정량적 위험성평가의 수행 방법(2)

정량적 위험성평가 수행은 (1) 위험요소 확인(Hazard identification), (2) 피해예측 분석(Consequence analysis), (3) 사고빈도 분석(Frequency analysis), (4) 위험성 척도 계산 및 표현(Risk measure & Presentation)의 절차로 수행한다.

금번은 피해예측 분석(Consequence analysis)에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

 

피해예측 분석(Consequence analysis)

피해예측 분석 개요

사고에 의한 유해, 위험 화학물질의 누출, 확산 모델링은 공정위험관리에 있어서 중요한 한 부분이다.

확산모델링은 예상되는 기기의 고장이나 누출시나리오와 공장 근로자나 공장 외부의 민간인들이 받을 수 있는 잠재된 사고 결과를 연결해 주는 아주 중요한 방법이다.

한 종류 이상의 화학물질 누출 사고에는 독성, 가연성 또는 폭발성에 따라 인적 피해나 설비에 구조적인 손상을 줄 수 있는 잠재력이 있다. 확산 평가는 사업장 내, 외에서 위험의 양적 크기를 예측하는 데 필요한 기초자료인 유해, 위험 화학물질의 농도를 예측하기 위한 수단으로 활용된다. 많은 유해, 위험 화학물질의 배출 및 확산에 대한 물리적 변화는 매우 복잡하여 때로는 이해하기 어려운 경우가 있는 것이 대부분이다. 이러한 복잡성은 검토 대상 설비에서 일어날 수 있는 방대한 사고종류들에서 생긴다.

 

<그림 1> Consequence Modeling Stage

 

화학물질의 누출은 잘 알려져 있지 않으며 순간적으로 특성이 변하기 때문에 아직도 정확한 모델링이 어려운 경우가 많다. 이러한 누출은 용기나 배관에서 일시적 또는 연속적으로 일어날 수 있고 또 용기나 배관 내에는 압축가스, 냉각이나 가압된 액체, 대기압 또는 상온의 액체일 수도 있으며, 공기보다 무겁거나 가벼운 증기가 누출될 수도 있다. 압력용기나 액체가 증발하는 풀(Pool)에서 증기의 방출은 정상상태로 볼 수도 있고 시간에 따라 변화할 수도 있으며, 주변 환경과 상호 작용으로 인한 상변화의 동반과 열역학적 작용을 수반하여 증기운 으로부터 입자상의 물방울로 변할 수도 있어 공장 구조물과 불규칙적인 지형은 대기에 누출된 화학물질의 수명에 중요한 영향을 주어 CA(Consequence analysis) 평가를 더욱 복잡하게 한다.

유해, 위험 화학물질의 확산 평가에 관계된 여러 가지 기술적 문제는 많은 분석절차와 기법 개발의 필요성에 따라 개발되었으며 이들 중 수작업으로 계산이 가능한 것들이 있으나 대부분 소프트웨어를 통하여 한다.

CA에서의 모델링이란 사람, 자산 또는 안전 기능에 대한 잠재적 영향과 관련하여 인화성, 폭발성 및 독성 물질을 포함하는 Loss of containment와 관련된 신뢰할 수 있는 물리적 결과를 설명하는 수치값 또는 이러한 수치들의 표현의 계산 또는 추정을 말한다.

 

 

Loss of containment로 인한 사고의 결과는 다음과 같다.

○ 누출

○ 공기와 물의 확산

○ 화재 및 열복사

○ 폭발

○ 연기 및 가스 침투

○ 독성

 

모든 모델링은 불확실성으로 인한 어려움이 있으며 소프트웨어를 사용할 경우 주어진 초기 입력조건의 경우, 현실로 귀결되는 물리적 결과와 정확히 일치하지 않을 수 있으며 현실적으로는 동일한 누출의 수많은 물리적 결과들은 서로 다른 결과를 제공하지만 소프트웨어는 매번 동일한 결과를 제공한다. 현실적인 누출이 다른 결과로 제공되는 이유는 주변조건(풍속, 풍향 등)이 모델링된 대로 방출 기간 동안 일정하게 유지되지 않으며 확산 모델은 고체나 건물, 설비 등을 처리 할 수 없다.

 

일반적으로 CA 평가의 최적 적정여부를 결정짓는 데에는 누출 결과와 기상 조건, 지형 등이 큰 변수로 작용하고 있다.

먼저 확산 모델링에 요구되는 데이터로는 누출 데이터를 들 수 있는데, 누출 물질의 물리적, 화학적 특징과 누출 위치의 기하학적 형태, 공정의 안전장치, Time variation, 지표면 특성 등이 있다. 누출물질의 물리적, 화학적 특징으로는 물질의 분산성, 전도성, 끓는점 등이 요구되며, 혼합물일 경우에는 각각의 성분에 대한 특징들을 필요로 한다. 누출 위치의 기하학적 형태는 파이프나 탱크 등 누출원의 크기 등이 포함되며, 공정의 안전장치에는 안전밸브나 파열판 장착여부 등이 확산 모델의 한 요소로 작용하고 있다. Time variation은 누출 경과 후의 시간은 인체에 대한 피해 환경에 대해 크게 작용하고 있기 때문에 확산 모델링시 반드시 고려되어야 할 항목이다.

두 번째로 기상 데이터로, 여기에는 시설에서의 바람 속도, 온도, 상대습도, 대기안정도 등이 확산에 영향을 미치며, 그 외에 탱크 등의 크기나 장치나 운전 정보 등도 확산 모델에 고려되어야 한다.

