석유화학 플랜트는 일반 시설물과는 달리 생산과 제조를 목적으로 하는 산업용 시설물로서, 취급하는 물질이 갖는 높은 위험성으로 인해 화재/폭발에 대한 우려가 상대적으로 높다. 특히 플랜트는 설비(저장탱크, 압력용기, 밸브, 배관, 펌프 등)와 시설물(제조소, 취급소, 저장소 등)들이 복잡하게 얽혀져 있고 설비가 시설물 내부 또는 외부에 위치할 수 있으므로, 화재 시 다양한 화재 양상을 보일 수 있다. Assael and Kakosimos (2010)는 석유화학 플랜트의 화재/폭발 및 유독가스 분산에 따른 위험 분석을 진행하였으며, Lowesmith et al. (2007)은 석유 및 가스 산업에서 탄화수소 Jet fire의 위험성 계산 및 평가를 위한 프로세스에 대해 연구하였으며, Ahmadi et al. (2019)은 CFD에 기초한 유류 저장고 Pool fire의 위험성에 대해 연구하였다. 이처럼 석유화학 플랜트 시설물에서 발생할 수 있는 다양한 화재조건들에 대한 위험성을 인지하고 이와 관련한 연구들이 현재까지도 다수 이루어지고 있는 추세이다.

한편, 시설물은 화재 시 구조적인 붕괴가 발생되지 않도록 내화구조로 설계되고 있으나, 실사용 단계 시 취급 물질의 연소에서 발생하는 화재특성과 더불어 구획조건 등의 다양성을 고려하는 것에 대해서는 아직까지는 미흡한 편에 속한다. 이에 화재 및 구조공학을 중심으로, 시뮬레이션을 활용한 화재특성 및 구조안전성을 예측하는 연구가 다수 이루어지고 있다. Rajendram et al. (2015)는 시뮬레이션을 토대로 Jet fire, Pool fire, Ball fire가 발생했을 시 주변 구조물과 피난자에게 미치는 위험성에 대해 연구하였으며, Lim et al. (2019)는 FDS를 이용하여 다양한 화재조건에 따라 내화구조가 받는 영향에 대해 연구하였다. 또한 Ryu et al. (2015)과 Lee et al. (2015)는 화재 후 구조부재의 잔존강도 실험 및 열해석과 구조해석을 수행하여 구조부재의 조건별로 내화성능을 검토하였으며, Choi et al. (2012)은 화재로 손상된 콘크리트 구조물의 구조적 거동을 설명하기 위해 변수해석을 수행하였으며 열해석을 바탕으로 구조안전성을 평가할 수 있다고 주장하였다.

우리나라의 경우 사양적 제도하에서 다소 획일적인 내화설계 및 표준화재(ISO 834-1, 1999)를 기반으로 한 내화성능 평가 등을 실시하고 있으나, 다양한 고 화재위험 물질을 취급하면서도 다양한 구조적 형태를 가지는 석유화학 플랜트 시설물의 경우에는 사양적인 내화설계 외에도 성능설계의 개념을 추가적으로 고려하여, 보다 합리적인 내화설계를 지향할 필요가 있다. 이와 관련하여 Hwang (2014)은 화재 시뮬레이션과 실험을 바탕으로 석유화학 플랜트의 내화구조 개선을 제안하였으며, Lee and Yoo (2018)은 화재 규모에 따른 화학 공장의 내화구조 적용에 대한 연구를 진행하여 현행 내화설계 기준에 대한 개선을 제안하였다. 또한 Choi and Byeon (2021)도 화재 유형에 따라 현행 내화설계 방식의 문제점을 지적하고 관련 제도의 개선을 촉구하였다.

