1. 서 론
1.1 연구배경 및 목적
국내 석유화학 플랜트는 국가기간 산업으로서 1960년 이후 시작되어 1970년대 정부의 중화학공업 지원 정책에 힘입어 성장하였으며, 경남 울산, 전남 여천, 충남 대산 등이 대표적인 지역이다. 석유화학 플랜트는 대형 장치산업으로 국가 경제에 기여하는 역할과 중요성이 크지만 2022년 2월 여천NCC 제3공장의 열교환기 화재사고, 2022년 5월 에스오일 온산공장 알킬레이터 제조공정 화재사고와 같이, 각종 인화성 물질이 취급되고 고온과 고압의 배관을 통해 이송되며 여러 공정이 복잡하게 구성되므로 다른 산업플랜트에 비하여 화재⋅폭발의 위험성이 크다. 이러한 플랜트 화재에 따른 인접 시설물의 피해를 저감하기 위해 물리적인 공간 구획 방법인 방호벽 설치를 고려할 필요가 있다.
현재 방호벽 관련 국내 기준으로는 위험물안전관리법 <제조소 등의 위치⋅구조 및 설비의 기준>(1)이 있으며 방호벽을 방화상 유효한 담의 높이로 명명한다. 설치 기준과 관련하여, 담의 높이는 제조소 등과 방화상 유효한 담과의 거리, 제조소 등의 외벽 높이, 인근 건축물 또는 공작물의 높이, 제조소 등과 인근 건축물 또는 공작물과의 거리 등으로 산정한다. 담의 길이는 제조소 등 외벽의 양단을 중심으로 인근 건축물 등에 따른 안전거리를 감안하여 산정하며, 구조와 재료는 제조소 등으로부터 5 m 미만의 거리에 설치하는 경우에는 내화구조로 하고, 5 m 이상의 거리에 설치하는 경우에는 불연재료로 설치하도록 규정하고 있다. 고압가스안전관리법 <특정고압가스 사용의 시설⋅기술⋅검사 기준>(2)에서는 고압가스의 저장량이 300 kg 이상인 용기보관실의 벽에 대하여 철근콘크리트, 콘크리트블록, 강판으로 구분하여 방호벽의 설계 사양을 규정하고 있다.
상기 내용은 물리적 환경에 대한 사양설계기준이므로 실제 석유화학 플랜트 시설물 등에 잠재된 화재위험성을 반영한 방호벽 설계 지침으로 활용하기 어렵다.
한편, ISO 24678-7(3)에는 기존연구를 통해 제안된 open pool 화염으로부터의 복사열 추정을 위한 간이평가방법에 대하여 잘 정리되어 있으나, 평가 가능 범위가 직경 1 m 이상의 화원으로 한정되어있어 이에 대한 적용성 검토가 필요하다.
따라서 본 논문에서는 석유화학 플랜트의 방호벽 설계에 적용하기 위한 기초 연구로써, 석유화학 플랜트의 나프타 분해 과정 중에서 생산되고 각종 공정에서 용제로 사용되는 인화성 액체인 n-헵탄을 열원으로 하여 직경 1 m 이하의 open pool 화재실험을 실시하고, open pool 화재에서의 복사열 추정 기법 표준인 ISO 24678-7에 따른 산출결과와 비교하여 평가하였다.
1.2 연구동향
국내 석유화학 플랜트 화재 시의 복사열과 관련된 연구로, Park(4)은 액체 가연물 등의 위험물이 산재된 플랜트 시설물에서 화재 시 열복사로 인한 위험성을 간편하게 추정하여 현장에서 사용가능한 표준 알고리즘을 제안하고, 이를 활용하기 위한 절차들을 분석했다. Lee 등(5)은 유류저장탱크 화재 시 온도 및 풍속에 따른 복사열 영향을 평가하여, 플랜트 설비의 정량적인 보유공지 확보에 대한 연구를 수행했다. Ahn과 Park(6)은 에틸렌 반응로에 대하여 복합열전달 해석을 수행하여 반응관에서 최대응력이 작용하는 부위를 연구했다. open pool 화재 발생 시 방호벽에 대한 연구로는 Ro 등(7)은 톨루엔과 메탄올 옥외저장탱크에서 풀 화재가 발생했을 때의 사업장 내 피해영향을 시뮬레이션으로 평가하고 이에 대한 안전대책으로 방호벽 설계를 위한 연구를 수행했다.