 

 

누출모델(Source modelling)

누출모델들은 통상적으로 공장과 인근지역에 누출로 인한 영향을 평가하는데 사용되어 오고 있다. 누출이 발생하는 것을 저지하고 일단 누출이 발생하게 되더라도 누출에 의한 영향을 최소화 할 수 있도록 유해물질의 누출모델을 이해하고 필요로 하는 이유이며 누출 모델의 활용에는 다음 세단계가 있다.

가) 누출을 유도할 수 있는 공정상황이 있을 것이기 때문에 어떠한 상황이 최악의 상황인가를 고려하여 가상시나리오를 설정한다.

나) 물질이 어떤 형태 누출되고 그 때의 누출속도를 설명할 수 있는 누출모델을 선정한다.

다) 주변지역으로 물질이 확산되어 나가는 양상을 설명할 수 있는 확산모델을 선정한다.

 

누출모델은 시간의 함수로써 누출원의 크기를 결정하는 것은 증기 확산을 추정하는데 아주 중요한 요소이다. 정확성과 현실성은 정확한 입력 자료로부터 출발한다.

○ 저장된 물질의 물리·화학적 성질

○ 누출원의 구조

○ 공정 운전 절차

○ 누출원 표면의 특성

○ 기상자료

○ 누출 장소의 특성(국지적인 지형, 빌딩 및 방유제 등)

이러한 자료들은 용기로부터 물질의 누출 속도를 추정하는데 필요하다.

 

누출 모델은 다음과 같다.

○ 연속적인 액체 누출(Continuous liquid release)

○ 연속적인 가스 누출(Continuous gaseous release)

○ 액체의 휘발(Flashing liquid)

○ 액체 풀 증발(Liquid pool evaporation)

○ Catastrophic rupture

 

 

확산모델(Dispersion modelling)

확산 모델은 유해물질이 사고지점에서 공장이나 다른 인근지역으로의 확산을 설명해 주고 있다. 누출된 후의 유해물질은 플럼(Plume) 또는 퍼프(Puff) 형태로 바람에 의하여 멀리 이동된다. 누출된 유해물질은 공기로 분산되어 급격히 혼합되기 때문에 농도는 바람이 불어 나가는 쪽으로 멀리 떨어질수록 저하된다.

확산 모델은 두 가지 유형의 증기구름 분산모델이 보통 사용되어지는데 플럼과 퍼프가 그 모델이다. 플럼모델은 연속적인 누출 근원으로부터 방출되는 물질의 정상상태 농도를 나타내며, 퍼프모델은 고정된 양의 단일방출로 인한 물질의 일시적인 농도를 나타낸다.

플럼모델의 전형적인 예는 굴뚝으로부터 기체의 연속적인 누출이다. 퍼프모델의 전형적인 예는 저장탱크가 파열되어 저장된 유해물질이 갑자기 누출되는 것이다.

 

여러 가지의 매개 변수가 유해물질의 대기 확산에 영향을 주게 되는데 다음과 같다.

○ 바람속도

○ 대기안정도

○ 지형 조건(빌딩, 물, 나무 등)

○ 누출지점의 높이

○ 누출된 물질의 부력과 운동량

 

대기확산 모델은 위험한 화학물질이 대기중에 방출되어 화재, 폭발이나 인체에 중독 또는 환경에 영향을 줄 수 있는데 이들이 어떤 형태로, 어느 방향으로, 어떤 정도의 농도로 확산될 것인가를 예측하는 것은 아주 중요하다.

누출된 가스, 증기의 희석, 확산은 다음 난류에 대한 3가지 확산 메커니즘으로 설명되며 난류에 대한 모델 들은 상자모델과, 가우시안 모델로 모두 가정사항을 충족해야한다.

○ 기계적인 난류

○ 부력에 의한 난류

○ 기상조건에 의한 난류대기

 

누출모델과 확산모델에 따른 유해물질의 확산 특징은 다음과 같다.

○ 제트방출 확산

○ 고밀도 가스 확산

○ 가스의 자연 부상

 

 

영향모델(Effects modelling)

화재폭발의 영향을 예측하기 위해서는 누출모델과 확산모델을 고려한 유해물질의 누출 시나리오가 선정되어야 한다. 그러한 이유는 누출의 형태에 따라 화재폭발의 양상이 달라지기 때문이다.

위험물의 누출속도는 누출형태에 따라 계산방법이 달라지기 때문에 화재폭발의 영향 예측은 기본적으로 누출의 형태와 속도에 좌우된다고 볼 수 있다. 누출량이 많으면 화재폭발의 강도는 상대적으로 커질 수 있으며 반대로 누출량이 적으면 그 강도는 무시할 수도 있다.

 

영향모델은 누출 형태별로 화재폭발의 영향을 추정하는 몇 가지 기법 등이 있다.

○ BLEVE(Boiling liquid expanding vapor explosion)

○ Poolfire

○ UVCE(Unconfined vapor cloud explosion)

○ 용기 내 폭발

 

이와 같이 누출모델, 확산모델, 영향모델을 통하여 화재, 폭발, 누출의 피해예 측을 수행한다.

 

영향범위 예측모델의 종류에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1113

영향범위 예측모델

 

 

 

Reference : KOSHA 연구보고서 "정량적 위험성평가(CPQRA) 방법 도입 방안 마련 연구"