Ethyl Benzene 공정에서 화재.폭발방지를 위하여 안전건전성수준을 이용한 안전장치시스템의 신뢰도 분석 Reliability Analysis on Safety Instrumented System by Using Safety Integrity Level for Fire.Explosion Prevention in the Ethyl Benzene Processes원문보기
본 논문의 목적은 Ethyl Benzene 플랜트의 공정에서 과압 현상이 Column 상부의 반응폭주 및 화재 폭발의 원인이 되기 때문에 안전장치시스템의 신뢰도가 압력방출밸브가 요구하는 안전건전성수준으로 설계되어 있는지를 정량적으로 분석한 것이다. 압력방출밸브의 요구시 실패확률은 일반신뢰도 자료 조사결과를 근거로 하여 안전장치시스템에 대한 안전건전성수준의 목표등급을 SIL3으로 설정하였고, 이에 대한 PFD를 1.00E-3에서 1.00E-4로 결정하였다. 신뢰도 모델의 구축 및 결함수 분석기법을 이용하여 SIS의 요구시 실패확률에 대한 정량화를 수행한 결과 SIS에 대한 PFD는 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column, EB Column에 대해 각각 8.97E-04, 5.37E-04, 5.37E-04로 계산되었다. 따라서 SIS의 신뢰도가 SIL3 등급에 요구되는 안전건전성수준으로 설계되어 있다고 판단되며 컨트롤밸브에 대한 6개월 주기의 Partial Stroke Test가 수행될 경우 각 Column의 SIS는 약 $22{\sim}27%$의 신뢰도 향상이 기대된다.
본 논문의 목적은 Ethyl Benzene 플랜트의 공정에서 과압 현상이 Column 상부의 반응폭주 및 화재 폭발의 원인이 되기 때문에 안전장치시스템의 신뢰도가 압력방출밸브가 요구하는 안전건전성수준으로 설계되어 있는지를 정량적으로 분석한 것이다. 압력방출밸브의 요구시 실패확률은 일반신뢰도 자료 조사결과를 근거로 하여 안전장치시스템에 대한 안전건전성수준의 목표등급을 SIL3으로 설정하였고, 이에 대한 PFD를 1.00E-3에서 1.00E-4로 결정하였다. 신뢰도 모델의 구축 및 결함수 분석기법을 이용하여 SIS의 요구시 실패확률에 대한 정량화를 수행한 결과 SIS에 대한 PFD는 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column, EB Column에 대해 각각 8.97E-04, 5.37E-04, 5.37E-04로 계산되었다. 따라서 SIS의 신뢰도가 SIL3 등급에 요구되는 안전건전성수준으로 설계되어 있다고 판단되며 컨트롤밸브에 대한 6개월 주기의 Partial Stroke Test가 수행될 경우 각 Column의 SIS는 약 $22{\sim}27%$의 신뢰도 향상이 기대된다.
The purpose of this work is to analyze quantitatively if the safety instrumented system(SIS) like the pressure safety valves(PSV) in the processes of ethyl benzene plant have been designed relevantly to the safety integrity level because overpressure in the benzene or ethyl benzene columns causes th...
The purpose of this work is to analyze quantitatively if the safety instrumented system(SIS) like the pressure safety valves(PSV) in the processes of ethyl benzene plant have been designed relevantly to the safety integrity level because overpressure in the benzene or ethyl benzene columns causes the explosive reactions, fires and reactor explosions. The safety integrity level(SIL) 3 has been adopted as a target level of SIS based on the general data of the Probability of Failure on Demand of PSV, $1.00E-4{\sim}1.00E-3$. The standard model of the reliability has been set up and then the fault tree analysis of it has been carried out to get the PFD of SIS, and the results show 8.97E-04, 5.37E-04, 5.37E-04 for benzene prefractionator column, benzene column and EB column, respectively. Thus, we conclude that the SIS is designed to fulfill the condition of SIL3, and when the partial stroke test for the control valve are carried out every sixth month, the SIS of each column is expected to increase its reliability up to $22{\sim}27%$.
