Journal Search Engine

to

Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citation Korean Bibliography PMC Previewer
ISSN : 1229-6783(Print)
ISSN : 2288-1484(Online)
Journal of the Korea Safety Management & Science Vol.26 No.3 pp.93-100
DOI : http://dx.doi.org/10.12812/ksms.2024.26.3.093

A Study on the Fire Impact of Adjacent Storage at Outdoor Storage Fire

Eun-Ji Kim*, Sung-Seek Park**, Yong-Han Jeon***
*Department of Faculty of Applied Energy System Mechanical Engineering, Jeju National University
**Carbon Zero Technology Institute
***Department of Fire Protection Engineering, Sangi University
†Corresponding Author : Yong-Han Jeon, Fire Protection Engineering, Sangji University, 83 Sangjidaegil, Wonju, Gangwondo,
E-mail: kcv76@hanmail.net
August 29, 2024 September 13, 2024 September 22, 2024

Abstract

Outdoor storage fires have a significant impact on the surrounding environment, including adjacent storage facilities and buildings. Therefore, it is essential to review and manage the fire impact to minimize damage to human life and property on the outdoor storage fires. In this study, the heat release rate and radiant heat flux were simulated according to the fire time, wind veolcity, and presence or absence of water spray equipment in an outdoor storage facility fire, and the fire impact was analyzed. The outdoor storage was designed to simulate two scenarios on the outdoor storage fires containing gasoline, and FDS was used for fire simulation. As a results, when the water spray facility was not operating and the wind velocity was 5 m/s, the maximum radiant heat flux was 24.80 kW/m2, which exceeded the limit radiant heat flux of 20 kW/m2. When the water spray facility was operating and the wind veolcity was 10 m/s, the maximum radiant heat flux was 18.77 kW/m2, which did not exceed the limit radiant heat flux, indicating that the fire impact on adjacent storage facilities was relatively small.
FDS, Fire impact, Outdoor storage, Wind speed, Water spray system

옥외저장소 화재 시 인접 저장소 화재 영향에 대한 연구

김은지*, 박성식**, 전용한***
*제주대학교 에너지응용시스템공학부 기계공학 전공
**탄소중립기술원
***상지대학교 소방공학과

초록

1. 서 론 

 화재는 인류 사회에서 가장 오래된 재해 중 하나로, 이로 인한 손실과 피해는 많은 분야에서 심각한 영향을 미치고 있다. 특히, 옥외저장소에서의 화재는 그 규모와 복잡성 때문에 더 큰 위험을 동반한다. 옥외저장소는 대량의 원자재, 제품, 화학물질 등을 저장하는 장소로, 화재 발생 시 대규모의 인적 및 물적 피해를 초래할 수 있다.
 옥외저장소에서의 화재는 단순 시설물의 파괴에 그 치지 않고, 인접 저장소나 건물 등 주변 환경과 지역사 회에 미치는 영향도 크다. 화재로 인한 유독가스 방출, 토양 및 수질 오염 및 인근 주민 건강 등에 대한 위험이 그 예이다. 이러한 화재에 따른 인명 및 재산피해를 최소화하기 위하여 철저한 화재영향 검토와 관리가 필요하다. 
 이러한 화재영향 평가와 화재 시뮬레이션에 대한 연구는 다양하게 진행되고 있다. 황만웅(2016)등은 컨테이너 터미널 옥외저장소의 액면화재를 모사하여 복사 열에 대한 영향을 연구하였다. 
 또한, 민세홍(2018)등은 화재 예측 알고리즘에 대한 연구를 수행하였으며, 화재발생에 연관이 있는 17개의 인자 중 기상조건 인자는 바람, 온도, 습도라고 보고하였다. 
 Espinosa et al.(2019)은 화재가 발생한 탱크에서 바람에 의한 열전달 및 확산으로 인접 탱크로의 화재인접 탱크로의 화재 확산에 대한 연구를 진행하였다. 이점동(2020)등은 화재폭발 사례를 통하여 화재 위험성을 확인하고 인접탱크에 미치는 복사열 영향을 평가하는 시뮬레이션을 진행하였다.
 또한, Ghodrat et al.(2021)은 화재와 바람이 화재 확산 양산과 구조물에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였으며, Safi‘i et al.(2023)은 FDS를 통하여 LNG 저장탱크의 화재의 열복사를 통해 저장소의 손상과 부상 또는 사망 가능성을 예측하는 연구를 수행하였다.
 따라서, 본 연구에서는 풍속과 화재가 발생한 옥외저장소의 물분무 설비의 작동 여부에 따라 인접 옥외저장소의 화재 확산 영향을 검토하기 위한 옥외저유저장소의 화재 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 이러한 연구는 옥외저장소 화재로 인한 피해를 최소화하고, 안전한 저장소 운영을 위한 지침을 제시하는데 중요한 기초자료가 될 것으로 기대된다.   
 

