Numerical Study on Atmospheric Dispersion and Fire Possibility in Toluene Leakage

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톨루엔 누출 시 대기확산 및 화재가능성에 관한 수치해석 연구

고재선^†·김주석^*

호원대학교 소방안전학과, ^*중앙소방학교 화재과학연구소

Numerical Study on Atmospheric Dispersion and Fire Possibility in Toluene Leakage

Jae Sun Ko

^†

⋅Joo-Seok Kim

^*

Department of Fire Safety Engineering Howon University, ^*National Fire Service Academy Fire Science Laboratory (Received February 6, 2017; Revised March 28, 2017; Accepted April 25, 2017)

요 약

본 연구는 안전시설이 없는 위험물저장시설에서 위험물을 취급시 발생할 수 있는 사고에 대한 위험성을 알아보고 자 했다. 불법위험물 운반용기는 화재가 발생할 경우 연소속도가 매우 빨라 폭발로 이어져 피해가 크며 진화하기도 어렵다. 또한 인화성 액체위험물에서 발생하는 사고는 누출로 인해 공간에서 발생하는 사고가 대부분을 차지하고 있다. 따라서 이러한 사고에 대한 영향을 주는 변수를 도출했고, 이 변수들이 미치는 영향을 알아보고자 했다. 수치 해석 및 전산유체역학프로그램을 이용해서 해석해 본 결과 다음과 같은 최종결과를 얻을 수 있었다. 먼저 특정 공간 에 인화성액체가 누출되었을 때 특정농도(연소하한계)가 될 때까지의 온도와 상대습도의 영향을 받고, 온도의 경우 인화점 이상에서는 인화점 이하에서보다 도달시간이 짧아지는 것을 알 수 있었다. 또한 누출로 인한 저장탱크의 Pool Fire사고에 미치는 변수의 영향의 정도는 다소 차이가 있으나 주로 가장 큰 영향을 미치는 변수는 풍속으로 나 타났다. 따라서 향후 본 연구를 통해서 유사한 수치해석적인 연구의 기초자료로 활용될 수 있을 것이고, 다양한 연구 조건에서 위험물질이 누출되는 사고에 대해서 유용한 수치해석적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

ABSTRACT

This study examined the risk of accidents when handling hazardous materials in hazardous materials storage facilities without safety facilities. In the case of illegal dangerous cargo containers, the burning rate is very fast in the case of fire, which leads to explosions, that are damaging and difficult to control. In addition, accidents that occur in flammable liquid hazardous materials are caused mostly by accidents that occur in the space due to leakage. Therefore, the variables that affect these accidents were derived and the influence of these variables was investigated. Numerical and computational fluid dynamics programs were used to obtain the following final results. First, when a flammable liquid leaks into a specific space, it is influenced by temperature and relative humidity until a certain concentration (lower limit of combustion) is reached. In the case of temperature, it was found that the reaching time was shorter than the flash point In addition, the effect of variables on pool fire accidents of leakage tanks is somewhat different, but the variables that have the largest influence are the wind speed. Therefore, it is expected that the results of this study will be used as basic data for similar numerical analysis and it will provide useful numerical information about the accidental leakage of hazardous materials under various research conditions.

Keywords : Computational fluid dynamics, Flash point, Numerical analysis, Flammable liquid, Pool fire, Relative humidity, Radiation heat flux, Atmospheric Transmissivity, Low Flammability Limit

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1. 서 론

1.1 연구배경

2000년 이후에 국내외적으로 유해물질 운송사고에 대한

활발한 연구가 진행되고 있다. 특히 벤젠, 톨루엔의 누출시 나리오에 기초한 배관에서의 누출속도산정 등의 정성적 연 구가 수행되고 있다. 그러나 대부분의 연구는 기존의 안전 시설을 갖추고 있는 저장시설을 모델로 연구를 하였고, 기

†Corresponding Author, E-Mail: [email protected], TEL: +82-63-450-7284, FAX: +82-63-450-7499

[Research Paper]

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Radiation Heat Flux

Btu/hr/ft² KW/m² Condition

11,890 37.5 Machinery & equipment is being damaged

7,926 25

When the timber for a long time exposure is being ignited by a minimum of energy

3,963 12.5

At least sufficient energy to induce the ignition of wood or plastic tube

3,012 9.5

After eight seconds, feeling severe pain, after 20 seconds the Second degree burns

