PSM 사고영향분석(Consequence Analysis)에서 **확산모델(Dispersion Model)**은 누출된 가스나 증기가 대기 중에서 어떻게 퍼지고, 어느 거리까지 위험농도를 형성하는지를 예측하기 위한 모델입니다.

쉽게 말하면 다음 질문에 답하는 과정입니다.

얼마나 누출되는가 → 어떤 상태로 방출되는가 → 바람을 타고 어떻게 퍼지는가 → 어느 지점에서 농도가 얼마가 되는가 → 사람과 설비에 어떤 영향을 주는가

확산모델은 이후 다음과 같은 평가에 직접 사용됩니다.

독성영향(Toxic Effect) → 플래시화재(Flash Fire) → 증기운폭발(VCE) → 비상대피거리 → 가스검지기 배치 → 사고영향범위 설정

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1. 확산모델(Dispersion Model)이란?

확산모델은 누출된 가스나 증기가 대기 중에서 이동하고 희석되는 과정을 수학적으로 표현한 것입니다.

대표적으로 다음 요소를 고려합니다.

항목	내용
방출률(Release Rate)	얼마나 많이 누출되는가
방출높이(Release Height)	지면에서 어느 높이에서 누출되는가
방출온도(Release Temperature)	주변 공기와 온도차가 있는가
물질밀도(Density)	공기보다 가벼운가 무거운가
풍속(Wind Speed)	얼마나 빠르게 이동하는가
대기안정도(Atmospheric Stability)	대기혼합이 얼마나 잘 되는가
지표조건(Surface Roughness)	도시·공장·개방지역 여부
장애물(Obstacle)	건물·설비가 확산에 영향을 주는가

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2. 확산의 기본 흐름

가스누출 후 확산은 일반적으로 다음 과정으로 이해할 수 있습니다.

단계	현상
①	가스 또는 증기 누출
②	초기 제트분출(Jet Release)
③	주변 공기와 혼합
④	풍하측(Downwind)으로 이동
⑤	농도 감소
⑥	특정 기준농도 도달
⑦	위험영향거리 산정

즉, 확산모델은 단순히 “가스가 몇 m까지 간다”를 계산하는 것이 아니라 거리별 농도분포를 계산하는 모델입니다.

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3. 방출률(Release Rate)이 가장 중요한 입력값 중 하나

확산범위는 누출되는 가스의 양에 크게 영향을 받습니다.

일반적으로,

방출률 증가 → 가스운 규모 증가 → 위험농도 도달거리 증가 가능

으로 이해할 수 있습니다.

예를 들어,

조건	확산 영향
0.1 kg/s	상대적으로 작은 가스운
1 kg/s	영향범위 증가
10 kg/s	대규모 확산 가능

물론 실제 영향거리는 물질특성, 풍속, 대기안정도 등에 따라 달라집니다.

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4. 연속방출(Continuous Release)과 순간방출(Instantaneous Release)

확산모델에서는 방출형태를 구분해야 합니다.

구분	개념
연속방출(Continuous Release)	일정시간 지속적으로 누출
순간방출(Instantaneous Release)	짧은 시간에 대량 방출

예를 들어,

• 배관 작은 누출 → Continuous Release
• 압력용기 급격한 파열 → Instantaneous Release

로 볼 수 있습니다.

연속방출은 지속적인 가스 플룸(Plume)을 형성할 수 있고, 순간방출은 구름형태의 퍼프(Puff)로 이동할 수 있습니다.

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5. 플룸(Plume)과 퍼프(Puff)의 차이

확산모델에서 자주 등장하는 개념입니다.

구분	Plume	Puff
방출형태	지속적	순간적
형태	길게 이어지는 가스운	덩어리 형태 가스운
주요 적용	배관 지속누출	순간 대량방출
이동	풍하측으로 연속 이동	바람 따라 덩어리 이동

사고시나리오를 설정할 때 방출시간이 짧은지 긴지에 따라 적절한 모델이 달라질 수 있습니다.

