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2021년 12월 16일 (목) 07:50 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : KORA, ALOHA software를 활용한 Design of safe 암모니아 탱크 설계
영문 : Design of safe ammonia tank using KORA and ALOHA software
과제 팀명
TEAM Coca KORA
지도교수
이상철 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 김**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 고**
서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 권**
서울시립대학교 환경공학부 20*****0** 이**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 사전예방을 원칙으로 하는 safe by design 암모니아 저장탱크 설계를 위해 시나리오 분석을 통해 암모니아 사고영향범위에 영향을 미치는 설계 인자 후보군을 도출 한다. 이에 대한 Tool로 KORA(Korea Off-site Risk Assessment supporting tool)와 ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres) software를 이용한다. KORA를 이용하여 암모니아 탱크의 최적 저장온도, 저장질량, 결속배관 최대 직경, 방류벽의 형태와 추가 설계 요소를 선정하며, ALOHA를 이용하여 설계 대상으로 선정한 안산시 화력발전소의 지형, 기상정보, 암모니아 기본 정보 등을 입력하여 three threat zone을 도출한다. 이 후, 도출된 위험도에 따라 사고예방범위를 줄일 수 있는 대체방안으로 water-foam liquid curtain system을 설계한다. 적절한 거리와 개수를 선행연구의 데이터에 기반 해 산정한 뒤 최종적으로 선정된 설계인자들을 종합하여 safe by design 암모니아 탱크설계 시스템을 제시한다.
개발 과제의 배경
◇ 2015년에 화학물질관리법이 시행된 후 사고로 인한 주변 환경영향을 평가하고 사전에 화학사고 누출을 줄일 수 있도록 안전진단 및 취급시설 검사 등의 감시 활동을 강화하고 있다. 그럼에도 관련 사고는 빈번히 발생하고 있으며, 특히 암모니아 관련 사건이 주를 이루고 있다. 발생형태는 냉동장치의 냉매 가스로 암모니아가 이용되는 경우의 누출, 발전소의 대기오염 방지 시설의 일환인 탈질 공정에서의 암모니아 누출 등이 있다. 그러나 이러한 부분에서 기업들의 노력은 아직 미비하며, 지속적으로 발생하고 있는 이러한 사고를 고려하여 공정설계 시 ‘공정의 효율성’만이 아닌 ‘사고 시의 영향 최소화’를 함께 고려할 필요가 있을 것이다. 그리고 이를 통해 공정의 안전성 향상뿐 아니라 사후관리에 의해 소요되는 행정 비용과 추가 설비 투자비를 줄이는 데 도움이 될 수 있을 것이다.
◇ 기존의 존재하는 다양한 분야의 공정들은 지금까지 ’공정의 효율성‘을 바탕으로 공정을 설계했다. 그러나 만약 평가자가 여러 변수를 고려하여 사업장으로부터 장외 영향범위를 줄일 수 있도록 설계단계에 반영하여 안전성 향상 방안의 반복적인 보완을 한다면, 사후관리에 의해 소요되는 행정 비용 및 추가 설비 투자비를 효과적으로 줄이는 데 도움이 될 뿐 아니라 기업의 사회적 가치 상승 역시 기대할 수 있을 것이다.
◇ 이 설계를 통해 암모니아 화학사고 발생 시 피해를 최소화함으로써 근로자 및 주변 지역 거주자들의 안전에 기여할 수 있다. 또한, 공정설계에 있어서 장외영향 범위 등 환경적 관점에서 새로운 지표를 제시했다는 점에서 의미가 크다. 우리가 제시한 공정설계 방식이 다양하게 활용되어 화학 사고 발생 피해를 최소화하고 국민의 안전이 보장되는 공정 생태계를 구축할 수 있게 된다.