이밖에 복사열에 의한 인접 시설물로의 화재위험성평가에 대한 연구로 Shin 등(8)은 개구분출화염의 복사열 추정 프로세스를 구축함으로써 플랜트 산업계에서 간이계산식에 따라 복사열에 의한 화재확대 위험성을 손쉽게 평가할 수 있도록 했으며, 방호벽 등의 물리적 방호구획 계획의 수립에 활용될 수 있도록 제안했다.
상기 연구동향에서 보듯이 석유화학 플랜트 시설물과 복사열 및 방호벽에 대하여 실제 화재 실험과 계산식을 통해 평가한 연구는 부족한 실정이다.
2. open pool 화염의 복사열 추정
2.1 화염의 상당직경 및 열방출률
open pool 화염으로부터의 복사열 추정을 위해서는 우선 화원을 원기둥 형태의 가연물로 가정하여 상당 직경을 식(1)에 의해 산출한다.
여기서 A는 화원의 연소표면적 m2이다.
화원으로부터 발생하는 열방출률 Q (kW)는 식(2), 질량감소율 m˙″ (kg/m2⋅s)은 식(3)에 의해 산출된다. 여기서 유효연소열 ΔHc (kJ/kg)과 흡수계수(absorption coefficient) kθ (m-1)는 Table 1과 같은 연료물성 DB를 활용하여 결정한다.
Table 1
Heat of Combustion and Mass Burning Rate of Various Fuels
2.2 화염의 복사능 추정 기법
복사능은 단위면적당 방출되는 복사에너지의 양으로 ISO 24678-7에서는 open pool 화염으로부터 방출되는 복사능 추정 기법에 대해 다음의 총 4가지 방식이 정리되어 있다.
2.2.1 Mudan-Thomas 기법
Mudan의 복사능 E (kW/m2) 산출 기법은 식(4)와 같으며, 바람이 없는 환경에서 Thomas 등(11)과 Thomas(12)가 제안한 화염높이 H (m) 산출 식(5)와 높은 상관관계를 나타내고 있다.
여기서 최대 복사능 Emax는 140 kW/m2, 연기의 복사능 Es는 20 kW/m2, 흡수계수 β는 0.12 m-1이다.
2.2.3 Radiative fraction 기법
Radiative fraction 기법에 따른 복사능은 식(8)과 같으며, 화염높이는 Thomas의 식(5) 및 Heskestad의 식(7) 모두 적용가능하다.
복사능 E는 열방출률, 직경, 화염높이 및 복사상수 χr의 함수이며, χr는 Table 2와 같이 화염의 직경과 상관관계가 있다.
Table 2
Examples of Calculation Equations for Radiative Fraction of Energy Release
2.3 화염의 복사열 추정
복사열은 화염으로부터 방출되어 피사체의 표면에 도달하게 된다. 임의의 화염으로부터 방사되는 복사열 q˙’’은 식(9)에 의해 산출 가능하다(14).
여기서 τ는 대기투과율로 무차원 변수이며, E는 화염의 복사능(kW/m2), F (-)는 형상계수이다.
3. open pool 화염 실험
3.1 실험 개요
화재 실험은 5 MW large calorimeter 후드 아래에서 진행되었으며, 후드 정중앙에 화원용 팬을 설치하였다. 사용된 팬은 3종으로 모두 정사각형이며 한 변의 길이 L은 각 0.3 m, 0.5 m, 0.7 m이고, 높이는 0.2 m이다. 화원으로 사용한 연료는 n-헵탄이며, 순도 99%를 사용하였다. 연료는 팬의 크기에 따라 0.3 m는 3 L, 0.5 m는 8 L, 0.7 m는 20 L를 사용하였으며, 연료 하부에는 물을 채워 팬 상단의 높이와 일치하도록 세팅하였다.
