이 연구논문은 한국화재소방학회 논문지 제28권 제5호에 게재된 내용으로 한국화재소방학회와의 협의를 통해 독자분들에게 학술/연구 자료로 제공됨을 알려드립니다.

 
요 약

석유화학공장에서 화재ㆍ폭발사고는 매년 반복되고 있으나 화재 방호시스템에 관한 국내 법규는 최악의 화재 시나리오에 대응하기에는 미흡한 실정이다.
 
이에 본 연구에서는 석유화학공장에서 국내외 화재 방호시스템의 기준을 비교ㆍ분석하고 울산국가산업단지 석유화학공장 32개소의 소화설비 현황을 조사하였다.
 
결론적으로 석유화학공장에서 소화용수는 최악의 화재 시나리오를 기반으로 하여 설계하고 고정식 물분무 설비, 고가 모니터 노즐, 워터커튼 설비, 대용량 포 모니터 설비와 같은 소화설비가 최악의 화재 시나리오에 대비하여 설치되어야 할 것으로 나타났다.

1. 서 론

석유화학공장은 고온 · 고압의 위험물을 제조, 취급 및 저장하는 장치산업으로 대형화재의 잠재적 위험이 크고, 사고 시 그 피해도 매우 심각하기 때문에 석유화학공장에 설치되는 화재방호시스템은 국내 법규 또는 해외 기준 등에 의해 엄격히 규제되고 있다.

화재방호시스템(fire protection system)은 화재시 소화, 경보설비, 연소확대 방지를 모두 포함하는 개념이며 소방설비(firefighting equipment)는 능동적 화재방호시스템(active fire protection system)에 포함된다. 그러나 다양한 위험공정을 보유하고 있는 석유화학공장에 적합한 소화설비의 기준을 적용하기가 쉽지 않으며 대형화재시 소화용수가 충분히 공급되도록 설계되고 있는지에 대한 연구가 필요한 실정이다.

이에 본 연구에서 국내 법규, 미국방화협회(NFPA) 코드및 선진사의 소화설비 기준 등을 비교 분석하고 울산국가산업단지 석유화학업체 32개사에 대한 소화설비 현황 및 안전관계자의 의견을 조사하여 석유화학공장의 소화용수 및 소화설비의 개선점을 파악하고 실효성 있는 소화설비 기준을 제시하고자 한다.

2. 국내외 소화설비 기준
석유화학공장 소화설비는 위험물안전관리법에 의해 규제되고 있으나 관련 규정은 초기소화에 필요한 최소한의 양을 규정하고 있어 유화업계는 미국방화협회(NFPA) 또는 미국석유협회(API) 규격을 참고하여 강화된 기준을 자율적으로 설계에 반영하고 있다.

2.1 국내 소화설비 기준
위험물 시설은 위험물안전관리법에 의거 제조소, 취급소 및 저장소로 구분하여 위치, 구조 및 설비에 대한 규제를 하고 있으며 소화설비는 시설의 위치, 규모 및 취급량 등에 따라 소화난이도 등급을 3단계로 구분하고 있다.
 
Table 1은 위험물안전관리법에서 규제하는 소화설비를 나타낸 것으로 소화난이도 등급 1에 해당하는 제조소 등에는 옥내 · 옥외소화전설비, 스프링클러설비, 물분무등 소화설비 중 적응성 있는 설비를 설치토록 하고 있으며 화재발생시 연기가 충만할 우려가 있는 장소에는 스프링클러설비 또는 이동식 외의 물분무등 소화설비를 설치토록 규제하고 있다.

소화용수의 경우 옥내 · 옥외소화전, 스프링클러설비 및 물분무 소화설비는 최소 30분 이상 확보하도록 규제하고 있으나, 공정위험도, 위험물 취급량 등을 고려하여 소화시간을 정하고 소화수원을 확보는 것이 필요할 것으로 사료된다.
 
