전산유체역학(CFD)을 이용한 밀폐공간 환기 및 가스측정 기준 개선 연구 - 상압 저장탱크 중심으로 - = A Study on Improving Ventilation and Gas Measurement Standards in Confined Spaces Using Computational Fluid Dynamics(CFD) - Focusing on Atmospheric Storage Tank -

국문 초록 (Abstract)

밀폐공간에서 발생하는 질식 및 화학물질 노출사고는 재해자 2 명 중 1명이 사망할 정도로 치명적인 재해로 보고된다. 이러한 밀 폐공간 재해의 주요 원인은 ‘부적절한 환기’와 ‘부적절한 산소 및 유해가스 측정’이다. 국내에서는 「밀폐공간 작업 프로그램 수립 및 시행에 관한 기술지침(KOSHA Guide)」을 통해 사고 예방을 위한 지침을 제공하고 있으나, ‘환기구 선정 방법’과 ‘산소 및 가스 농도 측정 지점’에 대한 기준이 구체적이지 않고, 산소 결핍·황화 수소·일산화탄소 중독 예방에 중점을 두고 있어 화학물질을 취급 하는 작업 여건을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 이 연구에서는 현행 KOSHA Guide의 한계를 규명하기 위해 전 산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 시뮬레이션 결 과를 분석하고, 국내·외 밀폐공간 관련 규제를 비교하였다. 그 결 과 ① 비중을 고려한 환기구 선정과 환기 방법의 우선순위, ② 정 체구간과 최종 환기 종료 구역을 포함하는 측정 지점, ③ 유해인 자 및 노출한계에 기반한 가스측정·보호구 기준, ④ 작업 전 환기 량 조항의 삭제 및 대체 등 네 가지 개선방안을 도출하였다. CFD 해석 결과, 염화수소의 높은 비중으로 인해 하부 맨홀을 통한 배출이 상부 맨홀 배출보다 환기 효과가 우수한 것으로 나타 났다. 또한 급·배기 동시 환기가 단독 환기보다 효과적이었으며, 단독 환기 방법 중에서는 급기가 배기보다 유리하였다. 가스측정 지점 선정을 위해 정체구간을 분석한 결과, 모든 시나리오에서 저 장탱크 바닥의 Sump 주변 및 내부에 염화수소가 잔류하는 정체구 간이 형성되었다. 유해가스 측정 항목 및 기준 농도와 관련해서는, 국내와 달리 미국·영국·독일에서 노출 한계가 설정된 물질을 대상 으로 가스 농도를 측정하고 그 값을 노출 한계 이내로 관리하고 있음을 확인하였다. 한편, 현행 KOSHA Guide가 요구하는 작업 전 환기량(체적의 10배)은 산소 결핍 예방에는 유효하지만 화학물 질 노출사고 예방에는 불충분하며, 환기량만으로는 밀폐공간 내부 유해가스 농도를 적절히 예측·제어하기 어렵다는 점이 드러났다. 국내·외 선행연구 검토, 밀폐공간 규제 비교 및 시뮬레이션 결과 분석을 종합하여 KOSHA Guide 개선방안 네 가지를 제안하였다. 첫째, 밀폐공간 내부 물질의 비중을 고려해 환기구를 선정하고, 작 업 여건에 따라 급·배기 → 급기 → 배기 순으로 환기 방법을 선 택하도록 해야 한다. 둘째, 환기구 위치에 따라 최종 환기 종료 구 역을 예측한 뒤, 해당 구역의 형태에 맞추어 수직 또는 수평 방향 으로 3개소 이상을 측정하도록 기준을 구체화하고, 현행 측정 지 점 기준에 함몰부·굴곡 등 환기 기류 변화가 발생할 수 있는 지역 을 포함하는 조항을 추가해야 한다. 셋째, 유해가스 측정 항목 및 기준 농도에 산업안전보건법상 유해인자를 포함하고, 노출 한계가 매우 낮거나 가스측정이 곤란한 물질의 경우 안전 보호구의 상시 착용을 요구해야 한다. 넷째, 작업 전 체적의 10배 환기 조항은 삭제하거나, 최적 환기구 및 환기 방법 선정과 산소·유해가스 측정 지점 선정 기준으로 대체할 필요가 있다. 이 연구는 화학물질을 취급하는 저장설비의 환기 사례를 제시함 으로써, 밀폐공간 사고 예방을 위한 규제 개선에 긍정적인 영향을 미치고, 나아가 화학물질로 인한 밀폐공간 재해 예방에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 필요성 및 목적 1
• 2. 연구 배경 3
• 3. 문제 정의 및 KOSHA Guide의 한계 4
• Ⅱ. 문헌 고찰 및 선행연구 분석 6
• 1. CFD 기반 밀폐공간 환기 선행연구 6
• 2. 육면체와 원통형 밀폐공간의 환기 특성 비교 10
• Ⅲ. 국내·외 밀폐공간 관련 규제 분석 12
• 1. 국내 밀폐공간 법령과 KOSHA Guide의 환기 및 가스측정 규제 12
• 2. 국외 밀폐공간 규제 현황 17
• 3. 국내·외 밀폐공간 규제 비교 및 쟁점 33
• Ⅳ. 연구 방법 및 설계 38
• 1. 연구 대상 선정 38
• 2. 연구 방법 43
• 3. CFD 개요 45
• 4. CFD 시뮬레이션 절차 50
• 5. 환기 시나리오 설계 56
• 6. 변수 정의 58
• 7. 격자 독립성 검토 59
• Ⅴ. 결과 분석 62
• 1. 환기구 위치별 환기 효과 62
• 2. 정체구간 및 유해가스 농도 분포 70
• 3. KOSHA Guide 환기량 적정성 검증 80
• 4. 최적 환기 전략 및 환기량 기준의 한계 83
• Ⅵ. 논의 및 고찰 85
• Ⅶ. 결론 89