1,268 4.0

If you do not feel protected within 20 seconds ascending pain swollen skin

507 1.6 Prolonged exposure to feeling uncomfortable

Table 1. Effect of Radiation Heat Flux 존의 안전시설 또는 방호시설 검증 및 국가별 규격의 비교

를 주로 하고 있다. 이러한 연구를 통하여 플랜트 저장탱크 에서 화재로 인한 액면화재(pool fire)사고에 대한 영향평가 방법 등이 연구를 통해 제시되었다. 그러나 현재 주변에서 발생하는 대부분의 가연성 위험물로 인한 화재사고는 안전 시설을 갖추지 않고 불법적으로 유통되는 불법 석유류로 인한 화재발생의 건수가 증가하고 있고, 이에 따른 연구가 활발하게 수행되고 있지 않다. 또한 현대사회는 한정된 자 원으로 국가 간의 자원을 무기로 한 무한 경쟁시대에 살고 있다. 우리나라의 경우도 에너지 소비는 지속적으로 상승 하고, 세계에서 두 번째 가는 에너지 수입국이 되었다. 또 한 최근 국제유가의 상승으로 인해서 국내 유류가격은 지 속적으로 상승하고 있다. 이로 인해 인해 좀 더 값싼 불법 유류제품이 많이 유통되고 있고, 취급부주의로 인한 화재 사고가 많이 발생하고 있다. 따라서 현재 많은 화재원인 중 에 하나인 불법저장시설에서 발생하는 가연성 위험물질에 연소와 화재현상에 대해서 연구가 필요할 것이다.

1.2 연구범위 및 목적

본 연구에서는 안전시설(방호시설)이 없는 저장시설에서 가연성액체 탄화수소 누출로 인한 액면화재(Pool Fire)로 인한 복사열 피해범위를 산출하고, 이를 바탕으로 실제로 화재현장에서 발생하는 변수 특정하여 이 변수들이 복사열 피해범위에 미치는 영향을 분석함으로서 불법 유류저장시 설의 위험성에 대한 대처 방안을 얻고자 하였다. 특히 인화 성액체로 위험성이 높은 물질 중의 하나인 톨루엔에 대한 위험성을 살펴보고, 실제로 누출로 인한 화재 발생시 상황 을 전산유체역학프로그램으로 실험해서 외적변수에 대한 영향을 수치 해석적으로 알아보고자 한다.

2. 본 론

2.1 액면화재모델링(Pool Fire Modeling)

인화성물질 저장탱크에 화재가 발생시 탱크화재가 되며, 인화성물질이 유출되어 방유제(dike)에 고여 점화하면 방유 제화재로 된다. 이와 같이 Pool상태에서의 화재를 총칭하 여 액면화재(pool fire)라고 한다. 이에 대한 영향기준을 살 펴보면 Table 1과 같다. 한편 같은 가연성액체인 압축 및 액화 가스는 용기로부터 액체로 방출되면 주위로 모든 액 체가 한꺼번에 증발하지 않고 일부는 액체로 남은 체 서서 히 증발한다. 지면에서부터 열을 받아서 급격히 기화되어 이것이 화재로 된 경우도 액면화재이다. 액면화재는 인화 성액체가 저장탱크나 파이프라인에서 누출되었을 때 액면 상(liquid pool)을 형성하며 액체의 일부가 증발되어 증발된 가연성액체의 농도가 low flammability limit (LFL) 이상에서 점화원을 만나면 일어날 수 있다. 액면화재로 인한 복사열 유속(radiation heat flux)값은 화재가 발생한 가까운 지역에 있는 대상물과 사람에 피해나 손실을 주는 잠재위험성

(potential)을 추정하는데 사용한다. 복사열유속에 의한 위 험을 실감하기 위해서 World Bank에서 인용한 복사열유속 에 대한 영향기준을 살펴보면 Table 1과 같다.

2.2 유체유동해석범용프로그램 CFD

화재나 폭발에 대한 실제 실험을 수행하고 해석하는 것이 가장 효과적이지만 실험엔 많은 비용과 시간이 수반된다. 이 러한 경우 실제의 실험과 가장 가까운 조건으로 모사할 수 있는 장비가 필요하다. 본 연구에 사용된 computational fluid dynamics (CFD)는 유동해석에 기본적으로 활용되는 Navier Stokes 방정식을 통한 유동장의 해석법인 프로그램이다. 시 계의 정확성이나 경제성을 고려할 때 이전의 실제 실험이 나 근사적인 해석방법에 의존해 오던 유체의 유동관련 해 석법이 현재는 컴퓨터시뮬레이션을 통한 매우 경제적이고 도 효율적인 수치해석법으로 전환되고 있다. 수치해석을 통한 유동장 해석은 해석코드가 일단 구비된다면 경계조건 등 입력조건의 변경만으로 컴퓨터를 통해 해석이 가능하므 로 실제 실험에 의한 방법보다도 경제적이고 제한된 시간 에 다양한 해석이 가능하다. 그리고 제공되는 정보는 구체 적이고 완전하다. 즉 한 번의 계산으로 전 유동장내의 속 도 압력 온도 밀도 등의 분포를 알 수 있다. 또한 수치해 석기법을 사용하여 고온, 고속이나 유독한 환경 실험으로 는 실현시키기 어려운 2차원 유동이나 단열 벽면 등에 대 한 해석을 아무런 제약 없이 해석이 가능하다. 따라서 computational fluid dynamics (CFD)는 복잡한 형상주위의 층류 및 난류유동과 열전달 문제를 해석하기 위해 개발된 프로그램이다. 또한 비 직교 고정격자(non orthogonal body fitted grid)를 사용하여 일반적인 압축성 층류 및 난류 유동 장해석이 가능하다. 유동장 해석능력의 중요한 인자가 되

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Spatial configuration Contents Modeling spatial

configuration

In general, there is no safety in warehouses space size of interpretation L×W×H (8 m×8 m×5 m)

Type of storage tank Vertical Vessel Type L×D (2 m×2 m) Maximum storage capacity 6.28 m³ (6000 L)

Storage material Toluene

Table 2. Configuration Space for the Numerical Analysis

Figure 1. Vapor and liquid state ejected from process unit of two phase or single phase.