측정항목은 열방출률, 질량감소율(mass loss rate), 복사열 및 온도이며, 열방출률은 calorimeter, 질량감소율운 로드셀, 복사열은 열유속계(schmidt-boelter, 측정범위: 0∼100 kW/m2), 온도는 K-type 열전대로 측정하였다. 열유속계 및 열전대는 거리별 화염의 복사열과 온도를 측정하기 위해 팬 중심으로부터 수평방향으로 1 m, 2 m, 3 m 지점의 총 3개소에 화염 표면으로부터 높이 0.5 m 지점에 설치하였다. 화염높이는 실험 영상 기록을 활용하여 평균 화염높이를 산출하였다.
3.2 실험결과
3.2.1 열방출률
Figure 3은 large calorimeter에서 측정한 팬 크기 0.3 m, 0.5 m, 0.7 m의 n-헵탄 착화 이후의 시간대별 열방출률 변화 곡선이다. 열방출률은 실험 시작과 동시에 지속적으로 증가하였으며, 약 300 s부터 준정상상태에 도달하여 500 s까지 일정한 값을 유지하였다. 준정상상태에서의 평균 열방출률은 0.3 m의 경우 231 kW, 0.5 m의 경우 516 kW, 0.7 m의 경우 1051 kW로 산출되었다.
3.2.2 복사열
Figure 4에 팬 크기에 따라 거리별 복사열을 시간에 대한 그래프로 나타냈다. 복사열도 열방출률과 동일하게 실험 시작 후 지속적으로 증가하였으며, 300 s 경과된 이후 500 s까지 준정상상태를 유지하였다. 0.3 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열유속계에서 측정된 복사열의 평균값은 각각 2.9 kW/m2, 1.3 kW/m2, 0.3 kW/m2이었다. 0.5 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열유속계에서 측정된 복사열의 평균값은 각각 8.1 kW/m2, 4.7 kW/m2, 1.8 kW/m2이었다. 0.7 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열유속계에서 측정된 복사열의 평균값은 각각 15.0 kW/m2, 14.0 kW/m2, 5.8 kW/m2이었다.
거리가 멀수록 복사열 강도가 작아지며, 복사열 강도 변화는 거리에 반비례함을 확인하였다.
3.2.3 온도상승
Figure 5는 팬 크기에 따른 거리별 온도상승을 시간에 대한 그래프로 나타냈으며, 열유속계 측정위치와 동일한 곳에서 측정한 온도이다.
온도측정 결과도 열방출률 결과와 마찬가지로 실험 시작과 동시에 상승하였다. 그러나 열방출률 및 복사열 결과와 비교하여 데이터 안정도가 다소 떨어지는 경향을 나타냈다. 그럼에도 불구하고 다른 측정결과와 마찬가지로 300∼500 s 사이가 가장 안정된 구간으로 나타났으며, 이때의 값을 평균하여 온도상승을 산출하였다. 0.3 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열전대에서 측정된 온도상승의 평균값은 각각 22 °C, 11 °C, 3 °C이었다. 0.5 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열전대에서 측정된 온도상승의 평균값은 각각 45 °C, 21 °C, 10 °C이었다. 0.7 m 팬에서 1 m, 2 m, 3 m 이격된 위치의 열전대에서 측정된 온도상승의 평균값은 각각 88 °C, 44 °C, 25 °C이었다.
4. 고 찰
4.1 open pool 화염의 열방출률 및 높이
open pool 화염의 열방출률에 대해 식(2)를 통해 산출된 결과와 large calorimeter 및 질량감소율로 산출한 결과를 비교하여 Figure 6에 나타냈다. large calorimeter 측정값과 질량감소율 산출값은 거의 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 실험결과와 산출결과는 다소 차이를 보였다. 0.3 m 팬의 경우 실험결과보다 낮은 산출결과를 보였으며, 0.5 m 팬의 경우는 거의 일치하였다. 0.7 m 팬의 경우는 산출결과가 실험결과보다 커지는 경향을 나타냈다.
