This study aims to estimate the scope of damage impact with a real-life explosion case and a damage prediction program (ALOHA) and suggest measures to reduce risk by comparing and analyzing the results using a Probit model. After applying it to the ALOHA program, the toxicity, overpressure, and radiant heat damage of 5 tons of storage scopes between 66 to 413 meters, and the real-life case also demonstrated that most of the damage took place within 300 meters of the LPG gas station. In the Probit analysis, the damages due to radiant heat were estimated as first-degree burns (13-50%), while structural damage (0-75%) and glass window breakage (94-100%) were expected from overpressure, depending on the storage volume. After comparing the real-life case and the damage prediction program, this study concluded that the ALOHA program could be used as the scope of damage impacts is nearly the same as the actual case; it also concluded that the analysis using the Probit model could reduce risks by applying calculated results and predicting the probability of human casualties and structural damages.
1. 서 론
「재난 및 안전관리 기본법」에 따르면 재난의 종류는 자연재난과 사회재난으로 분류되는데, 사회재난은 화재·붕괴·폭발·교통·화생방·환경오염 사고 등으로 인하여 발생한 것 중 국가 또는 지방자치단체 차원의 대처가 필요한 인명 또는 재산의 피해를 말한다. 자연재난은 우리 인간의 능력으로 대비하는데 한계가 있는 것이 사실이나, 큰 실수가 아닌 부주의나 안전사고 의식결여 등으로 종종 발생하는 경우도 있다. 안전의식 부족이나 사람의 부주의로 발생 하였던 사회재난 사고 중 하나가 LPG충전소 폭발인데, 2024년 1월 G도의 충전소에서 LPG 이충전 과정 중 다량의 가스가 누출 정전기 등 점화원에 의해 대규모 폭발로 이어진 사고가 있었다. 이 사고로 5명의 인명피해와 28동의 구조물손상 등이 있었다. 2024년 2월을 기준으로 국내 자동차 연료별 등록대수는 LPG 차량이 2023년 대비 137% 증가한 11,730대인데, 경유차는 같은 기간 55% 감소한 11,523대로서 LPG 자동차 등록대수가 처음으로 경유차를 추월했다. LPG 자동차가 증가함에 따라 그만큼 LPG충전소에서 부주의 등으로 인한 가스누출 사고위험도 증가하고 있다.
국내의 LPG충전소 최근 폭발사례로는 2022.11.대구광역시에서 부주의로 사망자 2명과 중경상자 6명 등 총 8명의 인명피해가 있었으며, 2021.4. 광주광역시에서는 관리소홀로 3억 6천만 원의 재산피해가 있었지만, 다행히 인명피해는 발생하지 않았다. 국외 폭발사례는 1966.1.프랑스 Feyzin에서 LPG저장탱크 가스누출 결과 BLEVE 발생 후 18명 사망과 81명이 다치는 인명피해가 있었고, 1997.3. 폴란드 Autogas에서는 총 저장탱크 4개 중 1개가 먼저 폭발 후 옆에 있던 탱크 3개에서도 화재가 발생하여 2명의 사망자와 수십 명의 부상자가 발생하였다.
