학교 급식실 소형 LPG 저장탱크 폭발에 따른 위험성 분석
Risk Analysis of Small LPG Storage Tank Explosion in the School Cafeteria
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Abstract
이 연구는 국내 학교의 급식실 LPG 저장탱크에서 가스 누출 및 화재, 폭발이 발생하였을 경우 독성, 과압, 복사열의 영향 범위를 분석하여 학교의 인적⋅물적 피해 등을 파악하여 최선의 안전 대책을 마련하는 데 목적이 있다. ALOHA 프로그램을 활용하여 급식실에 설치된 1,000 kg 용량의 소형 LPG 저장탱크로에서 가스 누출, VCE, BLEVE로 인한 독성(Toxic), 과압(Overpressure), 복사열(Blast)의 영향 범위를 분석하였다. 기상조건에 따라 최악 시나리오와 대안(현지 기상) 시나리오로 구분하고, 저장량의 차이에 따라 50%와 100%의 저장량으로 구분하여 분석하였다. 독성으로 인한 위험성은 학교 전체 지역이 사망이나 장애의 위험에 처하게 되는 결과로 나타났다. 과압으로 인한 위험성는, 학교 전체 지역의 건물들이 피괴되거나 손상을 입을 위험에 처하게 돠고, 아울러 학교 주변지역까지 건물에 손상을 줄 수 있다는 결과로 나타났다. 복사열(blast)로 인한 위험성은 최대 135 m 이내 지역까지 사망에 처할 위험에 있고, 이 밖에 지역도 2도 화상을 입을 위험에 처하게 된다는 결과로 나타났다. 또한, 독성과 과압으로 인한 위험성은 기상 상황과 LPG 저장량의 영향을 받으며, 복사열은 LPG 저장량의 영향을 받지만 기상 상황의 영향은 미미하였다.
Trans Abstract
This study aimed to determine the best safety measures in case of accidental gas leakage, fire, or explosion in the LPG storage tank of a domestic school kitchen by analyzing the ranges potentially affected by toxicity, overpressure, and radiant heat. Using the Areal Locations of Hazardous Atmospheres (ALOHA) program, the range of damage impact of gas leakage, toxicity owing to VCE and boiling liquid expanding vapor explosion (BLEVE), overpressure, and radiant heat were analyzed for a 1,000 kg-capacity small LPG storage tank installed in the kitchen. It was classified into worst-case and alternative (local weather) scenarios, depending upon the weather conditions, and analyzed by dividing into 50% and 100% storage, as per the difference in storage. The observed risk of toxicity placed the entire school area at risk of death or disability. The risk of overpressure posed a threat to buildings in the entire school area and around the school. The risk of blasts revealed a risk of death up to a distance of 135 m, and the farther regions were at risk of second-degree burns. Additionally, the risks of toxicity and overpressure are affected by weather conditions and LPG storage, whereas blasts are primarily affected by LPG storage with minimal impact from weather conditions.
1. 서 론
1.1 연구의 필요성
국내의 유⋅초⋅중⋅고등학교에서는 급식실에서 연료로 LPG 가스를 많이 사용하고 있다.
조리를 하는 급식실은 항상 화재의 위험성이 있으며, 화재가 발생할 경우 화재의 확대로 인해 외부에 설치된 LPG 저장탱크가 폭발할 위험을 안고 있다.
급식실 LPG 저장탱크에 문제가 발생하여 유해물질이 장시간 누출되거나 누출된 가스로 인해 화재가 발생하거나 화재가 확대되어 폭발이 일어날 경우 학생들과 건축물에 심대한 영향을 미치게 된다. 특히 유해물질이 장시간 노출될 경우 인체에 심각한 영향을 미칠 수 있으며, 화재로 인한 화상은 물론 사망에 이를 수도 있고 폭발이 일어날 경우에는 폭발력으로 인해 건물의 파손은 물론 붕괴의 위험성이 있어 심각한 피해가 발생할 가능성이 있다.
1.2 선행연구 분석
Jeon et al. (2023)은 휴게소에 설치된 2,900 kg 소형 LPG 저장탱크의 VCE와 BLEVE로 인한 과압과 복사열의 영향범위를 분석하여 고속도로 휴게소 부대시설과 피해 영향 범위를 고려한 LPG 저장탱크의 안전관리 방안을 제시하였다. 또한, 휴게소 환경 및 시설을 고려한 안전사고 예방 규정 개선이 필요하다고 제안하였다.