한국산업안전보건공단의 화학설비의 소방용수 산출 및 소화펌프 유지에 관한 기술지침(KOSHA GUIDE P-43-2002)에 의하면 Table 2, Table 3과 같이 공정위험도에 따라 2시간~4시간 정도의 소화용수를 확보하도록 권고하고 있다.
 
2.2 국외 소화설비 기준
석유화학공장의 소화설비 설계시 일반적으로 적용하는 국제규격으로는 미국석유협회(API) 및 미국방화협회(NFPA)에서 권고하는 기준이 있으며 관련 기준은 다음과 같다.

· API RP 2001, fire protection in refineries
· API RP 2030, application of fixed water spray systems for fire protection in the petroleum and
  petrochemical industries
· NFPA 11, standard for low-, medium-, and high expansion foam
· NFPA 15, standard for water spray fixed systems for fire protection
· NFPA 30, flammable and combustible liquids code

API RP 2001에서 포소화설비는 인화성액체의 2차원 누출 화재 또는 저장탱크 내부 화재 소화에 적합하며 다량의 액화석유가스를 함유하고 있는 가연성가스 또는 가연성액체의 화재 소화에는 적합하지 않은 것으로 규정하고 있다.

API RP 2030에서 물분무 소화설비는 설계목적에 따라 용기류 및 지지대는 노출 방호용으로, 펌프 및 압축기는화세 제어용으로, 가연성고체 및 인화점 60℃이상의 불용성 가연성액체는 소화를 목적으로 설치하고 Table 4와 같이 방수량을 달리하여 설계하도록 권고하고 있다.


또한 소화용수의 경우 정유공장은 최대유량으로 4~6시간 이상 충분히 공급할 수 있을 정도의 수원을 확보하도록 권고하고 있다.

2.3 국내 정유사 소화설비 기준
원유정제, 납사열분해 등 고위험 공정을 보유하고 있는 정유사의 경우 소화설비 설계 시 API 또는 NFPA CODE 등을 참고하여 자체 강화된 기준을 적용하고 있다.

공정화재시 복사열로부터 주위설비 보호를 위하여 위험도가 높은 펌프, 압축기 및 공기냉각기 등 설비에는 고정식 물분무 소화설비를 설치하도록 하고 있으며, 소방차의 접근이 어려운 지역에는 공정 상층부에 모니터 노즐(elevated monitor nozzle)을 설치하여 방호대상물에 대한 사각지역이 발생하지 않도록 하고 있다.

공정지역에 필요한 소화용수 공급량은 해당 공정지역의 면적 및 원료처리량을 고려한 소요량과 물분무설비의 최대 소요량을 합산하여 산정하는데 특히 원유정제, 납사열 분해 등 고위험공정의 경우 소화용수 최대유량이 2,000m3/h 이상으로 4시간~6시간 이상 공급 가능하도록 설계하고 있으며, 소화수원은 10만 m3 이상 충분히 확보하고 있는 것으로 나타났다.

3. 울산국가산업단지 석유화학업체 소화용수 현황

3.1 개 요
본 연구에서는 울산국가산업단지의 석유화학업체 32개사에 대하여 소화용수 현황을 조사하고 안전관리 관계자들의 의견 파악을 위해 설문조사를 실시하였으며 주요 조사내용은 다음과 같다.

· 각 사 소화용수 소요량 대비 공급량 적정여부, 소화시간, 소화수원 확보 현황
· 석유화학공장에서 고정식 물분무소화설비의 설치 필요성 및 소화시간에 관한 의견
· 기타 석유화학공장의 소화설비 개선에 필요한 의견 등

3.2 조사결과 분석
울산국가산업단지의 석유화학업체 32개사의 주요 공정화재 시나리오에 따른 소화용수량, 소화수원, 포소화약제 보유현황 등에 대한 조사결과는 Table 5와 같다. 여기서 고위험공정은 unit hazard classification에 따라 crude/vacuum distillation (over 100,000b/d), hydroracking, butadiene recovery, ethylene (compression & fractionation), propylene oxide, polyethylene (high pressure unit)으로 분류한다.