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6. 가우시안 확산모델(Gaussian Dispersion Model)

가우시안 확산모델은 대기확산을 설명할 때 가장 기본적으로 소개되는 모델 중 하나입니다.

가스농도가 중심축에서 가장 높고 측면과 수직방향으로 갈수록 정규분포 형태로 감소한다고 가정합니다.

주로 다음 조건에 적합한 개념입니다.

• 공기와 밀도가 비슷한 가스
• 비교적 정상상태의 연속방출
• 평탄한 지역
• 복잡한 장애물이 많지 않은 조건

하지만 무거운 가스(Dense Gas)나 고압 Jet Release에는 단순 Gaussian Model만으로 충분하지 않을 수 있습니다.

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7. 중성부력가스(Neutral Buoyancy Gas)

누출가스의 밀도가 공기와 비슷하면 대기흐름에 따라 비교적 일반적인 확산거동을 보입니다.

이러한 경우를 **중성부력가스(Neutral Buoyancy Gas)**로 볼 수 있습니다.

대표적인 특징은 다음과 같습니다.

특징	내용
공기와 밀도 유사	부력효과 작음
풍속 영향 큼	바람방향으로 이동
일반 Gaussian 적용 가능	조건에 따라

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8. 가벼운가스(Light Gas) 확산

수소나 뜨거운 가스처럼 공기보다 밀도가 낮은 가스는 위쪽으로 상승하려는 경향이 있습니다.

이를 **부력상승(Buoyant Rise)**이라고 합니다.

대표적인 예는 다음과 같습니다.

• 수소(Hydrogen)
• 고온 연소가스
• 고온 증기

가벼운 가스는 상승하면서 주변 공기와 빠르게 혼합될 수 있기 때문에 지면부 농도는 상대적으로 빠르게 낮아질 수 있습니다.

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9. 중가스(Dense Gas) 확산

LPG, 프로판, 부탄 등 공기보다 무거운 가스는 누출 후 지면 가까이 퍼질 수 있습니다.

이를 중가스(Dense Gas) 또는 중질가스라고 부를 수 있습니다.

대표적인 특징은 다음과 같습니다.

특성	영향
공기보다 무거움	지면을 따라 이동
낮은 지역으로 이동	Pit·Trench 축적 가능
초기 희석 느림	위험농도 장거리 유지 가능
지형 영향 큼	경사·방유제 영향

이 경우 단순 Gaussian Model보다는 Dense Gas 전용 모델이 더 적절할 수 있습니다.

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10. LPG 누출은 단순 Dense Gas보다 복잡하다

LPG는 압력하에서 액체로 저장되다가 누출되면 일부가 급격히 기화합니다.

이때 다음 현상이 동시에 발생할 수 있습니다.

액체방출 → 플래싱(Flashing) → 액적(Droplet) 형성 → 증발 → 냉각 → Dense Gas Cloud 형성

따라서 LPG 사고는 단순 가스누출보다 복잡한 확산거동을 보일 수 있습니다.

특히 누출 초기에는 매우 차가운 증기운이 형성되면서 공기보다 무거운 거동이 강화될 수 있습니다.

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11. 풍속(Wind Speed)의 영향

풍속은 확산범위에 큰 영향을 줍니다.

일반적으로 풍속이 높으면 가스가 빠르게 이동하면서 희석이 증가할 수 있습니다.

풍속	일반적 영향
낮음	희석 느림, 고농도 유지 가능
중간	이동과 희석 균형
높음	빠른 희석 가능

하지만 풍속이 매우 낮으면 가스가 누출원 주변에 체류할 수 있어 위험할 수 있습니다.

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12. 대기안정도(Atmospheric Stability)

대기안정도는 대기가 얼마나 쉽게 위아래로 혼합되는지를 나타냅니다.

일반적으로 파스퀼 안정도(Pasquill Stability Class)를 사용하며 A~F 등급으로 구분합니다.

