태하에서이가정을만족시키기는매우쉽다. 그러나약한바람이나멀리떨어진관측자에대하여서는이가정이만족되지못한다. 따라서가우시안플룸모델은대략 10 km 가넘어가면결과의신뢰성을보장할수없는것으로알려져있다 바람단면방향및수직방향의농도분포일정거리에서의평균시간동안바람의단면방향이나수직방향에대해서농도프로파일은정규분포 ( 또는 Gaussian distribution) 를보인다고가정한다. 2.8 가스상태의누출율계산 6) 저장용기에서의가스누출은최대저장용량이 10 분간전량방출될때를가정하여누출율을계산한다. 누출율 (kg/min) = 저장량 (kg) / 10 minutes 예 : 암모니아저장량 2,000 kg 누출율 (kg/min) = 2,000 kg / 10 minutes (200 kg/min) 2.9 독성영향의기준누출되는유해화학물질이독성물질인경우에는확산모델을사용하여대기중으로확산되는유해화학물질의거리에따른농도, 형태를예측하고 ERPG-2에서규정한끝점농도 (mg/l 또는 ppm) 에도달하는지점을끝점으로한다. 사업장이위치한지역내에서화학물질이누출되는비상사태가발생할경우화학물질노출에대한가이드라인농도가필요하다. 비상대응계획지침은 AIHA(American Industrial Hygiene Association) 에의해개발된값으로비상대응계획에따른유해화학물질이누출되었을경우대응하기위해지침을개발하였다. ERPGs (Emergency Response Planning Guideline) 는유해화학물질의노출시대기중공기노출농도지침이라할수있다. 또한지역사회의비상대응및사고예방의적절성을평가하기위해사용된다. <ERPG Levels> 8) 1) ERPG-1: 거의모든사람이 1 시간가량노출되어도일시적인가벼운건강부작용이나분명하게정의된불쾌한냄새로인한영향을받지않는최고농도를말한다. 2) ERPG-2 : 거의모든사람들이 1 시간의노출에도보호조치를취하는능력을손실할수있는경험, 회복불능상태로의발전등기타심각한건강에대한영향이나징후가나타나지않는최고농도를말한다. 158 Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 3, 2016

4 냉동, 냉장시스템에서 NH 3 누출사고시장외영향평가를위한피해범위및대피거리산정에관한연구 3) ERPG-3 : 생명을위협하는영향을경험하지않고거의모든사람들이최고 1 시간까지노출될수있는최고농도를말한다. 3. 암모니아누출에따른영향범위산출 암모니아누출에따른피해영향범위를분석하기위해서는암모니아가가지고있는물리적, 화학적특성에따른폭발과압이걸리는범위와 ERPG-2 독성에대한끝점농도의인체피해영향거리를알아보아야한다. 암모니아누출로인한사망은사업장내폭발로인해발생한사고이고대피거리를산정함에있어사업장외부로미치는영향은독성을고려하여 ERPG-2 거리로해야한다. 냉동, 냉장시스템의공정에서암모니아누출시피해영향범위와지역주민의피해를줄이기위한대피거리에대해미국 EPA 의범용프로그램인 ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres) 를사용하여알아보고냉동, 냉장시스템의실제공정에서사용될수있는압력 (0.02, 1, 2, 3, 4, 5 barg) 과연결배관파열에따른누출공의크기 (25, 50, 80 mm) 를구분하여누출율을 Phast v.6.7 (multicomponent option 포함 ) 을이용해계산한다. 또한 TNO 의 EFFECT 9 를이용해누출율에따른영향범위를계산비교하였다. 3.1 암모니아누출에따른영향평가 (ALOHA : 폭발 / 독성영향범위 ) 암모니아누출율산정은화학물질안전원에서제시하고있는최악의사고시나리오를이용풍속은 1.5 m/s로하고대기안정도는 F 로하였다. 최대저장용량의방출시간을 10분으로고정하여이용 1) 하였으며누출율은 100 1,000 kg/min 범위에따른폭발 (1 psi 과압 ) 형성범위의끝점과독성농도가 ERPG-2 가되는끝점지점을 Table 5에계산하였고좀더추세를보기편하게계산수치를 Fig. 1에그래프로나타내었다. Fig. 1에있는두추세선식은 2차다항식으로표현하였고정확한값을얻고자할때이용될수있으며여기서 x는저장량 (ton) 이고 y는대피거리 (m) 이다. 기상시나리오조건은 Table 4와같다. Table 4. Weather conditions for the scenario ATMOSPHERIC DATA F 1.5 Wind speed 1.5 m/s Cloud Cover 50% Air Temperature 25 Stability Class F Table 5. Endpoint distance of the ammonia release rate Release rate (kg/min) Amount Released (kg) Blast Area of Vapor Cloud Explosion 1 psi(m) Toxic Area of Vapor Cloud distance(m) ERPG-2 (150 ppm) 100 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,100 Fig. 1. Evacuation zone for amomnia. 3.2 저장압력과누출공의크기에따른누출율산정 (Phast v.6.7 (multicomponent option 포함 )) 최대저장용량 5,000 kg 용기를대상으로암모니아저장압력에따른온도를설정하였고저장용기에연결된배관이완전파열시배관크기에따른누출율을계산하였다. 시나리오입력값은 Table 6과같다. Table 6. Phast ver 6.7 (multicomponent option) input specifications for simulation User - Defined Data Material Identifier AMMONIA Discharge Material State of Material Saturated Liquid / Mass Inventory 5000 kg Process Condition Pressure Specification(bar) 0, 1, 2, 3, 4, 5 Temperature( ) -33, -18.7, -9.1, -1.8, 4.3, 9.4 Scenario Scenario Type Line rupture Internal Diameter 25, 50, 80 mm (1, 2, 3 inch) Pipe Line length 1 m Location Elevation 1 m Outdoor Location of release Outdoor Release Direction Open air release Horizontal 한국안전학회지, 제 31 권제 3 호, 2016 년 159

