소방수 공급설비에 대한 공통원인고장을 고려한 확률론적 신뢰도 분석 Reliability Analysis on Firewater Supply Facilities based on the Probability Theory with Considering Common Cause Failures원문보기
본 논문에서는 공통원인고장의 이론적 고찰로서 정의와 그 원인, 분석방법을 기술하고 대표적인 소방설비의 하나인 소방펌프에 대해 공통원인고장을 고려한 신뢰도분석에 적용함으로써 공통원인고장의 중요성과 그 한계성을 규명하고자 한다. 공통원인고장을 고려한 소방수 공급설비에 대한 신뢰도분석 결과 알 수 있듯이 펌프의 운전고장이 계통실패의 가장 큰 요인으로 나타났으며 특히 두 펌프의 공통원인고장이 지배적이다. 다시 말하면 공통원인고장을 고려하지 않을 경우에 계통신뢰도를 실제보다 2배 이상 초과하여 평가할 수 있다는 것이다. 이로서 계통 신뢰도분석에서 공통원인고장의 중요성을 인식할 수 있으며 분석결과는 공통원인고장의 변수인자의 값에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 그리고 소방수 공급설비설계에 계통설계 시 다중성을 반영하면 신뢰도가 증가하는 것은 사실이나 공통원인고장 요인 때문에 다중기기 설치대수에 비례하는 정도의 신뢰도 향상을 얻지 못할 수도 있다. 또한 공통원인고장의 한계성으로는 분석모델의 차이로 인한 차이는 미미한 수준이었으나 각각 다른 데이터 원을 사용했을 경우 그 결과는 큰 차이를 나타내었다. 따라서 공통원인고장 분석에 사용되는 모델보다는 이용 가능한 경험데이터의 품질이 그 분석결과의 신뢰성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 다중기기의 공통원인고장을 방지하기 위한 기본적이고 공학적인 방안으로는 설계시 요구되는 적정 신뢰도를 유지하는 것이므로 적어도 소방펌프에 요구되는 신뢰도수준으로 설계되어야 한다. 즉 SIS(Safety Instrumented system)에 요구되는 신뢰도수준인 안전건전성수준(SIL; Safety integrity level)에 적합한가의 유무를 PFD를 활용하여 정량적으로 파악하는 것이다. 공통원인고장을 고려한 소방수 공급설비에 대한 신뢰도분석 결과 계통작동요구시 실패확률(PFD: Probability of failure on demand), 즉 계통 이용 불능도는 3.80E-3이므로 규정목표인 SIL5의 범주 안에 들어있지 않아 안전건전성수준으로 설계되어 있지 않다고 판단되며, 만일 공통원인고장을 고려하지 않았을 경우인 계통 이용불능도 또한 1.82E-3으로 계산되는데, 이 또한 SIL5의 범주 안에 들어있지 않으므로 단전건전성수준으로 설계되어 있지 않다고 판단된다.
본 논문에서는 공통원인고장의 이론적 고찰로서 정의와 그 원인, 분석방법을 기술하고 대표적인 소방설비의 하나인 소방펌프에 대해 공통원인고장을 고려한 신뢰도분석에 적용함으로써 공통원인고장의 중요성과 그 한계성을 규명하고자 한다. 공통원인고장을 고려한 소방수 공급설비에 대한 신뢰도분석 결과 알 수 있듯이 펌프의 운전고장이 계통실패의 가장 큰 요인으로 나타났으며 특히 두 펌프의 공통원인고장이 지배적이다. 다시 말하면 공통원인고장을 고려하지 않을 경우에 계통신뢰도를 실제보다 2배 이상 초과하여 평가할 수 있다는 것이다. 이로서 계통 신뢰도분석에서 공통원인고장의 중요성을 인식할 수 있으며 분석결과는 공통원인고장의 변수인자의 값에 크게 의존하는 것을 알 수 있다. 그리고 소방수 공급설비설계에 계통설계 시 다중성을 반영하면 신뢰도가 증가하는 것은 사실이나 공통원인고장 요인 때문에 다중기기 설치대수에 비례하는 정도의 신뢰도 향상을 얻지 못할 수도 있다. 또한 공통원인고장의 한계성으로는 분석모델의 차이로 인한 차이는 미미한 수준이었으나 각각 다른 데이터 원을 사용했을 경우 그 결과는 큰 차이를 나타내었다. 따라서 공통원인고장 분석에 사용되는 모델보다는 이용 가능한 경험데이터의 품질이 그 분석결과의 신뢰성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 다중기기의 공통원인고장을 방지하기 위한 기본적이고 공학적인 방안으로는 설계시 요구되는 적정 신뢰도를 유지하는 것이므로 적어도 소방펌프에 요구되는 신뢰도수준으로 설계되어야 한다. 즉 SIS(Safety Instrumented system)에 요구되는 신뢰도수준인 안전건전성수준(SIL; Safety integrity level)에 적합한가의 유무를 PFD를 활용하여 정량적으로 파악하는 것이다. 공통원인고장을 고려한 소방수 공급설비에 대한 신뢰도분석 결과 계통작동요구시 실패확률(PFD: Probability of failure on demand), 즉 계통 이용 불능도는 3.80E-3이므로 규정목표인 SIL5의 범주 안에 들어있지 않아 안전건전성수준으로 설계되어 있지 않다고 판단되며, 만일 공통원인고장을 고려하지 않았을 경우인 계통 이용불능도 또한 1.82E-3으로 계산되는데, 이 또한 SIL5의 범주 안에 들어있지 않으므로 단전건전성수준으로 설계되어 있지 않다고 판단된다.
