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문제 정의
- 본 연구에서는 연구대상 공정의 LOPA에 활용된 독립방호계층(IPL) 중 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)가 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 만족시키지 못한 경우에 수행한 위험감소 대책을 위한 IPL의 효과 및 경제성을 상호 비교분석함으로써 경제적인 IPL을 제시하고자 하였다.
- 이와 같이 공정상의 사고원인은 다양하며, 잠재된 위험성으로 인해 사고로 발전될 가능성이 항상 존재하기 때문에, 위험성평가기법인 LOPA, SIL기법 등을 적용하여 LPG인수기지의 사고위험성을 감소시킬 수 있는 방안을 연구해보고자 한다.
제안 방법
- LOPA의 IPL로서 적용된 SIF의 PFD(Probability of Failure on Demand)값에 대해서는 다음 그림과 같이 FTA(Fault Tree Analysis)를 이용하여 분석하였다.
- 먼저, 부탄냉동저장탱크인 T-4001A에 대해서는 총 20개의 HAZOP 시나리오 중 15개를 선정하여 LOPA를 분석하였으며, 부탄구형저장탱크(T-6201A)에 대해서는 총 8개의 HAZOP 시나리오 중 5개를 선정하여 LOPA를 분석하였다. 또한, 프로판 구형저장탱크(T-6201B)에 대해서는 총 9개의 시나리오 중 6개를 선정하여 LOPA를 분석하였다.
- 분석결과, 부탄냉동저장탱크인 T-4001A에 대해서는 총 15개의 LOPA 시나리오 중 1개가 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria)를 벗어났으며, 부탄구형저장탱크(T-6201A)에 대해서는 총 5개의 LOPA 시나리오 중 2개가 위험허용기준을 벗어났다. 또한, 프로판 구형저장탱크(T-6201B)에 대해서도 총 6개의 LOPA 시나리오 중 2개가 위험허용기준을 벗어났고, 이를 바탕으로 위험감소(Risk Reduction)대책을 검토하였다.
- 먼저, 부탄냉동저장탱크인 T-4001A에 대해서는 총 20개의 HAZOP 시나리오 중 15개를 선정하여 LOPA를 분석하였으며, 부탄구형저장탱크(T-6201A)에 대해서는 총 8개의 HAZOP 시나리오 중 5개를 선정하여 LOPA를 분석하였다. 또한, 프로판 구형저장탱크(T-6201B)에 대해서는 총 9개의 시나리오 중 6개를 선정하여 LOPA를 분석하였다.
- 본 연구에서는 LOPA의 독립방호계층(IPL) 중 위험물의 외부누출로 인한 사고발생 후 사고결과를 완화시키는 완화적 독립방호계층(Mitigation IPL)인 방류둑, 플랜트 비상대응 등은 고려하지 않고, 사고예방에 중점을 둔 예방적 독립방호계층(Prevent IPL)인 BPCS(Basic Process Control System), 운전자 개입(Operator Intervention), SIS 등에 중점을 두고 LOPA분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 국내 LPG인수기지 중 시범공정을 선정, LOPA를 분석하였으며, LOPA 분석결과 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)가 위험허용수준(Risk Tolerance Criteria) 조건(≤1.0×10-5/y)을 충족시키지 못하는 시나리오에 대해서는 독립 방호계층인 IPL의 효과 및 경제성을 분석하여 위험허용수준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족시키는 IPL을 SIF의 수준을 분석하여 제시하였으며, 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 연구를 위하여, 선정한 공정에 대한 잠재적인 위험성을 파악하기 위해 사고발생시 피해영향이 큰 저장탱크를 중심으로 HAZOP을 실시하고, LOPA 분석을 위한 사고 시나리오를 도출하였다.
- 지상에 설치된 냉동부탄저장탱크(T-4001A/B/C)를 손상시킬 수 있는 과압 및 부압발생 가능성을 검토하기 위하여 저장탱크를 중심으로 5개의 검토구간(NODE)을 구분하여 HAZOP를 분석하였으며, 총 20개 저장탱크의 과압 및 진공발생 가능시나리오를 도출하였다.
- 지상에 설치된 출하용 부탄구형저장탱크(T-6201A) 및 프로판 구형저장탱크(T-6201B)를 손상시킬 수 있는 과압 및 진공발생 가능성을 검토하기 위하여 저장탱크를 중심으로 각 3개씩의 검토구간(NODE)를 구분하여 HAZOP를 분석하였으며, 부탄탱크 8개, 프로판탱크 9개의 가능시나리오를 도출하였다.
대상 데이터
- 액화 프로판은 냉동 원양선으로 전용부두를 통하여 수입된다. 주요 입하설비는 프로판 UNLOADING ARM, JETTY BOOSTING PUMP, 프로판 BOOSTING PUMP, 프로판 히터 등으로 구성된다. 프로판 암반저장소는 지하 심층암반에 굴착된 동굴에 프로판을 저장한다.
