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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.31 No.1 pp.109-119
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2025.31.1.109

Case Study on the Prediction of Gas Dispersion Range from a Chemical Tanker

Seong Min Lee*, Ha Young Kim**, Kwang Il Hwang***†
*M.S. Course, Department of Refrigeration and Air Conditioning Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea
**M.S. Course, Department of Refrigeration and Air Conditioning Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea
***Professor, Division of Mechanical Engineering, National Korea Maritime & Ocean University, 727, Busan, 49112, Korea

* First Author : zoos147@g.kmou.ac.kr, 051-410-5030


† Corresponding Author : hwangki@kmou.ac.kr, 051-410-4368
January 22, 2025 February 21, 2025 February 25, 2025

Abstract


With the increasing demand for petroleum products in the Asia–Pacific region, the operation of tanker vessels carrying chemicals has increased, leading to growing concerns over leakage incidents. The transportation of liquefied petroleum gas (LPG) poses a significant risk owing to its non-water-soluble nature and low lower explosive limit (LEL), making it highly susceptible to explosions. In the event of an LPG gas leakage at sea, there is a high likelihood of secondary incidents, as gases can spread from the initial accident on the vessel to nearby coastal areas. In this study, we aim to predict the dispersion range of leaked gas from a chemical tanker operating in the coastal waters near Korea Maritime and Ocean University using computational fluid dynamics (CFD) simulations, based on a hypothetical LPG gas leakage scenario. The results showed that leaked gas from tankers operating in the northern, eastern, and southeastern waters reached the coastal area in 8, 15, and 12 s, respectively, spreading over 1/4th, 1/6th , and 1/5th of the total area. Furthermore, even after the gas completely leaked from the vessel, the gas concentration within the coastal area remained within the flammable range for 15, 33, and 36 s, respectively. The analysis of the factors affecting gas dispersion revealed that the size of the leakage outlet had a greater impact than the wind speed. By applying the analytical methods used in this case study, the dispersion range of hazardous gases leaked from vessels navigating coastal routes is expected to be accurately predicted, providing foundational data to improve existing response guidelines.


LPG (liquefied petroleum gas) , Chemical tanker , Coastal area , Dispersion range prediction , CFD simulation

화학물질 운반선의 가스 누출 시 확산 범위 예측에 관한 사례 연구

이성민*, 김하영**, 황광일***†
*국립한국해양대학교 냉동공조공학과 석사과정
**국립한국해양대학교 냉동공조공학과 석사과정
***국립한국해양대학교 기계공학부 교수

초록


아시아·태평양 지역의 석유 제품 수요가 증가함에 따라, 해상에서 화학물질을 운반하는 탱커선의 운항이 늘어나면서 누출 사고에 대한 우려도 증가하고 있다. 특히, 탱커선에 적재되는 화학물질 중 하나인 LPG는 비수용성이고, 폭발 하한계가 낮아 쉽게 폭발할 수 있기 때문에 해상에서 LPG 가스가 누출될 경우, 선박에서의 1차 사고뿐 아니라 인근 연안 지역으로 확산되어 2차 사고로 이어질 가능성이 높다. 이에 본 연구에서는 한국해양대학교가 위치한 연안 지역 인근 해상을 운항 중인 화학물질 운반선에서 LPG 가스가 누출되는 상황을 가정하고, CFD 시뮬레이션을 통해 학교까지 누출된 가스의 확산 범위를 예측하고자 한다. 연구 결과, 선박 위치에 따라 북쪽, 동쪽, 남동쪽 해상을 운항 중인 화학물질 운반선에서 누출된 가스는 각각 8초, 15초, 12초 만에 연안 지역에 도달하여, 전체 면적의 1/4, 1/6, 1/5 만큼 확산되었다. 또한, 선박에 적재된 가스가 모두 누출된 이후에도 연안지역 내 가스 농도는 각각 15초, 33초, 36초 동안 인화성 범위를 유지하였다. 가스 확산에 영향을 미치는 조건을 분석한 결과, 누출구 크기가 풍속보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 본 사례 연구의 해석기법을 활용해, 연안 항로를 운항 중인 선박에서 누출된 유해 가스가 인근 연안 지역에 확산되는 범위를 예측하고, 이를 기반으로 기존 대응 지침을 보완하는 기초자료로서 활용되기를 기대한다.


LPG , 화학물질 운반선 , 연안 지역 , 확산 범위 예측 , CFD 시뮬레이션

    1. 서 론

    해상운송에서 중요한 역할을 하는 탱커선은 원유, 정제된 석유 제품, 화학물질 등 대량의 액체 화물을 운송하도록 설계된 선박이다. 최근 아시아-태평양 지역의 석유 제품 수요가 증가함에 따라, 탱커선의 선복량은 컨테이너선보다 약 2배 많은 추세를 보이고 있다(TRADLINX, 2024). 탱커선에서 운반되는 화학물질이 누출될 경우, 물리적·화학적 특성에 따라 화재 및 폭발의 위험과 독성으로 인한 환경오염을 초래 할 수 있다. 특히, LPG는 끓는점이 –42℃로 매우 낮아, 저장 탱크에는 액체 상태로 보관되지만, 누출 시 기체 상태로 전환되어 빠르게 확산된다. 또한, LPG는 융해도가 0.06으로 물에 잘 녹지 않는 비수용성 물질이며, 폭발 범위가 2.1 ~ 9.5 % 로 하한계가 낮아 쉽게 폭발할 수 있다. 이처럼 LPG는 공기 보다 1.55배 무거워 누출 시 낮은 곳으로 이동하며 하부에 점화원이 존재할 경우, 화재 및 폭발이 발생할 가능성이 높다(CIS, 2024;DH, 2022).