등급	대기상태	확산특성
A	매우 불안정	혼합 빠름
B	불안정	확산 빠름
C	약간 불안정	중간
D	중립	일반적
E	안정	혼합 느림
F	매우 안정	수직확산 매우 느림

일반적으로 안정한 대기에서는 가스가 빠르게 위로 확산되지 않아 풍하측 위험거리가 길어질 가능성이 있습니다.

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13. 낮과 밤의 확산조건 차이

대기안정도는 시간대에 따라서도 달라질 수 있습니다.

대표적으로,

조건	경향
강한 낮 햇빛	불안정 대기 가능
흐린 낮	중립적
맑고 바람 약한 밤	안정한 대기 가능
강풍	중립 상태에 가까워질 수 있음

따라서 사고영향평가에서는 특정 한 가지 날씨조건만 보는 것보다 보수적인 기상조건과 대표조건을 함께 검토하는 경우가 많습니다.

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14. 방출높이(Release Height)의 영향

누출위치가 지상 0.5 m인지 20 m인지에 따라 지면농도가 달라질 수 있습니다.

예를 들어,

• Ground Level Leak
• Elevated Vent
• Stack Release

는 모두 다른 확산거동을 보입니다.

방출위치	주요 영향
낮은 위치	지면영향 증가 가능
높은 위치	초기 지면농도 감소 가능
Pit 내부	가스 축적 가능
Roof Vent	바람영향 큼

따라서 P&ID만으로는 부족하고 실제 설비배치와 방출높이를 확인해야 합니다.

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15. 장애물과 혼잡도(Congestion)

실제 석유화학공정은 탁 트인 평지가 아닙니다.

다음 구조물이 존재합니다.

• Vessel
• Pipe Rack
• Pump
• Compressor
• Building
• Wall
• Dike

이러한 장애물은 가스의 이동을 막거나 난류(Turbulence)를 증가시킵니다.

효과	영향
흐름방해	가스 체류 가능
난류 증가	국부 혼합 증가
밀폐효과	농도 증가 가능
Congestion	VCE 위험 증가

따라서 단순 확산거리만으로 실제 공장 내 농도분포를 완벽하게 설명하기는 어렵습니다.

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16. LEL 기준과 확산거리

가연성 가스 사고에서는 **최소폭발한계(LEL, Lower Explosive Limit)**가 중요한 기준입니다.

가스농도가 LEL보다 낮아지면 일반적으로 화염이 지속적으로 전파되기 어려워집니다.

따라서 플래시화재(Flash Fire) 평가에서는 다음 농도범위를 중요하게 봅니다.

농도	의미
UEL 초과	너무 농후한 영역
LEL~UEL	가연범위
LEL 이하	일반적으로 연소전파 어려움

실제 사고영향분석 프로그램에서는 적용 목적과 기준에 따라 LEL의 일정 비율 농도까지 함께 표시하는 경우도 있습니다.

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17. 독성가스는 독성농도 기준을 사용

독성가스는 LEL보다 인체영향농도가 더 중요할 수 있습니다.

예를 들어 다음 물질이 해당됩니다.

• 염소(Chlorine)
• 암모니아(Ammonia)
• 황화수소(Hydrogen Sulfide)

이 경우 확산모델을 이용하여 특정 독성농도가 어느 거리까지 도달하는지를 계산합니다.

평가	검토내용
농도	ppm, mg/m³
노출시간	Exposure Duration
영향거리	Toxic Endpoint
대피	Emergency Planning

즉, 같은 Dispersion Model이라도 가연성가스와 독성가스의 평가기준은 다를 수 있습니다.

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18. 확산모델 결과가 곧 사고결과는 아니다

확산모델은 가스농도분포를 계산합니다.

하지만 이것만으로 Flash Fire나 VCE가 자동으로 발생하는 것은 아닙니다.

다음 단계가 추가로 필요합니다.