◇ 장외영향평가서는 유해화학물질 취급시설 설계·설치단계에서부터 사업장 외부의 제3자에게 인적·물적 피해를 일으키지 않도록 안전개념에 따라 설계되었는지 확인하여 취급시설이 충분한 안전성을 확보하도록 유도하는 제도적 장치이다. 현재 이용되고 있는 장외영향평가서작성 도움 프로그램은 KORA(Korea Off-site Risk Assessment supporting tool), ALOHA (Areal Locations of Hazardous Atmospheres) 등의 프로그램이 있다. 그 중 본 연구에 활용할 KORA프로그램은 화학물질안전원에서 무료로 배포한 작성지원 프로그램으로 타 프로그램에 비해 접근성이 높고, 지속적인 프로그램 고도화를 통해 혼합 수용액에 대한 이론적 기반을 구현했기 때문에 최근 장외영향 평가서 작성을 위한 기본 툴로 이용되고 있다. 또한 KORA는 평가서 및 계획서 작성을 지원하기 위해 사업장 공정정보, GIS엔진(지도), 고시에 따른 서식지원, 시나리오 영향범위 평가, 설비위험도 산정 기능을 제공한다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 본 설계의 목적은 암모니아 사고영향 범위에 영향을 주는 주요 설계 인자들을 규명하고, 이를 개선하여 사전 예방적인 설계를 진행하는 것에 있다. 선행 연구 분석 결과 지면굴곡도, 밀폐여부, 운전온도, 운전압력, 누출 공 크기, 긴급차단밸브 등의 환경인자들이 고려된다는 것을 확인했으며 이 인자들 중 암모니아 저장탱크를 포함한 공정에서 발생할 수 있는 사고영향 범위에 유의미한 영향을 끼치는 인자들을 선정한다. 해당 인자는 KORA프로그램을 이용해 개별 시나리오별로 환경인자들의 조건을 변경시키면서 공정에서의 영향을 분석해 찾을 수 있다. 이렇게 선정된 환경인자들은 사전 예방적 설계를 위한 중점 설계 요소가 된다. 그리고 궁극적으로는 다수의 시나리오를 복합적으로 고려해 암모니아 저장탱크에서 사고영향 범위를 사전에 최소화할 수 있는 설계를 제안하는 것을 목표로 한다.
◇ 많은 공정에서 환원가스나 촉매재로 암모니아를 이용하게 되는데, 암모니아는 증기밀도가 0.59로써 누출 시 공기 중으로 쉽게 확산되어 주변에 독성피해를 끼칠 수 있음과 동시의 고밀도 가스의 유동특성을 보이기 때문에 이에 대한 적극적인 관리가 필요하다. 따라서 장치 내 암모니아를 저장하는 암모니아 암모니아 저장탱크를 위주로 설계가 진행될 예정이며, 굴곡도, 밀폐여부, 운전온도, 운전압력, 누출 공 크기, 긴급차단밸브 등의 인자를 고려하게 될 것이다.
◇ 암모니아 저장탱크의 사전 예방적 설계와 설계 인자 선정을 위해 화학사고예방관리계획서 KORA를 이용한다. 사용자가 입력하는 정보로 사업장 일반사항, 취급 유해화학물질, 공정 및 설비정보, 사업장 위치 및 주변입지, 기상정보, 시나리오분석, 설계도면을 작성할 수 있다. 이 중 가장 보수적인 결과를 얻을 수 있도록 최악의 시나리오를 상정하여 화학사고 영향을 확인해 볼 것이며 사전 예방적 설계 인자 도출을 위한 유해화학물질 물질 특성은 KORA에 사전 입력된 데이터를 사용할 것이다. 끝점농도는 2016년도 독성 우려농도 기준인 ERPG-2의 150 ppm으로, 기상정보는 화학물질안전원지침 2012-3 호에 기제된 『사고시나리오 선정에 관한 기술지침』 에 따라 대기조건은 초당 1.5m 의 풍속과 대기안정도 "F", 대기온도 25℃, 대기습도 50%로 설정하여 진행할 것이다. 최종적으로 지면 굴곡도, 밀폐여부, 운전온도, 운전압력, 누출공 크기, 긴급차단밸브 등의 인자를 활용하여 사전 예방적 SCR 공정을 설계를 진행한다.