Classification Description

Molecular formula C6H5CH3

Molecular weight 93.13

Physical state at 20 ℃, 1 atm Liquid

Normal boiling point, ℃ 111

Freezing point, ℃ -94.5

Critical temperature, ℃ 320

Critical pressure, atm 41

Specific gravity at, 20 ℃ 0.87

Vapor density (air=1 at boiling point) 3.14 Liquid surface tension at 0 ℃, dyne/cm Not pertinent

Vapor pressure at 20 ℃ 22 torr

Specific heat ratio of vapor 1.6

Evaporation rate (butyl acetate=1) 2.24 Latent heat of vaporization, kcal/kg 351 Heat of combustion, kcal/kg 41,000

Flash point, ℃ 4 ℃ (39F)

Flammable limit in air, vol% 1.2%, 7.1%

Ignition temperature, ℃ 534

Threshold limit, ppm 500

Table 3. Physical and Chemical Properties of Toluene

는 난류모델로는 k모델을 비롯하여 Algebraic Stress모델과 미분 레이놀즈 스트레스모델 등을 사용자가 정의하여 이용 할 수 있다.

2.3 수치해석모델링

Table 2는 수치해석을 위한 공간구성으로 공간구성은 일 반적인 안전시설이 없는 창고로 설정하였으며, 해석 공간 의 크기는 8 m×8 m×5 m로 설정하였다. 또한 탱크의 형태 는 Figure 1과 같이 길이 및 직경이 2 m×2 m인 수직탱크형 태로 하였으며, 최대저장용량은 6,000 L이고, 저장물질은 톨루엔으로 설정하였다. 사용 프로그램은 ANSYS CFX Ver. 10을 사용하였다.

2.4 누출시나리오

본 연구의 해석대상은 안전시설이 없는 저장시설에서 위험물질의 누출로 인한 위험성을 알아보기 위한 것이다.

산업시설 및 실생활에 많은 위험물질이 사용되고 있다. 그 중에 불법적으로 유통되고 많은 화재사고의 원인이 되는 불법석유류에 사용되는 시너류의 주원료가 되는 물질인 톨 루엔이다. 다른 물질보다 인화점(4 ℃)이 낮고 위험성의 척 도 중에 하나인 연소상한치와 연소하한치가 각각 7.1 v%, 1.2 v%로 다른 위험성 물질보다 위험성이 높다. 톨루엔에 물리화학적 특성은 Table 3과 같다. 누출사고 영향평가를 수행한 저장탱크는 높이 2 m 직경 2 m인 Vertical Vessel형 태로 저장용량은 약 6,000 L 탱크의 재질은 철로 되어있으 며, 평상시 저장온도와 저장압력은 293 K (20 ℃), 101.325

kPa (대기압)이다. 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 대로 안전시설이 없는 톨루엔 저장탱크에서 톨루엔을 유출시 상 대습도, 주변온도, 바람의 세기, 저장량 등 외부환경조건에 의해 발생한 화재로 인해 액면화재(pool fire)가 일어난 것 으로 가정하고 이에 대한 수치해석을 수행하였다.

2.5 매개변수의 산출

톨루엔 누출에 의한 액면화재(pool fire) 사고 영향을 평 가하기 위하여 본 연구에서는 톨루엔 저장탱크 밸브 플랜 지 부분에서의 누출로 인해 저장탱크와 배관내부에서 발생 하는 주요 흐름의 압력변화는 무시하였다. 실제적으로 톨 루엔을 사용하는 공정 또는 저장시설에는 정전기 발생을 방지하는 접지시설과 라인을 통해서 제품을 이송할 때 인 화성 증기의 발생을 막기 위해서 환기시설 또는 집진시설 을 이용해서 유출시 발생하는 인화성 증기에 의한 사고를 막고 있다. 톨루엔의 경우 연소하한치가 약 1.2 v%, 연소상 한치가 7.1 v% 로 증발속도도 유기휘발성 화합물 중에서도 높은 물질이다. 불법적으로 취급하는 곳에서는 접지 또는 환기설비를 제대로 갖추고 있지 않고, 저장 공간역시 환기 가 전혀 일어나지 않는 무창층의 지하공간이나 화재위험성 이 많은 곳에서 취급이 이루어지고 있다. 이러한 상황에서 발생할 수 있는 여러 가지 상황을 고려해서 환경변수를 설 정하는 것이 필요하다. Table 4는 본 연구에서 사용된 변수 들의 종류와 변화 범위를 나타낸 것이다. 누출로 인해서 발