Lee and Kong (2022)은 급식소에 설치된 1,000 kg 소형 LPG 저장탱크의 BLEVE와 VCE로 인한 복사열과 과압의 영향 범위를 ALOHA 프로그램을 적용하여 정량적으로 평가하였다. 학교 급식소 가스 누출지역의 특성과 피해 영향 범위를 고려한 LPG 저장탱크의 안전관리 방안에 대해서 제안하였다.
Lee et al. (2022)은 LPG Tank의 저장량과 누출공의 지름을 변수에 따른 Overpressure Contour (5 kW/m2) 결과를 해석하고, 개인적 위험도(Individual Risk)와 사회적 위험도(Societal Risk)를 확인하고, FN곡선을 작성했다. 복사열 결괏값을 기준과 프로페인 질량에 따른 긴급 대피 거리와 최소대피 거리를 추정하였으며, 프로페인 질량에 따른 살수 용량을 산정하였다.
Leem et al. (2015)은 3 t 미만인 소형 LPG 저장탱크가 외부 화재에 노출되었을 때의 안전성을 연구하였다. LPG 탱크 배출구에 안전 밸브 설치로 탱크 내 과압을 완화할 수 있는 방안을 마련하였다. 또한, 폭발 방지 장치, 스프링클러 시스템, 단열, 내열 코팅 및 탱크 제작을 위한 강화된 안전 계수를 포함하여 과열 위험을 방지하기 위한 몇 가지 실용적인 조치를 제안하였다.
1.3 선행연구와의 차별성
이와 같이 소형 LPG 저장탱크의 위험성 분석에 관한 선행 연구를 살펴보면 주로 LPG 저장탱크의 화재 및 폭발에 의한 피해를 분석하고 있지만 독성의 영향 범위를 분석한 연구 사례는 발표되지 않은 상태이다. 또한 용기 내 저장량의 차이에 따른 분석도 미미한 실정이다.
이 연구에서는 학생들이 밀집되어 생활하는 학교에 대한 피해영향범위를 최악 및 대안의 시나리오 분석과 아울러 용기 내 저장량이 50%일 경우와 100%일 경우로 시나리오를 세분화하여 피해 영향범위를 분석하였다. 아울러 독성물질 누출 및 화재⋅폭발 방지를 위한 기본적인 안전대책과 아울러 해당 사고 발생시의 피해발생 최소화 방안을 제시하였다.
1.4 연구의 목적
이 연구는 국내 학교의 소형 LPG 저장탱크에서 문제가 발생하여 가스 누출 및 화재, 폭발이 발생하였을 경우 독성, 과압, 복사열의 영향 범위를 분석하여 학생과 교직원 등 학교 구성원들에 대한 인적 피해와 각종 건물에 대한 물적 피해 등 전반적인 피해 규모를 파악하여 인적⋅물적 안전 대책을 마련하는 데 목적이 있다.
2. 소형 LPG 저장탱크 ETA와 ALOHA 피해 예측 프로그램
2.1 소형 LPG 저장탱크 ETA
액화석유가스로 LP가스라 불리는 LPG는 상압과 상온에서는 가스로 존재하며 온도를 낮추거나 압력을 가할 경우 쉽게 액화되어 탱크로 저장해 유통된다. 이때 탱크의 크기가 3 t 미만인 경우 소형 LPG 탱크로 분류한다. 일반적으로 LPG의 주성분은 크게 프로페인(C3H8)과 부탄(C4H10)으로 분류되며 이 연구에서는 프로페인(Propane)을 대상으로 소형 LPG 저장탱크의 BLEVE와 VCE 발생에 따른 피해 영향 범위를 분석하고자 한다.
누출원(source)과 점화원에 따라 LPG 저장탱크의 사고는 비등액체 팽창증기 폭발(Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion, BLEVE), 증기운 폭발(Vapor Cloud Explosion, VCE), 증기운 확산(Vapor Cloud Dispersion, VCD), 제트화재(Jet Fire) 등 여러 가지 형태로 발생한다. 이는 사건 수 분석(Event Tree Analysis, ETA)에 따라 나열하면 Fig. 1처럼 사고 시나리오로 전개된다.