3.2.1 소화용수 및 소화수원
석유화학공장의 단위공정이 동시에 2개소에서는 화재가 발생하지 않는다는 가정하에 소화설비를 설계하고 있으므로 화재 위험성이 가장 높은 단위공정에서의 화재를 최악의 화재 시나리오로 선정하였으며, 소화용수량은 해당공정에 설치되어 있는 법정 소화설비에 소요되는 방수량을 모두 합산하여 산정하였다.

최악의 공정화재 시나리오에 따른 소화용수 최대 소요량 조사결과 Figure 1과 같이 고위험공정을 다수 보유한 정유 2개사는 3,500 m3/h 이상 소요되는 것으로 나타났으며, 조사대상의 74.9%는 최대 1,000 m3/h까지 소요되는 것으로 나타났다.

한편 화재발생시 실제 공급 가능한 소화용수량 조사결과 고위험공정을 다수 보유한 정유사는 5,500 m3/h 이상 공급 가능하였으며, 조사대상의 68.8%는 최대 1,860 m3/h까지 공급 가능하며 각 사별 소화용수 공급량은 소요량 대비 1개사를 제외하고는 적정한 것으로 나타났다.


소화수원 소요량은 Figure 2와 같이 고위험공정을 다수 보유한 정유사는 16,000 m3~37,000 m3 정도 소요되었으며, 조사대상의 65.6%는 1,000 m3 미만, 28.1%는 1,000 m3~3,000 m3 정도 소요되는 것으로 나타났다.

한편 실제 사용가능한 소화수원 확보량 조사결과 고위험공정을 다수 보유한 정유사는 10만 m3 이상 충분히 확보하고 있었으며, 68.8%는 7,200 m3까지, 21.9%는 12,000~31,000 m3 정도 보유하고 있어 각 사별 소화수원 확보량은 요량 대비 충분하게 확보하고 있는 것으로 나타났다.

3.2.2 소화시간 및 포소화약제
공정화재시 화재진압에 예상되는 소요시간을 Table 5에 나타내었으며, Figure 3과 같이 조사대상의 47%가 최대 1시간 정도, 28%가 2시간 정도 소요될 것으로 응답하였으며 고위험 공정을 다수 보유한 정유사의 경우 4~10시간 이상 소요될 것으로 응답했다.

소화시간의 경우 2011년 8월 17일 울산석유화학공단 내 석유화학업체에서 발생한 화재사례를 보면 poly styrene reactor run-away reaction으로 다량의 미반응 styrene monomer가 외부로 유출되며 화재가 발생하여 7명의 사상자와 11.8억원의 재산피해를 발생시키고 출동한 170여명의 소방대와 41대의 소방차에 의해 약 2시간 40분 만에 완전 진화된 사례가 있다.

당시 보수작업 후 반응기 시운전 과정에서 14시 53분경 화재가 발생하여 17시 28분경 완전진압 되었으며, 화재가 발생한 poly styrene plant 연면적은 1,141 m2이며 화학설비가 옥외 공작물에 약 5층 높이로 설치되어 있었으나 고정식 물분무 소화설비 없이 옥외포소화전만 설치되어 있어 추가 폭발의 위험이 존재하는 상태에서 소방대에 의해 화염에 노출된 인접설비를 냉각시킴으로서 연소확대 방지에 상당한 어려움이 있었다.

포소화약제의 양은 Figure 4와 같이 공정 지역이 넓고 장시간 소화가 예상되는 정유사의 경우 100,000 L 이상 보유하고 있었으며, 조사대상의 16%는 20,000 L~50,000 L, 56%는 10,000 L~20,000 L, 22%는 10,000 L 이하로 보유하고 있는 것으로 나타났다.