실제 실험결과보다 산출식에 의한 결과가 화원의 직경에 따른 열방출률이 더욱 가파르게 상승하는 경향을 나타냈다.
open pool 화염의 화염높이는 식(5)의 Thomas 방식과 식(7)의 Heskestad 방식을 사용하여 산출하였고 실험값과 비교한 결과를 Figure 7에 나타냈다. 그 결과 팬의 크기가 커질수록 실험결과와 산출결과의 격차가 좁아지는 것으로 나타났으며, Thomas 방식 보다 Heskestad 방식이 실험결과와 더 유사한 경향을 보였다.
4.2 복사열 추정
복사열 추정은 식(9)에 의해 산출되며, 이를 위해서는 먼저 복사능을 추정하여야 한다. 복사능 추정을 위해 ISO 24678-7에서 제시하고 있는 4가지 기법을 사용하였다. 또한, 실험환경이 실내조건이었으므로 바람이 없는 준정상상태 open pool 화염으로부터의 복사열로 가정하였으며, 대기투과율에 의한 영향은 실제로 미미하기에 산출조건에서 제외하였다.
복사열을 추정하는데 있어 형상계수는 매우 중요한 인자이다. 형상계수는 화염의 형태와 피사체가 복사열을 수열하는 방향에 따라서 결정된다.
여기서, l = H D / 2 x = S D / 2
Figures 9∼11에 산출결과를 실험결과와 비교하여 나타냈다. 모든 실험조건에서 4가지 산출 기법 중 Mudan-Thomas 기법이 가장 높게 나타났으며, 그 다음으로는 Shokri-Heskestad 기법이 높게 나타났다.
한편, radiative fraction (Thomas) 및 radiative fraction (Heskestad)의 경우 대부분 조건에서 실험결과와 상당히 유사한 결과가 도출되어 radiative fraction의 경우 1 m 이하의 화원에 대해서도 복사열 추정 기법으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 실제 플랜트에 화재가 발생한 상황을 가정하여 방호벽의 설치 위치 및 높이 등을 설계하는데 있어 간이평가방법으로 활용가능 할 것으로 사료된다.
5. 결 론
플랜트 화재시에 복사열로부터 인접 시설물을 보호하기 위해서는 위험물로부터 방호벽까지의 적정 거리를 정량적으로 평가하여 설계에 반영하여야 하지만, 현재까지는 평가방법론이 부재한 상황이다. 이에 본 연구에서는 평가방법론 개발을 위한 기초연구로써 n-헵탄을 연료로 open pool 화재실험을 실시하였으며, 실험결과와 계산식의 산출결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 열방출률은 0.5 m 팬의 경우는 실험결과와 산출결과가 일치하였으나, 0.3 m 및 0.7 m는 다소 차이를 보였다.
2) 화염높이는 실험결과가 산출결과보다 높게 나타났으며, Thomas 방식 보다 Heskestad 방식이 실험결과와 더 유사한 경향을 보였다.
3) Mudan-Thomas 및 Shokri-Heskestad 기법은 실험결과와 비교하여 다소 높은 값이 산출되었으나, radiative fraction (Thomas) 및 radiative fraction (Heskestad)의 경우는 실험결과와 상당히 일치하는 결과를 나타냈다.
4) radiative fraction의 경우 1 m 이하의 화원에 대한 적용가능성을 확인하였고, 실제 플랜트의 방호벽 설계시 활용 가능 할 것으로 판단된다.
향후 화원의 크기를 중⋅대규모까지 확장한 검증실험을 진행하여 복사열 추정 기법에 대한 신뢰성을 높여야 하며, 최종적으로는 실제 상황과 유사한 외부 환경조건을 구현하여 바람 및 대기 조건까지 반영한 평가방법을 개발할 예정이다.
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