The purpose of this work is to analyze quantitatively if the safety instrumented system(SIS) like the pressure safety valves(PSV) in the processes of ethyl benzene plant have been designed relevantly to the safety integrity level because overpressure in the benzene or ethyl benzene columns causes the explosive reactions, fires and reactor explosions. The safety integrity level(SIL) 3 has been adopted as a target level of SIS based on the general data of the Probability of Failure on Demand of PSV, $1.00E-4{\sim}1.00E-3$. The standard model of the reliability has been set up and then the fault tree analysis of it has been carried out to get the PFD of SIS, and the results show 8.97E-04, 5.37E-04, 5.37E-04 for benzene prefractionator column, benzene column and EB column, respectively. Thus, we conclude that the SIS is designed to fulfill the condition of SIL3, and when the partial stroke test for the control valve are carried out every sixth month, the SIS of each column is expected to increase its reliability up to $22{\sim}27%$.
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문제 정의
1) 또한 1999년부터 2004년까지 화학공업분야 의 중대사고(사망자 발생 사고나 사회물의를 일으킨 사고) 발생현황은 총 46건으로, 발생형태로서 가장 많은 점유율을 나타낸 것은 폭발이 41%를 차지하고 있으며, 중대사고 발생원인을 분석한 결과로는 설비결함이 39%를 차지하고 있어 설비결함에 의한 사고 발생가능성이 높음을 보여주고 있다.2,3) 따라서 본 연구에서는 화학공정의 증, 개축시 중요설비 중 반응폭주에 관계 된 안전장치의 적절한 신뢰성을 확보하기 위해 보편타 당한 정량적인 평가방법론을 제시하고 실현함으로써 향후생산능력의 증대 및 안전성확보를 하고자 함이다.
000 kg/hr을 초과한다. 따라서 EB/SM 플랜트는 설비의 안전성을 높이고 OSBL SHP Failure 시나리오에 대응하고자 기술적인 대안으 로 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column, EB Column에 대하여 PSV가 요구하는 SIL 수준의 Safety Instrumented System을 적용하여 Flaring이 최소 화 되도록 설계하는 것이다.
본 연구는 Ethylene과 Benzene을 원료로 Ethyl Benzene 을 생산하는 공장의 생산능력 증대 및 안전성확보를 위해 설비개선을 진행 중인 Ethyl Benzene의 공정사례 에서 냉각장치의 고장으로 인한 과압 발생시 반응폭주 및 화재 • 폭발 방지를 위해 계획하고 있는 안전장치 시스템 (SIS : Safety Instrument System)의 신뢰도가 압 력방출밸브가 요구하는 안전건 전성수준(SIL: Safety Integrity Level)으로 설계되었는지를 정량적으로 분석 함으로서 안전설계를 도모하고자 함이다. 본 분석을 수 행하기 위한 개략적인 방법은 Fig.
합산된 PFD는 그 때 위의 Table 1에서의 공정에 관한 SIL 등급과 비교된다. 본 논문에 사용된 Fault Tree Analysis 방법의 경우에 있어서의 다음 단계는 Fault tree를 다이어그램으로 작성하는 것이다. 이 다이어그램은 잠재적인 위험 사건을 포함하여 여러가지 공정의 구성품들을 목록화한 것이다. 그 구 성품들은 Boolean Lqgic을 거쳐 tree 안에서 연계되어 진다.
가설 설정
본 SIS(ESD-15)의 성공기 준은 PSHH-213A, PSHH213B, PSHH-213C 중 적어도 2대 이상이 성공하고 3 대의 PLC 시스템 중 적어도 2대 이상이 성공적으로 작동하여 반응기 Effluent 라인 및 Fii-ed Heater(HS-lOl) 의 연료공급라인이 차단되어야 하는 것으로 가정하였다. 반응기 Effluent 라인 차단의 성공기준은 2대의 압 력조절밸브(PV-1037과 PV-1055)가 모두 차단되거나 공 통라인의 긴급차단밸브(EV-1161)가 차단되어야 성공한다.
제안 방법
Local Condensate Failure(Cooling Medium 공급 실패시에 대한 SIS의 신뢰도 모델은 각각 BenzenePrefractionator Colurmi(ESD-15), Benzene Colurmi(ESD16), EB Column(ESD-17)으로 구성하고 각 SIS에 대한 성공기준을 정의하였다. 각 columne 압력상승감지시 스템, Logic Solver 시스템 그리고 최종밸브차단시스템 등의 3부분으로 이루어진다.