In this study, we write down the definitions, their causes and the techniques of analysis as a theoretical consideration of common cause failures, and investigate the limitation and the importance of the common cause failures by applying to the analysis on the fire protection as a representative saf...
In this study, we write down the definitions, their causes and the techniques of analysis as a theoretical consideration of common cause failures, and investigate the limitation and the importance of the common cause failures by applying to the analysis on the fire protection as a representative safety facility. As you can know in the reliability analysis, most impressive cause is the malfunctions of pumping operations; especially the common cause failure of two pumps is dominant. In other words, it is possible to assess system-reliability as twice as actual without CCF From these, CCF is extraordinarily important and the results are highly dependent on the CCF factor. And although it would increase with multiple installations, the reliability are not defined as linear with those multiplications. In addition, the differences in results due to the models for analysis are not significant, whereas the various sources of data produce highly different results. Therefore, we conclude that the reliabilities are dependent on the quality of the usable data much better than the variety of models. As a result, the basic and engineering device for the preventions of CCF of the multiple facilities is to design it as reliably as to design the fire-water pump. That is to say, we must assess those reliabilities using PFD whether they are appropriate to SIL (Safety Integrity Level) which is required for the reliability in SIS (Safety Instrumented System). The result of the analysis on the reliability of the fire-water supply with CCF shows that PFD is 3.80E-3, so that it cannot be said to be designed as safely as in the level of SIL5. However, without CCF, PFD is 1.82E-3 which means that they are designed as unsafely as before.
In this study, we write down the definitions, their causes and the techniques of analysis as a theoretical consideration of common cause failures, and investigate the limitation and the importance of the common cause failures by applying to the analysis on the fire protection as a representative safety facility. As you can know in the reliability analysis, most impressive cause is the malfunctions of pumping operations; especially the common cause failure of two pumps is dominant. In other words, it is possible to assess system-reliability as twice as actual without CCF From these, CCF is extraordinarily important and the results are highly dependent on the CCF factor. And although it would increase with multiple installations, the reliability are not defined as linear with those multiplications. In addition, the differences in results due to the models for analysis are not significant, whereas the various sources of data produce highly different results. Therefore, we conclude that the reliabilities are dependent on the quality of the usable data much better than the variety of models. As a result, the basic and engineering device for the preventions of CCF of the multiple facilities is to design it as reliably as to design the fire-water pump. That is to say, we must assess those reliabilities using PFD whether they are appropriate to SIL (Safety Integrity Level) which is required for the reliability in SIS (Safety Instrumented System). The result of the analysis on the reliability of the fire-water supply with CCF shows that PFD is 3.80E-3, so that it cannot be said to be designed as safely as in the level of SIL5. However, without CCF, PFD is 1.82E-3 which means that they are designed as unsafely as before.