기존 선행연구를 분석하면, 길성희 외 3명(2001)의 연구에서는 LPG충전소에서 사용중인 노후 커플러의 분석과 미사용 6/4 단조황동의 기계적 특성시험을 통하여 커플러 O-ring 인접부에 형성되어 있는 검은색의 부식 피막은 주로 가스 또는 대기로부터 유입된 것으로 추정되는 S, C, O, Al, Si, K 등의 원소들이 커플러의 표면에 접촉하면 부식손상을 일으킬 확률이 높다는 결론을 얻었다. 이화영 외 5명(2020)의 연구에서는 벌크로리를 통한 국내 LPG 공급시스템의 현황을 알아 본 결과 벌크로리의 측면 충전구를 이용하는 방법 또는 충전용 어댑터를 사용하는 방법이 있는데, 저장탱크에 LPG를 공급할 경우 공급량 계량 및 미 검사품 어댑터 사용으로 가스사고 발생 가능성이 있어 안정성을 확보하기 위한 방법으로 어댑터 규격 표준제정과 같은 제도의 선제화에 대한 추가적인 논의가 필요하다고 하였다. 이영진 외 3명(2017)의 연구에서는 LPG 탱크로리가 전도 되었을 때 LP가스는 2상(two phase) 상태로 되어 대부분이 기체로, 그 일부분이 액체로 누출된 결과 증기운을 형성하는데 점화원에 의해 폭발할 경우 파편의 비산반경을 산정하면 최대 561m로 나타났으므로 대피하여야 하는 거리는 561m 이상으로 설정하는 것이 필요하다고 하였다. 국외 선행연구를 살펴보면 폴란드의 Zdzislaw Salamonowicz 외 4명(2021)의 연구에서는 LPG 저장탱크에서의 액체 및 기체의 방출에 대한 CFD 시뮬레이션을 수행하고자 먼저 ALOHA Software 및 Ansys Software를 사용 하였으며 실제 상황을 반영하기 위해 대기안정도 등급을 차등 적용 한 결과 저풍속에서 대기 중으로 기상 및 액상 누출이 많으므로 LPG 저장탱크를 개방된 공간에 설치 누출된 가스를 자유롭게 희석시켜 폭발위험구역을 감소시킬 수 있는 해결방안을 연구하였다.
기존 선행연구에서는 LPG 충전소에서 사용중인 노후 커플러의 분석, 벌크로리를 통한 국내 LPG 공급시스템 현황, LPG 탱크로리에서 가스 누출로 폭발할 경우의 비산반경 산정 및 저풍속에서 대기 중으로 기상 및 액상으로의 누출 가스를 희석시켜 폭발위험구역을 감소시키는 방안 등을 주장하였다.
반면, 이 연구는 도심지가 아닌 고지대 도로변에 위치한 LPG충전소에서 가스가 누출된 후 정전기 등의 점화원으로 화재 및 폭발로 입게 되는 인명피해 및 구조물 손상 등의 실제 사례와 피해예측 프로그램(ALOHA) 및 Probit 모델을 활용한 결과값 적용하여 비교 분석함으로 위험성 감소방안을 제시하고자 한다.
2. LPG충전소의 주변지역 현황 및 운송차량 종류
폭발이 있었던 LPG 충전소는 G도 산악지역의 해발 약 551m 위치에 있고, 전면에는 10m의 2차선 도로에 접해 있다. 그리고 충전소로부터 100m 미만의 거리에는 주택·세차장, 100m이상 500m 미만에는 도서관·시네마극장 및 500m 이상에는 시외버스터미널·초등학교 등을 비롯한 다수의 건축물이 있다. 충전소으로부터의 거리별 주변지역 건물현황을 정리하면 <Table 1>과 같다.
또한, 액체상태의 LPG를 운송하는 차량의 종류에는 고압가스의 수송·운반을 위하여 충전기능이 차량에 고정된 이동탱크저장소와 차량에 고정되지 않은 이동탱크저장소가 있다. 이 연구에서는 충전 기능이 차량에 고정된 종류는 5톤이고, 차량에 고정되지 않은 종류에는 20·30·50톤의 3개가 있다.
3. 실험모델
2024년 J도에 위치한 LPG 충전소에서 충전기능이 고정된 5톤 차량 작업 중 가스가 누출된 후 폭발과 동시에 화재가 발생하였는데, 결정적 원인으로 가스 충전밸브의 커플링 내 고무링 경화로 알려져 있으며, 이러한 결과 충전밸브가 완전한 밀폐 되지 않는 상태에서 연결 호스의 결속장치를 정상적으로 제거하지 않고 5톤 차량을 이동함으로 가스가 누출된 것으로 나타났다.
이 연구에서는 피해예측 프로그램(ALOHA)으로 독성·과압·복사열의 피해영향범위을 산정하고, Probit 모델에서는 인명피해 및 구조물 손상의 평가를 위한 Probit 값을 산정하여 백분율로 표시할 수 있다. 실제 폭발사례와 ALOHA 및 Probit 모델 결과값의 비교 분석 등을 적용한 위험성 감소방안 제시 방법은 [Figure 1]과 같다.