Fire Explosion Scenario of Storage Tank Leakage
누출상(phase)의 관점에서 LPG의 누출은 기상(vapor phase)과 기상/액상(2상) 누출로 분류할 수 있다. 2상의 가스가 누출되어 즉시 점화가 되는 경우 중간현상으로 제트화재가 발생하게 된다, 이로 인한 저장탱크 가열 여부에 따라 BLEVE가 발생하거나 제트화재가 지속될 수 있다. BLEVE는 열화로 탱크 구조물이 파열되어 일시에 많은 양의 LPG가 화구(Fire ball)를 이루며 폭발하는 현상이다. BLEVE는 폭발 과압(overpressure)에 의한 피해뿐만 아니라 복사열(blast)에 의한 피해를 가중시킬 수 있다. LPG 저장탱크 플레이트(plate) 온도가 600 °C로 가열되고, 탱크 내부 온도가 53 °C이고 액 충전량이 43.68% 이상일 경우에 BLEVE의 발생이 가능하다. 누출된 기상 가스 점화 여부에 따라 VCE가 발생하거나 기상 성분이 대기 중으로 확산(VCD)되어 가스 손실로 이어질 수 있다(Lee and Lee, 2003).
2.2 ALOHA 피해 예측 시뮬레이션 프로그램
ALOHA는 미국의 해양대기국(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)이 개발해, 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)과 공동으로 활용하는 피해예측 프로그램으로 기존에 저장된 화학물질 데이터에 따라 사고 시나리오별 피해 영향 범위를 예측하고 사용자의 입력자료에 따라 피해를 예측할 수 있는 범용성과 편리성을 가진 프로그램이다. Google Earth와 호환되어 그 피해 영향범위를 지도상에 표기하여 비상 대응계획 수립 등에 활용할 수 있다. ALOHA는 기상 조건으로 지형변화는 고려치 않고 풍속, 풍향, 표면 거칠기, 대기안정도 및 대기 역전층을 반영한다. 용기(Tank)와 액면(Pool) 및 배관(Pipe) 누출조건에 따라 누출, 화재, 폭발에 따른 피해 영향범위를 3단계 범위로 표시한다.
2.2.1 누출에 의한 피해
누출 사고에 의한 독성이 인체에 미치는 피해 범위는 화학물질별 AEGL (Acute Exposure Guideline Levels), IDLH (Immediately Dangerous to Life or Health) 및 ERPG (Emergency Response Planning Guideline) 농도 값으로 구분하며, 각각의 세부적인 기준은 다음과 같다(Korea Occupational Safety & Health Agency, KOSHA GUIDE, 2020).
AEGL은 미국의 환경보호청(EPA)에서 제시한 급성노출에 대한 지침으로 일반 대중이 위험한 공기 중 화학 물질에 노출되는 화학 물질 또는 재앙적인 사건과 관련된 응급 상황에 대응자가 대처할 수 있도록 돕기 위해 고안된 노출 지침이며, 10분, 30분, 1시간, 4시간, 8시간 등 5가지의 노출 기간별로 노출 기준을 AEGL-1 (자극), AEGL-2 (장애), AEGL-3 (사망) 3단계로 구분한다. AEGL은 노인, 환자 또는 아주 젊은 사람과 같은 민감한 개인을 포함하여 대다수의 사람들이 특정 기간 동안 위험한 화학 물질에 노출될 경우 건강에 영향을 미치기 시작하는 농도를 추정한다. 특정 노출 기간 동안 화학물질은 최대 3개의 AEGL 값을 가질 수 있으며, 각 값은 특정 수준의 건강 영향에 해당된다. 세 가지 AEGL 계층은 다음과 같이 정의된다.
AEGL-3 은 취약한 개인을 포함하여 일반 인구가 생명을 위협할 수 있는 것으로 예상되는 물질의 공기 중 농도로 ppm 또는 mg/m3으로 표시되며, 건강에 영향을 미쳐 사망에 이르게 되는 상태이다.
AEGL-2 는 취약한 개인을 포함한 일반인이 돌이킬 수 없거나 기타 심각하고 장기적으로 건강에 해로운 영향을 미치거나 장애를 일으킬 수 있다고 예측되는 물질의 공기 중 농도(ppm 또는 mg/m3로 표시)이다.