    실제로 선박에서 LPG를 포함한 화학물질이 누출되어 사고가 발생한 사례가 있었다. 2013년 12월, 부산 영도구 해상에서 화물선과 화학물질 운반선의 충돌로 화학물질 운반선의 화물 탱크에 약 8 m 크기의 파공이 발생하였다. 이로 인해 폭발 위험이 높은 유독성 가스가 누출되어 화재가 발생하였다. 또한, 2018년 4월, 싱가포르 해협에서 액화가스 운반선과 원유 운반선의 충돌로 액화가스 운반선의 화물 탱크가 파손 되어 약 1,000톤의 부탄(LPG)이 대기로 누출되었다. 빠른 대응으로 추가적인 피해는 없었으나, 선박 간의 충돌로 입은 물리적 손상 때문에 운항이 불가능한 상태가 되었다(TSIB, 2020).

    지금까지 육상에서 발생한 LPG 가스 누출 사고를 공학적 으로 분석한 연구가 있었으며, 사례는 다음과 같다. I and Cheng(2021)은 1997년 대만의 석유 화학 공장에서 발생한 LPG 탱크 폭발 사고를 FLACS로 분석하였다. 폭발로 인한 온도 및 압력을 토대로 주변 주거지역과 탱크 주변 작업자에게 미치는 영향을 파악하였으며, 이는 실제 사고와 유사한 결과임을 증명하였다. Landucci et al.(2017)은 2009년 이탈 리아에서 도시지역을 지나던 LPG 화물 열차가 전복되며 가스가 누출된 사고에 대해 운송 위험성 분석(TRA)을 수행하 였고, LPG 누출 시 플래시 화재 및 증기구름 폭발 시나리오의 가능성을 제시하며 실제 사고와 유사한 결과를 유도하였다. Kang et al.(2023)은 2020년 중국 웬링 고속도로에서 LPG 탱크 트럭이 가드레일과 충돌한 뒤 발생한 누출 및 폭발 사고에 대해 FLACS를 활용하여 분석한 결과, 과압 분포를 통해 건물 및 장애물이 가스 확산에 영향을 미침을 파악하였으며, 실제 사고의 피해 범위와 유사함을 확인하였다. Bariha et al.(2016)은 인도에서 발생한 LPG 탱커 트럭의 가스 누출로 인한 화재 및 폭발 사고가 일어난 지역에 대해 ALOHA와 PHAST 소프트웨어를 활용해 열복사, 폭발 압력 등에 대해 평가하여 실제 사고와 유사성을 입증하였다.

    하지만, 기존 사례 연구들은 대부분 육상의 주거 지역인 근에서 발생한 LPG 가스 누출을 중심으로 화재 및 폭발의 영향을 파악하고, 실제 사고와의 유사성을 검토하는 데 초점을 맞추었다. 육상 사고에서는 누출된 LPG 가스가 주로 낮은 지대로 퍼져 주변의 건물과 장애물에 의해 확산 범위가 제한되는 경향이 있었다. 그러나, 해상에서 사고가 발생 할 경우, 개방된 환경이라는 특성상 가스가 인근 연안 지역까지 확산될 가능성이 높아, 이는 누출 원점인 선박에서 발생한 1차 피해에 그치지 않고 가스가 인근 연안 지역으로 이동하여 2차 피해가 초래될 수 있음을 의미한다. 더욱이, 기존 사례 연구는 주로 실제 사고에 기반해 피해 영향을 분석했으나, 이러한 연구는 특정 사고에 국한된 결과를 제공 하기 때문에, 다양한 누출 조건과 풍속 변화에 따른 가스 확산 범위를 예측하는 데 한계가 있다. 따라서, 해상에서 발생할 수 있는 LPG 가스 누출 사고를 가정하고, 다양한 누출 및 풍속 조건을 고려해 연안 지역에 확산되는 가스 범위를 예측하는 연구가 필요하다.

    이에 본 연구는 해상을 운항 중인 선박에서의 가스 누출 사고를 가정하여, 누출 및 풍속 조건을 고려한 CFD 시뮬레이션을 수행한다. 이를 통해 선박 위치에 따른 가스 누출 시, 인근 연안 지역에 확산된 범위를 파악하여 인화성 범위의 농도가 차지하는 면적과 유지하는 시간을 예측 및 분석하는 것을 목표로 한다.