먼저, 해당 공정관련 자료를 검토 하여 사고발생원인 및 현재의 안전조치들을 파악하였 고 이로부터 SIS의 기능 및 구성을 파악하였다. 다음 으로 일반신뢰도 데이터 자료를 조사하여 SIS에 대한 안전건전성수준(SIL)의 목표값을 결정하였으며, SIS에 대한 성공기준을 마련하기 위하여 신뢰도 모델(IeBD : Reliability Block Diagram)을 구축하였다. 이를 토대로 결함수분석(FTA: Fault Tree Analysis) 기법을 이용하여 SIS의 요구시 실패확률에 대한 정량화를 수행하였다.
이를 토대로 결함수분석(FTA: Fault Tree Analysis) 기법을 이용하여 SIS의 요구시 실패확률에 대한 정량화를 수행하였다. 마지막으로 도출된 SIS에 대한 요구시 실패확률 (PFD: Probability of Failure on Demand)이 목표 안전 건전성수준(Target Safety Integrity Level)에 부합되는지 를 판단하였다.
1에 나타내었고 그내용은 다음과 같다. 먼저, 해당 공정관련 자료를 검토 하여 사고발생원인 및 현재의 안전조치들을 파악하였 고 이로부터 SIS의 기능 및 구성을 파악하였다. 다음 으로 일반신뢰도 데이터 자료를 조사하여 SIS에 대한 안전건전성수준(SIL)의 목표값을 결정하였으며, SIS에 대한 성공기준을 마련하기 위하여 신뢰도 모델(IeBD : Reliability Block Diagram)을 구축하였다.
이상의 분석을 통하여 EB공정의 냉각장치 고장시 Column 상부의 과압 방지를 위해 계획하고 있는 SIS 신뢰도가 적정 안전건전성 수준으로 설계되어 있는지를 정량적으로 평가 하였다. 분석결과 SIS인 압력방출 밸브의 요구시 실패확률에 대한 안전건전성 수준의 목 표등급인 SIL 3에 부합되는지 여부를 결함수 분석 방법에 의해 산출한 결과 ESD-15, ESD-16, ESD-17에 대해 각각 SIS의 신뢰도가 SIL 3등급인 PFD 1.
대상 데이터
본 논문에 사용된 각 하위 시스템의 Average PFD를 구하기 위한 모델은 “2 out 3" 시스템 모델로서 시스 템이 동일 기능을 가진 동일 종류의 3개의 기기로 구성되어 있으며 그 중 두 기기가 모두 작동 실패해야만 시스템이 이용불능이 되는 경우이다. 이는 압력스위치 또는 Logic Solver의 요구시 작동실패확률을 계산하는데 적용된다.
본 분석의 대상이 되는 사고시나리오는 EB/SM 플 랜트의 동력부로부터 SHP(Saturated high pressure) Steam(이하 OSBL SHP)의 공급 중단시 Column의 상 부에서 Cooling Medium의 상실로 인한 Overpressure 발생으로 설계압력을 초과하게 될 때 반응폭주 및 화 재 • 폭발이 발생되는 사고이다. OSBL SHP(Off-site battery limit, Saturated high pressure)가 중단될 경우에 MP Condensate Drum, BFW(Boiler feed water)/MP (Medium pressure) Condensate Failure 시 나리오에 해당하는 장치들이 영향을 받는다.
이론/모형
이상의 고장수목 및 데이터 개발이 완료되면 사고추이의 정량화를 실시하고 각 사고추이 빈도를 모두 합쳐 SIS의 PDF를 구한다. 고장수목은 전산코드를 사용하여 정 량 화되는데 본 분석에서는 한국원자력연구소에서 개발한 KAERI Integrated Reliability Analysis Code Package (KIRAP) 소프트웨어 패키지8)를 사용하였다.
결함수목을 구성하는 기본 사건의 요구시 이용불능 확률(PFD)을 계산하기 위해서는 기기고장 모델을 구성 해야 한다. 본 분석에서는 IEC-61508-64,5)에 정의된 바에 따라 다음과 같은 기기고장모델7)을 적용하였으며 SIS의 요구시 이용불능확률(PFD)은 다음과 같은 시스템을 구성하고 있는 하위 시스템들의 Average PFD 값을 합하여 계산된다.
