[논문]수소 충전소에 대한 정량적 안전성 평가

성대현; 이광원; 김태훈; 오동석; 오영달; 서두현; 김영규; 김은정

doi:10.14346/jkosos.2012.27.3.111

수소 충전소에 대한 정량적 안전성 평가
Quantitative Safety Assessment for Hydrogen Station 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.27 no.3, 2012년, pp.111 - 116

성대현 (바텍안전) , 이광원 (호서대학교 안전공학과) , 김태훈 (호서대학교 안전공학과) , 오동석 (호서대학교 안전공학과) , 오영달 (호서대학교 안전공학과) , 서두현 (호서대학교 안전공학과) , 김영규 (한국가스안전공사) , 김은정 (한국가스안전공사)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is about the quantitative safety assessment of hydrogen station in Korea operating with on-site type. This was written by background information that before qualitative safety assessment to write. For the qualitative safety assessment method, the study used FMEA(failure mode & effect analysis) and HAZOP(hazard & operability), and adopted the FTA(fault tree analysis) as the quantitative safety assessment method. To write the FTA, we wrote FT by Top event that hydrogen leakage can be called most serious accident of hydrogen station. Each base event collect reliability data by reliability data handbook, THERP-HRA and estimation of the engineering. Assessment looked at the high frequency and the possible risk through Gate, Importance, m.cutsets analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수소의 상용화를 이루기 위하여 가장 핵심이 되는 수소 충전소의 안전성 확보를 위해 국내 수소 충전소를 대상으로 선행된 FMEA와 HAZOP를 바탕으로 정량적 안전성 평가인 FTA를 실시하였다.

가설 설정

외적 요인은 기타사고, 자연재해, 사보타지(Sabotage)로 나눌 수 있으며, 사보타지는 고의에 의한 누출사고로서 침입자의 침입빈도와 경보기 미작동, 근무원의 초기 진압실패 등을 고려하였다. 기타 사고는 항공기의 추락으로 인한 파손이나 차량 충돌 등을 가정하였으며, 자연재해는 지진이나 홍수, 태풍을 의미하며, 홍수나 태풍의 경우에는 운전자가 예보 등을 통해 인지하고 조치할 수 있다고 판단되어 운전원 미인지와 함께 동시에 일어나는 경우로 작성하였다.

제안 방법

Gate, Importance, m.cutsets analysis 등으로 분석하였으며 각 gate와 기초사건별 Importance값 산출, 누출의 빈도와 비가동도 등을 계산하였다. 수소 누출에 대하여 가장 높은 결과 값으로 나타난 것은 알람의 고장과 ESV의 고장으로 나타났으며 이는 충전소의 비상시 운전을 중단하기 위한 요소들이 가장 중요하다는 것을 시사한다.
또한, 나누어진 각각의 사상을 세분화하여 AND GATE와 OR GATE로 구분하여 논리적으로 연결하였으며 공정상에 일어날 수 있는 사건을 나열하여 FT를 작성하였다. Fig.
본 연구에서는 수소 충전소의 대규모 누출사고를 Top event로 하여 FT를 작성하였고 누출사고를 크게 외적요인과 내적요인으로 나누었다.
본 연구에서는 국내 on-site 방식의 수소 충전소를 대상으로 FTA(Fault Tree Analysis)기법을 사용하여 정량적 안전성 평가를 하였다. 본 평가를 위해 국내 수소 충전소에 대한 정성적 안전성평가인 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)와 HAZOP(Hazard and Operability)이 선행되었으며¹⁾ 이를 바탕으로 수소 충전소의 가장 큰 사고라 할 수 있는 수소 누출사건을 Top event로 선정하여 FTA분석을 하였다.
수소 충전소에서 가장 위험한 사건인 수소 누출을 Top Event로 선정하여 FT를 작성하였으며 수소 가스누출에 대하여 외적 요인과 내적 요인으로 구분하였다.
수소 충전소에서 위험이 가장 큰 사건인 수소 누출을 Top event로 선정하고 FT를 작성, 기초 사건의 신뢰도 데이터를 입력하여 분석하였다. 그 결과 Table 3에서 보는 바와 같이 정상사상의 누출빈도는 약 10년에 1.
이에 본 연구에서는 FTA분석을 위해 Top event를 가장 중대한 사고인 수소 가스의 누출로 선정하여 외적요인과 내적요인으로 나누고 각 공정 중의 누출과 부품의 누출로 나누어 FT를 작성하였다.

대상 데이터

FT를 토대로 기초사건의 정의를 위해서 “Procesequipment reliability data”3), “European industry reliability data bank”4), “Offshore reliability data hands book”5)의 일반 신뢰도 데이터를 수집하여 사용하였으며 데이터가 없는 경우 전문가의 의견을 토대로 공학적인 판단하에 신뢰도 데이터를 구하였다.

데이터처리

도출된 각 기초사건들의 신뢰도 데이터는 문헌에서 수집하였고 인간 실수 부분에 대하여는 THERP 인간실수 분석기법으로 도출하였다.

