[논문]대형 수소 액화 플랜트의 정량적 위험도 평가에 관한 연구

도규형; 한용식; 김명배; 김태훈; 최병일

doi:10.7316/khnes.2014.25.6.609

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In the present study, the frequency of the undesired accident was estimated for a quantitative risk assessment of a large-scale hydrogen liquefaction plant. As a representative example, the hydrogen liquefaction plant located in Ingolstadt, Germany was chosen. From the analysis of the liquefaction p...

In the present study, the frequency of the undesired accident was estimated for a quantitative risk assessment of a large-scale hydrogen liquefaction plant. As a representative example, the hydrogen liquefaction plant located in Ingolstadt, Germany was chosen. From the analysis of the liquefaction process and operating conditions, it was found that a $LH_2$ storage tank was one of the most dangerous facilities. Based on the accident scenarios, frequencies of possible accidents were quantitatively evaluated by using both fault tree analysis and event tree analysis. The overall expected frequency of the loss containment of hydrogen from the $LH_2$ storage tank was $6.83{\times}10^{-1}$times/yr (once per 1.5 years). It showed that only 0.1% of the hydrogen release from the $LH_2$ storage tank occurred instantaneously. Also, the incident outcome frequencies were calculated by multiplying the expected frequencies with the conditional probabilities resulting from the event tree diagram for hydrogen release. The results showed that most of the incident outcomes were dominated by fire, which was 71.8% of the entire accident outcome. The rest of the accident (about 27.7%) might have no effect to the population.

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문제 정의

공정분석으로부터, 수소 액화 공정 설비 중에서 액체수소 저장 탱크가 가장 많은 공정 유체를 포함하기 때문에, 누출 등에 의한 사고가 발생 할 경우 위험도가 가장 큰 시스템임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 액화수소 저장 탱크를 대상으로 정량적 위험도 평가를 수행하였다.
이를 위해, 공정분석을 수행하여 사고 발생 시 위험도가 가장 큰 시스템을 선택하고, 사고 시나리오를 결정하고자 한다. 또한, 결정된 사고 시나리오를 바탕으로 Fault Tree Analysis(FTA) 및 Event Tree Analysis(ETA)를 수행하여 수소 누출 빈도 및 사고 유형별 발생 빈도를 정량적으로 예측하고자 한다.
본 연구에서는 정량적 위험도 평가(Quantitative Risk Assessment)를 위해, 현재 운전 중인 대형 수소 액화 플랜트를 대상으로 위험성이 발생할 사고 빈도를 정량적으로 예측하는데 초점을 맞추어 진행하였다. 이를 위해, 공정분석을 수행하여 사고 발생 시 위험도가 가장 큰 시스템을 선택하고, 사고 시나리오를 결정하고자 한다.
본 연구에서는 정량적 위험도 평가를 위해 현재 운전 중인 대형 수소 액화 플랜트를 대상으로 위험성이 발생할 사고 빈도를 정량적으로 계산하였다. 이를 위해 공정분석을 수행하였으며, 수소 액화 공정설비 중에서 가장 많은 공정유체를 포함하고 있는 액화수소 저장 탱크를 대상 설비로 선정하였다.

가설 설정

또한 각 Basic Event에 대한 고장빈도는 확률적 분포(Lognormal Distribution)를 가지지만, 해석의 단순화를 위해 일정한 값으로 가정하였다. 대표값은 평균 값으로 가정하였고 평균값 계산을 위해 다음의 식을 사용하였다.
Table 2에 나타난 것과 같이 저장탱크가 부분 파손될 경우 (Scenario B), 누출 유량은 식(2)로부터 계산할 수 있으며, 누출 지속시간은 탱크에 존재하는 수소량을 누출 유량으로 나누어 계산하였다. 안전장치에서 누출이 발생하는 경우, 누출 발생 후 1시간 내에 보수가 가능하다고 가정하여 누출 지속시간을 계산하였다.