본 분석에서는 논의된 SIS의 구성과 성공기준을 토대로 SIS의 PFD를 구하기 위하여 결함수목분석 (Fault Tree Analysis) 방법을 적용하였다. 결함수목분석은 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column 그리고 EB Column에서 Overpressure 발생시 SIS가 이용불 능이 되는 기기 또는 각 시스템의 고장사건들의 조합 을 논리적으로 도식화하는 작업으로서 SIS가 요구시 이용불능에 대한 고장수목 모델이 완성되면 여러 사고 추이의 빈도를 정량화하고, 빈도 정량화를 위해서 기 기 고장률에 대한 일반 데이터를 이용하였다.
다음 으로 일반신뢰도 데이터 자료를 조사하여 SIS에 대한 안전건전성수준(SIL)의 목표값을 결정하였으며, SIS에 대한 성공기준을 마련하기 위하여 신뢰도 모델(IeBD : Reliability Block Diagram)을 구축하였다. 이를 토대로 결함수분석(FTA: Fault Tree Analysis) 기법을 이용하여 SIS의 요구시 실패확률에 대한 정량화를 수행하였다. 마지막으로 도출된 SIS에 대한 요구시 실패확률 (PFD: Probability of Failure on Demand)이 목표 안전 건전성수준(Target Safety Integrity Level)에 부합되는지 를 판단하였다.
성능/효과
이들 중에는 설치 후 10년 이상이 경과한 사 업장이 약 60%를 점하고 있고 20년 이상도 10%를 넘고 있다.1) 또한 1999년부터 2004년까지 화학공업분야 의 중대사고(사망자 발생 사고나 사회물의를 일으킨 사고) 발생현황은 총 46건으로, 발생형태로서 가장 많은 점유율을 나타낸 것은 폭발이 41%를 차지하고 있으며, 중대사고 발생원인을 분석한 결과로는 설비결함이 39%를 차지하고 있어 설비결함에 의한 사고 발생가능성이 높음을 보여주고 있다.2,3) 따라서 본 연구에서는 화학공정의 증, 개축시 중요설비 중 반응폭주에 관계 된 안전장치의 적절한 신뢰성을 확보하기 위해 보편타 당한 정량적인 평가방법론을 제시하고 실현함으로써 향후생산능력의 증대 및 안전성확보를 하고자 함이다.
반응기 Effluent 라인 차단의 성공기준은 2대의 압 력조절밸브(PV-1037과 PV-1055)가 모두 차단되거나 공 통라인의 긴급차단밸브(EV-1161)가 차단되어야 성공한다. Fired Heater(HS-lOl)의 연료 공급라인의 차단의 성 공라인은 Fuel Gas 공급라인밸브(FV-210/EV-116)와 Residue 공급라인밸브(FV212/FV121)이 모두 차단되어 야 하며 각 라인에는 유량조절밸브와 긴급차단밸브 등 2대의 차단밸브가 직렬로 배치되어 있음을 감안하여 적어도 하나의 밸브가 성공해야 하는 것으로 보았다. 이상에서 마련한 성공기준을 바탕으로 작성된 SIS(ESD15)의 Reliability Block Diagram(RBD)은 Fig.
이상의 분석을 통하여 EB공정의 냉각장치 고장시 Column 상부의 과압 방지를 위해 계획하고 있는 SIS 신뢰도가 적정 안전건전성 수준으로 설계되어 있는지를 정량적으로 평가 하였다. 분석결과 SIS인 압력방출 밸브의 요구시 실패확률에 대한 안전건전성 수준의 목 표등급인 SIL 3에 부합되는지 여부를 결함수 분석 방법에 의해 산출한 결과 ESD-15, ESD-16, ESD-17에 대해 각각 SIS의 신뢰도가 SIL 3등급인 PFD 1.00E-3에서 1.00E-4의 영역에 들어있어서 요구되는 안전건전성 수준으로 설계되어 있다고 판단된다. 또한 컨트롤밸브 에 대한 6개월 주기의 Partial Stroke Test가 수행될 경우 각 Column에 대한 SIS는 약 22~27%의 신뢰도 향 상이 기대된다.