누출 → 확산 → 가연성 증기운 → 점화 여부 → 점화시점 → 화재·폭발 형태

예를 들어,

조건	사고결과
미점화	Gas Dispersion
즉시점화	Jet Fire 가능
지연점화	Flash Fire 가능
지연점화 + Congestion	VCE 가능

따라서 Dispersion Analysis는 Consequence Analysis의 중간단계라고 보는 것이 좋습니다.

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19. PSM에서 확산모델 입력값 검토 방법

확산결과를 신뢰하려면 입력값의 근거가 명확해야 합니다.

입력항목	검토내용
물질(Fluid)	가연성·독성 특성
조성(Composition)	혼합가스 비율
운전압력(Pressure)	실제 운전조건
운전온도(Temperature)	실제 운전조건
누출공 크기(Leak Hole Size)	시나리오 기준
방출률(Release Rate)	계산근거
방출시간(Release Duration)	ESD 반영
방출높이(Release Height)	실제 위치
풍속(Wind Speed)	기상조건
대기안정도(Atmospheric Stability)	안정도 등급
지표거칠기(Surface Roughness)	공장·도시·개방지역
모델(Model)	Gaussian·Dense Gas 등

특히 Release Rate와 Leak Hole Size가 근거 없이 임의로 입력되어 있으면 확산결과 전체의 신뢰성이 떨어집니다.

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20. 정리

사고영향분석(Consequence Analysis)에서 확산모델(Dispersion Model)은 누출된 물질이 어디까지 이동하고, 거리별로 어떤 농도를 형성하는지를 계산하는 과정입니다.

영향요소	확산에 미치는 영향
방출률(Release Rate)	가스운 규모 결정
누출시간(Release Duration)	총 방출량 영향
누출높이(Release Height)	지면농도 영향
물질밀도(Density)	상승·침강 거동
풍속(Wind Speed)	이동·희석
대기안정도(Atmospheric Stability)	수직·수평 확산
지표조건(Surface Roughness)	난류 영향
장애물(Obstacle)	체류·혼합 영향
누출온도(Release Temperature)	부력 영향

실무적인 평가흐름은 다음과 같습니다.

단계	검토내용
①	누출물질과 조성 확인
②	가스·액체·2상(Two Phase) 구분
③	운전압력·온도 확인
④	누출공 크기(Leak Hole Size) 선정
⑤	방출률(Release Rate) 계산
⑥	방출시간(Release Duration) 설정
⑦	가스의 상대밀도 확인
⑧	연속방출·순간방출 구분
⑨	풍속(Wind Speed) 설정
⑩	대기안정도(Atmospheric Stability) 설정
⑪	방출높이와 지표조건 반영
⑫	적절한 확산모델(Dispersion Model) 선정
⑬	거리별 농도 계산
⑭	LEL·독성농도 등 영향기준 적용
⑮	Flash Fire·VCE·Toxic Effect와 연결

특히 주의해야 할 부분은 “가스가 몇 kg/s 누출되면 몇 m까지 간다”라고 단순하게 판단하지 않는 것입니다.

같은 방출률이라도 풍속이 낮고 대기가 안정한 조건에서는 고농도 가스운이 더 멀리 유지될 수 있고, 공기보다 무거운 가스는 지면·Pit·Trench 방향으로 이동할 수 있습니다. 반대로 고온의 가벼운 가스는 상승하면서 빠르게 희석될 수도 있습니다.

또한 확산모델은 사고의 최종 결과가 아닙니다. 확산된 가스가 점화되지 않으면 단순 가스확산 사고가 되지만, 즉시 점화되면 제트화재(Jet Fire), 지연점화되면 플래시화재(Flash Fire), 혼잡한 설비지역에서 지연점화되면 증기운폭발(VCE)로 발전할 수 있습니다.

따라서 PSM에서는 **누출공 크기(Leak Hole Size) → 방출률(Release Rate) → 확산(Dispersion) → 농도분포(Concentration) → 점화(Ignition) → 화재·폭발결과(Consequence)**를 하나의 연속된 사고시나리오로 연결하여 평가하는 것이 중요합니다.