현대의 화학공장 및 석유 가스산업 시설은 공정 및 설비가 더욱 복잡해지고 세분화됨으로써 산업현장에서는 다양한 잠재위험으로 인하여 화재, 폭발, 독성물질 누출 등의 중대 산업사고의 발생 가능성 및 사고결과의 피해가능 범위가 증가되고 있다. 이러한 위험요소를 줄이기 위하여 공정 내 안전장치를 설치하여 공정의 위험도를 줄여야 하지만, 공장 운전 효율성과 안전도는 서로 적절한 수준을 유지하지 않으면 잦은 검사와 확인으로 효율성을 저해할 수 있다. 그를 위하여 이번 연구에서 SIL(Safety Integrity Level)을 이용한 SIF(Safety Instrument Function)의 추가로 장치의 적절한 사양, 설계를 이루고 공정내의 잠재위험이 사고로 이어지는 것을 방지하여, 화학공장의 안전성을 향상시켰다.
현대의 화학공장 및 석유 가스산업 시설은 공정 및 설비가 더욱 복잡해지고 세분화됨으로써 산업현장에서는 다양한 잠재위험으로 인하여 화재, 폭발, 독성물질 누출 등의 중대 산업사고의 발생 가능성 및 사고결과의 피해가능 범위가 증가되고 있다. 이러한 위험요소를 줄이기 위하여 공정 내 안전장치를 설치하여 공정의 위험도를 줄여야 하지만, 공장 운전 효율성과 안전도는 서로 적절한 수준을 유지하지 않으면 잦은 검사와 확인으로 효율성을 저해할 수 있다. 그를 위하여 이번 연구에서 SIL(Safety Integrity Level)을 이용한 SIF(Safety Instrument Function)의 추가로 장치의 적절한 사양, 설계를 이루고 공정내의 잠재위험이 사고로 이어지는 것을 방지하여, 화학공장의 안전성을 향상시켰다.
Modern chemical plants including petroleum refinery and gas industries have evolved into more complex and specialized. In these industrial complexes, it is important to maintain acceptable safety level protecting from various potential disasters caused by fire, explosion and the leakage of toxic mat...
Modern chemical plants including petroleum refinery and gas industries have evolved into more complex and specialized. In these industrial complexes, it is important to maintain acceptable safety level protecting from various potential disasters caused by fire, explosion and the leakage of toxic materials. Recently possibility and consequence of accidents are increasing in the industrial process. So there is a trade-off between the plant operation efficiency and safety level. In this study SIF(Safety instrument Functions) was incorporated into SIL(Safety Integrity Levels). As a result, the safety level was upgraded by designing resonable allocation of safety instruments.
Modern chemical plants including petroleum refinery and gas industries have evolved into more complex and specialized. In these industrial complexes, it is important to maintain acceptable safety level protecting from various potential disasters caused by fire, explosion and the leakage of toxic materials. Recently possibility and consequence of accidents are increasing in the industrial process. So there is a trade-off between the plant operation efficiency and safety level. In this study SIF(Safety instrument Functions) was incorporated into SIL(Safety Integrity Levels). As a result, the safety level was upgraded by designing resonable allocation of safety instruments.
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문제 정의
일반적으로 LOPA는 HAZOP, FMEA, Check-list, What-if method 같은 PHA(Process Hazard Analyiss)의 수행결과로 도출된 잠재위험과 사고 시나리오를 이용해 수행되게 된다. LOPA의 목적은 대상으로 하는 공정 / 시설의 위험 등급을 결정하고, 결정된 등급이 수용할 수 있는 수준의 위험(tolerable risk)으로 변화시키는데 있다. 또한 CPQRA(Chemical Process Quantitative Risk Analysis)를 수행하기 전에 LOPA를 통해서 CPQRA의 대상이 되는 공정을 선별해 낼 수 있다.
각 분석점에서는 미리 정해진 지시어(guide word)에서 유도된 이탈 현상을 검사한다. 지시어의 목적은 공정 변수에서 관련된 모든 잠재적인 이탈 상황을 찾아내는 것이다. LOPA 기법을 활용하기 위해선 HAZOP의 수행 결과로 도출되는 사고 시나리오의 원인과 피해정도를 필요로 한다.
가설 설정
비신뢰성은 장치의 proof test interval 간격과 failure rate간의 함수식이다. 장치의 주기적인 시험 및 검사를 통해 위험요소를 감지하고 완벽한 상태로 새롭게 된다는 가정을 하게 된다. 즉, operating time 또는 proof test interval이 길면 길수록 고장 날 확률이 증가하게 된다.