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No Relative humidity

Ambient temperature (K)

Wind speed (m/s)

Storage volume (L)

1 90 263(-10 ℃) 0 200 L

2 80 268(-5 ℃) 1 400 L

3 70 273(0 ℃) 2 1000 L

4 60 283(10 ℃) 3 4000 L

5 50 293(20 ℃) 4 6000 L

6 40 303(30 ℃) 5 -

7 30 - - -

Table 4. Environment Variables Applicable at Experiments

Figure 2. At temperatures below flash point (273 K) due to leakage of flammable liquid vapors streamline.

Figure 3. Temperatures above flash point (283 K) due to a leak of flammable liquid vapors streamline.

Figure 4. Higher flash point temperature (293 K) due to a leak of flammable liquid vapors streamline.

생할 수 있는 사고에 영향을 미칠 수 있는 환경변화는 상 대습도, 대기온도, 풍향, 저장량 등을 고려하였다. 각 변수 들은 실제 우리가 접하는 환경에서 발생할 수 있는 조건을 바탕으로 결정하였다. 또한 대기온도와 상대습도는 계절적 인 영향, 풍속변화에 따른 복사열 플럭스의 변화추이를 살 펴보기 위해서 외적변수로 정하였다. 그리고 저장량에 따 른 위험성을 알아보기 위한 변수로 가정하였다.

3. 톨루엔 누출시 화재위험성 수치해석결과 및 고찰

위험물질의 증기 누출시 이동경로와 체류위치는 외부환 경에 따라 달라질 것이다. 본 논문에서는 상대습도, 주변온 도, 풍속 등의 환경적인 변수의 변화에 대해서 알아보았다.

3.1 수치해석결과

3.1.1 주변온도 변화에 따른 증기의 거동

저장시설에서 가연성증기가 누출되었을 때 가연성증기 가 어떤 형태로 거동하고 있는지 살펴보기 위하여 온도변 화는 인화점을 기준으로 인화점이하온도(273 K), 인화점이 상 온도(283 K)에 대한 가연성증기의 거동을 모사하였다.

이때 상대습도는 50%로 고정하였고, 바람의 효과는 배제 하였다. 실험결과를 살펴보면 Figure 2와 같이 인화점이하 의 온도에서는 가연성증기가 무질서하게 이동하고 있다.

저장탱크의 공간의 중간에 있어서 증기가 유출구 주변에 많이 분포하고 있고, 증기의 분포가 공간에 전체적으로 퍼 져있는 것을 알 수 있다. 또한 Figure 3, 4와 같이 공간의 온 도가 인화점이상, 인화점보다 높은 온도에서는 누출된 인 화성증기의 거동은 유사하게 나타났다. 또한 Figure 2와 같 이 인화점 이하에서는 공간에 전체적으로 퍼지는 형태를 나타내는 반면에 Figure 3, 4와 같이 인화점이상에서는 누 출된 증기의 형태를 보면 저장시설 주변에 증기운 형태로 존재하는 것을 볼 수 있었다. 또한 온도가 상승되었을 때 누출된 인화성증기가 저장시설주변에 증기운 형태로 존재 하는 것을 알 수 있었다. 아울러 유출시간이 지속적으로 진

행된다면 이러한 증기운이 많아지고 정전기 또는 스파크와 같이 점화를 시킬 수 있는 점화원이 있다면 주변의 증기운 으로 인해서 화재가 발생하는 위험성이 높아질 것이다. 누 출로 인해서 탱크주변에 증기가 많아지므로서 인화성액체 를 다루는 실내저장시설의 경우 저장탱크 주변이 다른 곳 보다 화재위험성이 높을 것이다.

실제 저장 공간이 작거나 저장탱크용량이 크고, 환기시 설이 제대로 갖추어지지 않았다면 화재위험성은 더욱 높아 질 것이다. 따라서 저장탱크나 이송탱크에서 인화성액체를 이동시키거나 다른 용기로 소분시킬 때 환기시설 및 집진 시설을 갖추고 작업을 하고 있다. 그러나 불법적인 저장시 설은 이러한 안전장치가 없고 대부분 밀폐공간에서 작업을 하고 있기 때문에 주변온도가 인화점 이상으로 상승되면 위험성은 더 높아질 것이다. Figure. 5, 6은 톨루엔 누출시 600초와 720초경과 후 저장탱크 내 증기의 거동을 나타낸

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Figure 5. Distribution due to leakage of toluene. (elapsed time 600 s)

Reach distance by temperature

Radiation Heat Flux (KW/m²)