포소화약제의 양은 위험물 보유량, 방호대상물 표면적, 소화시간에 의해 결정되며 위험물안전관리법에 의거 이동식 포소화전 설비의 경우 30분, 고정식 포헤드 설비의 경우 10분, 옥외저장탱크 보조포소화전의 경우 20분 정도로 초기소화에 필요한 최소한의 양 이상은 보유하고 있으나 위험물 다량 보유 시 장시간 소화에 대비하여 추가 확보가 필요할 것으로 사료된다.

3.2.3 안전관계자 의견분석
석유화학공장의 화재시 노출부 방호를 위한 고정식 물분무 소화설비, 워터커튼의 설치 필요성 및 소화수원 2시간~4시간 확보 필요성에 대하여 조사대상의 72.5%가 필요하다고 응답하였다.

석유화학공장의 소화설비에 대한 개선이 필요한 사항으로는 API, NFPA CODE 준용, 대형화재에 대비하여 포소화약제 다량 확보, 석유화학공단 입주업체간 포소화약제 공동관리 또는 상호 지원체제 확립, 전문 소방훈련센터 설치 등 의견이 있었다.

4. 석유화학공장 소화설비의 문제점

4.1 소화용수
석유화학공장의 소화설비는 위험물안전관리법에 의해 규제되고 있으나 공정에 설치되는 용기류, 탑류, 열교환기, 가열로, 반응기, 펌프, 압축기 등 다양한 화학설비에서 화재가 발생할 경우에 대비하여 구체적인 방호기준이 없이 획일적으로 설치토록 하고 있으며, 고정식 물분무 설비도 연기가 충만할 우려가 있는 장소에만 의무 설치토록 하고 있고 소화시간도 초기소화에 필요한 최소한으로 규제하고 있어 대형화재에 취약한 실정이다.

4.1.1 소화용수
현행 위험물안전관리법에 의하면 석유화학공장의 옥외 공정지역은 공작물로서 소화난이도등급 I에 해당되더라도 옥외포소화전으로 방호하면 되므로 필요한 법정 소화용수는 1,800 L/min 이상이면 충족된다.
 
이는 옥외포소화전의 경우 방수량은 450 L/min으로 설치개수가 4개 이상인 경우 4개만 산정하면 되기 때문이며, 연기가 충만할 우려가 있는 장소에만 고정식 소화설비를 의무 설치해야 하는 규정 때문에 옥외 공정지역은 고정식 물분무등 소화설비를 설치하지 않아도 되기 때문인 것으로 사료된다.

그러나 석유화학공장의 경우 화재위험이 큰 화학설비에 고정식 물분무설비 또는 워터커튼 설비를 자율적으로 설치하고 있으며, 소화용수 공급량도 법적 기준과 큰 차이를 보이고 있다.

4.1.2 소화시간
소화시간의 경우 옥내 및 옥외포소화전은 30분, 포헤드 설비는 10분, 물분무 소화설비는 30분 이상만 확보하도록 규정되어 있다.
 
따라서 공정지역에 필요한 법정 소화수원은 54 m3 이상 이면 충족된다. 이는 옥외 공정지역에는 방수량 450 L/min인 옥외포소화전을 30분간 방수할 수 있는 양 이상으로 최대 4개까지 산정하면 되기 때문으로 사료된다.

그러나 조사결과에서 나타났듯이 석유화학공장에서 실제 보유하고 있는 소화수원은 법적기준을 크게 상회하고 있어초기소화 보다 장시간 화재에 대비하고 있음을 알 수 있다.

4.2 소화설비
석유화학공장의 공정설비는 대부분 위험물질을 취급하고 있어 화재 복사열에 노출될 경우 적정하게 냉각되지 않으면 2차 폭발의 위험이 있으나 소화, 화세제어, 증기운 희석, 노출부 방호를 위해 화학설비에 대하여 고정식 물분무 소화설비 또는 워터커튼 설비 등 설치가 필요하다.