4. LPG충전소 폭발 사고사례
4.1 국내
2022년 D시 충전소에서 폭발사고가 발생 총 8명의 인명 및 충전시설 등의 피해가 있었는데, 이러한 폭발사고 결과를 정리하면 [Figure 2]와 같다.
4.2 해외
2016년 미국 워싱턴주에서 가스 누출로 추정되는 폭발사고로 사망 1명 및 건물피해가 발생하였는데, 사고 결과를 정리하면 [Figure 3]과 같다.
5. ALOHA 프로그램 및 프로빗 분석법의 활용
5.1 ALOHA
5.1.1 사고시나리오
주성분 물질로 프로판을 입력하였고, 종류는 총 5개로서 5톤이 시나리오 2개(사고 및 최악)이고, 30·50·100톤의 시나리오 1개씩이다. 또한, 저장되어 있는 전체 용량이 누출되어 폭발하는 것으로 설정하였다. 영향범위를 분석할 때의 대기조건은 ‘사고시나리오 선정 및 위험도 분석에 관한 기술지침’에 따라 현지 기상을 적용하는 경우에는 직전 최소 1년간 해당지역의 평균 온도 및 습도 등을 적용하도록 되어 있으나, 이 연구에서는 실제 폭발사고 적용의 정확성을 파악하고자 사고일(2024.1.1.) 당시의 기상청 방재기상관측(AWS) 자료을 입력하였다. 사고시나리오 5톤 대기조건 등의 건물유형에서 환기률은 단층건물 형태로 0.45회/hr, 건물의 주변환경은 전원지형으로 건물 주변에 다른 장애물이 없어 바람을 직접 받는 것으로 적용했고, 대기조건에 있어서 풍속은 2.5m/sec, 풍향은 동남동이며 지상에서의 측정높이는 원래 G도 P지역이 303.18m이지만, ALOHA에서는 2~200m까지만 입력이 가능하므로 200m로 설정하였다. 또한, 지표면 거칠기는 개활지, 구름량은 조금, 대기온도 1℃, 대기안정도는 중립(D), 역전현상 없음 및 상대습도는 75%로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 2>와 같다.
사고시나리오 5톤 저장탱크의 입력값에 있어서는 탱크의 형상은 수평형, 직경 1.4m, 길이 3.2m, 부피 4,926ℓ, 누출형태는 액체, 물질 저장온도는 1℃, 저장량은 2,050ℓ, 누출구의 형태는 원형, 누출공의 크기는 2cm, 누출지점은 탱크 홀, 누출높이는 탱크바닥 및 누출시간은 10분으로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 3>과 같다.
5.1.2 최악 시나리오
최악 시나리오의 5·30·50·100ton에서 영향범위를 분석할 때의 대기조건은‘사고시나리오 선정 및 위험도 분석에 관한 기술지침’에 따라 적용했다. 대기조건 등에 있어서 풍속은 1.5m/sec, 대기온도 25℃, 대기안정도는 F(안정) 및 상대습도는 50%로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 4>와 같다.
최악시나리오의 5톤 저장탱크의 입력값에 있어서는 저장온도 25℃ 및 누출공 크기 1.6cm를 제외하면 사고 시나리오의 조건과 같으며, 이상을 정리한 것이 <Table 5>의 값이다.
30톤 저장탱크의 입력값에 있어서는 수평형, 직경 2.8m, 길이 4.8m, 부피 29,556ℓ, 누출형태는 액체, 물질 저장온도는 25℃, 저장량은 12,900ℓ, 누출구의 형태는 원형, 누출공의 크기는 3.8cm, 누출지점은 탱크 홀 및 누출높이는 탱크바닥 및 누출시간은 10분으로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 6>과 같다.
50톤 저장탱크의 입력값에 있어서는 30톤과 비교하여 다르게 입력한 값만 표시하면, 직경 3.2m, 길이 6.2m, 부피 49,863, 저장량은 21,800ℓ로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 7>과 같다.
100톤 저장탱크의 입력값에 있어서는 직경 4.2m, 길이 7.2m, 부피 99,752ℓ, 저장량은 43,600ℓ로 적용하였고, 이상을 정리하면 <Table 8>과 같다.