AEGL-1 은 민감한 개인을 포함한 일반인이 눈에 띄게 불편하게 느끼는 자극 또는 특정 무증상 무감각 효과를 경험할 수 있다고 예측되는 물질의 공기 중 농도(ppm 또는 mg/m3)이다.
AEGL의 단계별로 독성물질이 60분 동안 노출되었을 때 인체에 영향을 주는 농도를 ppm으로 표현하고, 그 피해 영향 범위는 3단계 기준값에 따라 Table 1과 같이 제시한다.
Scope of Impact of Toxic Substances
2.2.2 폭발에 의한 피해
폭발에 의한 피해를 나타내는 지표인 과압(overpressure)은 psi (pound-force per square inch)로 표현하고 그 피해 영향범위는 ALOHA의 3단계 기준값에 따라 Table 2와 같이 제시한다. 즉 과압이 1.0 psi (7 kPa) 이상일 경우 건물의 유리창이 깨질 수 있으며, 3.5 psi (25 kPa) 이상일 경우 건물이 심하게 상처받을 수 있고, 8.0 psi (55 kPa) 이상일 경우에는 건물이 파괴될 수 있다.
Scope of Impact of Overpressure
3. ALOHA프로그램 시나리오 설정
3.1. 분석 대상
ALOHA 프로그램을 적용하고자 하는 대상은 Fig. 2와 같이 ‘A’ 고등학교 급식실에서 사용하고 있는 1,000 kg 소형 LPG 저장탱크다. 탱크는 수직 실린더 형태로 높이는 1.8 m, 직경은 1.0 m, 저장 액위는 1.41 m이다. 학교 급식소 LPG탱크에 공급되는 주성분은 프로페인이다.
‘A’ High School Cafeteria Small LPG Storage Tank
LPG 저장탱크는 급식실과 외벽을 사이에 두고 붙어 있으며, 인근 식당의 주방과 담장을 사이에 두고 있어서 가스 누출시 화재 위험성이 매우 큰 상황이다.
LPG 저장탱크의 위치는 학교 구성원들이 주로 활동하는 본관과는 매우 인접한 12 m 거리에 있으며, 후관은 60 m, 정보과학관은 112 m, 기숙사는 135 m 거리에 있다.
3.2. 시나리오 설정
연구 대상의 급식실에 설치된 1,000 kg 용량의 소형 LPG 저장탱크로부터 가스 누출, VCE, BLEVE가 발생했을 때 그에 따른 독성 물질, 과압, 복사열의 피해 영향 범위 분석을 시나리오로 설정하고 ALOHA 프로그램을 적용하였다.
ALOHA 사고 시나리오 분석에 따른 ‘A’ 고등학교 LPG 저장탱크 주변의 주요 건물의 위치 정보는 Fig. 3과 같이 구글어스(Google Earth) 자료를 활용하였다.
‘A’ High School Building Arrangement
연구 대상은 ‘A’ 고등학교의 LPG 저장탱크로서 탱크내 물질은 현재 사용하고 있는 프로페인(Propane)을 적용하였다. Direct (직접 누출), Puddle (웅덩이), Tank (용기), Pipe (배관) 등 총 4가지의 ALOHA 시나리오 누출원(source) 모델에서 고등학교 급식실에서 사용하는 소형 LPG 저장탱크의 특성과 기상 조건을 고려해 탱크(Tank) 누출원 모델을 적용하였다.
ALOHA 탱크 누출원 시나리오에 따른 누출(Leak), VCE와 BLEVE의 최종 현상을 제시하였다. 열화로 인한 탱크 구조물의 파열 여부에 따라 발생하는 누출, VCE와 BLEVE에 대한 독성(toxic), 과압(overpressure), 복사열(blast)을 분석하였다.
시나리오별 기상정보 입력 변수는 환경부 화학물질안전원의 ｢사고 시나리오 선정 및 위험도 분석에 관한 기술 지침｣의 기준값에 따라 Table 5에 제시하였다(National Institute of Chemical Safety, 2021).
Risk Assessment Scenario for Small LPG Storage Tank
현지 기상정보를 Table 41)와 같이 입력변수로 사용하는 ‘대안 시나리오’를 ‘시나리오 1’로 설정하였고, 최악 조건의 기상정보를 입력변수로 사용하는 ‘최악 시나리오’를 ‘시나리오 2’로 설정하였다. 시나리오 1과 2는 용기 내 저장율이 50%일 때와 100%일 때를 각각 A와 B로 구분하여 시나리오를 세분화하였다.