제안 방법
HAZOP 수행을 통해 도출된 Worst case의 원인-결과 쌍을 이용하여 각 시나리오에 대한 공정 / 시설의 사고가 일어날 확률을 결정하였다. 원인이 되는 사건에 대한 확률에 대한 정보는 OREDA databook을 이용하여 얻었다.
HAZOP을 통해 도출된 최악의 시나리오에 대한 부분공정에 SIL을 적용하여 그에 상응하는 SIF를 추가하였다. 기존의 공정에 있는 IPL과는 독립적으로 SIF로서의 역할을 수행할 수 있도록 sensor, logic solver, final element로 구성하였다.
P&ID, Process description을 이용하여 HAZOP을 수행하여 부적절한 공정운전, 장비의 결함, 인적 오류 등의 원인으로 정상적인 설계 의도에서의 이탈로 인한 영향 및 영향의 중요도를 결정하였다.
logic solver의 architecture는 2oo2로 고정하였으며, sensor와 final element는 1oo1, 1oo2로 사용하였다. SIL 1과 2에 해당되는 각각의 SIF를 구성하였고 각 SIF 구성요소의 PFD와 전체 SIF의 PFD를 산출하였다. Table 3을 통해 결과를 나타내었다.
HAZOP study는 공정이나 조업에서 "분석점(study node)"라는 특정한 부분에 초점을 맞추는 방식으로 수행된다. 각 분석점에서는 미리 정해진 지시어(guide word)에서 유도된 이탈 현상을 검사한다. 지시어의 목적은 공정 변수에서 관련된 모든 잠재적인 이탈 상황을 찾아내는 것이다.
추가한 SIF를 하나의 IPL로 간주하여 LOPA 기법을 통해 SIF가 추가된 공정의 최악의 시나리오가 발생할 확률을 계산하였고, 그 결과를 기존의 SIF를 추가하지 않은 공정과 비교하였다. 또한 SIL을 1로 설정하였을 때와 2로 설정하였을 때의 최악의 시나리오가 발생할 확률도 같이 비교하였다.
선정한 시범공정을 총 3개의 node로 분리하여 HAZOP을 수행하여 공정내의 잠재위험을 알아보았다.
HAZOP의 수행을 통해 결과가 공정변수에 관련된 잠재적인 이탈 사항을 판단하고, 그에 대한 사고 시나리오의 원인과 결과를 도출 할 수 있었다. 이 중 공정에 심각한 피해를 줄 수 있거나, 인명피해가 예상되는 사고 결과를 야기하는 시나리오를 구분하여 총 31개의 사고 시나리오를 구별하였고, 그 중 최악의 결과가 예상되는 worst case의 시나리오를 결정하여 HAZOP을 수행하였다. SIL 산정을 위하여 LOPA 기법을 통해 부분공정의 IPL을 분류하여야 한다.
이번 연구를 진행하기 위하여 refinery plant의 mercaptan removal system을 시범공정으로 선택하였다. 천연가스에는 물, mercaptan 및 H2S와 같이 금속의 부식을 유발할 수 있는 물질들이 포함되어 있다.
기존의 공정내의 잠재위험을 결정한 후 정성적인 방법으로 IPL을 결정한 후 SIL을 적용하기 위한 방법이 많았으나, 정성적인 방법은 평가자의 개인적인 경험과 지식을 기반으로 결과가 결정되기 때문에 수행자에 따라 상이한 결과가 도출되기 때문에, 객관적인 IPL 선정과, 결과의 정확성을 보장할 수 없다는 문제점이 있었다. 이번 연구에서 반정량적 방법인 LOPA를 사용하여 이 점을 보완할 수 있었다.
데이터처리
추가한 SIF를 하나의 IPL로 간주하여 LOPA 기법을 통해 SIF가 추가된 공정의 최악의 시나리오가 발생할 확률을 계산하였고, 그 결과를 기존의 SIF를 추가하지 않은 공정과 비교하였다. 또한 SIL을 1로 설정하였을 때와 2로 설정하였을 때의 최악의 시나리오가 발생할 확률도 같이 비교하였다.
성능/효과
P&ID, Process description을 이용하여 HAZOP을 수행하여 부적절한 공정운전, 장비의 결함, 인적 오류 등의 원인으로 정상적인 설계 의도에서의 이탈로 인한 영향 및 영향의 중요도를 결정하였다. HAZOP의 수행을 통해 결과가 공정변수에 관련된 잠재적인 이탈 사항을 판단하고, 그에 대한 사고 시나리오의 원인과 결과를 도출 할 수 있었다. 이 중 공정에 심각한 피해를 줄 수 있거나, 인명피해가 예상되는 사고 결과를 야기하는 시나리오를 구분하여 총 31개의 사고 시나리오를 구별하였고, 그 중 최악의 결과가 예상되는 worst case의 시나리오를 결정하여 HAZOP을 수행하였다.