그러나 현행 위험물안전관리법에서의 소화난이도등급에 해당되더라도 연기가 충만할 우려가 있는 장소에만 이동식외의 물분무등 소화설비를 의무 설치하도록 하고 있으며 인접설비로의 연소확대 방지를 위한 워터커튼 설비 설치 관련 규정은 없는 실정이다.

포모니터 노즐의 경우 옥외저장탱크 또는 이송취급소의 펌프설비 등이 안벽, 부두, 해상구조물 등의 장소에 설치되어 있는 경우에 한하여 의무 설치토록 하고 있으나 화학설비가 밀집되어 있는 옥외 공정지역 및 전면화재의 위험이 있는 대량위험물 저장탱크 지역에는 의무 설치 규정이 없는 실정이나 현장에서는 화재시 복사열을 고려하여 자율적으로 포모니터 노즐을 설치하고 있다.

2001년 6월 7일 미국 Louisiana Orion Norco에서 발생한 직경 82 m인 휘발유 탱크 전면화재 및 2005년 12월 11일 영국 Buncefield oil 저유소에서 발생한 위험물 저장시설 화재시 분당 10,000 L 이상 방수할 수 있는 대용량 포모니터를 활용하여 진화에 성공한 사례가 있으며 상기 화재에서 사용된 포소화약제의 양도 각각 106,000 L, 250,000 L에 이르고 있는 점을 볼 때 대량위험물 저장시설이 밀집한 지역에는 대용량 포모니터 노즐 및 포소화약제의 추가 확보가 필요한 것으로 사료된다.

5. 석유화학공장 소화설비의 개선방안

5.1 소화용수
석유화학공장의 대형화재시 화재가 완전히 진압될 때까지 소화용수가 지속적으로 공급되어야 하나 이러한 소화시간을 충분히 검토하여 적용하지 않을 경우 소화수 부족으로 인접 공정으로의 급격한 연소 확대로 막대한 피해가 발생될 수 있다는 점을 감안해 볼 때 다음과 같은 소화용수 개선방안이 필요할 것으로 판단된다.

5.1.1 소화용수
소화용수는 대상 공정에서 발생할 수 있는 최악의 화재 시나리오를 기반으로 하여 대상물 방호에 필요한 소화설비를 정하고, 각각의 방수량을 모두 합산한 후 공정 위험 등급별 소화시간을 적용하는 방법으로 소요량을 산정하되, 특히 정유, 납사열분해 등 고위험공정의 경우 2,000 m3/hr이상 충분히 공급될 수 있도록 한다.

5.1.2 소화시간
소화시간은 공정지역의 면적, 원료 처리량, 위험물질 종류 및 취급량, 운전온도 및 압력 등 공정변수, 유사공정 사고사례 등을 종합적으로 고려하여 해당공정의 위험등급을 달리하여 소화시간을 정하되, 고위험공정을 다수 보유한 정유사의 경우 4시간~6시간 정도의 소화시간을 적용하여 소화수원을 충분히 확보한다.

5.2 소화설비
석유화학공장의 공정설비는 대부분 위험물질을 취급하고 있어 화재 복사열에 노출될 경우 적정하게 냉각되지 않으면 2차 폭발의 위험이 있고 소방대의 접근이 어려운 점을 고려하여 고정식 물분무 소화설비 의무 설치대상을 강화하는 등 소화설비 개선방안이 필요한 것으로 사료된다.

5.2.1 고정식 물분무 소화설비
석유화학공장의 경우 화재시 복사열이 크고 증기운 폭발의 위험이 있어 소방대가 접근하기 어려운 점 등을 고려하여 고정식 물분무등 소화설비 의무 설치대상을 강화할 필요가 있을 것으로 판단된다.