2. 국내외 저장소 화재 사고 사례 

 산업 발전과 관련 산업에서의 수요 증가로 인하여 가스, 유류 등을 저장하는 저장소가 크게 증가하였다. 이에 따라 국내외 저장소의 사고 사례가 번번히 발생하고 있으며, 일부에서는 그 규모가 대형화되고 있다. 안전보건공단의 연구보고서에 따르면, 1960년 ~ 2013년(약 50년)동안 국외 저장소 화재 폭발사고는 242건에 달했으며, 가장 높은 화재원인은 낙뢰로 밝혀졌다. 국내의 경우, 2014년 1월부터 2017년 6월(약 3년)의 화재사고 분석 결과, 총 268건의 사고가 보고되었다. 이 중 누출사고가 213건으로 가장 높은 사고 원인으로 밝혀졌으며, 대부분 사고의 주요 원인은 관리 미흡 등의 인재인 것으로 보고되었다. 
 2005년 영국 런던 번스필드 탱크 터미널 내 유류 소에서 폭발과 화재가 발생하였다. 화재는 유류저장소가 과충전 되었으나, 최고 준위 경보 스위치가 동작하지 않아 발생되었다. 이 화재 사고로 인하여 20개 사업장이 완전히 파괴되고, 주변 60개 사업장 및 인근 주택 300가구가 파손, 43명의 부상과 약 1.7조 원의 피해가 발생하였다.
 2011년 일본 치바현에 위치한 코스모석유화학의 가스 저장소와 배관이 손상되어 대량의 LPG가 누출되면서 화재가 발생하였다. 화재 발생 이후 주변 구형 저장소가 연쇄적으로 파열 및 폭발하는 화재 사고가 발생하였다. 이 화재사고로 인하여 저장소 17기가 파손되고, 주변 사업장 인근 주택 118가구가 파손되었으며, 6명이 부상을 입었다. 
 미국에서는 2019년 캘리포니아의 나프타 저장소의 누출로 인하여 유류저장소 화재가 발생하여, 약 1억 달러의 피해가 발생하였다. 같은 해 샌프란시스코에서는 에탄올 저장소 화재로 인하여 인근 주민 12,000명이 외출 자제를 권고 받았고, 화재 현장에 200여명의 소방관과 지원요원이 파견되었다. 2023년는 미국에서 세 번째로 큰 정유소인 루이지애나주에 있는 마라톤 퍼트롤리움 정유소에서 화재가 발생하였다. 정유소 내 저장소에서 나프타가 유출되어 화재가 발생한 것으로 보고되었다. 화재 발생 이후 정유소 가동을 중단하는 절차를 진행하였으며, 인근 주민에게는 대피령이 내려졌다. 
 2024년 태국 동남부 라용 지역에 화학가스 저장소폭발 및 화재 사고가 발생하였다. 저장소터미널에 위치한 화학물질 저장소에서 폭발이 일어나 대형화재가 발생하였으며. 인접 저장소에도 화재가 확산되었다. 이 화재로 인하여 태국산업단지청은 2단계 비상단계를 선포하였으며, 인근 주민 및 근로자에게 대피령이 내려졌고, 1명이 사망하고 3명이 부상을 입었다. 
 국내에서도 크고 작은 저장소 화재가 발생하였다. 2009년 충남에서 옥외저장소 연결 배관 누설로 인한 화재, 2011년 경기도 시흥의 옥외저장소 용접 중 폭발 2012년 울산 옥외 저장소 화재, 2013년 경북 구미의 옥외 저장소 화재 등이 발생하였으며, 2022년 울산에서는 온산공단 석유화학업체 저장소에서 화재가 발생하였다. 벙커C유를 보관하던 저장소에서 공정으로 이송시키는 펌프에서 불이나 화재가 발생한 것으로 조사되었다. 이 화재로 인한 인명피해는 없었으나 2500만원의 재산피해가 발생하였다. 2023년 여수에서는 석유저장시설 중 오일 저장소에서 화재가 발생하였다. 8만톤 규모의 오일 저장소 정비 작업을 하던 중 화재가 발생하여 2명이 부상을 입었다.   
 