제안 방법

FTA로부터 예측된 수소 누출에 대한 Top Event의 사고빈도를 이용하여 확산, 화재, 폭발 등의 사고 유형과 그에 따른 발생 확률을 정량적으로 예측하기 위하여 ETA(Event Tree Analysis)를 수행하였다. 사고 유형은 누출 방식, 점화 시기, 누출된 수소의 상등에 따라 결정된다.
Hydrogen으로 전환하였다. 모든 극저온 장치는 진공과 다층 단열재(Multi Layer Insulation)를 사용한 단일 콜드 박스로 단열하였다. 최종적으로 95%이상의 Para Hydrogen을 함유한 액체수소가 1.
본 연구에서는 누출 원인을 크게 저장 탱크의 파손, 저장 탱크 손상에 의한 누출, Rupture Disc, Relief Valve와 같은 안전장치의 파손 및 오작동에 의한 누출, 배관망 손상에 의한 누출로 분류하였다. 누출량은 누출되는 수소의 상(Phase), 구멍의 크기, 누출 지속시간 등에 결정되며, Table 2와 같다.
본 연구에서는 순간/연속 누출 여부, 누출되는 수소의 상에 따라 액체수소의 순간 누출 및 연속 누출, 그리고 기체수소의 연속누출로 나누어 Fig. 3의 P&I Diagram 분석결과를 바탕으로 Fault Tree Diagram을 작성하였으며, Figs.
이를 위해 공정분석을 수행하였으며, 수소 액화 공정설비 중에서 가장 많은 공정유체를 포함하고 있는 액화수소 저장 탱크를 대상 설비로 선정하였다. 액화수소 저장탱크의 시스템 분석을 통해 사고 시나리오를 작성하였으며, FTA와 ETA의 두 가지 기법을 적용하여 수소 누출 빈도 및 사고 유형별 발생 빈도를 정량적으로 예측하였다.
54×10^-8times/yr로 각각 계산되었다(Table 6 참조). 연속 누출의 경우에는 각 상별로 액체수소가 누출될 경우와 기체수소가 누출될 경우로 구분하여 고장빈도를 예측하였다. Table 7의 결과와 같이, 액체수소의 연속누출이 발생할 경우는 압력 생성 회로에서의 누출, 액체수소의 충진 및 회수 시의 누출, 저장 탱크 내부에서의 누설로 크게 분류할 수 있으며, 고장빈도는 3.
본 연구에서는 정량적 위험도 평가(Quantitative Risk Assessment)를 위해, 현재 운전 중인 대형 수소 액화 플랜트를 대상으로 위험성이 발생할 사고 빈도를 정량적으로 예측하는데 초점을 맞추어 진행하였다. 이를 위해, 공정분석을 수행하여 사고 발생 시 위험도가 가장 큰 시스템을 선택하고, 사고 시나리오를 결정하고자 한다. 또한, 결정된 사고 시나리오를 바탕으로 Fault Tree Analysis(FTA) 및 Event Tree Analysis(ETA)를 수행하여 수소 누출 빈도 및 사고 유형별 발생 빈도를 정량적으로 예측하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에서는 대상 플랜트로 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 독일의 Vonburg-Ingolstadt-Refinery(RVI)에 위치한 수소 액화 플랜트를 선정하였다²⁾.
4ton LH₂/day로 독일에 설치된 수소 액화 플랜트 중 최대 규모이다. 선정된 수소 액화 플랜트는 압축기 유닛, PSA(Pressure Swing Adsorption) 정제기, 액화기, 그리고 진공단열 액화 수소 저장탱크로 구성된다. RVI Refinery에서 공급되는 약 86%의 수소 농도를 가지는 합성 가스를 20bar 까지 압축하고 PSA 정제기를 이용하여 불순물 농도를 4ppm 이하로 정제한다.
2는 Ingolstadt 수소 액화 플랜트의 공정 흐름도(Process Flow Diagram)를 나타내고 있다. 액화 공정은 Claude 사이클로 설계되었으며, 기체수소 공급 유량은 180kg/hr 이다. 온도 범위에 따라 100,000l 용량의 저장탱크에서 공급되는 액체질소를 이용하여 300K에서 80K로 냉각시키고, 팽창 터빈을 통하여 80K에서 30K로 냉각시키며, 마지막으로 Joule Thomson 밸브를 사용하여 30K에서 21K로 냉각시킨다.
본 연구에서는 정량적 위험도 평가를 위해 현재 운전 중인 대형 수소 액화 플랜트를 대상으로 위험성이 발생할 사고 빈도를 정량적으로 계산하였다. 이를 위해 공정분석을 수행하였으며, 수소 액화 공정설비 중에서 가장 많은 공정유체를 포함하고 있는 액화수소 저장 탱크를 대상 설비로 선정하였다. 액화수소 저장탱크의 시스템 분석을 통해 사고 시나리오를 작성하였으며, FTA와 ETA의 두 가지 기법을 적용하여 수소 누출 빈도 및 사고 유형별 발생 빈도를 정량적으로 예측하였다.