◇ ALOHA는 분산모델로 Gaussian 확산 모델을 사용하며, 위치와 시간에 따른 농도를 예측해주는 상용 소프트웨어다. 이를 통해 안산시 화력발전소의 지형, 기상정보, 암모니아 기본 정보 등을 입력하여 설정한 물질의 ERPG-1,2,3 에 근거한 3개의 threat zone을 도출 해준다. 이후 도출된 위험도에 따라 사고예방범위를 줄일 수 있는 mitigation technique으로 water-foam liquid curtain system을 설계하며, 적절한 water curtain 의 거리와 개수를 선행연구의 데이터에 기반 해 산정한 뒤 우리 설계에 적용하며 추가적인 누출률 저감을 위한 포소화약제 대체 방안도 고려한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ <KORA 프로그램을 활용한 암모니아 누출사고 연구 사례> 선행연구(류지성 외10, 『KORA 프로그램을 활용한 암모니아 누출사고 영향범위 결정 기여요인 연구』, 화학물질안전원 사고예방심사1과)에 따르면 연구 대상 취급설비를 수평실린더 형태의 암모니아 저장탱크로 가정하고 지면에서 독성물질이 누출되는 사고 시나리오를 모델링하여 1) 지면 굴곡도, 2) 취급시설 밀폐여부, 3) 운전 온도 및 압력, 4) 누출공 크기 이 4가지 변수로 누출 영향범위 평가를 수행했다. 그 결과 첫째, 지면굴곡도는 독성물질 확산에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났으며 도시지형과 전원 지형에 따른 영향범위 차이는 약 4.62배의 차이가 발생했다. 둘째, 암모니아 저장탱크의 위치별 영향범위 평가는 동일한 조건에서 누출이 발생하였을 때 실내와 옥외의 경우 실제로 약 0.64의 저감율 차이가 나는 것으로 확인되었다. 셋째, 액화암모니아 저 장탱크의 온도와 압력에 따라 누출률이 증가되어 암모니아 영향범위가 증가하는 것으로 나타났다. 넷째, 누출공 크기에 따른 영향범위 평가 결과 저장용기의 이상누출 방정식을 보면 누출구의 면적에 비례하는 것으로 나타났으며 결과값 또한 비례적으로 증 가하는 양상을 보였다.
◇ <KORA 프로그램을 활용한 염소 누출사고 연구 사례> 선행연구(이진선 외11, 『KORA를 활용한 정수장 염소 취급시설의 운영조건에 따른 피해범위 변화 평가』, 화학물질안전원 사고예방심사과)에서 정수장에서 염소 누출 사고 시 피해를 최소화하는 방안의 연구가 진행되었다. 이 연구에 따르면 운전온도가 낮 아질수록, 용기의 브렌치 배관마다 긴급차단밸브가 설치될수록, 시설의 밀폐수준이 높을수록 피해범위가 감소하였다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇기존에 출원되었던 특허자료와 소멸 특허를 조사하여 새로운 암모니아 저장탱크 시스템을 구축·제시한다.
◇진보성 : 본 설계 제품은 공정의 효율성을 해치지 않음과 동시에 사고 영향 범위를 고려한 사전 예방적 설계를 목표로 한다. 이를 위한 설계 인자 선정과 기존의 설계와의 비교를 위해 이용 되는KORA tool 은 2021년 4월 1일 개정된 화학물질관리법에 의
해 화학사고예방관리계획서 작성을 위한 지원 tool 로써, 최근 지속적인 갱신과 함께 최신의 기술을 이용한다. 이에 따라 기존 화학공정 설계분야에 통상의 지식을 가진자가 용이하게 발명할 수 없는 수준의 설계로 판단되며 진보성을 확보했다. 또한 기존
의 효율 증대와 운전 비용·부피 절감 위주의 특허분야에서 고려되지 않은 사고영향 최소화, 산업안전을 고려함에 있어서 기존 특허에 비해 신규성을 가진다.
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
◇ 무수암모니아 저장에 관한 기술 지침
(1) 저장설비는 암모니아 누출시 그 영향을 최소화 할 수 있도록 바람의 방향을 고려하여 배치한다. (2) 저장설비는 점검 및 보수 관리가 용이하고 운전원이 접근하기 쉬운 장소에 설치한다. (3) 저장설비는 차량 또는 폭발 화재 부식성 물질의 누출에 의한 손상 가능성을 최소화 할 수 있도록 다른 공정 설비와 충분히 이격하여 설치한다. (4) 반지하를 포함하여 저장탱크를 지하에 설치하는 경우에는 누출감지를 위하여 탱크를 흙 등으로 묻어서는 아니된다.