5 박상욱 정승호 Table 7. Release rate calculated from Phast ver 6.7 (multicomponent option) Diameter of ruptured pipe 25 mm (1 inch) 50 mm (2 inch) 80 mm (3 inch) Store Pressure (bar) Store Temperature ( ) Discharge rate (kg/min) ALOHA ERPG-2 (m) 누출원의형태즉누출공의크기가확산결과에미치는영향을알아보고누출율에따른사업장외부로영향을미치는끝점농도의영향거리에대해선 Phast v.6.7 의암모니아의특성을고려한 Lift off 효과로실제에더가까울수있으나예측거리가너무짧아 ALOHA 시뮬레이션프로그램을이용하였으며대안시나리오에서는풍속및대기안정도를확인할수없는경우풍속은 3 m/s, 대기안정도는 D, ERPG-2 가되는끝점농도를이용화학물질안전원의지침을사용하였다 3). 그계산값은 Table 7 과같다. 3.3 TNO EFFECT9을이용하여계산한누출율에따른도달거리누출율 kg/min 에따른독성농도가 ERPG-2 농도가되는끝점지점을계산하였고계산값은 Table 8에나타내었다. 비교한시뮬레이션의입력조건은 Table 9와같이가정하였다. 저장용기내누출율에따른영향범위를분석하기위해누출율에따른각각의시뮬레이션프로그램에서계산된끝점거리를비교해보면 ALOHA와많은차이를보이지않았다. 그이유는분산모델에있어같은 Gaussian Model을사용하였기때문인것으로판단되고계산값은 Table 10과같다. Table 8. Recommended evacuation distance for release rate Simulation Program EFFECT 9 Release rate (kg/min) ERPG-2 Endpoint distance for D3 (m) Table 9. Comparison of inputs for two simulation programs Simulation Condition Input Parameter EFFECT 9 ALOHA Discharge Material AMMONIA Stability Class D (Neutral) Wind Speed 3 m/s 3 m/s Measurement Height of Wind Above Ground 10 meter 10 meter Air Temperature _ 25 Humidity _ 50 % Location: Released Elevation 0 m 0 m Ground Roughness Regular large obstacle coverage Urban or Forest Type of Vessel Scenario Type Continuous Direct Concentration for Terminatimg Dispersion 150 ppm 150 ppm, ERPG-2 Dispersion Model Gaussian Gaussian Table 10. Comparison of evacuation distance results Simulation Program EFFECT 9 ALOHA Release rate (kg/min) ERPG-2 Endpoint distance for D3 (m) Journal of the KOSOS, Vol. 31, No. 3, 2016