1.6 5 10.5 28 39.4

263K 60.2 m 38.5 m 23.9 m 10.17 m 2.74 m 273K 64.7 m 44.5 m 27.8 m 13.13 m 3.97 m 283K 68.0 m 47.5 m 29.8 m 15.27 m 4.69 m 293K 70.1 m 50.4 m 33.8 m 17.18 m 5.68 m 303K 72.6 m 53.4 m 34.9 m 19.16 m 6.67 m Table 5. Reach Distance of Radiant Heat Flux by Temperature

Reach distance by relative humidity change

1.6 5 10.5 28 39.4

30% 67.1 m 39.7 m 24.7 m 11.8 m 3.99 m 40% 67.3 m 41.9 m 25.5 m 12.7 m 4.98 m 50% 71.5 m 42.7 m 27.4 m 12.8 m 4.96 m 60% 72.8 m 44.8 m 26.5 m 12.7 m 4.96 m 70% 73.8 m 46.0 m 28.5 m 13.7 m 4.96 m 80% 76.5 m 46.6 m 29.6 m 14.7 m 4.97 m 90% 74.3 m 43.9 m 28.4 m 13.8 m 4.68 m Table 6. Radiant Heat Flux Reach Distance by Relative Humidity

Change

Figure 7. Reach time on the combustion lower limit (theory) according to relative humidity changes.

것으로서 시간이 경과 할수록 저장탱크 내 인화성증기가 탱크 전체로 확산되고 있음을 볼 수 있었다. Table 5는 주 변온도에 변화에 따른 열복사(Radiation Heat Flux)의 도달 거리를 나타낸 것으로 살펴보면 주변온도의 상승으로 인해 열복사의 도달거리가 증가함을 볼 수 있었다.

3.1.2 상대습도 변화에 따른 누출량의 시간 변화 일정한 공간에 인화성증기의 형태로 누출되고, 공기 중 에 체류하고 있다가 일정한 양(농도)이상이 되면 점화원에 의해 폭발하거나 화재 발생 가능성이 높다. 이것을 연소하 한계(low flammability limit, LFL)라고 하며. 인화성액체 또 는 가연성기체에서 위험성을 판단하는 가장 중요한 특성이 다. 따라서 본 논문에서의 대상물질인 톨루엔의 경우 연소 하한계가 약 1.2 v% 정도로 위험성이 아주 높은 물질이기

에 화재시 대상공간에서 톨루엔 증기가 발생하여 연소하한 계까지 도달되어 걸리는 시간에 대해 실험하였다. 또한 계 절에 따른 습도 변화를 알아보기 위해서 약 30%부터 90%

까지 조건변화를 주었다. 그리고 온도변화로 인해서 발생 되는 외부변수를 최소화하기 위해서 온도조건은 상온(298 K)으로 고정시키고 바람의 영향이 없는 상태에서 대상공 간의 상대습도 변화를 통해서 연소하한계에 도달하는 시간 을 비교하였다. Table 6 및 Figure 7에 나타난 것처럼 상대 습도가 올라감에 따라서 연소하한계에 도달하는 시간이 길 어지는 것을 볼 수 있다. 상대습도 60% 이상에서는 도달시 간이 증가하는데 이것은 상대습도가 높아짐에 따라서 증발 속도가 떨어지고, 높은 상대습도로 인해서 연소하한계에 도달하는 시간이 길어짐을 알 수 있다. 실험에서 나온 시간 적 수치는 외부조건에 따라 달라질 수 있는 상대적인 수치 로서 외적환경에 따라서 달라질 수도 있다.

3.1.3 온도변화에 따른 누출시간의 변화

저장탱크에서 위험물 누출시 외부온도변화에 의해서도

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Figure 8. Reach time of combustion lower limit according to external temperature variation (theory value).

Figure 9. Flammable liquid vapors streamline into leakage when 200 L stocks.

연소하한계에 도달하는 시간이 달라질 것이다. 즉 인화성 액체의 경우 인화점과 증발속도에 따라서 연소하한계에 도 달하는 시간이 달라질 것이다. Figure 8에서 보는 것과 같 이 톨루엔의 인화점은 약 4 ℃이다. 외부온도가 톨루엔의 인화점이상으로 올라갔을 때 도달시간이 급격하게 증가했 으나, 더 높은 온도에서는 인화점 전 도달시간의 변화가 인 화점 후의 도달시간의 변화량이 크지 않았다. 이것은 인화 성액체에서 인화점이 위험성을 증가시키는 요소로 위험성 물질의 판단시 중요한 물성으로 판단된다.