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문제 정의
본 연구에서는 분석대상설비인 "천연가스 처리공장 시설의 소방수공급설비"의 엔지니어링 문서, 즉 대상 설비에 대한 도면, 설명서, 절차서 등을 검토 함으로서 설비의 설계 및 운영상황을 파악하고, 분석 목적인 공 통원인고장으로 인한 설비 작동 시 실패할 가능성을 추정하기 위해 계통논리모델인 고장수목(fault tree)과 공통원인고장을 분석하는 매 개변수모델 (parametric model)인 Beta모델과 연결시켜 계통신뢰도를 정량화한 후 SIS(Safety Instrumented system)에 요구되는 목표 신뢰도수준인 즉 안전건전성수준(SIL:I3rget Safety integrity level)에 적합성를 판단할 수 있는 공학적인 방안 및 전반적인 대책을 마련하고자 한다.
앞서 기술한 바와 같이 대표적인 안전설비인 ''소방수 공급설비에 대해 다중기기의 공통원인고장을 고려한 신뢰도분석''을 수행한 예를 제시함으로써 이에 따른 공통원인고장의 중요성과 한계성 등을 규명하고자 한다.
그 이유는 다중으로 설치된 두 대 이상의 기기가 동일한 원인으로 인하여 동시에 작동 불능상태가 될 가능성이 있기 때문이다. 따라서 본 연구의 목적은 공정안전과 관련하여 각종 방재설비 중 소방수 공급설비에 대해 공통원인고장(Common CauseFailure : CFC)를 고려한 정량화된 신뢰도 분석을 통해 개인, 장치설비 및 주위 인근의 지역사회에 미치는 공정관련 산업재해 및 사고를 예방하려는데 그 목적이 있다.
가설 설정
2와 같이 계통신뢰도 모델에 다중기기의 공통 원인고장에 관한 기본사건(basic event)을 각 기기의 고장원인의 하나로 독립적 고장(independent failure)의 기본사건과 함께 고려한다. 일단 계통모델에서 독립적 고장과 공통원인고장에 관한 기본사건이 정의되면 정량적으로 평가하여야 하는 매개변수의 수를 줄이기 위하여 대칭성 (symmetry을 가정하는 데 이는 동일한 대 수의 고장을 의미하는 기본 사건 들의 발생확률은 서로 같다고 가정하는 것이다. 예를 들면 A, B, C, 3대의 기기가 있다고 할 때
제안 방법
이는 가스처리 시설에 대한 신뢰성 있는 기기 고장률 데이터로서 널리 사용되는 데이터베이스이다.4)이 데이터베이스에서 구할 수 없는 데이터는 유사 관련 데이터 북인 "IEEE Guide HandbookC'Sensing Component, and Mechanical Equipment Reliability Data for Nuclear Power Generating Stations/' 1993), CCPS ("Guidelines for Process Equipment ReliabiEty Data", 1989) 등을 참고하여 공학적 판단을 적용하여 추정하였다. 고장수목 기본사건의 목록과 그 데이터를 정리 하면 Table 4과 같다.
본 연구에서 적용된 공통원인고장을 분석하는 모델 은 Table 3과 같이 일반적으로 매개변수모델 (parametric model)인 베타모델을 이용하는데, 공통원인 고장 그룹에 대한 매개변수 모델분석의 결과를 계통 논리모델과 연결시켜 신뢰성에 영향을 미치는 다른 원인들과 함께 계통신뢰도를 정량화하고 모델 및 데이터에 대한 민감도 분석 및 중요도 분석을 수행함으로써 정량화 결과를 해석한다. 이에 따라 공통원인고장을 비롯한 계통 신뢰도 저해요인을 파악하고 신뢰도 수준을 향상시키기 위한 공학적 방안을 제시할 수 있다.
1을 사용하였다. 즉 OREDA의 데이터에 따른 펌프 시동 실패확률인 2.50E-3과 8시간 지속운전 실패확률인 1.90E-2에 각각 0.1 의 인자를 적용하여 2.50E-4와 1.90E-3의 공통원인 고장 확률을 각각 사용 한다. 그리고 독립고장 확률은 이므로 각각 2.
대상 데이터
또한 펌프고장에 관한 공통원인 고장 기본사건의 데이터를 추정하기 위하여 beta인자 모델을 사용하였다. 소방펌프의 공통 원인 고장에 대한 인자로서 일반 데이터인 0.1을 사용하였다. 즉 OREDA의 데이터에 따른 펌프 시동 실패확률인 2.
이론/모형
또한 펌프고장에 관한 공통원인 고장 기본사건의 데이터를 추정하기 위하여 beta인자 모델을 사용하였다. 소방펌프의 공통 원인 고장에 대한 인자로서 일반 데이터인 0.