Average Temperature and Humidity of ‘A’ High School (2023)
즉, Table 5와 같이 시나리오 1-A와 1-B는 LPG 저장탱크 주변의 2023년도 평균 기상조건인 대기온도는 14.2 °C, 풍향은 서풍(W), 풍속은 3 m/sec, 대기안정도는 D등급(중립), 대기 역전층 없음, 습도는 70%를 입력변수로 사용하였으며, 다시 용기 내 저장량의 차이에 따라 시나리오 1-A는 50% (500 kg), 시나리오 1-B는 100% (1,000 kg)를 적용하여 1분 동안 누출되는 것으로 설정하였다.
시나리오 2-A와 2-B는 화학물질안전원에서 제시한 최악의 기상조건인 대기온도 25 °C, 풍속 1.5 m/sec, 대기안정도 F등급(매우안정), 대기 역전층 없음, 습도 50%를 입력변수로 사용하였으며, 다시 용기 내 저장량의 차이에 따라 시나리오 2-A는 500 kg, 시나리오 2-B는 1,000 kg을 적용하여 1분 동안 누출되는 것으로 설정하였다.
4. 시나리오 결과 및 분석
ALOHA 프로그램을 활용하여 시나리오별 ‘A’ 고등학교의 주요 건물들의 위험성을 분석하였다. 주요 건물들과 LPG저장탱크와의 최단 거리는 본관 12 m, 후관 60 m, 정보과학관 112 m, 기숙사 135 m 거리에 있다.
4.1 독성(toxic)에 대한 결과 및 분석
‘A’ 고등학교 LPG 저장탱크에 저장된 프로페인(Propane)의 누출에 의한 독성(toxic)의 피해를 분석하였다. 앞에서 제시한 Table 5의 시나리오에 따라 ALOHA 프로그램에 의해 독성 물질의 영향범위를 분석하였다. 지역정보와 화학물질정보를 포함한 입력변수에 따라 도출된 독성 물질의 위험지역은 빨강, 주황, 노랑의 3가지 색깔로 구분하였다. 그리고 각각에 대해 33,000 ppm 이상, 17,000 ppm 이상, 5,500 ppm 이상 농도로 구분해 그 피해 영향 및 반경 범위를 제시하였다.
LPG저장탱크 가스 누출로 인해 60분 동안 노출되었을 경우 유해 물질이 인체에 미치는 영향은 AEGL-1 (자극), AEGL-2 (장애), AEGL-3 (사망)의 3단계로 나타나며, 시나리오별 분석 결과는 Table 6과 같다.
ALOHA Analysis of Toxic Substances
시나리오 1-A의 경우, AEGL-3 (사망)은 43 m, AEGL-2 (장애)는 62 m, AEGL-1 (자극)은 113 m의 영향반경으로 나타났다. 이는 본관은 사망에 위험, 후관은 장애의 위험, 정보과학관은 자극을 느낄 정도이며, 기숙사에는 영향이 없는 것으로 나타났다.
시나리오 1-B의 경우, AEGL-3 (사망)은 63 m, AEGL-2 (장애)는 91 m, AEGL-1 (자극)은 116 m의 영향반경으로 나타났다. 이는 본관, 후관은 사망의 위험, 정보과학관과 기숙사에는 자극을 느낄 정도로 나타났다.
시나리오 2-A의 경우, AEGL-3 (사망)은 105 m, AEGL-2 (장애)는 135 m, AEGL-1 (자극)은 203 m의 영향반경으로 나타났다. 이는 본관, 후관은 사망의 위험, 정보과학관은 장애의 위험, 기숙사는 자극을 느낄 정도로 나타났다.
시나리오 2-B의 경우, AEGL-3 (사망)은 139 m, AEGL-2 (장애)는 182 m, AEGL-1 (자극)은 277 m의 영향반경으로 나타났다. 이는 본관, 후관, 정보과학관, 기숙사 등 교내 전 지역이 사망의 위험에 이르는 것으로 나타났다.
이와같이 LPG 저장탱크 누출로 인한 독성에 의한 피해 영향 범위를 ALOHA 프로그램에서 그래프로 확인해보면 Fig. 4와 같이 노랑, 주황, 빨강으로 해당 지역을 알 수가 있다.