이론/모형
- LOPA 및 SIL분석을 위해 활용된 빈도(Frequency)값에 대한 기본정보는 CCPS(Center for Chemical Process Safety)의 Layer of Protection Analysis에서 제공되는 자료를 활용하였으며, IPL 중 SIS에 대한 빈도 값은 OREDA (Offshore Reliability Data), CCPS의 Guidelines for process equipment reliability databook 등을 참고하였다[9-11].
- 정성적 위험성평가기법인 HAZOP는 공정에 존재하는 위험요소들과 운전상의 문제점을 알아내고자 이용되는 간단하고 구조적인 분석 방법이다. 이 방법은 설계의도에서 벗어나는 이탈현상을 찾아내고 공정의 위험요소와 운전상의 문제점을 알아내기 위하여 자유로운 토론방식(Brainstorming)을 사용하며, HAZOP 검토결과 기록지는 Table 1과 같다.
성능/효과
- · 또한, LOPA 분석시, SIF를 포함한 다양한 독립방호계층(IPL)의 효과를 알 수 있었고, 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)가 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족시키지 못하는 경우에는 현장에 적용된 SIF 등 IPL의 효과 및 경제성 분석을 통하여 현장에 보다 적합한 IPL을 제시하여 위험허용 기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족하게 함으로써 SIF가 공정 내의 잠재위험을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법임을 알 수 있었다.
- 특히, 당해 인터록 루프에는 Final Element로서 압축기, 펌프, 압력경보기 등이 연결되어 있어 인터록에 문제 발생 시 공정사고와 연계될 수 있는 가능성이 크다. 또한 저장탱크의 저압발생에 따른 압력경보장치가 해당 인터록 루프에서만 작동하게 설계되어 있어서, 이와는 별도의 압력전송기(Pressure Transmitter)와 연계된 압력 경보장치를 설치해야 하는 것으로 분석되었다.
- 본 연구결과를 통하여, SIF의 SIL수준을 높이는 방법에는 Sensor, Logic Solver, Final Element의 구성방법 등에 따라 다양하며, SIS의 테스트 주기를 낮추는 것도 SIL수준을 높이는 방법이라는 것을 알 수 있었다. 다만, 높은 SIL등급의 SIF를 구성할수록 많은 비용이 요구되므로 LOPA의 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)분석을 통해 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria)을 만족시키는 조건 내에서 공정에 적절한 SIF의 구성이 요구된다.
- 분석결과, 부탄냉동저장탱크인 T-4001A에 대해서는 총 15개의 LOPA 시나리오 중 1개가 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria)를 벗어났으며, 부탄구형저장탱크(T-6201A)에 대해서는 총 5개의 LOPA 시나리오 중 2개가 위험허용기준을 벗어났다. 또한, 프로판 구형저장탱크(T-6201B)에 대해서도 총 6개의 LOPA 시나리오 중 2개가 위험허용기준을 벗어났고, 이를 바탕으로 위험감소(Risk Reduction)대책을 검토하였다.
- 위험감소를 위한 추가 IPL검토결과, 별도의 압력전송기(Pressure Transmitter)와 연계된 저압경보장치를 추가할 경우(방법 1)와 인터록 루프의 단독 센서를 2 out of 3 시스템에 따라 복수의 센서로 설치한 경우(방법 2), 2가지 모두가 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)값이 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족시킨 것으로 나타나서 2가지 방법 모두 활용 가능하다.
- 이 두 가지 방법에 대한 효과 및 경제성을 분석해보면, 먼저 효과적인 측면에서, (방법1)과 (방법2)에 대한 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)값을 비교하여 볼 때, Final Element인 긴급차단밸브 및 펌프의 테스트 주기를 1년에서 6개월로 단축하는 방법을 고려하는(방법1) 보다는 긴급차단밸브를 추가 설치하는 (방법2)이 인터록 시스템의 신뢰도를 좀더 높이는 방법이라는 것을 알 수 있다.
후속연구
- · 또한, LOPA 분석시, SIF를 포함한 다양한 독립방호계층(IPL)의 효과를 알 수 있었고, 완화된 사고결과의 빈도(Frequency of Mitigated Consequence)가 위험허용기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족시키지 못하는 경우에는 현장에 적용된 SIF 등 IPL의 효과 및 경제성 분석을 통하여 현장에 보다 적합한 IPL을 제시하여 위험허용 기준(Risk Tolerance Criteria) 조건을 충족하게 함으로써 SIF가 공정 내의 잠재위험을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법임을 알 수 있었다. 따라서, 국내 다른 플랜트에도 많은 이러한 문제점이 잠재할 수 있으므로 본 기법을 활용한다면, 플랜트의 위험성을 낮추는데 큰 도움이 될 것이다.
- 반면, 2가지 방법에 대한 경제성을 분석해보면, Fig. 9에서와 같이 인터록시스템의 센서를 복수화하는 (방법2)가 (방법1)보다 비용 측면에서 약간 비싼지만, 효과측면에서는 IPL의 PFD값이 8.48E-04/y로서 1.0E-02/y보다 매우 개선효과가 높고 인터록시스템의 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있다는 측면에서 볼 때 (방법2)를 적용할 것을 제안한다.
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