이론/모형

Basic Event에 해당되는 고장빈도의 경우, 실제 적용된 설비 또는 부품에 대한 데이터를 사용해야 하지만, 대부분의 경우에 고장빈도에 대한 데이터들이 제한적이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 이미 알려진 플랜트용 부품 또는 설비에 대한 Generic Failure Rate Data를 적용하였다^4-12).
앞 절에서 작성된 사고 시나리오를 바탕으로 사고빈도를 예측하기 위하여, FTA(Fault Tree Analysis) 와 ETA(Event Tree Analysis)의 두 가지 기법을 적용 하였다. 본 연구에서는 순간/연속 누출 여부, 누출되는 수소의 상에 따라 액체수소의 순간 누출 및 연속 누출, 그리고 기체수소의 연속누출로 나누어 Fig.

성능/효과

3bar의 압력으로 유지된 270,000l 용량의 진공 단열된 저장 탱크에 저장된다. 공정분석으로부터, 수소 액화 공정 설비 중에서 액체수소 저장 탱크가 가장 많은 공정 유체를 포함하기 때문에, 누출 등에 의한 사고가 발생 할 경우 위험도가 가장 큰 시스템임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 액화수소 저장 탱크를 대상으로 정량적 위험도 평가를 수행하였다.
1%에 불과함을 해석결과로부터 확인하였다. 또한, 사고 유형별로 화재에 의한 사고는 전체 사고의 71.8%의 비중을 차지하였고, 상대적으로 피해 규모가 클 것으로 예측되는 폭발 사고는 전체 사고의 약 0.5%인 3.69×10^-3times/yr로 사고 빈도가 매우 낮은 것으로 예측되었다.
또한, 상대적으로 피해 규모가 클 것으로 예측되는 VCE(Vapor Cloud Explosion) 등의 폭발 사고는 전체 사고의 약 0.5%인 3.69×10-3times/yr로 사고 빈도가 매우 낮은 것으로 예측되었다.
41×10^-1times/yr로 빈도가 가장 높았으며, Pool Fire, Flash Fire순으로 나타났다. 사고 유형별로 화재에 의한 사고는 전체 사고의 71.8%의 비중을 차지하였고, 실제 수소가 누출되더라도 대기 중으로 확산되어 실제 사고에 영향을 주지 않는 경우가 27.7%로 계산 되었다. 또한, 상대적으로 피해 규모가 클 것으로 예측되는 VCE(Vapor Cloud Explosion) 등의 폭발 사고는 전체 사고의 약 0.
수소 누출 사고 빈도는 6.83×10-1times/yr로 약 1.5년에 1회 정도가 발생하고, 기체수소 누출이 전체 누출 사고의 83.1%를 차지하며, 순간 누출이 발생하는 빈도는 전체 누출 사고의 0.1%에 불과함을 해석결과로부터 확인하였다.
액체수소 저장 탱크에서 수소가 누출되어 발생할 수 있는 화재 또는 폭발 사고 중에서 Jet Fire 형태의 화재가 3.41×10-1times/yr로 빈도가 가장 높았으며, Pool Fire, Flash Fire순으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체수소 저장 탱크는 무엇으로 구성되는가?	액체수소 저장 탱크는 수평방향 실린더 형태로 위치하며, 압력 생성 회로(Pressure Building Circuits), 배관망 등으로 구성된다. 액화수소 저장 탱크의 P&I 다이어그램은 Fig.
	해양플랜트, 정유, LNG, LPG 등의 에너지 플랜트에 사용되는 물질들이 사고위험이 항상 존재하는 이유는 무엇인가?	해양플랜트, 정유, LNG, LPG 등의 에너지 플랜트에서는 다양한 종류의 인화성, 발화성, 폭발성, 반응성 등을 가지는 화학물질을 원료, 중간재, 용제, 반제품 및 생산품의 형태로 사용, 취급, 저장하고 있다. 이러한 에너지 플랜트에 사용되는 물질들은 그 보유 량이 방대할 뿐만 아니라 고온/고압의 기체 혹은 증기 상태로 존재하거나 상변화를 일으키는 공정시스템으로 구성되어 있기 때문에, 사고위험이 항상 존재하게 된다. 에너지 플랜트 공정의 사고 위험요소는 플랜 설계의 시작단계부터 수명이 다해 철거될 때까지 일련의 과정에서 상존하고 있으며, 우리나라와 같이 가용 국토가 좁고 인구밀도가 높은 경우, 사고 발생 시 대형 재난사고로 이어져 경제적, 사회적, 환경적 문제를 초래하게 된다.
	선정된 수소 액화 플랜트는 무엇으로 구성되어 있는가?	4ton LH2/day로 독일에 설치된 수소 액화 플랜트 중 최대 규모이다. 선정된 수소 액화 플랜트는 압축기 유닛, PSA(Pressure Swing Adsorption) 정제기, 액화기, 그리고 진공단열 액화 수소 저장탱크로 구성된다. RVI Refinery에서 공급되는 약 86%의 수소 농도를 가지는 합성 가스를 20bar 까지 압축하고 PSA 정제기를 이용하여 불순물 농도를 4ppm 이하로 정제한다.