    2. 연구 조건

    2.1 연구대상

    본 연구에서는 해상에서 누출된 가스가 연안 지역으로 확산되는 상황을 고려하여, 대한민국 부산시 영도구에 속한 조도(鳥島)를 연구 대상으로 선정하였으며, 조도의 위치는 Fig. 1과 같다. 조도는 영도구 내부와 단 하나의 방파제 도로만으로 이동할 수 있으며, 유일한 생활 시설인 한국해양대 학교가 위치해 있어 학교가 조도를 대표하므로, 이후 본 논문에서는 연안지역인 조도를 ‘학교’로 기술하였다. 또한, 해상의 선박에서 누출된 가스가 도달할 경우, 학교에 있는 8,347명의 교직원 및 학생이 모두 이 연결로를 통해 대피해야 한다. 외부의 구조 및 지원도 연결로를 통해 들어올 수 있으므로 가스 누출 사고 시, 연결로가 혼잡하여 신속한 대피와 대응이 어려운 상황이 발생할 수 있다. 따라서, 해상에서 누출된 가스가 학교로 확산된 범위를 예측하고 분석할 필요가 있다.

    본 연구의 대상 선박은 현재 국내에서 운항 중인 LPG 운반선 11척 중 학교의 위치를 고려하여 주요 항로가 부산인 선박의 정보를 참고하였다(KSWE, 2024;KR, 2024). 참고한 선박의 정보는 다음과 같다. 선박의 흘수(Draft)는 4 m, 전장(Length overall)은 71 m, 선폭(Breadth)은 12 m, 총 톤수(G/T)는 999 ton, 재화중량톤수(Dead weight tonnage)은 1,062 ton이다.

    2.2 선박위치 지정 기준

    LPG 운반선의 위치는 국립해양조사원의 ‘해아름’ 서비스에서 점선으로 나타낸 국내 선박 항로 지도(Fig. 2)를 참고하 여 지정하였다. 본 연구에서는 가스가 학교 내 인화성 범위의 농도로 넓게 확산되는 최악의 상황을 설정하기 위해 다음과 같은 조건을 고려하여 학교 주변 북쪽, 동쪽, 남쪽의 선박 위치를 지정하고자 한다.

    먼저, 북쪽 해상에 위치한 선박에서 LPG 가스가 누출될 경우, 가스는 건물이 밀집된 구역으로 확산될 가능성이 있다. 이에 누출된 가스가 학교에 인화성 범위의 농도로 넓게 확산될 수 있는지 검토하였다.

    학교 동쪽과 남쪽 해상에 위치한 선박에서 가스가 누출될 경우, 동쪽은 학교 내 갈매기산을, 남쪽은 영도구에 위치한 태종대 및 태종산을 지나야 학교에 도달할 수 있다. 이에 가스가 산과 충돌하더라도 학교까지 확산될 수 있는지 확인해야 한다.

    2.3 누출 및 풍속 조건

    2.3.1 누출구 크기

    본 연구는 해상을 운항중인 LPG 운반선의 저장탱크에서 가스가 누출되는 상황을 가정하여 학교로 확산되는 범위를 예측하는 데 초점을 맞추고 있다. 이를 위해 선박 본체를 모델링하지 않고, 선박의 저장탱크에 형성된 누출구를 원통형 형태로 모델링하였다.

    이때, 누출구 크기는 미국 석유 화학협회(API)에서 제시한 위험 기반 검사 기준(API 581)을 참고하였다(KOSHA, 2023a). Table 1에 따르면, API 581에서는 누출구 크기를 소형, 중형, 대형, 파열형으로 분류하고 있다. 본 연구는 파열형 크기 (406 mm)를 기준으로 1배에서 9배까지 적용하여 가스가 학교 내에서 인화성 범위의 농도로 가장 넓게 확산되는 누출구 크기를 선정하고자 한다. 이러한 1배에서 9배까지의 누출구 크기는 서론에서 언급된 탱커선 사고 사례 중에서 선박 간의 충돌로 저장탱크에 8 m 크기의 파공이 발생한 경우가 있었기 때문에 현실적으로 발생할 가능성이 있는 크기이다.

    또한, 누출구 크기에 따른 가스 확산 범위를 분석하기 위해, 다양한 크기(1배에서 9배)에 따라 선정한 누출구 크기를 기준으로 파열형 크기(406 mm), 실제 탱커선 충돌로 발생한 파공 크기(8,000 mm)를 비교한다. 이를 통해 누출구 크기에 따른 가스 확산 범위를 예측하고자 한다.

    2.3.2 누출량 및 누출시간

    LPG 가스는 주로 프로판과 부탄으로 구성되며, 주성분에 따라 사용 목적과 구성 비율이 달라진다. 프로판과 부탄의 물리적 특성을 비교하면, 프로판이 부탄보다 밀도가 낮고, 분자량은 가벼워 누출 시 더 빠르게 확산되고 넓은 범위로 퍼질 가능성이 높다(MTIE, 2022). 따라서, 본 연구에서는 프로판이 주성분인 LPG 가스를 대상으로 수행하였다. 참고한 LPG 운반선에 적재된 프로판의 저장 압력과 온도는 1.765 MPa, 0℃이며, 프로판이 주성분인 LPG의 구성 비율은 다음과 같다.

    • Propane(C3H8): 97.29%

    • Isobutane(C4H10): 0.73%

    • N-butane(C4H10): 0.11%

    • Propylene (C3H6): 0.13%

    • Ethane(C2H6): 1.72%

    본 연구에서는 가스 또는 증기 상태로 누출되는 상황에 적용되는 식(1)과 식(2)을 사용하여 누출량을 계산하였다 (KOSHA, 2023b).