이론/모형

본 연구에서는 국내 on-site 방식의 수소 충전소를 대상으로 FTA(Fault Tree Analysis)기법을 사용하여 정량적 안전성 평가를 하였다. 본 평가를 위해 국내 수소 충전소에 대한 정성적 안전성평가인 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)와 HAZOP(Hazard and Operability)이 선행되었으며¹⁾ 이를 바탕으로 수소 충전소의 가장 큰 사고라 할 수 있는 수소 누출사건을 Top event로 선정하여 FTA분석을 하였다.
인간오류에 해당되는 기초 사건으로 HRA기법 중 THERP기법을 사용하여 신뢰도 데이터를 구하였다. Fig.

성능/효과

6은 Top event의 Top gate의 논리적 연결에 대하여 Importance 계산에 의한 결과 값이다. Importance 계산결과, 가장 값이 높은 것은 알람의 고장과 ESV의 고장, 운전원의 부재 순으로 나타났다. 이는 수소 가스 누출 발생 시, 충전소의 운전 중단과 관련된 요인들이 가장 중요하다는 것을 의미한다고 할 수 있다.
Top event의 비가동도는 1.175E-01로 나타났으며, 내적 요인에 의한 비가동도는 1.1731E-1, 외적 요인에 의한 비가동도는 2.1867E-04로 내적 요인에 의한 영향이 외적 요인보다 큰 것으로 나타났다. 각 사상별 비가동도와 발생빈도, 기대 고장수, 총 예상 고장시간, 그리고 사상별 cut sets의 수는 Table 4와 같다.
수소 충전소에서 위험이 가장 큰 사건인 수소 누출을 Top event로 선정하고 FT를 작성, 기초 사건의 신뢰도 데이터를 입력하여 분석하였다. 그 결과 Table 3에서 보는 바와 같이 정상사상의 누출빈도는 약 10년에 1.46회 정도로 6.8년에 1회 발생한다고 볼 수 있으며, 수소 충전소 시스템의 비가동도는 0.118로 나타났고, 1년간 기대 고장 수는 0.117이다.
수소 누출에 대하여 가장 높은 결과 값으로 나타난 것은 알람의 고장과 ESV의 고장으로 나타났으며 이는 충전소의 비상시 운전을 중단하기 위한 요소들이 가장 중요하다는 것을 시사한다. 또한, ESV의 고장과 Ball valve의 누출, ESV의 고장과 Needle valve의 누출의 경로로 인한 수소 누출 사건이 가장 높은 발생 확률을 가지는 것으로 나타났다.

후속연구

또한, ETA(Event Tree Analysis)기법을 이용한 분석 및 민감도 분석을 통한 각 부품의 운전원 등의 요구 신뢰도 목표설정 등이 향후 연구 되어야할 것이다.
본 연구를 진행함에 있어 기초 사상에 대한 신뢰도 데이터 산정에 어려움이 있었으며 이러한 문제점을 해결하기 위해 수소 충전소에 대한 운전 데이터 확보가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 에너지는 무엇인가?	수소 에너지는 지구 환경 오염문제와 에너지 자원의 고갈을 동시에 해결할 수 있는 신·재생에너지로 적은 양으로 고효율을 낼 수 있는 이상적인 에너지이며, 다가올 미래시대에 널리 사용될 에너지로 전망되고 있다. 이러한 이유로 수소경제시대의 도래가 예고되고 있으며 필수 요소 중 원활한 공급과 운송을 담당하는 수소 인프라 구축이 중요시 되며 그 중심에는 수소 충전소가 있다.
	수소 충전소의 대규모 누출사고의 내적 요인은 어떻게 나눌 수 있는가?	내적 요인은 공정에 따라 크게 제조부 누출, 압축·저장부 누출, 충전부 누출로 나누었고 각각 부품에 대해 자체의 결함으로 인한 누출과 운전 중에 발생하는 누출로 나눌 수 있다.
	PSA의 역할은 무엇인가?	생성된 수소 가스는 Shift-reactor를 거쳐 Separator로 공급되고 기체와 액체로 분리되어 액체는 피드백 되고 기체는 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 흐른다. PSA에서는 가스에 포함된 불순물을 제거하여 99.99%의 고순도 수소가스를 생성한다.

참고문헌 (6)

이광원 등 " 국내 수소 충전소의 안전성 평가", 한국가스학회, 08 추계학술발표회, pp. 9-14, 2008.
이광원 등 "수소 충전소 충전기의 정량적 안전성 평가", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 17, No. 3, September, 2006.
Center for Chemical Process Safety of the American Institue of Chemical Engineers. "Guidelines for Process Equipment Reliability Data with Data Tables", 1989
Henri Procaccia, Spyros P. Arsenis, Patrick Aufort, Prefaceby G.Volta. EIReDA, "European Industry Reliability Data Bank", 1998
OREDA, "Offshore Reliability Data Handbook. 4th edition", DNV Technica, 2002
A.D. Swain, NUREG/CR-1278, "Handbook of Human- Reliability Analysis with Emphasis on Nuclear Power Plant Applications", 1983

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