참고문헌 (16)

Khan, F. I., Abbasi, S. A., "Techniques and methodologies for risk analysis in chemical process industries," Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 11, 1998, p. 261-277.

상세보기
Gross. R., Otto, W. and Wanner, M., "Liquid hydrogen for Europe - the Linde plant at Ingolstadt," Report on Science and Technology, Linde AG, 54, 1994, pp. 37-43.
Linde AG, Tank Installations for the Supply of Liquefied Gases, http://www.linde-gas.com/inter national/web/lg/com/likelgcom30.nsf/repositoryb yalias/8772_6_20tank_20installations/$file/8772_6_Tank_Installations.pdf.
Hauptmanns, U., "Reliability data," Otto-von-Guerucke-University Magdeburg, Germany.
AIChE/CCPS, "Guidelines for process equipment reliability data with data tables," American Institute of Chemical Engineers (AIChE), New York, 1989.
T-book, "Reliability data of components in Nordic nuclear power plants," 3rd Edition, the ATV Office, Vattenfall Support Grafiska, Sweden, 1992.
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OREDA 2002, "Offshore reliability data, 4th Edition, OREDA Participants," Det Norske Veritas (DNV), Hovik, Norway, 2002.
GRS, "Ueutsche Risikostudie kernkraftwerke (Phase B)," Gesellschart fur Reaktorsicherheit, Verlag TUV Rheinland, Koln, Germany, 1990.
Lees, F. P., Mannan, S., "Loss prevention in the process industries," Vol. 2, 3rd Edition, Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005.
Committee for the Prevention of Disasters, "Methods for the determining and processing probabilities," CPR 12E ("Red book"), 2nd Edition, the Hague, the Netherlands, 1997.
Roos, A. J., "Guidelines for quantitative risk assessment," CRE 18E ("Purple book"), Voorburg, the Netherlands, 1999.
Contini, S., "A new hybrid method for fault tree analysis," Reliability Engineering and System Safety, Vol. 49, 1995, p. 13-21.

상세보기
Bain, A. "Sourcebook for hydrogen applications," Edited by Tapan K. Bose, TISEC, Canada, 1998.
Cadwallader, C. J., and Herring, J. S., "Safety issues with hydrogen as a vehicle fuel," Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, U.S.A, 1999.
IAEA, "Hydrogen as an energy carrier and its production by nuclear power," International Atomic Energy Agency, IAEA-TECDOC-1085, IAEA, Austria, 1999.

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