Effects and Ranges of Toxicity in ALOHA
또한, LPG 저장탱크 누출로 인한 독성에 의한 피해 영향 범위를 Google Earth로 확인해보면 Fig. 5와 같이 노랑, 주황, 빨강으로 표시된 해당 지역을 지도상으로 확인할 수 있다.
Effects and Ranges of Toxicity in Google Earth
4.2 과압(overpressure)에 대한 결과 및 분석
‘A’ 고등학교 LPG저장탱크에 저장된 프로페인(Propane)의 VCE로 인한 피해를 분석하였다.
앞에서 제시한 Table 5의 시나리오에 따라 ALOHA 프로그램에 의해 VCE에 의한 과압의 영향범위를 분석하였다.
과압의 위험지역은 노랑, 오렌지, 빨강의 3가지 색깔로 구분하였다. 그리고 각각에 대해 1.0 psi 이상(유리창 깨짐), 3.5 psi 이상(건물 중상), 8.0 psi 이상(건물 파괴)으로 구분해 그 피해 영향 및 반경 범위를 제시하였는데, 시나리오별 분석 결과는 Table 7과 같다.
ALOHA Analysis of Overpressure
시나리오 1-A의 경우, 과압 8.0 psi는 73 m, 3.5 psi는 103 m, 1.0 psi는 221 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관과 후관은 건물이 파괴될 위험, 정보과학관과 기숙사는 유리창이 깨칠 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 1-B의 경우, 과압 8.0 psi는 105 m, 3.5 psi는 146 m, 1.0 psi는 309 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관과 후관은 건물이 파괴될 위험, 정보과학관과 기숙사는 건물에 중상을 일으킬 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 2-A의 경우, 과압 8.0 psi는 141 m, 3.5 psi는 168 m, 1.0 psi는 297 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관, 후관, 정보과학관, 기숙사 등 교내 모든 건물이 파괴될 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 2-B의 경우, 과압 8.0 psi는 189 m, 3.5 psi는 220 m, 1.0 psi는 383 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 시나리오 2-A보다 더 넓은 범위까지 영향을 미쳐, 교내는 물론 학교 밖 주택지역에까지 건물이 파괴될 위험에 있는 것으로 나타났다.
이와 같이 LPG 저장탱크 VCE에 의한 과압의 피해 영향 범위를 ALOHA 프로그램에서 그래프로 확인해보면 Fig. 6과 같이 노랑, 주황, 빨강으로 해당 지역을 알 수가 있다.
Effects and Ranges of Overpressure in ALOHA
또한, LPG 저장탱크의 VCE에 의한 과압의 피해 영향 범위를 Google Earth로 확인해보면 Fig. 7과 같이 노랑, 주황, 빨강으로 표시된 해당 지역을 지도상으로 확인할 수 있다.
Effects and Ranges of Overpressure in Google Earth
4.3 복사열(blast)에 대한 결과 및 분석
‘A’ 고등학교 LPG저장탱크에 저장된 프로페인(Propane)의 BLEVE로 인한 피해를 분석하였다.
앞에서 제시한 Table 5의 시나리오에 따라 ALOHA 프로그램에 의해 BLEVE에 의한 복사열의 영향범위를 분석하였다.
시나리오에 따라 ALOHA 프로그램에 의해 BLEVE에 의한 복사열의 영향범위를 예측한 결과, 복사열의 위험지역은 노랑, 주황, 빨강의 3가지 색깔로 구분하였다. 그리고 각각에 대해 2 kW/m3 이상(고통 느낌), 5 kW/m3 이상(2도 화상), 10 kW/m3 이상(사망) 복사열 강도로 구분해 그 피해 영향 및 반경 범위를 제시하였는데, 시나리오별 분석 결과는 Table 8과 같다.
ALOHA Analysis of Blast
시나리오 1-A의 경우, 복사열이 10 kW/m3는 108 m, 5 kW/m3는 153 m, 2 kW/m3는 238 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관과 후관은 사망의 위험, 정보과학관과 기숙사는 2도 화상의 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 1-B의 경우, 복사열이 10 kW/m3는 135 m, 5 kW/m3는 190 m, 2 kW/m3는 297 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관, 후관, 정보과학관은 사망의 위험, 기숙사는 2도 화상의 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 2-A의 경우, 복사열이 10 kW/m3는 107 m, 5 kW/m3는 150 m, 2 kWm3는 235 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관과 후관은 사망의 위험, 정보과학관과 기숙사는 2도 화상의 위험에 있는 것으로 나타났다.
