[논문]패키지형 수소충전소의 고장형태별 영향 분석

서두현; 이광원; 김태훈

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.65

패키지형 수소충전소의 고장형태별 영향 분석
A Study on the Hazard Factor of Packaged Hydrogen Station by Failure Mode & Effects Analysis 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.65 - 72

서두현 (피에스피) , 이광원 (호서대학교) , 김태훈 (호서대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the purpose is to identify the risks of the facilities of packaged hydrogen stations. As a risk identification method, failure mode & effect analysis (FMEA), a qualitative risk assessment, was used to analyze failure mode and effects of component of each facility. The analysis criteria were used to derive the risk priority number (RPN) using the 5-point method according to severity, incidence, and detectability. The study analyzed a total of 141 components of 23 types that can be identified on the design of the packaged hydrogen filling station. As a result, 683 types of failures and their causes and effects were identified. and the RPN was number of a total of 1,485. Of these, 10 failure types with a RPN value of 40 or more were deemed necessary. In addition, a list of failure types with a severity score of 5 was identified and analyzed.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Block diagram of packaged hydrogen station
그림 Fig. 2. PFD of packaged hydrogen station
표 Table 1. Criteria of assessment by severity
표 Table 2. Criteria of assessment by occurrence
표 Table 3. Criteria of assessment by detachability
표 Table 4. List of component with function
그림 Fig. 3. Number of RPN
표 Table 5. Sample sheet of FMEA about PSV
표 Table 6. Summary of FMEA results (RPN by failure mode)
표 Table 7. List of components of high risk priority number
표 Table 8. List of failure mode with 5 point severity (high risk)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

패키지형 수소충전소는 하나의 컨테이너에 수소를 압축 및 충전하는 설비이므로 기존의 부품과는 다른 새로운 설계와 구조가 요구된다. 이에 본 연구는 패키지형 수소충전소의 구조와 설계에 따른 부품별 세부 위험요소를 도출하고자 고장형태 및 영향분석(failure mode and effect analysis, FMEA)을 이용하여 잠재위험요소의 심각도, 발생도, 검출도 등을 고려한 부품별 위험성 정도를 평가하였다.

제안 방법

각 부품에 대한 고장형태, 원인 및 영향에 대해 예측을 하였으며, 각각의 고장형태별 시나리오별로 그로 인한 피해의 심각도나 발생도, 검출도를 앞선 기준을 통해 위험우선순위(RPN)를 산정하였다. 결과를 요약하면 Table 6과 같으며, Fig.
본 연구에서는 패키지형 충전소에 대한 설비의 위험성을 파악하고자 정성적 위험성 평가 기법인 FMEA를 활용하여 각각의 설비의 부품별 고장형태와 영향을 분석하였다.
본 연구의 대상으로 선정한 패키지형 수소충전소는 튜크 트레일러(tube trailer)를 연결하여 수소를 공급하는 설비로 핵심이 되는 압축기 및 선별 패널(priority panel)의 주요 부품에 대해 실시하였으며 설계 P&ID 및 사양서 등을 통해 모든 부품의 세밀한 분석을 진행하였다. 단, P&ID 및 상세 사양의 경우 기업의 비밀이 포함되어 공개되지 않으며, 설비의 설계자 및 충전소 전문가 등을 포함한 평가팀을 구성하여 진행하였다.

대상 데이터

평가의 대상인 부품은 총 23종으로 구분되며 141개의 부품에 대해 진행하였고 같은 기능을 하는 부품은 하나의 그룹으로 분류하여 진행하였다. 평가에 포함된 부품의 list는 Table 4와 같다.

이론/모형

본 연구에서 패키지형 수소충전소의 위험요소를 도출하기 위한 방법으로 제품 및 설비의 고장형태별 영향을 분석에 적합한 failure mode & effect analysis (FMEA)를 활용하였다. 특히 FMEA는 시스템이나 서브시스템의 위험분석을 진행하기 위해 사용되는 전형적인 상향식 귀납적 분석방법이며 정성적 안전성 평가의 대표라고 할 수 있다.

성능/효과

평가 기준에 따른 심각도, 발생도, 검출도를 5점법을 사용하여 RPN을 도출한 후 패키지형 충전소의 설계도면상에서 파악할 수 있는 총 23종 141개 부품을 평가하였고, 683개 고장형태와 이들의 원인 및 영향을 분석하여 각각의 1,485개의 RPN값을 도출하였다. 이 중 보완조치가 필요하다고 사료되는 RPN값 40점 이상인 10개의 고장형태를 도출하였고, 그 외에 심각도 5점인 고장형태의 목록 파악 및 분석을 하였다.
평가를 통해 도출된 주요 고장형태로는 외부/내부 누출로 인한 수소 누출 및 폭발, 구조적 결함을 인한 수소누출 및 밸브 파손, 열림/닫힘 실패로 인한 긴급상황 발생 및 폭발, 막힘으로 밸브 및 배관 파열 등이 있다. 이를 위한 주요 권고조치사항으로 수소누출 및 폭발로 인한 경고문구 표시 또는 보호가드 설치 확인과 밸브 및 배관 파열로 인한 설치 전 제품, 밸브 검사를 철저히 해야 한다.

후속연구

위험성 평가를 통해 우선적으로 개선해야 할 사항을 보여줌으로써 설계 상의 부족한 부분을 채울 수 있다. 그리고 FMEA에서 확인이 어려운 위험요소에 대해 HAZOP 및 기타 위험성 평가가 추가로 진행되어야 할 것이고, 향후 정량적 위험성 평가 및 피해예측을 통해 사회적 위험도에 대한 고찰이 확보되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	패키지형 충전소란 무엇인가?	패키지형 충전소는 수소자동차의 충전에 필요한 설비를 모듈화하여 하나의 보호함에 장착한 충전시설로 일반적 수소충전소에서 지켜야 할 안전거리(이격거리)를 확보하는 데 있어 유리하며, 이동설치가 용이한 설비를 말한다9).
	패키지형 충전소를 FEMA를 활용해 평가한 결론은 무엇인가?	평가를 통해 도출된 주요 고장형태로는 외부/내부 누출로 인한 수소 누출 및 폭발, 구조적 결함을 인한 수소누출 및 밸브 파손, 열림/닫힘 실패로 인한 긴급상황 발생 및 폭발, 막힘으로 밸브 및 배관 파열 등이 있다. 이를 위한 주요 권고조치사항으로 수소누출 및 폭발로 인한 경고문구 표시 또는 보호가드 설치 확인과 밸브 및 배관 파열로 인한 설치 전 제품, 밸브 검사를 철저히 해야 한다. 긴급 상황 시 대처가 가능한 작업자에 대한 공정 매뉴얼과 정기 교육이 필요함을 볼 수 있다.
	수소의 대중화를 위해 각 나라들의 정책은 무엇이 있나?	미국, 일본, 유럽 등 해외의 여러 나라에서 수소의 대중화를 위하여 여러 정책과 인프라를 구축하고 있다. 미국에서는 2023년까지 수소충전소 100기 구축하기 위하여 매년 2,000만$를 지원하고 있다1). 일본은 2025년까지 수소충전소 160기를 구축할 예정이다2). 유럽은 2030년까지 재생 가능 에너지를 27%로 늘리는 것을 목표로 하고 있다3). 이러한 목표는 충전소의 부지 확보 및 관련 법령의 안전기준을 충족해야 하기에 물리적 한계를 해결하고자 해외에서도 패키지형 수소충전소의 개발 및 실용화를 진행 중이다.

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