3. 실험방법   

3.1 실험 시나리오   

 옥외저장소의 화재는 저장하고 있는 물질의 종류와 양, 외부 환경 요건 등에 따라 화재 양상이 다양하게 나타난다. 화재 발생의 원인 및 분석을 위해서는 실제 크기의 실험을 통하여 위험도 평가를 실시하는 것이 가장 바람직하나, 실제 크기의 실험은 많은 비용과 시간이 소모되기 때문에, 선진국에서는 단순화된 화재실험에서 획득한 기초자료를 토대로 시뮬레이션을 통한 화재확산 특성을 반영하고 있다. 
 또한, 화재 시 발생하는 복사열은 인접 저장소나 건물에 복사열 전달에 따라 2차 화재를 유발할 수 있어 복사열 평가를 위해서는 거리, 장벽의 유무, 열 차단 성능을 고려해야 한다. 화염과 불티는 바람의 영향을 받아 인접 저장소로 이동할 수 있으며 이는 추가 화재 확산 위험을 증가시킨다. 이외에도 저장소 간 거리와 저장소 내 저장 물질의 종류와 특성에 따라 전파 속도와 규모 등의 화재 전파 가능성이 달라진다. 
 따라서, 본 연구에서는 옥외저유저장소 화재 해석을 위해 FDS(Fire Dynamic Simulation)을 사용하였다. 시나리오는 Table 1과 같이 Gasoline을 저장하고 있는 천안저유소의 옥외저장소 화재 시 해당 저장소의 물분무 설비의 작동 여부 및 풍속 조건에 따라 Case1과 Case2로 구분하고 FDS 시뮬레이션을 통한 화재 영향 검토를 수행하였다.   
 
 

3.2 열방출율 

 본 연구에서는 화재 시나리오를 최악의 조건으로 산정하기 위하여 저장소 상부 표면 전체에서 화재가 발생하는 것으로 설정하고, 액체 연료의 풀 화재로 가정하였다. 
 인접 저장소와의 화재 확산을 예측하기 위하여 열방출율과 복사분율을 적용하였다. NFPA(National Fire Protection Association) 92에서는 풀 화재 시 연료 소비량의 산정 방법에 대해 기술되어 있으며, 본 연구에서도 NFPA에 기술된 열방출율 계산방법을 적용하였다. 풀의 직경에 따른 단위 면적당 연료 소비율(m")의 산정 방법을 (식 1)에 나타내었고, 열방출율 산정방법을 (식 2)에 나타내었다. Table 2에서는 (식 1)과 (식 2)를 통해 계산 된 옥외저장소의 단위면적당 열방출율을 나타내었다. 
 
 
 
 
 또한, 본 연구에서는 SFPE Handbook of Fire Protection Engineering에서 제시한 풀의 직경에 따른 복사분율 산정방법을 이용하였으며, (식 3)과 (식 4)에 나타내었다.   
 
 
 여기에서 복사분율(Xr)은 가연물 및 풀 면적의 함수이고, D는 풀 직경이다.
 본 연구에서 옥외저장소의 화재는 원형 풀 형태로 발생하게 되며, 옥외저장소의 직경이 14.5 m이므로, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering의 복사분율 산정식을 이용하여 복사분율(Xr)은 0.16053을 적용하였다. 
 