시나리오 2-B의 경우, 복사열이 10 kW/m3는 133 m, 5 kW/m3는 188 m, 2 kW/m3는 293 m까지에 해당하는 것으로 나타났다. 이는 본관, 후관, 정보과학관은 사망의 위험, 기숙사는 2도 화상의 위험에 있는 것으로 나타났다.
또한 복사열은 기상조건과는 무관하며, LPG 저장량이 많을수록 피해가 클 것으로 예측된다.
이와같이 LPG 저장탱크 BLEVE에 의한 복사열의 피해 영향 범위를 ALOHA 프로그램에서 그래프로 확인해보면 Fig. 8과 같이 노랑, 주황, 빨강으로 해당 지역을 알 수가 있다.
Effects and Ranges of Blast in ALOHA
또한, LPG 저장탱크의 BLEVE에 의한 복사열의 피해 영향 범위를 Google Earth로 확인해보면 Fig. 9와 같이 노랑, 주황, 빨강으로 표시된 해당 지역을 지도상으로 확인할 수 있다.
Effects and Ranges of Blast in Google Earth
4.4 소결
국내의 유⋅초⋅중⋅고등학교 중 일부 학교에서는 급식실 조리를 위해 1,000 kg의 소형 LPG 저장탱크를 설치하여 운영하고 있지만 안전 대책은 미미한 실정이며, 급식실 화재 사고도 빈번히 발생하고 있어 LPG 저장탱크의 폭발 사고로 이어질 위험성을 안고 있다.
이 연구에서는 ALOHA 피해 예측 프로그램을 활용하여 학교에 설치된 1,000 kg 소형 LPG 저장탱크의 누출, VCE, BLEVE 발생에 따른 독성, 과압, 복사열의 피해 영향범위를 최악의 시나리오와 대안의 시나리오로 구분하고, 아울러 용기 내 저장량이 50%와 100%일 경우 로 구분하여 분석하였다.
독성(toxic)에 대한 영향 범위의 분석 결과, 사망에 이르는 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 43 m, 저장량 100%일 때 63 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 105 m, 저장량 100%일 때 139 m까지로 나타났다. 또한 신체적 장애를 가져올 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 62 m, 저장량 100%일 때 91 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 135 m, 저장량 100%일 때 182 m까지로 나타났다.
과압(overpressure)에 대한 영향 범위의 분석 결과, 건물이 파괴될 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 73 m, 저장량 100%일 때 105 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 141 m, 저장량 100%일 때 189 m까지로 나타났다. 또한, 건물에 손상될 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 103 m, 저장량 100%일 때 146 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 168 m, 저장량 100%일 때 220 m까지로 나타났다.
복사열(blast)에 대한 영향 범위의 분석 결과, 사망에 이르는 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 108 m, 저장량 100%일 때 135 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 107 m, 저장량 100%일 때 133 m까지로 나타났다. 또한, 2도 화상을 입을 수 있는 위험 반경은 대안 시나리오에서 저장량이 50%일 때 153 m, 저장량 100%일 때 190 m까지이며, 최악 시나리오에서는 저장량이 50%일 때 150 m, 저장량 100%일 때 188 m까지로 나타났다.
5. 결론 및 시사점
LPG 가스 누출에 따른 독성으로 인한 위험성은 기상상황과 저장량에 따라 차이는 있지만 학교 전체 지역이 사망이나 장애의 위험에 처하게 되는 결과로 나타났다.
LPG 저장탱크의 VCE에 따른 과압으로 인한 위험성은 기상상황과 저장량에 따라 차이는 있지만 학교 전체 지역의 건물들이 피괴되거나 손상을 입을 위험에 처하게 되고, 아울러 학교 주변지역까지 건물에 손상을 줄 수 있다는 결과로 나타났다.
LPG 저장탱크의 BLEVE에 따른 복사열로 인한 위험성은 기상상황보다는 저장량에 따라 차이를 보이고 있다. 복사열로 인해 최대 135 m 이내 지역까지 사망에 처할 위험에 있고, 이 밖에 지역도 최대 190 m까지는 2도 화상을 입을 위험에 처하게 된다는 결과로 나타났다.