5.1.3 ALOHA 적용결과
5톤 사고시나리오 및 5·30·50·100톤 최악시나리오의 ALOHA 프로그램 적용결과 독성·과압·복사열 등의 피해영향범위(빨강·주황·노랑)를 타내면 <Table 9>와 같다.
최악시나리오의 ALOHA 프로그램에 적용결과 5톤인 경우 독성·과압·복사열 등의 피해영향범위에 있어서는 30·50·100톤 범위 보다 3~5배정도 적었고, 피해영향범위에서 가장 차이가 많은 5톤과 100톤를 각각 비교한 결과 100톤이 독성은 5.3배, 과압은 5.2배 및 복사열은 2.6배 만큼 5톤 보다 넓게 나타났다. 100톤인 경우 독성·과압·복사열 등의 결과를 구글어스 등으로 표시하면 [Figure 4]의 (a),(b),(c)와 같다.
5.2 Probit 모델 분석법을 활용한 인명피해 및 구조물 손상의 피해산정
5.2.1 개요
“사고피해 영향평가에 관한 기술지침”에서 Probit 분석법이란 가상사고의 피해크기와 피해영향 가능성의 연관 관계를 실험식으로 이용하여 분석하는 방법을 말하고, 피해예측은 화재, 폭발 또는 독성물질 누출 등과 같은 중대산업사고 발생할 때 사업장 내의 근로자, 인근주민 또는 주변 시설물 등에 미칠 수 있는 사고의 크기를 ‘KOSHA Guide의 “사고피해예측기법”에 따라 계산한다.
계산된 Probit 값을 <Table 10>에 대입하면 백분율로 환산한 값을 얻게 되고, 이는 화재, 폭발 또는 누출로 인한 인체나 구조물이 부상, 사망 또는 손상에 이르는 확률을 백분율로 쉽게 표현한 것이다.
열복사로 인한 사람의 상해정도는 화재로 인한 화염에 노출된 시간과 복사열 강도값의 함수인 Probit 분석 계산식을 이용하여 인체의 영향을 다음과 같이 산정한다.
1도 화상의 경우는 식 (1)과 같다.
폭발사고는 비산물 등에 의한 직접적인 피해와 폭풍 과압의 영향에 의한 간접적인 피해를 야기하며, 과압 또는 임펄스(Impulse)의 함수인 Probit 계산식을 이용하여 구조물 영향평가(아이젠버그)를 산정한다.
구조물 손상의 경우는 식 (4)와 같다.
5.2.2 Probit 분석결과
5.2.2.1 인명피해 영향평가
ALOHA 프로그램에서 나타난 5톤 사고시나리오 및 5·30·50·100톤 최악시나리오의 복사열 강도 및 노출시간을 화상 등 인명피해 영향을 산정하고자 Probit 계산식에 대입한 결과는 <Table 11>과 같다.
5.2.2.2 구조물 영향평가
ALOHA 프로그램에서 나타난 5톤 사고시나리오 및 5·30·50·100톤 최악시나리오의 과압 적용결과를 구조물손상 등의 영향을 산정하고자 Probit 계산식에 적용한 결과는 <Table 12>와 같다.