즉 OSBL SHP가 중 단되면 EB/SM 공장 운전에 필요한 SHP 공급이 부족 하게 되고 순차적으로 EB Distillation System의 Cooling 매체인 MP Condensate 공급이 부족하게 되어 최악의 경우에 Global MP Condensate Failure가 발생할 수 있다. 이상의 내용에서 OSBL SHP 공급중단게 의한 Global MP Condensate Failure시에 발생될 수 있는 Relief Load는 약 338,000 kg/hr이며, 이 값은 Common Flare Stack 의 최대 처리 설계용량인 275.000 kg/hr을 초과한다. 따라서 EB/SM 플랜트는 설비의 안전성을 높이고 OSBL SHP Failure 시나리오에 대응하고자 기술적인 대안으 로 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column, EB Column에 대하여 PSV가 요구하는 SIL 수준의 Safety Instrumented System을 적용하여 Flaring이 최소 화 되도록 설계하는 것이다.
최종적인 결과인 Table 5를 살펴보면 ESD-15, ESD16, ESD-17에 설치된 각 SIS의 PFD는 각각 8.97E-04, 5.37E-04, 5.37EQ4로 계산되었다. 컨트롤 밸브에 대해 6개월 주기로 Partial Stroke Test를 실시하였을 때의 개 선정도는 ESD-157} 26.
37EQ4로 계산되었다. 컨트롤 밸브에 대해 6개월 주기로 Partial Stroke Test를 실시하였을 때의 개 선정도는 ESD-157} 26.5%로 가장 높았고 ESD-16과 ESD-17은 22.7%로 나타났다
후속연구
결함수목분석은 Benzene Prefractionator Column, Benzene Column 그리고 EB Column에서 Overpressure 발생시 SIS가 이용불 능이 되는 기기 또는 각 시스템의 고장사건들의 조합 을 논리적으로 도식화하는 작업으로서 SIS가 요구시 이용불능에 대한 고장수목 모델이 완성되면 여러 사고 추이의 빈도를 정량화하고, 빈도 정량화를 위해서 기 기 고장률에 대한 일반 데이터를 이용하였다. 이상의 고장수목 및 데이터 개발이 완료되면 사고추이의 정량화를 실시하고 각 사고추이 빈도를 모두 합쳐 SIS의 PDF를 구한다. 고장수목은 전산코드를 사용하여 정 량 화되는데 본 분석에서는 한국원자력연구소에서 개발한 KAERI Integrated Reliability Analysis Code Package (KIRAP) 소프트웨어 패키지8)를 사용하였다.
또한 컨트롤밸브 에 대한 6개월 주기의 Partial Stroke Test가 수행될 경우 각 Column에 대한 SIS는 약 22~27%의 신뢰도 향 상이 기대된다. 향후 공정에 대한 개량 및 증축시 설 계변경에 따른 공정안전장치의 신뢰성을 가장 적절하 게 평가할 수 있는 수치적 이론 및 Software Model들을 더욱 더 검토하여 발전시킴으로서 세분화된 정량적 인 유해위험성 평가기술을 마련해야 할 것이다.
참고문헌 (8)
한국산업안전공단, '중대재해원인통계분석', 한국산업안전공단 위험관리센터(2004)
Crarnwood, 'Functional Safety and Safety Integrity', The Institution of Gas Engineering and Manager, Revision A(2002)
ISA, 'ISA-84.01 : Application of Safety Instrumented Systems for the Process Industries', Instrument Society of America, Feb(1996)
IEC, 'IEC-61508-1 : Functional Safety of Electrical /Electronic/Programmable Electronic Safety-related Systems-Part 1 : General Requirements', International Eletrotechnical Commission, Apr(2000)
IEC, 'IEC-61508-6 : Functional Safety of Electrical /Electronic/Programmable Electronic Safety- related Systems-Part 6 : Guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3', International Eletrotechnical Commission, Apr(2000)
CCPS, 'Guidelines for Process Equipment Reliability Data', CCPS for American Institute of Chemical Engineering(1989)
Reliability Data for Safety Instrumented Systems. PDS Data Handbook, 2004 Edition', SINTEF Industrial Management, Norway, Sep(2004)
KIRAP-KWTREE Beta 1.0(Fault Tree Editor for Windows) 사용자설명서, 한국원자력 연구소(1996)
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