    P 1 = P C F   ·   ( γ + 1 2 ) γ γ − 1
    (1)

    Q = C D       ·       A       ·     P 1 ( γ     ·     M w     ·     g c R     ·     T 1 ) ( 2 γ + 1 ) γ + 1 γ − 1
    (2)

    여기서, 수식에 필요한 변수는 다음과 같다. P1은 화학설비의 운전압력[MPa]으로 액화 시 저장 압력을 의미하며, PCF은 임계흐름압력(1.765 MPa), γ은 비열계수(CP/CV, 1.135)로 정압비열(CP)과 정적비열(CV)의 비율로 구한다. CD는 방출계수(0.9)로 누출 시 가스가 얼마나 빠져나가는지를 나타내며, A는 누출구 크기의 면적, Mw는 기체의 분자량(43.96 kg/kg-mole), gc은 중력상수(9.81 kg·m/kgf·sec2), R는 기체상수(847 kgf/kg-mole·K), T1은 저장 온도(273.15 K)를 나타낸다.

    LPG 가스 누출 시간은 선박에 적재된 저장탱크의 가스가 모두 누출되는 데 걸리는 시간을 의미하며, 참고한 LPG 운반선의 재화중량톤수(DWT)를 바탕으로 적재된 탱크의 저장 능력을 계산하였다. 저장능력은 저장탱크에 저장할 수 있는 액화석유가스의 양을 나타내며, 식(3)을 통해 구할 수 있다 (KGSC, 2021).

    W     =     0.9dV
    (3)

    여기서 W는 저장능력[kg], dV는 재화중량톤수(1,062 ton)를 의미하며, 0.9는 충전 비율을 나타내므로 저장능력은 956,012 [kg]으로 계산된다. LPG 가스 누출 시간은 저장능력을 누출량으로 나누면 구할 수 있으므로, 누출구 크기에 따른 누출량과 누출시간은 Table 2와 같다.

    2.3.3 풍속

    본 연구에서는 바람의 영향을 고려하여, LPG 운반선에서 누출된 가스가 학교에 빠르게 도달할 수 있도록 하였다. 이를 위해 기상청에서 제공한 최근 5년간 월별 최대풍속과 평균풍속 데이터를 고려하였으며, 가스가 빠르게 확산될 수 있도록 월별 최대풍속 중 가장 높은 값인 2020년 9월에 기록된 20.5[m/s]를 적용하였다. 또한, 최대풍속을 기준으로 평균 풍속을 적용하여, 풍속이 가스 누출에 미치는 영향을 파악하기 위해 학교 내 확산 범위를 예측하여 비교하고자 한다. 이에 월별 평균풍속 중 가장 높은 값은 2024년 7월에 기록된 4.4[m/s]를 적용하였다(KMA, 2024).

    3. 시뮬레이션 조건

    3.1 모델링

    연안지역은 국토교통부에서 제공한 국립한국해양대학교의 수치지도를 바탕으로, Rhino(Rhinoceros 8) 소프트웨어를 통해 3D 형태로 모델링하였다. 이때, 학교 내 건물 한 층과 등고선 고도 간의 높이 간격을 일정하게 설정하였으며, 본 연구에서는 4 m로 설정하였다. 이는 건축물 면적, 높이 등을 세부 산정기준에 의하면 층의 구분이 명확하지 않은 건물의 경우, 한 층을 4 m로 산정하도록 규정하였기 때문이다. 또한, Google earth에서 학교는 해수면에서 약 7 m 높이에 있으므로, 지면 높이를 7 m로 설정하였다.

    전체 공간 모델링은 Ansys spaceclaim(ver 21.2)을 사용하여, 3D 형태로 모델링한 학교와 원통형의 누출구를 결합하였다. 추가로 학교와 누출구를 모두 포함한 직육면체의 Enclosure 공간을 생성하여 풍속이 불어오는 면을 설정하고, 선박에서 누출된 가스가 학교로 확산되는 분포를 확인하였다. Fig. 3는 지도상에 선박 위치에 따른 누출구와 학교를 포함한 공간 크기를 빨간색으로 표시하였으며, 모델링한 모습을 나타내었다. 이외에도 북쪽 해상 1.26 km, 동쪽 해상 1.62 km에서 가스 누출 공간에 대한 모델링도 동일하게 수행하였다.

    3.2 격자수 의존성 테스트

    본 연구에서는 Ansys mesh를 활용하여 Fig. 4에 제시된 바와 같이 누출구 및 학교를 포함한 공간에 Hexcore type 격자를 생성하였다. 선박에서 누출된 가스의 학교 내 확산 분포를 정확하게 분석하기 위해, 누출구와 학교 주변에는 세밀한 격자를 적용하였다. 격자의 정확도를 검증하기 위해 격자 의존성 테스트를 수행하였으며, 학교 북쪽 1.33 km 해상에서 누출된 프로판 가스가 학교에 도달할 때까지의 농도 변화를 격자수에 따라 Fig. 5에 나타내었다. 시뮬레이션은 격자수를 781,315개, 941,102개, 2,470,536개, 4,766,433개로 설정하여 수행하였으며, 그 결과 격자수가 2,470,536개 이상부터는 가스 농도의 변화가 거의 일정한 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서는 격자수 2,470,536개를 기준으로 CFD 시뮬레이션을 진행하였다.