3.3 실험조건 

 본 연구에서 실험 조건은 모두 대한송유관공사, NFPA 92, SFPE Handbook에서 제공한 자료를 이용하였다. 화원 조건은 <Tabel 3>에 나타내었으며, 옥외저장소의 물질 조건은 <Table 4>에 나타내었다. 또한, <Table 5>에는 물분무 설비 조건을 나타내었다.   
 
 
 
 
 <Tabel 6>에는 대한송유관공사 제공 자료를 기반으로 설정된 옥외저유저장소의 제원, 격자 해상도, 격자수, 화원 크기, 이격 거리, 저유 높이 등을 나타내었다.  [Figure 1]은 Case2에 적용한 물분무 설비의 설치 위치와 시뮬레이션 분석 지점을 나타내었으며, [Figure 2]는 본 연구에서 적용한 화재 발생 저장소와 인접 옥외저장소의 격자 모델링을 나타내었다. 
 
 
 
 

3.4 실험방법   

 본 연구에서는 FDS를 활용하여 Case1의 화재 발생 전과 후, Case2의 화재 발생 전과 후의 시간에 따른 복사열유속과 열방출율 변화를 분석하였다. 시간은 화재 발생 후 1,800초까지 분석하였다. 
 [Figure 3]에는 본 연구에 사용된 옥외저유저장소의 모델링 및 분석 설정을 나타내었다. 그림을 보면 알 수 있듯이 화재가 발생할 옥외저장소의 화재지점을 저장소 상단으로 설정하였고, 분석 대상인 인접 옥외저장소와 13m의 이격거리를 두었다. 
 분석 대상인 옥외저장소의 화재 지점과 가장 인접한 표면에 대한 복사열유속을 비교 및 분석하였다, 또한, 표면의 복사열유속을 일정 높이 간격으로 분석하며, 해당 위치의 평균 및 최대 복사열유속을 분석하였다. 모든 측정 지점 중 시간별 복사열유속 최대값을 도출하여 인접 저장소와의 화재 영향을 평가하였다.   
 
 

4. 실험결과 및 분석   

4.1 옥외저장소 화재 영향 평가 결과   

 [Figure 4]는 Case1일 때, 화재 발생 전(a)과 화재 발생 600초 후(b), 1,200초 후(c)와 1,800초 후(d)의 화재 양상 및 표면복사열 분포 결과를 나타낸 그림이다. 그림을 보면 알 수 있듯이, 5 m/s 풍속에서 화재가 발생한 옥외저장소의 물분무 설비가 작동하지 않았을 때, 화재 양상과 복사열 분포를 보면 인접 옥외저장소의 중, 상부에 화재 영향이 미치는 것으로 나타났다.
 [Figure 5]는 Case2일 때, 화재 발생 전(a)과 화재 발생 600초 후(b), 1,200초 후(c)와 1,800초 후(d)의 화재 양상 및 표면복사열 분포 결과를 나타낸 그림이다. 그림을 보면 알 수 있듯이, 풍속 10 m/s 조건에서 옥외저장소 화재 시 화재가 발생한 저장소 상단의 불길이 인접 저장소로 향하지만, 화재 발생 저장소의 물분무 설비가 작동하여 분무 된 물분무 소화가 인접 옥외저장소까지 영향을 주어 Case1보다 인접 옥외저장소에 미치는 화재 영향이 적은 것을 확인할 수 있다.   
 
 
 
 [Figure 6]은 Case1일 때, 화재 발생 시간에 따른 열방출율 변화를 나타낸 그래프이다. 열방출율은 평균 391.44 MW로 나타났다. 시간에 따른 열방출율이 평균 열방출율과 크게 차이 나지 않는 것을 확인되었다.
 [Figure 7]은 Case2일 때, 화재 발생 시간에 따른 열방출율 변화를 나타내었다. Case2일 때 열방출율은 평균 390.99 MW로 나타났으며, 시간에 따른 열방출율은 Case1과는 다르게 평균 열방출율과 크게 차이가 발생하는 것이 확인되었다. 이는 10 m/s 풍속 조건과 물분무 설비 작동이 시간에 따른 열방출율에 영향을 준다는 것을 의미한다. 
 [Figure 8]은 Case1일 때, 화재 이후 인접 옥외저장소의 시간에 따른 복사열유속 최대값을 나타내었다. 
 