3.1.4 저장량의 차이에 따른 누출시 가연성 증기의 누출 거동

저장량의 변화에 따른 가연성증기의 이동을 확인해 보 았다. 톨루엔의 경우 제 1석유류에 분류되고 위험물안전관 리법상 제 4류 위험물 제1석유류로 법적 지정수량이 200 L 인 물질이다. 본 실험에서 높이 2 m 지름 2 m의 저장시설 에는 이론적으로 약 6000 L의 톨루엔을 저장할 수 있는 것 으로 설정하였다. 위험성의 판단기준이 되는 저장량의 차 이에 따른 가연성증기의 누출시 거동을 알아보았다. Figure 9∼13에 나타난 것처럼 실험에서 사용된 저장량은 200 L (1배), 400 L (2배), 1000 L (5배), 4000 L (20배), 6000 L (30 배) 등 5개의 저장량에서 누출시 발생하는 증기의 흐름을 알아보았고, 저장 용량 외 다른 외적변수인 환경변수인 온 도와 상대습도 풍속은 일정하게 하고 실험하였다. 온도는 상온 298 K 상대습도는 50%, 풍향의 영향은 없는 것으로 하였고, 누출시간은 600초로 하였다. 실험결과를 살펴보면 저장용량이 증가할수록 누출되는 증기의 양이 증가하는 결 과를 보였다. 저장량이 증가할수록 유체의 압력으로 인해 서 증기의 발생이 증가하는 것을 볼 수 있었고, 동일한 조 건에서 누출시 저장되어 있는 수량이 많으면 많을수록 위 험성은 증가하는 것을 볼 수 있었다. 저장량이 400 L, 1000 L 에서는 유사하게 나오다가 4000 L 이상에서는 누출되는 증기의 Streamline의 형태가 달라진다. 이것은 톨루엔의 지

정수량 5배와 20배 사이에서 차이가 확연하게 나타났다.

동일 조건에서 20배 이상부터 동일조건에서 발생되는 인화성증기가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 동일한 조 건에서 점화원이 있을 경우 화재위험성이 높은 수량은

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Reach distance by wind (m)

1.6 5 10.5 28 39.4

0 m/s 45.2 m 33.3 m 25.1 m 12.2 m 4.24 m 1 m/s 53.2 m 45.3 m 34.2 m 22.4 m 10.5 m 2 m/s 72.8 m 59.7 m 43.3 m 31.3 m 14.54 m 3 m/s 70.4 m 57.87 m 47.8 m 39.2 m 20.7 m 4 m/s 74.2 m 61.3 m 51.2 m 42.2 m 26.9 m 5 m/s 77.2 m 63.4 m 54.5 m 48.9 m 33.1 m Table 7. Reach Distance of Radiant Heat Flux by Wind

Relative humidity

Radiation heat flux (KW/m²)

1.6 5 10.5 28 39.4

30% 0.8412 m 0.8354 m 0.8236 m 0.8122 m 0.8056 m 40% 0.8515 m 0.8445 m 0,8384 m 0.8208 m 0.8146 m 50% 0.8556 m 0.8525 m 0.8445 m 0.8321 m 0.8215 m 60% 0.8745 m 0.8646 m 0.8599 m 0.8390 m 0.8315 m 70% 0,8845 m 0.8759 m 0.8612 m 0.8498 m 0.8422 m 80% 0,8945 m 0.8854 m 0.8711 m 0.8547 m 0.8475 m 90% 0,9021 m 0.8945 m 0.8811 m 0.8611 m 0.8599 m Table 8. Reach distance of Radiation Heat Flux Changes in the

Difference due to Relative Humidity

Atmospheric transmissivity[-]

Radiation heat flux (KW/m²)

1.6 5 10.5 28 39.4

263 K 0.9877 m 0.9754 m 0.9653 m 0.9531 m 0.9447 m 273 K 0.9354 m 0.9254 m 0.9199 m 0.9012m 0.8999 m 283 K 0.9126 m 0.9012 m 0.8912 m 0.8811 m 0.8745 m 293 K 0.8912 m 0.8815 m 0.8747 m 0.8677 m 0.8544 m 303 K 0.8712 m 0.8645 m 0.8578 m 0.8475 m 0.8325 m Table 9. Reach Distance of Radiation Heat Flux Changes in the

Difference Due to the Atmospheric Transmissivity

4000 L이고, 지정수량 20배 이상부터라고 추정된다.

3.1.5 풍속에 따른 위치별 복사열유속의 영향

풍속은 화재시 발생하는 복사열유속(Radiation Heat Flux) 의 도달거리가 달라진다. Table 7과 같이 풍속을 변화시켰을 때 복사열유속에 따른 도달거리를 알아보았다. 여기서 풍속 의 방향은 저장시설 전면에서 후면으로 발생할 때를 기준으 로 실험하였고, 상대습도 50% 기온도 298 K에서 누출로 인 해 화재발생시 풍속을 0 m/s에서 5 m/s까지 증가시키면서 복사열유속의 도달거리의 변화추이를 살펴보았다. 풍속의 변화에 따른 복사열유속이 도달하는 거리에 대한 결과는 Table 6에 나타난 것처럼 복사열유속의 강도는 거리가 늘어 날수록 감소함을 볼 수 있었고, 또한 풍속이 증가함에 따라 서 복사열유속의 도달거리는 비례적으로 증가함을 볼 수 있 었다. 실험결과 복사열유속의 범위는 1.6 KW/m²에서 39.4 KW/m²사이로 나왔다. 전체적인 복사열유속은 풍속이 증가 함에 따라 도달거리가 길어지고 풍속의 변화에 따라 도달거 리의 증가형태가 비슷하나, 복사열유속이 1.6 KW/m²와 5 KW/m²범위에서와 풍속이 2 m/s 이상인 경우에는 크게 차 이가 나지 않았다. 이는 Pool의 증발속도에 영향을 미치는 인자인 전도 대류 열전달 내부 열전달(화염으로부터)중 대 류열전달이 최대가 되는 시점이라고 판단된다.