이에 본 연구에서는 석유화학 플랜트와 같은 산업단지에서 통상적으로 활용되는 구조형태 3종(밀폐형-A, 밀폐형-B, 개방형)을 가정하여, 화재유형으로는 Jet fire나 Pool fire로, 화원으로는 프로필렌과 헵탄을 조건으로 화재 시뮬레이션을 수행하여 각 조건에 따른 공간별 온도분포 특성을 검토하였다. 본 해석에 기초한 사례 연구는, 석유화학 플랜트 시설물 주요 구조부재의 화재 시 잠재적인 위험성을 가늠해 보고자 함과 동시에 추후 성능설계를 유도하는 데 있어 한 가지 좋은 예시와 참고자료로서 활용되기를 기대한다.

본 연구에서 다루는 화재유형, 화원의 종류 등의 해석적 구현은 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)과 Navier-Stokes 방정식(저속 열유동장) 이론을 기본으로 하는 Fire Dynamic Simulator (이하, FDS)를 사용하였다. 시뮬레이션은 다수의 화재 시나리오들을 검토할 수 있는 장점은 있으나 도출된 결과들의 검증이 이루어지지 않는다면 결과의 신뢰성이 떨어질 수 있는 단점이 있다. Kim et al. (2019)은 FDS의 신뢰성을 검증하고자 목재 클립을 화원으로 한 시뮬레이션과 실제 실험 결과를 서로 비교하여 그 유사함을 밝혔다. 또한 Wen et al. (2007)은 FDS의 결과값이 실제 화재 시의 공간 온도와 유사함을 밝혔으며, 본 저자인 Cho and Ahn (2021)은 단위구획 내 Pool fire을 구현한 FDS의 결과와 실제 실험의 결과를 비교하여 그 신뢰성을 검증하였다. 본 연구에서는 상기 연구들에서 검증된 FDS의 신뢰성을 바탕으로 본 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 FDS는 version 6.7.6이며, 메쉬조건은 cell size 0.32 m × 0.32 m × 0.28 m (number of cells for mesh 125,000)이다.

Figs. 4와 5는 시설물 구조형태별로 화재유형을 각각 Jet fire와 Pool fire로 했을 시의 공간 온도분포를 나타낸 것이다. 시설물 구조형태별 비교 결과(Figs. 4(a), (d), 5(a), (d)), 밀폐형-A에서 화재발생 위치에 인근한 공간이 가장 높은 평균온도를 가지는 것으로 나타났다. 이는 외벽(수직 구획부재)과 슬래브(수평 구획부재)로 실내공간이 구획되어 있는 경우에서는 화재 발생 시, 해당 구획을 형성하고 있는 구조부재들에 미치는 화해가 매우 심각할 것으로 생각된다. 다만, 층간 구획으로 인해 1층에 비해 3층에서는 낮은 평균온도가 나타나는 것으로 분석되었으며, 이를 비춰볼 때 밀폐형-A와 같은 플랜트 시설물은, 1층에 위치한 구조부재의 내화설계를 2, 3층에 비해 강화해야 할 것으로 생각된다. 그러나 수평 구획부재가 존재하지 않는 밀폐형-B의 경우(Figs. 4(b), (e), 5(b), (e))에는 화재발생 위치에 가까운 높이 2 m 지점 보다는 오히려 6 m, 10 m의 위치에서의 온도가 더 높게 형성되는 것으로 나타났다. 이는 기존 API PUBL 2218에서 제시하고 있는 1층(최대 6 m)까지의 내화구조 설계 대상 범위에서 일부 벗어나는 것으로 보이며, 밀폐형-B와 같은 구조형태로 건설되는 플랜트 시설물은 저층 부분 이외에도 상층 부분의 내화구조 적용도 생각해 볼 필요가 있다. 수평 구획부재는 존재하나 외벽이 없는 개방형 구조형태의 경우 해석결과(Figs. 4(c), (f), 5(c), (f)), 자연 유출(실내공기 유동조건 배제)로 초기에 급격한 성장단계 이후 일정한 온도로 형성되는 것으로 나타났다. 이 결과를 볼 때, 개방형 구조형태는 외부 환경(공기 유동조건)에 많은 영향을 받는 것으로 사료되며, 해당 시설물의 배치 위치를 설계할 때 그 지역의 기상환경 조건에 대한 검토도 함께 이루어져야 할 것으로 생각된다. 또한 개방형은 수평 구획부재가 존재하는 이유로 밀폐형-A에서와 같이 화재발생 위치 인근의 공간이 타 층수에 비해 높은 온도가 형성되는 것을 확인하였다.