    또한, 다른 선박 위치에도 동일한 모양과 크기의 격자를 적용하였으며, 동쪽 2.18 km와 남동쪽 2.05 km 해상의 가스 누출 공간 격자수는 각각 2,553,321개와 2,508,725개로 설정 하였다.

    3.3 지배방정식 및 난류모델

    본 연구에서는 Ansys fluent(ver 21.2)을 사용하여 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 유체의 흐름을 나타내기 위한 방정식은 연속방정식(4), 운동량 방정식(5), 에너지방정식(6)을, 가스의 확산 변화를 파악하기 위해서는 화학종 수송 방정식(7)을 활용하였다(Abbas et al., 2020).

    ϑ ρ ϑ t + ∇     ·     ( ρ u ) = 0
    (4)

    ϑ ( ρ u ) ϑ t + ∇     ·     ( ρ u u ) = − ∇ p + ∇     ·     τ + S M
    (5)

    ϑ ( ρ h t ) ϑ t − ϑ p ϑ t + ∇     ·     ( ρ u h t ) = ∇     ·     ( λ ∇ T ) + ∇     ·     ( τ     ·     u ) + u     ·     S M + S E
    (6)

    ϑ ( ρ X C 3 H 8 ) ϑ t + ∇     ·     ( ρ u X C 3 H 8 ) = ∇     ·     ( ( ρ D ϕ + μ t S C t ) ∇ X C 3 H 8 ) + S ϕ
    (7)

    여기서 ρ는 밀도, ρ는 구배 연산자, t는 시간, u는 속도 벡터, p는 압력, τ는 전단응력, SM은 운동량 생성항, ht는 총 엔탈피, λ는 열전도도, T는 온도, SE는 에너지 생성항, XC3H8 는 프로판 농도, μt는 난류 점성 계수, S C t 는 난류 슈미트 수, Sϕ는 소스항을 나타낸다.

    본 연구에서는 설정된 공간에서 발생하는 LPG 가스 누출 시 난류 영향을 고려하여 Realizable k-ϵ model을 적용하였다. 이에 Realizable k-ϵ model의 방정식은 식(8), (9), (10), (11)과 같다(Sun et al., 2020;Kikukawa, 2008).

    ϑ ( ρ k ) ϑ t + ϑ ( ρ k u i ) ϑ x i = ϑ ϑ x j [ ( μ + μ t σ k ) ϑ k ϑ x j ] + P k − ρ ϵ
    (8)

    ϑ ( ρ ϵ ) ϑ t + ϑ ( ρ ϵ u i ) ϑ x i = ϑ ϑ x j [ ( μ + μ t σ ϵ ) ϑ ϵ ϑ x j ] + C 1 ϵ ϵ k P k − C 2 ϵ ρ ϵ 2 k + υ ϵ
    (9)

    μ t = ρ C μ k 2 ϵ f μ
    (10)

    C μ = 1 A 0 + A 1 k U i ϵ x i
    (11)

    여기서 Pk는 난류 운동 에너지의 생성항, μt는 난류 점성 계수, fμ는 실현 가능성 조건을 만족시키는 보정 함수, A0와 A1은 상수, Ui와 xi은 흐름의 특성 속도와 길이이다. 또한, Realizable k-ϵ model의 상수들은 σk = 1.0, σϵ = 1.2, C1ϵ = 1.44, C2ϵ = 1.9, A0 = 4.04, A1 = 0.038의 값을 나타낸다.

    3.4 경계조건

    Table 3은 CFD 시뮬레이션을 위한 경계조건을 제시한 것이며, Fig. 6은 모델링된 공간에서 각 면의 경계조건을 나타낸다. 가스 누출량은 파열형 크기의 1배부터 9배까지, 그리고 실제 탱커선의 파공 크기(8,000 mm)를 기준으로 계산되었다. 시뮬레이션에서 선박의 누출구가 위치한 면은 바람(Wind)이 유입되는 방향으로 설정하였으며, 하부는 Wall로, 나머지 4개의 면은 개방된 공간이므로 Open surface로 지정하였다. 또한, 속도와 압력의 결합에는 Coupled 알고리즘을 적용하였으며, 시간에 따른 학교 내 가스 농도 변화를 분석하기 위해 Transient 해석을 수행하였다.

    3.5 학교 내 가스가 확산되기 위한 선박 위치와 누출구 크기

    3.5.1 선박 위치 분석 및 설정

    해상에서 누출된 가스가 학교에 인화성 범위의 농도로 넓게 확산될 수 있는 선박 위치를 분석하였다. 먼저, 학교 북쪽 1.26 km와 1.33 km 해상에서 가스가 누출된 상황을 가정하여 비교하였다. Table 4는 선박의 저장탱크 내 가스가 모두 누출된 시점에서 학교로 확산된 가스 분포를 나타내며, 빨간색으로 표시된 곳은 가스가 인화성 범위(2.1 ~ 9.5 %)에 해당하는 영역을 의미한다. 1.26 km 해상에서 누출된 가스가 학교에 먼저 도달한 구역에서는 인화성 범위의 농도로 확산 되었으나, 도달한 구역과 멀어지는 다른 구역에서는 이보다 낮은 농도로 퍼졌다. 반면, 1.33 km 해상에서 누출이 발생한 경우, 가스는 먼저 학교에 도달한 위치뿐만 아니라 대부분의 구역에서 인화성 범위의 농도로 확산되었다. 이는 1.33 km 해상에서 가스가 누출될 경우, 1.26 km 해상보다 학교 전반에 걸쳐 인화성 범위의 농도로 넓게 확산될 수 있음을 의미한다. 이러한 결과를 토대로, 본 연구에서는 학교 북쪽 1.33 km 해상에서 발생하는 가스 누출 사례를 중심으로, 학교 내 가스 확산 범위를 예측하였다.