석유화학공장의 소화설비는 방호대상물의 위치, 구조, 위험물질의 종류 등을 고려하여 적응성 있는 것으로 설치하되 복사열 등을 고려하여 Figure 5와 같이 고정식 물분무 소화설비를 설치하고, 소방차의 진입이 어려운 지역에는 Figure 6과 같이 원격조정이 가능한 모니터 노즐(elevated monitor nozzle)을 설치하여 방호대상물에 대한 사각지역이 발생되지 않도록 설계한다.



특히 포소화설비는 인화성액체의 2차원 화재 소화에 적용하도록 하고, 고정식 물분무소화설비의 경우 소화, 화세 제어, 노출부 방호로 구분하여 설계한다.

5.2.2 워터커튼 설비
석유화학공장은 다양한 단위공정으로 연결되어 있어 한 공정에서 발생한 화재가 인접공정으로 급격히 확대될 수 있으므로 연소 확대의 방지 및 복사열 차단 등의 방호조치가 매우 중요하므로 Figure 7, 8과 같이 NCC 또는 fired heater 등 위험지역에는 워터커튼 설비를 설치한다.

5.2.3 이동식 대용량 포모니터 설비
석유화학공장은 원료 및 제품을 저장하기 위한 대용량의 위험물 저장탱크를 다수 보유하고 있으며, 최근 낙뢰, 설비결함, 안전관리 소홀 등으로 인한 탱크 화재 및 위험물 누출사고가 발생하고 있다.

특히 대규모 위험물 저장탱크에서 액면 전체에 화재가 발생할 경우 탱크 자체에 설치된 고정식 포소화설비로는 진압이 불가능한 실정이므로 Figure 9, 10과 같이 저장탱크의 외부에서 포수용액을 지속적으로 공급 가능하도록 대용량 포모니터 시스템 및 폼트럭(foam truck)을 비치하고, 포소화약제의 경우 저장탱크 내부 액표면적 뿐만 아니라 방유제 면적까지도 모두 고려한 양으로 충분히 확보하여야 할 것으로 사료된다.
   
6. 결 론
석유화학공장의 화재 · 폭발사고 방지를 위한 예방적 안전조치들이 이루어지고 있으나 설비결함이나 관리소홀 등으로 인한 대형화재가 발생하였을 경우 즉각적으로 대응하여 화재를 진압하고 피해를 최소화하기 위해서는 소화설비의 역할이 매우 중요하다.

그러나 석유화학공장의 소화설비에 대한 국내 법규는 초기소화에 필요한 최소한의 기준만을 제시하고 있어 울산국가산업단지 내 석유화학공장 32개사에 설치된 소화용수, 소화수원 소요량 대비 보유량의 적정성, 포소화설비 보유현황, 소화설비 설치현황, 실제 공정화재시 화재진압에 소요된 시간 및 안전 관계자의 의견 등을 조사하여 얻은 결론은 다음과 같다.

(1) 석유화학공장의 소화용수는 최악의 화재시나리오를 기반으로 설계하고, 소화시간은 공정위험도에 따라 산정하되, 고위험공정을 다수 보유한 정유사 등은 4시간 이상의 장시간 화재에 대비하여 소화수원을 확보하도록 설계에 반영하여야 할 것으로 사료된다.

(2) 화학설비는 소화, 노출부 방호, 화세의 제어, 증기운 희석 등 목적에 따라 물분무 설비를 설치하고 소방대의 진입이 어려운 지역에는 높은 위치에서 원격조종이 가능한 모니터 노즐을 설치하여야 할 것으로 사료된다.

(3) 화재 복사열로부터 인접설비를 보호하고 연소 확대를 방지하기 위하여 공정 내 위험지역에 워터커튼 설비를 설치하여야 할 것으로 사료된다.

(4) 대규모 액체 위험물 저장탱크의 경우 전면 화재에 대비하여 대용량 포모니터 시스템 및 폼트럭을 비치하고, 포소화약제의 양은 저장탱크 내의 액표면적 뿐만 아니라 방유제 면적까지도 모두 고려하여 충분히 확보하여야 할 것으로 사료된다.

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