- 마케팅 전략 제시
[TOWS 분석]
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 암모니아 저장탱크 에서 사고 영향 범위에 영향을 주는 주요 설계 인자가 무엇인지 규명할 수 있다. 현재 선행 연구로부터 알려진 지면굴곡도, 밀폐여부, 운전온도, 운전압력, 누출 공 크기, 긴급차단밸브 등이 암모니아 사고에 영향을 주고 있다고 알려져 있으며, 이 중에서 암모니아 사고에 영향을 줄 수 있는 인자가 무엇인지 규명할 수 있다. 또한 이들 외의 인자도 추가로 확보할 수 있다.
◇ KORA프로그램을 통해 주요 설계 인자를 규명하고, 각 인자에 대하여 최적의 조건을 찾는 과정을 정립할 수 있다. 시나리오를 통해 도출된 결과를 이용하여 역으로 최적의 조건을 찾아가는 새로운 방법을 제안할 수 있다.
◇ 안정성을 고려하는 암모니아 저장탱크를 설계할 수 있다. 그리고 최종적으로 화학물질 관련 사고 측면에서 사전 예방적인 암모니아 저장탱크를 설계 및 제시할 수 있다. 사고 영향 측면에서 보다 안전한 공정 설계를 통해 꾸준히 발생하고 있는 화학물질 관련 사고를 대비하는 최적 설계를 제시할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 시나리오 프로그램을 이용함으로써 실제 설계 없이도 결과를 확인해 볼 수 있다는 점에서 설계 비용을 절감할 수 있다. 시나리오 프로그램에 설계 인자 값을 대입하고 그 사고 영향을 확인하는 과정이 반복 이용되므로 파일럿 공정설계 및 실 공정 설계를 대체할 수 있다.
◇ 사고를 예측한 사전 예방적 설계를 미리 구축해 놓음으로써 추가 조치 및 행정 처리비용을 절감할 수 있다. 평가자가 여러 변수를 고려하여 사업장으로부터 화학사고예방관리계획서 영향범위를 줄일 수 있도록 설계단계에 반영하여 안전성 향상 방안의 반 복적인 보완을 한다면, 행정 비용 및 추가 설비 투자비를 효과적으로 줄이는 데 도움이 될 것이다.
◇ 환경과 안전을 고려하는 설계를 진행함으로써 지속 가능한 발전에 기여할 수 있다. 기업의 재무적 지표인 공정의 효율성과 경제성뿐 아니라 비재무적 지표인 환경과 안전을 동시에 고려하는 공정설계를 통해 장기적 가치 향상을 유도할 수 있다. 지속가능 한 발전을 위한 기업과 투자자의 사회적 책임이 중요해지면서 세계적으로 많은 기관이 ESG 평가 정보를 활용하고 있다. 비재무적 친환경, 사회적 책임 활동이 기업 가치를 평가하는 주요 지표로 자리매김하고 있는 상황에서, 화학사고예방관리계획서 환경과 근로자의 안전을 고려하는 설계를 통해 공정의 SV(Social value) 향상을 도모하는 효과를 예측할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
평가 내용
◇ 설계 인자 도출 안전한 암모니아 저장탱크를 설계하기 위해 사고 영향 범위에 가장 큰 영향을 주는 알맞은 인자를 선정하기 위함이다. 선행연구 및 암모니아 저장 탱크 분석을 통해 선정된 설계 인자 후보군을 바꾸어가면서 KORA 프로그램을 실행함으로써 사고에 가장 크게 영향을 주는 인자를 선정하도록 하였다. 선정하기 위해서 설계 인자는 변수로, 사고 영향 피해는 결과로 설정하여 도식화하였고, 이후 이를 해석하여 가장 안전한 인자를 선정하는 과정을 거쳤다. 이를 위해 네 가지의 변수를 조절하여 총 216개의 경우를 분 석하였으므로 적절히 이루어졌다고 할 수 있다.