이러한 피해 예측분석 결과를 바탕으로 화재 및 폭발 등의 사고예방을 위한 LPG 저장탱크의 사전 안전관리 대책과 아울러 독성물질누출 사고 발생을 가정한 피해 최소화대책에 대해 제언하고자 한다.
먼저 LPG 저장탱크로 인한 화재⋅폭발 및 독성가스 누출 등을 예방하기 위한 사전 안전관리 대책이다.
첫째, 학교는 많은 학생들이 밀집된 공간으로 학생들의 안전이 매우 중요하다는 점에서 소형 LPG 저장탱크의 BLEVE 폭발에 의한 피해가 발생할 수 없는 구조로 탱크를 지하에 매설하거나 LPG 저장탱크가 필요없는 배관을 통한 LNG 도시가스로 전환하는 방안도 고려하여야 할 것이다.
둘째, LPG 저장탱크의 압력과 온도에 대한 모니터링 등을 포함한 정기적인 안전 점검 및 유지 관리를 생활화하여야 할 것이다.
셋째, LPG 저장탱크 주변에 보안 카메라와 충분한 조명을 설치하여, 비인가자의 접근을 방지하고 야간에도 시설의 안전을 확인할 수 있도록 하고, 필요한 인원만이 접근할 수 있도록 키나 카드시스템을 도입하는 것도 고려해야 한다.
넷째, LPG 저장탱크의 취급 방법, 비상 시 대응 절차, 안전 관리 요령 등에 대하여, 교육부 규정과 매뉴얼을 마련하고, 학교에서는 교육부 매뉴얼에 따라 급식실 종사자와 교직원을 대상으로 정기적인 교육을 실시하여야 한다.
다음은 독성가스 누출에 따른 피해최소화 대책이다. 독성가스가 누출시에 인지 → 대응 → 피난의 각 단계별 대응방안을 강구하는 것이다.
첫째, 인지 단계에서는 야간 누출 시를 고려하여 가스누출경보기를 복수 설치하여 누출을 조기에 인지하고 대응하는 방안이다. 가스누출 경보기의 관리책임자를 지정하여 누출 경보시에는 책임자가 긴급방송으로 피난절차를 진행해야 한다. 이를 위해 긴급 피난 절차 등의 절차서가 필요하다.
둘째, 대응 방안으로 누출시 인명보호구(공기호흡기)를 착용하여 가스누출 차단 등 긴급조치하는 방안이다. 이를 위해 공기호흡기를 구비하고 책임자 및 보관장소를 지정하여 운영해야 한다. 이를 위해 관리책임자 등에 대해서는 보호구 착용방법 및 대응조치 방안 등의 교육의 실시가 필요하다.
셋째, 피난방안으로 독성의 경우 바람의 영향을 받기 때문에 피난 경로를 바람과 다른 경로로 지정하고 운영하는 방안이다. 즉, 바람의 영향을 받지 않는 지역을 피난통로로 지정하여 대피해야 한다. 아울러 건물 내로 피난 시에는 가스침입을 방지하기 위해 창문의 폐쇄 등 밀폐조치가 필요하다.
이 연구는 다음과 같이 연구의 한계와 이에 따른 향후 연구 과제를 안고 있다.
첫째, 이 연구는 LPG 저장탱크의 영향범위를 학교 내로 한정하였다. 따라서 학교 주변의 주택, 공공기관, 상가 등 학교인근지역의 위험성을 분석하는 후속 연구가 필요할 것이다.
둘째, 피해 영향 분석 시 실내⋅외를 구분하지 않은 한계가 있어 후속 연구에는 실내와 실외로 구분하여 연구할 필요가 있다.
셋째, 과압의 영향 평가 시 연구 대상 건물의 강도와 연관성을 가지고 연구할 필요가 있다.
이 연구 결과가 유⋅초⋅중⋅고등학교 급식실에서 사용하는 소형 LPG 저장탱크의 피해 영향범위 분석 결과를 바탕으로 가스 누출, 화재, 폭발 사고를 사전에 예방하고, 사고 발생 시 피해를 최소화할 수 있는 자료로 활용되기를 기대한다.
References
Notes
기상청 기상자료 개방 포털(https://data.kma.go.kr/cmmn/main.do)