    또한, 학교 정동쪽 1.62 km과 2.18 km 해상에서 가스가 누출된 상황을 가정하여 비교하였다. Table 5는 선박의 저장탱크 내 가스가 모두 누출된 시점에서 학교로 확산된 가스 분포를 나타낸 것이다. 1.62 km 해상에서 누출된 가스는 학교 내 141 m 높이의 갈매기산에 가로막혀, 건물이 위치한 구역으로는 퍼지지 않았다. 반면, 2.18 km 해상에서 누출된 가스는 산에 부딪히지 않고 학교 내 건물이 위치한 구역에 인화성 범위의 농도로 확산되는 것을 확인하였다. 이에 따라 학교 정동쪽으로 2.18 km 해상에서 발생하는 가스 누출 사례를 중심으로, 학교 내 가스 확산 범위를 예측하였다.

    학교 정남쪽 해상에서 누출된 경우, 252 m 높이의 태종산에 부딪힐 위험이 있어 학교 남동쪽 2.05 km 해상에서 가스가 누출된 상황을 가정하여, 선박 내 가스가 모두 누출된 시점의 확산 분포를 Fig. 7에 나타내었다. 남동쪽 2.05 km 해상에서 누출된 가스는 학교 내 인화성 범위의 농도로 가스가 확산되는 결과를 확인하였다. 따라서, 학교 남동쪽 2.05 km 해상에서 발생하는 가스 누출 사례를 중심으로, 학교 내 가스 확산 범위를 예측하였다.

    Fig. 8은 점선으로 표시된 학교 인근 선박 항로 지도에서 북쪽 1.33 km, 동쪽 2.18 km, 남쪽 2.05 km의 위치를 나타내며, 이를 통해 선박 위치에 따른 학교 내 가스 확산 범위를 예측 하였다.

    3.5.2 누출구 크기 분석

    학교 내 가스가 인화성 범위의 농도로 넓게 확산될 수 있는 누출구 크기를 선정하기 위해 파열형 크기(406 mm)을 기준으로 1 ~ 9배를 적용하여 시뮬레이션하였다. Fig. 9는 누출구 크기에 따른 선박의 저장탱크 내 가스가 모두 누출된 시점에서의 학교 내 가스 확산 분포를 보여준다. 1, 2, 3배의 누출구 크기는 가스가 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되지 않았다. 4, 5, 6배 크기는 가스가 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되었으나, 학교 전체 면적에 대비하여 확산 범위가 넓지 않았다. 7배 크기는 가스가 학교 내 인화성 범위의 농도로 넓게 확산된 결과를 보였으며, 8, 9배 크기에서도 유사한 확산 범위를 보였다. 이는 7배 크기 이상부터는 누출구 크기가 늘어남에 따라 누출량은 증가하지만, 누출 시간이 단축되어 선박에서 누출된 가스가 학교에 확산되는 시간이 짧아 전체적인 분포에 유의미한 차이가 없었다. 따라서, 본 연구에서는 학교 내 가스 확산 범위에 차이가 없기 시작한 파열형 크기의 7배(2,845 mm)로 누출구 크기를 선정하여 선박 위치에 따른 가스 확산 범위를 예측하였다.

    4. 연구결과

    4.1 선박 위치에 따른 가스 누출 결과

    4.1.1 학교 북쪽에 위치한 LPG 운반선에서의 누출 예측

    학교 북쪽 1.33 km 해상에 위치한 LPG 운반선에서 가스가 누출된 상황을 가정하여 선박에서 누출된 가스가 학교에 확 산되고 희석되는 과정을 xy 평면(Fig. 10)을 통해 나타내었다. 선박에서 누출된 가스는 8초 만에 학교에 도달하였으며, 가스 누출은 20초에 종료되었지만 이미 누출된 가스가 학교까지 도달하여 확산됨에 따라 학교 내에서 인화성 범위의 농도로 가장 넓게 확산된 시점은 22초이다. 이후 바람에 의해 학교 내 가스가 환기되는 상황에서도 35초까지 인화성 범위의 가스가 남아있었으며, 학교 내 가스가 모두 환기된 시점은 180초이다.