◇ 피해반경 도출된 설계 인자로 안전한 설계를 진행하였을 때 사고 영향 범위가 개선되었는지 평가하기 위함이다. 이 역시 KORA 프로그램을 이용하여 결과를 확인, 기존에 상용화되어있는 설계와 비교함으로써 이 설계가 얼마나 개선되었는지 확인할 수 있으며, 이번 설 계 과제의 가장 중요한 목표가 달성되었는지 확인할 수 있다. KORA 프로그램의 시나리오 분석 결과로 확인할 수 있는 여러 사고 영향 지표 중, 피해반경을 기준으로 설계의 안전을 평가한다.
◇ 위험도 마찬가지로 KORA 프로그램을 이용하여 이번 설계가 기존에 상용화되어있는 설계에 비해 얼마나 개선되었는지 확인하는 평가 과정이며, 지표 중 위험도를 기준으로 평가한다.
◇ 경제성 및 실현가능성 추후 확정될 설계와 적용될 사업장 종류와 그 위치, 그리고 주변환경을 고려하여 경제성 및 실현가능성을 평가하기 위함이다. 설계된 설계 인자는 안전성뿐 아니라 경제성 역시 갖추고 있어야 하며, 적용되는 사업장 종류에 따라 범용적으로 적용될 수 있도록 설계되어야 한다. 경제성의 경우 설계 이후 사고 영향을 최소화할 수 있는 설계와 기존 설계 혹은 대안 설계의 설계 비용을 비교분석 하여 평가될 것이며 실현 가능성의 경우 적용되는 사업장의 조건, 운전 범위 등을 고려하여 평가될 것이다.
개념설계안
◇ 경기도 안산시 단원구 원시동에 위치한 복합화력발전소로 사업장 위치를 가정하였다. 그 이유는 안산시복합화력발전소 반경 주변에 아파트, 호텔, 공원 등이 있어 암모니아 누출 사고 시 큰 피해를 입을 수 있기 때문에 안전에 더욱 주의를 기울일 필요가 있다고 판단했기 때문이다. 장외영향평가시 암모니아 누출 영향을 산정하기 위해 평가툴인 KORA를 이용하여 입력변수별로 산정된 영향범위의 차이를 비교하였다. 연구 대상 취급설비는 수평실런더 형태의 암모니아 저장탱크로 지면에서 독성물질이 누출되는 사고 시나리오를 모델링하였다. 기상 조건은 「사고시나리오 선정에 관한 기술지침」(화학물질안전원 지침 제2017-6호)에 따라 최악의 사고시나리오는 대기온도 25도, 대기습도 50%, 풍속 1.5m/s, 대기안정도 F 등급이며 대안의 사고시나리오는 풍속 3m/s, 대 기안정도 D 등급이고 나머지 조건은 동일하게 수행했다. 암모니아 저장탱크의 누출 영향범위 평가는 4가지 변수인 온도, 저장질량, 결속배관 최대직경, 방류벽여부(실외, 실내(일반형, 밀폐형, 봉쇄형))에 따라 수행되었다. 취급시설의 운전 온도와 압력에 따 른 영향범위 산정을 위한 입력 조건으로 온도 범위는 45도에서 –5도이며 10도 간격으로 평가하고 저장 압력은 포화증기압 변환식에 따라 온도별 최대 압력을 산정하여 입력하였다. 대안의 사고시나리오는 누출공의 경우 최대 직경의 20%로 하여 약 16mm이며, 누출시간은 1200sec로 전량 누출을 가정하여 평가하였다. 액화가스의 경우는 포화증기압 이상으로 충전되어야 하고 암모니아를 저장탱크에서 기화기로 이송시에는 일시적으로 내부 압력이 강하함에 따라 보일-샤를의 법칙에 의해서 탱크 온도도 감소한다. 암 모니아의 포화증기압을 산출하기 위한 방정식은 다음 그림과 같다. 온도 및 압력에 따른 암모니아의 누출 영향범위를 평가하기 위해서 주변 환경을 고려하여 45도에서 –5도의 실제 운전 범위를 바탕을 모델링을 수행하였고 그림1의 포화증기압 곡선에 따른 운 전 압력은 1.7881Mpa ~ 0.3544Mpa로 산출되었다. 저장질량은 3ton, 5ton, 7ton으로, 결속배관 최대직경은 20, 25, 80mm로 변경하면서 모델링을 수행했다. 방류벽여부는 실외, 실내(일반형, 밀폐형, 봉쇄형)으로 나눠서 모델링을 수행했다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