6 냉동, 냉장시스템에서 NH 3 누출사고시장외영향평가를위한피해범위및대피거리산정에관한연구 4. 결론 본연구는암모니아를사용하는시스템내에서암모니아가누출될경우최악의시나리오인저장용기자체에구멍이발생하거나연결된배관이완전히파열되었을때를가정하여미국 EPA 의범용프로그램인 ALOHA 를이용하여폭발과압이걸리는지점과 ERPG-2 농도에도달하는지점을계산하였다. 냉동, 냉장시스템에서암모니아누출이발생할경우폭발과압, 독성에의한피해영향및농도거리를시뮬레이션프로그램을통하여비교해본결과폭발과압이걸리는범위보다 ERPG-2 농도에따른독성영향범위가미치는끝점의거리가더크다는것을알수있다. 따라서냉동, 냉장시스템으로부터암모니아누출이발생할경우누출율에따라수백미터에서부터수킬로미터에이르기까지독성의영향이사업장밖의환경과주민에게영향을미친다는것을알수있다. 냉동, 냉장창고가도심지에위치하고있을경우사업장내에서사용하고있는저장용량대비최대량을산출하여전량방출을가정해사업장내부에서사업장외부로화학물질이유출될경우사업장주변에거주하고있는주민을보호할수있는안전대피거리를설정하여야한다. 암모니아가누출된지역에서는누출율에따른 ERPG-2 농도범위밖으로대피하여야하고암모니아누출비상대응계획을수립시주변지역의피해범위및영향을예측하고사고대응기관이신속하게대응할수있는안전대책자료로도움을줄수있다. 냉동, 냉장시스템의실제공정에서사용될수있는압력과연결배관을선정하여연결배관파열시누출율을 PHAST ver 6.7 (multicomponent option 포함 ) 을이용해계산하였고그에따른 ERPG-2 농도의끝점거리를 ALOHA 프로그램을이용하여끝점농도도달지점을계산하여사업장에서일어날수있는시나리오 ( 대안시나리오 ) 에대한안전대책자료로이용할수있다. 또한사업장외부의영향을알아볼수있는시뮬레이션프로그램인 ALOHA 를 TNO 의 Effect 9 의 ERPG-2 끝점농도도달거리를비교해본결과 ERPG-2 농도거리가크게차이가나지않는것을알수있었다. 그러므로사업장의장외영향평가를하는데있어사용자들이사용가능한프로그램 (ALOHA, PHAST ver6.7, EFFECT 9) 을이용해누출율에따른사업장외부에미치는영향을평가할수있는기초자료로활용할수있을것으로사료된다. 감사의글 : 이논문은 2015 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (NRF-2015R1C1A1A ) References 1) J. H. Cho, J. D. Ju, J. G. Kim and H.Y.Kim, A Case Study on the CA Application of FTP Results, pp.1-4, ) Y. S. Yoon, K. J. Kim, J. S. Lee, Y. S. Park, J. H. Yoon and K. S. Seok, Development of Accident Response Information Sheets for Ammonia, Korean Institute of Hazardous Materials, pp.7-13, ) Technical Guidelines for Selecting Accident Scenarios, National Institute Chemical Safety, pp. 2-7, ) KS C IEC , Explosive Atmospheres Part 10-1: Classification of Areas Explosive Gas Atmospheres, pp.1-34, ) O. J. Taek, Domestic Refrigeration, Cold Storage Facilities and Refrigerant Supplier Usage, Equipment Journal, pp , ) Technical Guidance for Hazard Analysis. EPA, pp. 2-17, , ) Technical Guidelines for Estimating the Accident Affected Range, National Institute Chemical Safety, pp , ) D. A. Crowl and J. F. Louvar, Chemical Process Safety, Fundamentals with Applications, pp , ) S. I. Jang, Y. R. Kim, K. S. Park, D. I. Shin and T. O. Kim, A Study on Applicability of API-581 and Methodology for Consequence Analysis in High-Pressure Toxic Gas Facilities, Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 18, No. 4, pp , 한국안전학회지, 제 31 권제 3 호, 2016 년 161

04_이근원_21~27.hwp

04_이근원_21~27.hwp 1) KIGAS Vol. 16, No. 5, pp 21~27, 2012 (Journal of the Korean Institute of Gas) http://dx.doi.org/10.7842/kigas.2012.16.5.21 실험실의 사례 분석에 관한 연구 이근원 이정석 한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원 (2012년 9월 5일 투고, 2012년 10월 19일