    4.1.2 학교 동쪽에 위치한 LPG 운반선에서의 누출 예측

    학교 동쪽 2.18 km 해상에 위치한 LPG 운반선에서 가스가 누출된 상황을 가정하였다. 선박에서 누출된 가스가 학교에 확산되어 희석되고 과정을 xy 평면(Fig. 11)을 통해 나타내었다. 선박에서 누출된 가스는 15초 만에 학교에 도달하였으며, 가스 누출은 20초에 종료되었지만 이미 누출된 가스가 학교까지 도달하여 확산됨에 따라 학교 내에서 인화성 범위의 농도로 가장 넓게 확산된 시점은 24초이다. 이후 바람에 의해 학교 내 가스가 환기되는 상황에서도 53초까지 인화성 범위의 가스가 남아있었다. 이후 학교 내 가스가 모두 환기된 시점은 330초이다.

    4.1.3 학교 남동쪽에 위치한 LPG 운반선에서의 누출 예측

    학교 남동쪽 2.05 km 해상에 위치한 LPG 운반선에서 가스가 누출된 상황을 가정하였다. 선박에서 누출된 가스가 학교에 확산되고 희석되는 과정을 xy 평면(Fig. 12)을 통해 나타내었다. 선박에서 누출된 가스는 12초 만에 학교에 도달하 였으며, 가스 누출은 20초에 종료되었지만 이미 누출된 가스가 학교까지 도달하여 확산됨에 따라 학교 내에서 인화성 범위의 농도로 가장 넓게 확산된 시점은 24초이다. 이후 바람에 의해 학교 내 가스가 환기되는 상황에서도 56초까지 인화성 범위의 가스가 남아있었으며, 학교 내 가스가 모두 환기된 시점은 240초이다.

    4.1.4 선박 위치에 따른 가스 확산 면적 비교

    선박 위치에 따라 누출이 종료된 시점인 20초에서 확산된 가스가 인화성 범위(2.1 ~ 9.5 %)의 농도를 보이는 구역을 Fig. 13에 빨간색으로 표시하였으며, 학교 내 공통적으로 확산된 면적을 Fig. 14에 나타내었다. 먼저, 선박 위치에서 누출된 가스가 학교 내 빨간색 영역으로 나타난 면적은 북쪽 1.33 km 해상에서 누출된 경우, 132,044[m2]로 학교 총면적 (565,489 m2)의 약 1/4이다. 동쪽 2.18 km 해상에서 누출된 경우, 91,159[m2]로 학교 총면적의 약 1/6에 해당하였다. 남동쪽 2.05 km 해상에서 누출된 경우, 101,411[m2]로 학교 총면적의 약 1/5에 해당하였다. 또한, 학교 내 가스가 공통적으로 확산된 영역은 지도상에서 학교 남서쪽 영역에 위치한 곳으로 대학본부와 레포츠 센서 건물이 있다.

    4.2 누출구 크기와 풍속에 따른 가스 누출 결과

    4.2.1 누출구 크기에 따른 가스 누출 결과

    본 연구에서는 파열형 크기의 7배(2,845 mm)를 기준으로 선박 위치에 따른 학교 내 가스 확산 분포를 파악하였다. 이를 토대로 파열형 크기(406 mm), 실제 탱커선 충돌 사고의 파공 크기(8,000 mm)에 따른 학교 내 가스 확산 분포에 대해 비교한 결과를 Table 6에 나타내었다.

    먼저, 학교 북쪽 1.33 km 해상에서 누출된 가스는 파열형 크기(406 mm)에서 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되지 않았다. 반면, 실제 탱커선 충돌 사고의 파공 크기(8,000 mm) 에서는 파열형 크기의 7배(2,845 mm)와 비교하여 학교에 도달하는 시점이 2배 빠르지만, 누출시간이 짧아 인화성 범위를 유지하는 시간이 짧았다. 학교 동쪽 2.18 km 해상에서 누출된 가스는 파열형 크기(406 mm), 실제 탱커선 충돌 사고의 파공 크기(8,000 mm) 조건에서 모두 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되지 않았다. 학교 남동쪽 2.05 km 해상에서는 누출된 가스는 파열형 크기(406 mm) 조건에서 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되지 않았다. 반면, 실제 탱커선 충돌 사고의 파공 크기(8,000 mm)는 파열형 크기의 7배(2,845 mm)와 비교하여 누출시간이 짧아 인화성 범위를 유지하는 시간이 짧았다.

    4.2.2 풍속에 따른 가스 누출 결과

    본 연구에서는 최대풍속(20.5 m/s)을 기준으로 선박 위치에 따른 학교 내 가스 확산 분포를 파악하였다. 이를 토대로 평균풍속(4.4 m/s)을 비교하여 가스 확산 분포에 대해 비교하였으며, 이를 Table 7에 나타내었다. 학교 북쪽 1.33 km 해상에서 누출된 가스는 최대풍속과 평균풍속 조건에서 모두 학교에 도달하여 인화성 범위의 농도를 유지한 시점과 면적이 유사하였다. 하지만, 학교 내 가스가 모두 환기되는 시간은 최대풍속이 평균풍속보다 2배 빨랐다. 이는 적용된 파열형 크기 7배(2,845 mm)의 누출량이 48,929[kg/s]로 매우 많아 누출량을 결정하는 누출구 크기가 풍속보다 가스 확산에 더 큰 영향을 미친 것으로 분석된다.