 
 그림에서 알 수 있듯이 일부 지점에서 한계 복사열유속인 20 kW/m2을 넘는 것을 확인하였다. 
 [Figure 9]는 Case2일 때, 화재 이후 인접 옥외저장소의 시간에 따른 복사열유속 최대값을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 위험물 안전관리법 시행규칙에서 제시된 옥외저장소의 한계 복사열유속인 20 kW/m2을 넘지 않아 Case1에 비해 화재 영향이 약한 것으로 확인되었다. 
 [Figure 10]에서는 Case1과 Case2의 화재 발생 시간 에 따른 평균 복사열유속을 나타내었다. Case1일 때, 평균 복사열유속은 11.61 kW/m2으로 나타났으며, 평균 복사열유속이 시간이 지남에 따라 낮아지는 경향을 보였다. 이와 같은 이유는 인접 옥외저장소의 측정지점에서의 표면온도가 상승함에 따라 연기에서 발생되는 복사열의 영향이 감소되기 때문인 것으로 사료된다. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering에서는 연기층으로부터 열유속을 계산하는 방법을 (식 5)와 같이 제시하고 있다. (식 5)에 나타난 것과 같이, 표면온도()의 상승이 복사열의 감소에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 이는 본 연구 결과와 일치함을 알 수 있다. 여기서, I는 복사 강도 는 스테판-볼츠만 상수, T는 온도, k는 열전도율, S는 경로 길이이다. 
 
 
 
 
 또한, Case2일 때 평균 복사열유속은 11.23 kW/m2로 Case1과 Case2의 평균 복사열유속은 3.27% 차이로 크게 차이가 나지 않는 것을 확인하였다.   
 [Figure 11]은 Case1과 Case2의 화재 발생 시간에 따른 최대 복사열유속을 비교하여 나타내었다. Case1일 때, 최대 복사열유속은 24.80 kW/m2으로 나타났으며, Case2일 때 최대 복사열유속은 18.77 kW/m2로 나타나 Case1보다 Case2의 최대 복사열유속은 24.3% 낮은 것으로 나타났다. 
 
 

5. 결 론   

 이 연구는 Gasoline을 저장하고 있는 옥외저장소에서 화재가 발생 할 경우, 물분무 설비의 작동 여부 및 풍속이 인접한 옥외저장소로 화재가 확대될 수 있는지에 대한 화재 영향 평가를 위하여 수행하였다. Case1(물분무 미작동, 5 m/s)과 Case2(물분무 작동, 10 m/s)의 열방출율, 평균 복사열유속 및 최대 복사열유속을 비교 및 분석하고, 화재 영향 검토를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 
 
 1) Case1과 Case2의 평균 복사열유속을 비교하면, Case1일 때, 11.61 kW/m2, Case2일 때 11.23 kW/m2 로 Case1과 Case2의 평균 복사열유속은 3.27%로 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 또한 시간이 지남에 따라 복사열유속이 낮아지는 경향이 있는데 이는 인접 옥외저장소의 측정지점에서의 표면온다가 상승함에 따라 연기에서 발생되는 복사열의 영향이 감소되기 때문이 것으로 판단된다. 
 2) Case1과 Case2의 열방출율을 비교하면, Case1일 때 평균 열방출율 391.44 MW, Case2의 평균 열방출율 390.99 MW로 화재 시간에 따른 평균 열방출율은 크게 차이가 없는 것이 확인되었다. 그러나, Case2의 경우 시간에 따른 열방출율이 크게 차이가 나는 것은 물이 소화하면서 기화됨에 따라 고온 증기가 발생하여 열방출율이 높아졌다 낮아지는 것이 반복되는 것으로 판단된다. 
 3) 최대 복사열유속은 Case1의 경우, 화재 지점과 인접한 옥외저장소의 최대 복사열유속이 24.80 kW/m2으로 나타남에 따라 한계 복사열유속인 20 kW/m2를 초과하는 것으로 나타났으나, Case2의 최대 복사열유속은 18.77 kW/m2로 한계 복사열유속을 초과하지 않는 것으로 분석되며, Case1에 비해 Case2의 최대복사열유속이 24.3% 낮은 것으로 확인되었다. 이는 10 m/s의 풍속에서도 화재지점의 물분무 설비 작동이 인접한 옥외저장소에서의 복사열유속을 저감시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 
 본 연구에서는 이격거리, 풍속, 저장물질을 고려하여 연구하였다. 화재에는 본 연구에서 고려한 요소 외에도 저장소 내 저장되고 있는 물질, 차폐막 등의 유무, 저장소 간의 거리, 화재 규모 등을 고려한 화재 영향 평가에 대한 추가 연구가 필요하다. 이러한 연구를 통하여 화재 발생 시 신속한 대응 및 화재 진압 장비, 소화 시스템 배치를 최적화하는 방안을 제시하는 것이 중요하다. 또한 관련 법규 혹은 표준에 대한 개선사항을 제안하여 화재 안정성을 강화 할 수 있다. 