Jet fire와 Pool fire의 화재유형을 비교했을 시, 개방형을 제외한 시설에서는 일반적인 형태의 성장, 지속, 감쇠단계로 이어지는 화재성상을 보이고 있으나 본 연구에서 진행한 시뮬레이션 조건에서의 결과만을 바탕으로 비교해 보았을 때는, Jet fire는 분출압과 분출속도가 존재함으로 인해 평균온도과 최고온도 사이에 다소 높은 온도 편차를 보이고 있으며 그에 비해 Pool fire는 안정적인 온도분포를 가지는 것으로 나타났다. 특히, Jet fire에서의 최고 온도분포가 매우 높게 형성되고 있는 것으로 나타나 특정한 방향성을 갖는 Jet fire가 발생 시 이를 조기에 진압하고 대응할 수 있는 내화구조 외에도 소방/소화시설의 적절한 상호보완이 필요할 것으로 사료된다. 한편, 프로필렌과 헵탄의 화원 차이에 따라서도 온도분포가 상이한 것으로 나타났으며, 프로필렌이 헵탄에 비교해 평균온도뿐만 아니라 최고온도도 전반적으로 높은 값으로 형성되었다. 이 같은 결과는, 석유화학 플랜트 시설물과 같이 다양한 물질을 취급하는 산업용 시설에서는 취급하는 물질의 종류 및 취급량 등을 감안한 잠재적인 화재특성을 구조물 내화설계 시 감안해야 할 것으로 사료된다.

지금까지의 시뮬레이션 결과들을 종합적으로 검토해 볼 때, 현행 시설물 구조부재의 내화설계는 표준화재에 비롯한 다소 획일적인 내화성능(시간)을 요구하고 있으나 본 연구의 결과에서 보듯이 다양한 화재 시나리오들의 검토를 통해서 합리적인 내화성능을 요구해야 할 필요성이 대두된다. 특히, 표준화재의 경우 60분 이내에 927 ℃ (1,700F)에 도달하는 조건이지만 본 연구에서는 수초 이내에 1,000 ℃에 도달하는 경우가 많아 잠재적 화재강도가 높은 석유화학 플랜트 시설물의 내화구조는 이를 감안하여 보다 요구 내화성능의 다양성을 추구할 필요가 있다. 또한, 화재의 상황 즉, 화재의 유형 및 시설물의 형태(수직, 수평 구획조건) 등이 내화성능에 영향을 미치므로 시설물 주요 구조부재의 내화성능 취약요인을 설정할 때는 다양한 화재 시나리오 및 구조부재 조건(구조형식, 규격, 위치, 화재노출면 등) 등을 종합적으로 검토할 필요가 있을 것으로 생각된다. 특히, 석유화학 플랜트 시설물과 같이 제품 생산을 목적에 둔 산업시설의 경우 생산성 향상을 위한 구획화가 가변적으로 이루어질 수 있으므로, 시뮬레이션을 적극 활용하여 화재확산 및 공간 온도분포를 고려해 구조부재의 내화 위험성을 미리 가늠할 필요가 있을 것으로 생각된다.

본 연구에서는 석유화학 플랜트와 같이 산업단지에서 통상적으로 활용되는 시설물 구조형태 3종을 대상으로 Jet fire와 Pool fire를 가정한 화재 시뮬레이션을 수행하고, 이를 통해 도출된 공간 온도분포 분석을 바탕으로 시설물 주요 구조부재의 잠재적 위험성을 가늠해 보고자 하였다. 결론은 다음과 같다.