    5. 결론 및 고찰

    5.1 결론

    본 연구는 해상의 화학물질 운반선에서 발생한 LPG 누출 사고를 가정하여, 누출 및 풍속 조건을 고려한 CFD 시뮬레이션을 통해 인근 학교에 확산된 가스의 농도 변화를 분석하여 확산 분포에 대해 예측하였다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

    • (1) 학교 북쪽, 동쪽, 남동쪽 해상에 위치한 LPG 운반선에서 누출된 가스는 학교에 각각 8초, 15초, 12초 만에 도달하여 인화성 범위의 농도로 확산되었다. 이를 토대로 학교 내 가스 누출 사고 발생 후, 대응 및 대피할 시간이 부족함을 확인하였다.

    • (2) 학교 북쪽, 동쪽, 남동쪽 해상에 위치한 LPG 운반선에서 누출된 가스는 학교 내 인화성 범위의 농도로 확산되는 면적이 각각 총면적의 1/4, 1/6, 1/5 범위로 나타나며, 공통적으로 확산된 면적은 학교 내 남서쪽 영역으로 대학 본부와 레포츠 센터가 위치해 있다.

    • (3) 학교 북쪽, 동쪽, 남동쪽 해상에 위치한 LPG 운반선에서 누출된 가스는 선박의 저장탱크 내 가스가 모두 누출된 이후에도 각각 15초, 33초, 36초 동안 학교 내 인화성 범위의 농도를 유지하였다. 이는 학교에 가스가 확산된 이후부터 완전히 환기되기 전까지 폭발이 계속 존재할 가능성이 있으므로, 지속적으로 화재 및 폭발에 대한 관리가 필요하다.

    • (4) 누출구 크기에 따라서 파열형 크기(406 mm)는 학교 내 인화성 범위로 확산되지 않았고, 실제 탱커선 충돌 사고에 의한 파공 크기(8,000 mm)는 학교 내 인화성 범위로 확산되지 않았거나, 파열형 크기의 7배(2,845 mm)보다 확산된 범위가 적게 나타났다. 풍속에 따라서는 가스 확산 범위 및 시간에 큰 차이가 없었으나, 학교 내 가스가 모두 희석되는 시간은 최대풍속(20.5 m/s)이 평균풍속(4.4 m/s)보다 빨랐다. 이는 가스 확산에 누출량 크기가 풍속보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다.

    5.2 고찰

    본 연구는 기존 연구와 달리, 누출구 크기와 풍속 조건을 고려하여 해상의 화학물질 운반선에서 발생할 수 있는 LPG 누출 사고를 가정하여 가스 확산 양상을 예측하였다. 결과적으로, 가스 누출 후 학교까지 도달하는 시간이 매우 짧아, 현재의 사고 대응 체계로는 신속한 대피가 어려울 가능성이 있음을 확인하였다. 또한, 가스가 일정 시간 동안 학교 내 인화성 범위를 유지하며 체류하는 현상이 확인됨에 따라, 초기 대응뿐만 아니라 가스 환기를 위한 추가적인 안전 조치가 필요함을 알 수 있다. 특히, 가스 확산 범위는 풍속보다 누출구 크기의 영향을 더 크게 받는 것으로 나타났다. 이는 해상 사고 발생 시 누출구 크기에 따른 대응 전략이 필요하며, 본 연구 결과가 기존의 사고 대응 지침을 보완하는 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    다만, 본 연구는 구체적인 사고 대응 및 대피 전략에 대한 내용을 포함하지 못하였다는 한계가 있다. 따라서, 향후 연구에서는 기존의 대응 지침을 검토하고, 본 연구 결과를 반영하여 보다 실질적이고 구체적인 대응 방안을 제시할 필요가 있다.

    Figure

    KOSOMES-31-1-109_F1.gif

    Jodo island position.

    KOSOMES-31-1-109_F2.gif

    Ship routes around jodo island.

    KOSOMES-31-1-109_F3.gif

    Modeling based on ship positions.

    KOSOMES-31-1-109_F4.gif

    Generated computational mesh.

    KOSOMES-31-1-109_F5.gif

    C3H8 mole fraction change of grid number.

    KOSOMES-31-1-109_F6.gif

    Boundary conditions for each face.

    KOSOMES-31-1-109_F7.gif

    Gas dispersion 2.05 km southeast offshore.

    KOSOMES-31-1-109_F8.gif

    Ship position.

    KOSOMES-31-1-109_F9.gif

    Gas leak distribution based on leakage hole size.

    KOSOMES-31-1-109_F10.gif

    Gas dispersion 1.33 km north offshore.

    KOSOMES-31-1-109_F11.gif

    Gas dispersion 2.18 km east offshore.

    KOSOMES-31-1-109_F12.gif

    Gas dispersion 2.05 km southeast offshore.

    KOSOMES-31-1-109_F13.gif

    Dispersion area at flammable concentration by ship position.

    KOSOMES-31-1-109_F14.gif

    Common dispersion area at flammable concentration.

    Table

    Leakage hole size and diameter

    Leakage mass flow rate and time of hole size

    Boundary conditions

    Gas dispersion distribution from leakage at 1.26 km and 1.33 km north of the school

    Gas dispersion distribution from leakage at 1.62 km and 2.18 km east of the school

    Gas dispersion based on leakage hole size

    Gas dispersion based on wind speed

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