3.1.6 온도 및 상대습도 변화에 따른 복사열유속 도달거 리 변화

대기온도와 상대습도의 변화에 따른 복사열유속의 도달

거리에 대한 결과는 Table 8과 9 이다. Table 8에서 보는 것 과 같이 상대습도를 30%에서 90%까지 10%단위로 7단계로 변화를 주어 복사열유속의 도달거리 변화를 계산하였다.

그 결과 상대습도가 높아질수록 복사열유속의 도달거리는 짧아지는 것을 알 수 있었고, 그 이유는 상대습도가 높아질 수록 Table 9에서 나타난 것처럼 대기 투과율 값이 작아지 기 때문이다. 상대습도가 커질수록 대기투과율이 작아지는 이유는 물분자 증가로 인한 복사열유속의 전달을 방해하기 때문으로 추정된다. 물의 경우 증발잠열을 가지고 있으므 로 증기상태로 존재할 때는 다량의 열을 함유할 수 있기 때문이다. 또한 Table 9에 나타난 것처럼 대기온도는 263 K 부터 303 K까지 10 K 단위로 변화시켜서 결과를 산출한 결과 온도가 낮아질수록 복사열유속의 도달거리는 더 길어 지는 것을 알 수 있었다. Table 8과 9를 비교하면 대기온도 변화에 의한 복사열유속의 변화의 폭이 상대습도변화에 따 른 복사열유속의 변화의 폭보다 더 큰 것을 알 수 있었다.

그 이유는 상대습도, 물의 포화수증기압, 대기투과율과 관 심거리의 곱과는 반비례관계를 가지며, 온도의 변화에 의 한 대기투과율이 상대습도 변화에 의한 대기투과율 변화보 다 크기 때문이다. Table 8과 9에 의하면 10 K 온도변화에 의한 물의 포화수증기압의 변화비율이 상대습도 10%의 변 화 비율보다 더 크다는 것을 알 수 있었다.

(8)

Figure 14. Variation of the flame velocity gradient according to wind changes.

Figure 17. Distribution of the reaction product. (water vapor) (elapsed time 600 s)

3.1.7 풍속에 의한 인화성액체 증기의 Streamline에 따른 화염기울기의 변화

Figure 14와 같이 풍속(wind speed)에 의한 화염기울기 변화를 살펴보면 1 m/s 이하에서는 화염의 기울기가 기울 여지지 않다가 풍속 1 m/s 이상부터 급격히 증가하였다.

증가하는 형태는 풍속에 비례하여 기울기가 증가함을

알 수 있었다. 화염기둥이 풍속 1 m/s 이하일 때 영향을 받 지 않고 기울어지지 않았다. 이는 화염이 위로 솟아오르는 힘이 1 m/s 이하일 때 강하기 때문이라고 생각이 되며, 풍 속의 변화에 따라서 화염기울기가 달라지는 것은 화재발생 시 풍속변화에 의해 주변으로 화재가 전이 될 수 있는 위 험성이 있을 것이다. 따라서 화재 발생시 원활한 진압을 하 기 위해서는 풍속의 영향을 살펴보고 풍속에 대한 영향을 최대한 감소시킬 수 있는 방향을 선정해야 할 것이다. 본 실험에서는 1m/s라는 경계점이 나왔지만 다양한 외적영향 으로 인해서 실 화재에서 화염기울기가 변화하는 풍속은 달라질 것이다.

3.2 실험결과 고찰

톨루엔 누출시 시간에 따른 톨루엔의 분포변화를 살펴 보면 가연성 위험물질인 톨루엔은 가연성증기가 누출되었 을 때 시간의 변화에 따른 증기의 분포의 형태가 달라진다.