소방설비 신뢰도 고장수목에 고려된 기본사건의 데이터를 구하기 위하여 OREDA(Offshore Reliability Data Handbook, 3rd Edition, 1997)를 참고 하였다. 이는 가스처리 시설에 대한 신뢰성 있는 기기 고장률 데이터로서 널리 사용되는 데이터베이스이다.
소방설비 신뢰도 고장수목에 기본사건의 데이터를 입력하여 설비 작동실패에 관한 최소단절집합(minimal cut set)을 도출하고 계통신뢰도를 구하면 Table 6와 같다. 정량화 작업은 한국원자력연구소에서 개발한 정 량분석코드인 KIRAP-KWT REE(Fault Tree Editor for Windows, 1996)을 사용하여 수행하였다.
성능/효과
다시 말하면 공통원인고장을 고려하지 않을 경우에 계통신뢰 도를 실제보다 2배 이상 초과하여 평가할 수 있다는 것이다. 이로서 계통 신뢰도분석에서 공통원인고장의 중요성을 인식할 수 있으며, 분석결과로서 Table 8은 초기 기기 고장율 값을 이용하여 분석모델링인 베타모델의 인자값을 달리하여 최종 고장모드인 "펌프시동실 패" 및 8 hr "지속운전실패"에 대하여 공통원인 고장 및 독립고장을 일으킬 전체 확률치를 계산한 결과이며 변수인자의 값에 크게 의존하는 것을 알 수 있다.
이 시험에 서는 몇의 팀이 동일한 계통에 대해 각각 다른 모델을 사용했을 때와 각각 다른 데이터 원(sources)을 사용하였을 때의 분석 결과를 비교 검토한 결과 분석모델의 차이로 인한 차이는 미미한 수준이었으나 각각 다른 데이터원(source)을 사용했을 경우 그 결과는 큰 차이를 나타내었다. 따라서 공통원인 고장 분석에 사용되는 모델보다는 이용 가능한 경험데이터의 품질이 그 분석 결과의 신뢰성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
따라서 본 연구에 공통원인고장을 고려한 소방수 공급설비에 대한 신뢰도분석 결과 계통작동요구시 실패 확률(PFD: Probability of failure on demand), 즉 계통 이용 불능도는 3.80E-3이므로 엄격한 기준을 적용 할 때 앞서 규정한 SIL5의 범주 안에 들어있지 않아, 안전건전성수준으로 설계되어 있다고 판단되지 않으며, 만일 공통원인고장을 고려하지 않았을 경우인 계통 이용불능도 또한 L82E-3으로 계산되는데, 이 또한 SIL5의 범주 안에 들어있지 않으므로 안전건전성수준 으로 설계되어 있지 않다고 판단된다.
이러한 공통원인고장분석방법론 에 대한 Benchmark시험이 수행된 바 있다. 이 시험에 서는 몇의 팀이 동일한 계통에 대해 각각 다른 모델을 사용했을 때와 각각 다른 데이터 원(sources)을 사용하였을 때의 분석 결과를 비교 검토한 결과 분석모델의 차이로 인한 차이는 미미한 수준이었으나 각각 다른 데이터원(source)을 사용했을 경우 그 결과는 큰 차이를 나타내었다. 따라서 공통원인 고장 분석에 사용되는 모델보다는 이용 가능한 경험데이터의 품질이 그 분석 결과의 신뢰성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (8)
Procedures for Treating Common Cause Failure in Safety and Reliability Studies, EPRI NP-5613, NUREG/CR-4780, Electric Power Research Institute (1988)
Singh, C. and Billinton, R., 'System Reliability Modeling and Evaluation', Hutchinson(1977)
Development of an Improved LNG Plant Failure Rate Data Base, Gas Research Institute, Sep(1981)
Guidelines for Process Equipment Reliability Data, American Institute of Chemical Engineering(1989)
Development of a Risk and Reliability Data Base for Chemical Facility, PLG, Aug(1986)
'IEEE Guide to the Collection and Presentation of Electrical, Electronic, Sensing Component, and Mechanical Equipment Reliability Data for Nuclear Power Generating Stations', IEEE std-500-1984, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Nov.(1993)
'Guidelines for Process Equipment Reliability Data', CCPS for American Institute of Chemical Engineers(1989)
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