그 결과 기존의 SIF를 추가하지 않은 공정의 최악의 시나리오가 일어날 확률에 비해 SIF를 추가한 공정의 최악의 시나리오가 일어날 확률이 낮았고, SIL을 2로 설정하였을 때의 최악의 시나리오가 일어날 확률이 SIL을 1로 설정하였을 때보다 더 낮았다. 이에 대한 결과를 Fig.
또한 HAZOP을 통해 도출된 최악의 시나리오에 대하여 LOPA를 수행하여 시나리오에 따른 위험빈도를 계산하여, 공정내의 잠재위험에 대한 위험도를 도출하였으며, SIL 산정을 통한 SIF의 적용을 통해 공정내의 잠재위험을 효과적으로 감소시킬 수 있었다.
이를 통해 SIL에 따른 SIF의 적용이 화학공장의 위험성을 낮출 수 있음을 보였고, 더 높은 SIL을 적용할수록 화학공장의 위험성을 더욱 경감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이번 연구에서는 선정한 시범공정에 SIF (Safety Instrument Function)를 적용하여, 화학공장의 안전성을 향상시킬 수 있고 안전장치의 적절한 설계를 이룰 수 있음을 보였다.
후속연구
하지만 높은 SIL의 SIF 를 구성할수록 많은 비용이 요구되므로 위험도를 고려하여 허용할 수 있는 위험의 범위 안에서 최적화된 SIL의 선택을 해야 한다. 비용을 고려한 SIL 및 SIF의 구성요소 결정 기술 기준과 이번 연구의 결과를 함께 고려한다면 화학공장의 위험성을 낮추는데 큰 도움이 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LOPA의 목적은?
일반적으로 LOPA는 HAZOP, FMEA, Check-list, What-if method 같은 PHA(Process Hazard Analyiss)의 수행결과로 도출된 잠재위험과 사고 시나리오를 이용해 수행되게 된다. LOPA의 목적은 대상으로 하는 공정 / 시설의 위험 등급을 결정하고, 결정된 등급이 수용할 수 있는 수준의 위험(tolerable risk)으로 변화시키는데 있다. 또한 CPQRA(Chemical Process Quantitative Risk Analysis)를 수행하기 전에 LOPA를 통해서 CPQRA의 대상이 되는 공정을 선별해 낼 수 있다.
HAZOP이란?
HAZOP은 영국의 ICI에서 공정의 위험성을 평가하기 위하여 시작되었으며, 대상 공정 내에 존재하는 위험요소 및 조업상의 어려운 요소를 분할된 분석 단위(node)에 대해 단계적으로 검토해 나가는 방법론이다. 현재 정성적인 방법론 중 체계적인 면에서는 가장 적당하여 화학공장에의 적용시 많이 이용되는 방법론이기도 하다.
HAZOP는 어떤 원칙에 기본을 두고 있는가?
새로운 설계나 기술의 평가에 적용되기 위해 이용되기 시작하였으나, 공정의 사용 기간의 모든 과정에서 적용이 가능하다. 이 분석 방법은 다른 배경과 지식을 가지고 있는 여러 전문가들이 개인적으로 작업한 결과를 종합하는 경우보다는 한 곳에 모여서 회의를 통해 창조적이고 체계적인 상호작용을 거치는 것이 더 많은 문제를 발견할 수 있다는 원칙에 기본을 두고 있다. HAZOP study는 공정이나 조업에서 "분석점(study node)"라는 특정한 부분에 초점을 맞추는 방식으로 수행된다.
참고문헌 (5)
Health and Safety Executive (HSE), "Reducing risks, protecting people", UK, pp. 136, (2001).
The Instrumentaion & Systems and Automation Society (ISA), "Application of Safety Instrumented Systems to the Process Industries", ANSI / ISA 84.01, NC, (1996).
CCPS, "Guideline for Chemical Process Quantitative Risk Analysis", AIChE, 2nd Edition, New York, pp. 267-276, (2000).
International Electrotechnical Commission (IEC), "Functional safety - Safety Instrumented systems for the process industry", Second edition, IEC 61508, (2003).
Bhimavarapu, K. and P. Stavrianidis, "Safety Integrity Level Analysis for Process: Issues and Methodologies", Process Safety Progress, 19(1), pp 19-24, (2000).
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