Figure 15와 16을 살펴보면 300초에서 600초에서 저장시설 후면 구석에 분포가 높게 나타났다. 그 이유는 풍향일 것으 로 판단된다. 또한 바람의 영향으로 구석 쪽에 톨루엔의 분 포가 높게 나왔고 약 720초가 되면 톨루엔의 증기의 분포 가 수직방향으로 일정한 형태를 나타나기 시작하였다. 아 울러 시간이 계속 경과함에 따라 저장시설 구석 부분에서 는 낮은 분포를 나타내었다. 또한 화재시 시간에 따른 온도 변화를 살펴보면 초기 화재 발생 후 300초 후부터 저장시 설 앞부분에 Pool로 인해 온도가 상승하기 시작하였다. 또 한 바람이 전면부에서 불어옴으로 앞부분부터 온도가 상승 하였다. 720초 이후에는 온도 분포가 높이 부분으로 일정 해지기 시작했고, 1200초 이후에는 온도분포가 거의 일정 하게 되었다. 그리고 화재시간에 따른 반응속도를 살펴보 면 초기 반응속도의 형태는 온도 분포와 유사한 결과를 보 였고, 720초 경과했을 때 온도분포는 수직방향으로 일정해 지기 시작하였다. 그리고 900초에서 반응속도 분포는 수직 형태를 나타내기 시작하였고, 온도 저장시설 후면부의 반 응속도 분포가 전면부보다 높아지면서 반응속도가 증가했 다. 1500초에서 반응속도 형태를 보면 저장시설 주변에서 높게 나왔다. 이는 화재로 인한 내부온도 상승으로 저장시 설의 재질에 열을 가하면서 다른 부분보다 반응속도가 높 아질 수 있는 가능성이 있음을 알 수 있었다. 반응속도는 온도의 함수로 이루어져 있고 온도에 대한 영향을 많이 받 는다. 반응간격이 길어질수록 반응속도의 변화가 짧아지는 것을 알 수 있었다. 이는 누출로 인한 화재가 진행되면서 열이 축적되면서 반응속도를 더 빠르게 함으로써 반응속도 분포를 변화시킨 것으로 보인다. 화재시 시간에 따른 반응 생성물의 변화인 Figure 17∼22을 살펴보면 누출된 톨루엔 증기 초기분포와 유사하다. 그러나 시간이 경과함에 따라 화재 발생온도의 분포와 유사해진다. 수증기와 이산화탄소 의 변화를 보면 크게 차이가 나지 않고 시간이 지남에 따라 수직방향의 분포도 유사해진다. 특이한 점은 이산화탄소의

(9)

Figure 18. Distribution of the reaction product (water vapor).

(elapsed time 720 s)

Figure 19. Distribution of the reaction product. (CO2) (elapsed time 420 s).

Figure 20. Distribution of the reaction product. (CO2) (elapsed time 600 s).

Figure 21. Reaction rate distribution (elapsed time 420 s).

Figure 22. Reaction rate distribution (elapsed time 600 s).

경우 1500초에서 수증기가 생성되었다. 이것은 톨루엔이 방 향족탄화수소이고 탄소비율이 높기 때문에 반응에서 생성 되는 이산화탄소가 수증기보다 많을 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 안전시설이 없는 위험물저장시설에서 위험물 을 취급하다가 발생할 수 있는 사고에 대한 위험성을 알아 보고자 전산유체역학프로그램을 이용해서 해석해 보았고, 다음과 같은 최종결과를 얻을 수 있었다. 첫째 특정 공간에 서 인화성액체가 누출되었을 때 특정농도(연소하한계)가 될 때까지 온도와 상대습도의 영향을 받는다. 온도의 경우 인화점이상에서는 인화점 이하에서보다 도달시간이 짧아 지는 것을 알 수 있었다. 또한 액상이나 고상으로 되어있는 물질의 인화점은 그 물질의 위험성을 판단하는 중요한 요 소로 작용한다. 따라서 인화점은 물질(액상 또는 고상)의 위험성을 판단할 수 있는 가장 중요한 요소를 이루는 것이 다. 둘째 누출로 인한 저장탱크의 Pool 화재사고에 미치는 변수의 영향의 정도는 다소 차이가 있으나 주로 가장 큰 영향을 미치는 변수는 풍속으로 나타났으며, 그 외 영향을 주는 대기온도, 상대습도라는 것을 알 수 있었다. 셋째 풍 속, 대기온도, 상대습도와 함께 저장시설에 저장되어있는 저장량이 누출로 인한 화재 사고에 영향을 줄 수 있음을 알았다. 특히 인화성액체의 지정수량을 기준으로 했을 때 동일한 조건에서 지정수량의 20배 이상에서 위험성이 증가 하는 것을 볼 수 있었다. 넷째 가연성 액체가 누출시 발생 되는 증기는 일정시간이 지나면 수직방향으로 농도구배가 발생하였고, 화재시 온도의 분포도 유사하게 나왔다. 또한 화재시 시간이 경과함에 따라 발생되는 열로 인해서 주변 온도가 상승하고 일정시간 이후에 반응속도가 급격하게 증 가하는 것을 알 수 있었다. 반응생성물의 경우 물질이 함유 하고 있는 구성성분, 즉 탄화수소계열의 경우 탄소와 수소 의 비율에 따라서 발생하는 반응생성물질인 수증기와 이산 화탄소의 상대적인 발생량이 달라지는 것을 알 수 있었다.

따라서 본 연구를 통해서 향후 유사한 수치해석적인 연구 의 기초자료로 활용될 것이고, 다양한 조건에서 위험물질 이 누출되는 사고에 대해서 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

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