Figure

Table

Reference

  1. [1] M. W. Hwang, et al.(2016), “Impact Assessment of the Damage by a Pool Fire in Yard Storage Facilities.” Korean Society of Disaster & Security, 9(2):33-42. doi:10.21729/ksds.2016.9.2.33
  2. [2] S. H. Min, et al.(2018), “A Study on Performance Improvement of Fire Prediction Program through Fire Influencing Factor.” The Korean Society of Disaster Information, pp.37-38.
  3. [3] S. N. Espinosa, et al.(2019), “Thermal effects of fire on a nearby fuel storage tank.” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 62:103990. doi:10.1016/j.jlp.2019.103990
  4. [4] J. D. Lee, et al.(2020), “Study on the Evaluation of Radiant Heat Effects of Oil Storage Tank Fires Due to Environmental Conditions.” Fire Science and Engineering, 34(1):72-78. doi:10.7731/KIFSE. 2020.34.1.072
  5. [5] M. Ghodrat, et al.(2021), “Existing Improvements in Simulation of Fire–Wind Interaction and Its Effects on Structures.” Fire, 4:27. doi:10.3390/fire4020027
  6. [6] M. H. Safi’i, et al.(2023), “Fire Impact Modelling on Human Due to Leakage of Storage Tank at LNG Terminal Using Fire Dynamics Simulator.” Earth and Environmental Science, doi:10.1088/1755-1315/1198/1/012015
  7. [7] W. S. Han, et al.(2017), A Study on Fire Explosion Impact and Accident Analysis Model. Occupational Safety and Health Research Institute Korea Occupational Safety and Health Agency.
  8. [8] Korean Fire Protection Association(2007), “Burnsfield oil storage.” A Collection of Fire Cases, 11:94-105.
  9. [9] J. D. Lee(2020), A Case Analysis and Experimental Study for Optimization of Flame Spread Prevention Design in Oil Storage Facilities.
  10. [10] The Third Largest Refinery Fire in the United States...an Evacuation Order for Nearby Residents. https://www.yna.co.kr/view/AKR20230826005000071
  11. [11] Explosion of Gas Tank in Rayong, Southeastern Thailand...At Least One Person Was Killed and Three Injured. https://www.yna.co.kr/view/AKR20240509170700076
  12. [12] Ulsan Petrochemical Company's Outdoor Tank Fire...No casualties. https://www.newsis.com/view/NISX20220802_0001964359
  13. [13] Oil tank fire at Yeosu Industrial Complex oil storage facility...Two people burn. https://news.kbs.co.kr/news/pc/view/view.do?ncd=7621585
  14. [14] NFPA(2015), NFPA 92 Standard for Smoke Control Systems.
  15. [15] SFPE(2016), SFPE Handbook of Fire Protection Engineering.
  16. [16] NRC(2007), Verification and Validation of Selected FireModels for Nuclear Power Plant Applications: NUREG-1824).
  1. SEARCH

  2. Online Submission

    http://submission.koreasafety.or.kr

  3. KSSM

    The Korean Society of Safety ManagementWaste Society

  4. Editorial Office
    Contact Information

    - Tel: +82.31.336.2844
    - Fax: +82.31.336.2845
    - E-mail: safety@mju.ac.kr