6. LPG충전소 폭발의 실제 피해분석
LPG충전소 폭발 실제 결과를 살펴보면 누출시간은 약 20~30분, 누출량은 약 20㎏(0.02톤)이고 누출범위는 충전소로부터 300m 지점에서 건물의 유리창이 파손 되었기에 그 이상으로 예상할 수 있다. 또한, 사망 1명 등 중경상자 5명의 인명피해 및 수십 동의 구조물 손상 등이 발생했다. 인명피해를 구체적으로 살펴보면, 중상 2명 중 1명은 3도의 전신화상을 입어 치료 받고 있는 중에 사망하였고, 또 다른 중상자 1명은 3도 전신화상인데 치료 중에 있으며 경상자 3명 중 1명은 이마에 1도화상, 2명은 경상으로 손과 머리에 상해를 입어 치료를 받았다. 구조물 손상은 총 28동인데, 구체적으로는 충전소 맞은편의 세차장, 농기계가게 및 주택 등은 폭발로 인한 화재로 전소 되었다. 또한, 마을회관 및 도서관의 유리창이 파손 되는 등 충전소으로부터 주로 300m이내 지역에서 손상이 많이 발생했다. LPG충전소 폭발의 실제 피해결과 인근 건물과 거리 및 손상현황을 정리하면 [Figure 5]와 같다.(전체 피해건물 중 일부 표시)
7. 실제 폭발사례 및 피해예측 프로그램의 비교 분석
7.1 ALOHA 프로그램과 비교분석
실제 폭발사고에서 독성은 초기 충전소 앞 20m에 거주하던 주민이 냄새를 흡입함으로 가스 누출을 알았고, 이후 200m 거리 이상에서도 맡을 수 있었다. 복사열에서는 50m 앞을 지나던 화물차 운전자 3도화상, 65m을 지나던 오토바이 운전자 1도화상 그리고 240m 거리에 있는 작은영화관에서 관람을 마치고 나오던 사람이 3도화상로 치료받던 중 사망하였다. 과압에서는 40~50m 거리에 있는 가게·세차장·빌라 등의 건물이 전소되어 파괴되었고, 300m에 있는 건물의 유리창이 파손 되었다. ALOHA 프로그램에서 독성은 사고 및 최악시나리오의 저장량이 5톤의 빨강 범위에서는 66~107m, 최악시나리오의 30·50·100톤의 빨강 범위는 264~480, 복사열에서는 사고 및 최악시나리오의 5톤의 주황 범위에서 239~264m, 최악시나리오의 30·50·100톤의 주황 범위는 423~623m 그리고 과압에서는 사고 및 최악시나리오의 5톤의 노랑 범위에서는 125~164m, 최악시나리오의 30·50·100톤의 노랑 범위는 411~779m로 나타났다.
7.2 Probit 분석법과 비교분석
프로판은 독성의 농도가 다른 물질에 비해 낮아서 이 연구에서는 제외하고, 복사열과 과압만 실제 폭발사례와 Probit 분석 산정 결과값으로 비교 분석하고자 한다. 실제 사례에서 복사열 결과 인명피해는 충전소로부터 240m 거리에서 사망 1명 등 5명으로 나타났고, Probit 분석 결과 최악시나리오의 30·50·100톤의 300~441m 빨강 범위에서 복사열 강도는 10(kW/m²)· 노출시간 9~13초인 경우 13~ 50%에서 1도화상이 산정되었다. 과압으로 인한 실제 구조물 손상은 충전소로부터 40m 거리에서 세차장 반파 등으로 나타났고, Probit 분석 결과 5톤의 사고 및 최악 시나리오인 경우 3.5psi의 79~128m, 주황범위 및 1.0psi의 125~164m 노랑범위에서 구조물 손상은 0~75%, 유리창 파손은 94~100%로 산정되었다. 또한, 최악시나리오의 30·50·100톤인 경우 3.5psi의 339~ 667m 주황범위 및 1.0psi의 411~779m 노랑범위에서 구조물 손상은 0~75%, 유리창 파손은 94~100% 손상의 확률을 보였다. 이상을 정리하면 <Table 13>과 같다.
8. 결 론
이 연구는 LPG충전소 가스 누출에 따른 위험성을 줄이기 위하여 첫째 실제 폭발사례와 피해예측 프로그램(ALOHA)으로 피해영향범위를 산정하고, Probit 모델을 활용한 결과값을 비교 분석 하였다. 둘째에서 넷째까지는 이러한 결과를 바탕으로 LPG충전소의 시설·종사자 및 인근지역 거주자들의 안전관리을 위한 개선방법을 제시하였다.
첫째, 실제 사례에서 복사열의 인명피해 결과는 화재사망 1명(240m), 3도화상 1명(50m) 및 1도화상(65m) 1명 등 총 5명인데, Probit 분석 결과에서 저장량 5톤에서는 1도화상, 2도화상 및 화재사망은 발생하지 않았고, 30·50·100톤은 빨강 범위내에서만 1도화상이 13~ 50% 산정되었다. 과압으로 인한 실제 구조물 손상 결과는 총 28동 등의 손상을 입었는데, Probit 분석 결과 5톤은 3.5psi(79~128m) 및 1.0psi(125~164m)에서, 30· 50·100톤인 경우 3.5psi(339~667m) 및 1.0psi(411 ~779m)에서 구조물은 0~75%, 유리창 파손은 94~ 100%의 손상 확률을 보였다.
둘째, 이 연구의 대상인 G도 LPG충전소 폭발사례는 여러 가지 면에서 많은 문제점을 가지고 있는 것으로 나타났다. 인적인 측면에서 가스 충전시 처음부터 마지막 과정까지 감독해야 할 안전관리자는 충전 현장에 없었던 것으로 알려지고 있어 안전메뉴얼을 제대로 지키지 않았음을 보여주고 있다. 고압가스안전관리법 시행규칙 [별표 31]에서 전문교육으로 고압가스 자동차 충전시설의 안전관리책임자 및 안전관리원은 신규교육(6개월 이내) 후 3년마다 1회, 특별교육은 고압가스를 사용하는 자동차 운전자가 받는 교육으로 신규종사시 1회만 받으면 된다. 이의 개선방안으로 안전메뉴얼을 지키지 않은 안전관리책임자 및 안전관리원은 위반 횟수에 따라 특별교육을 늘리고, 시뮬레이션을 이용한 교육도 병행하여 종사자의 안전의식을 높일 필요가 있다. 또한, 물적인 측면에서는 차량에 고정된 탱크는 고압가스안전관리법 시행규칙 [별표22]에서 15년미만인 경우는 5년, 15년이상 20년미만은 2년, 20년이상은 1년마다 탱크 재검사를 특정설비 검사기관에서 받도록 되어 있다. 대책으로는 재검사 기간을 단축하여 탱크의 노후 및 부식으로 인한 사고를 감소시키는 개선 방법이 있다.
셋째, ALOHA 프로그램에서 산정된 과압·복사열의 피해영향범위는 5톤의 사고 및 최악 시나리오인 경우 빨강·주황·노랑은 79~413m 사이에 분포되어 있는데, 실제 폭발사례의 경우 충전소에서 300m 거리 지점에서 인명피해 및 구조물 손상이 다수 발생한 것으로 나타났다. 따라서 ALOHA 프로그램과 실제 폭발사례와는 차이가 거의 없는 것을 알 수 있으므로 다른 LPG충전소 독성·과압·복사열 등의 피해영향범위를 산정 안전대책을 수립시 ALOHA 프로그램을 활용하는 것이 적절하다고 할 수 있다. 특히, ‘KOSHA Guide(P-166-2020)’의 “가스누출감지경보기 설치 및 유지보수에 관한 기술지침” 규정에 따라 프로판 등의 인화성가스 작업장에 설치하는 경보기를 LPG충전소 내 설비뿐만 아니라 마을 주민회관 등의 공공장소에도 추가로 설치할 필요가 있다.
넷째, 지금까지의 내용을 종합적으로 정리하면, LPG충전소 폭발사고를 예방하는 방법으로는 사업주 및 직원들의 교육강화 및 저장용기 등의 재검사 주기를 단축하는 방법이 필요하다. 또한, 실제 폭발사고 사례와 위험성 프로그램과 비교 분석한 결과 ALOHA 프로그램을 활용한 피해영향범위는 유사하게 산정되었기에 적극적으로 적용할 필요가 있고, Probit 분석 결과에서는 복사열의 1도·2도 화상 및 화재사망의 경우 저장량에 따라 차이는 있으나, 300~441m의 거리에서 13~50%의 인명피해(1도화상), 과압에서는 79~ 779m의 거리에서 0~100%의 구조물 손상이 발생할 것으로 예상되므로 LPG충전소 폭발 사고시 거주자들을 779m 밖으로 대피시켜야 한다. 또한, 구조물손상 방지 대안으로 건축법 시행령 제56조(건축물의 내화구조)의 ‘주요구조부를 내화구조로 해야 되는 건축물의 범위’를 알로하(ALOHA)·패스트(PHAST) 등의 장외영향 위험성 평가 프로그램 등을 활용 일정한 피해영향범위 내(ALOHA는 주황범위) LPG충전소 인근지역 건축물에도 적용할 필요가 있다.