[논문]Off-Site 패키지형 수소충전소의 FTA 분석

서두현; 김태훈; 이광원; 최영은

doi:10.7316/khnes.2020.31.1.73

Off-Site 패키지형 수소충전소의 FTA 분석
A Study on FTA of Off-Site Packaged Hydrogen Station 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.1, 2020년, pp.73 - 81

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

Abstract ▼ AI-Helper

For the fault tree analysis (FTA) analysis of the packaged hydrogen filling station, the composition of the charging station was analyzed and the fault tree (FT) diagram was prepared. FT diagrams were created by dividing the causes of events into external factors and internal factors with the hydrogen event as the top event. The external factors include the effects of major disasters caused by natural disasters and external factors as OR gates. Internal factors are divided into tube tailer, compressor & storage tank, and dispenser, which are composed of mistakes in operation process and causes of accidents caused by parts leakage. In this study, the purpose was to improve the hydrogen station. The subjects of this study were domestic packaged hydrogen stations and FTA study was conducted based on the previous studies, failure mode & effect analysis (FMEA) and hazard & operability study (HAZOP). Top event as a hydrogen leaking event and constructed the flow of events based on the previous study. Refer to "Off shore and onshore reliability data 6th edition", "European Industry Reliability Data Bank", technique for human error rate prediction (THERP) for reliability data. We hope that this study will help to improve the safety and activation of the hydrogen station.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Drawing of package hydrogen station
표 Table 1. FMEA analysis result
그림 Fig. 2. Fault tree of external factor
표 Table 2. HAZOP study result
그림 Fig. 3. Fault tree of tube trailer loading leakage of internal factor
그림 Fig. 4. Fault tree of compressor & storage unit component leak of Internal factor
그림 Fig. 5. Fault tree of compressing & storaging leakage of internal factor
그림 Fig. 6. Fault tree of charge unit leakage of Internal factor
그림 Fig. 7. Fault tree of charging leakage of internal factor
그림 Fig. 8. Fault tree of ESV shutdown fail of internal factor
표 Table 3. Base data with reference to reliability handbook
그림 Fig. 9. THERP-connect fail to operator
표 Table 4. Reliability data of basic event
표 Table 5. Reliability data of basic events (human error)
그림 Fig. 10. Fussell-vesely importance analysis
표 Table 6. Result of gate analysis
표 Table 7. Minimal cutset analysis (Hr)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

수소충전소의 구축은 안전거리의 유지 및 수소 에너지원의 위험성 등에 대한 문제로 설치의 어려움이 있다. 본 연구에서는 안전성을 확보하고 보급을 활성화하기 위하여 off-site 패키지형 수소충전소의 정량적 위험성 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 패키지형 수소충전소의 안전성 향상 및 보급 활성화를 위해서 정량적 위험성 평가의 하나인 FTA로 분석을 실시하였다. 본 연구를 시행하기 위해 정성적 위험성 평가인 FMEA와 HAZOP이선행연구로 진행되어 FTA 분석 시에 top event 선정 및 기초사건으로 사용되었다.
본 연구에서의 결과는 다양한 방법을 통한 검증 및 실증적 연구의 기초자료로 활용되어 수소경제 활성화에 이바지하고자 한다.

제안 방법

FMEA 수행을 위해 수소충전소 부품 23개에 대해 총 1,485개의 failure mode를 도출하여 고장형태에 대한 시스템의 영향을 분석하였다. 분석결과 압력을 관리해주는 pressure safety valve (PSV), needle valve (NV), flow control valve (FCV) 등의 압력 및 압축기에 의한 위험우선순위(risk priority number, RPN) 값이 높게 나타났다.
FTA 분석을 위해 우선, 분석 대상이 된 패키지형 수소충전소를 분석하고 정성적 위험성 평가를 수행 하였다. 수소충전소의 수소가스 누출을 top event로 선정하여 수소가스 누출이 되는 FT도를 작성하였다.
HAZOP 수행을 위해 수소충전소의 기능을 hydrogen supply system, hydrogen storage system, hydrogen discharge system, hydrogen n 2 gas system으로 총 4개의 NODE로 설정하여 분석을 실시하였다. 분석 결과 Table 2와 같이 압축기 등 압력 이상으로 인한 사고원인은 수소가스 누출 및 폭발위험의 결과를 갖는 요인이 주요 위험요소로 확인되었다.
Off-site 방식으로 인한 tube trailer loading leakage, 압축 및 저장 공정인 compressor & storage unit leakage, 수소 차에 충전을 할 수 있는 charge unit leakage로 셋 중하나라도 누출 시 수소누출이 나타날 수 있는 OR gate로 구성하였다.
Tube trailer loading 수소누출은 Fig. 3과 같이 운전원 부재 시 gas detector가 감지 실패로 인해 shut down 실패와 로딩 부품(pipe, PG, BV, CV, SRV, NV 등) 의 누출이 동시에 일어날 경우 수소가스의 누출로 이어지도록 구성하였다.
내적요인으로는 tube tailer, compressor & storage tank, dispenser로 나누어 운전과정의 실수 및 부품의 leakage로 인한 사고원인을 중점으로 하여 구성하였다.
수소누출을 top event로 하여 사건이 일어날 수 있는 요인을 외적요인과 내적요인으로 구분하여 FT도를 작성하였다. 외적요인에는 자연재해 및 외부요인 으로 인한 중대재해의 영향을 OR gate로 포함하여 분석하였다.
FTA 분석을 위해 우선, 분석 대상이 된 패키지형 수소충전소를 분석하고 정성적 위험성 평가를 수행 하였다. 수소충전소의 수소가스 누출을 top event로 선정하여 수소가스 누출이 되는 FT도를 작성하였다. 기초사건에 대한 고장률을 추정하기 위해서 Offshore and Onshore Reliability Data, European Industry Reliability Data Bank 등 신뢰도 데이터 핸드북을 참고하였다.
기초사건에 대한 고장률을 추정하기 위해서 Offshore and Onshore Reliability Data, European Industry Reliability Data Bank 등 신뢰도 데이터 핸드북을 참고하였다. 시스템 고장확률을 Isograph Reliability Workbench 프로그램을 활용하여 계산 후 문제점을 도출하여 수소충전소의 안전성 향상을 목표로 연구를 진행하였다.
수소누출을 top event로 하여 사건이 일어날 수 있는 요인을 외적요인과 내적요인으로 구분하여 FT도를 작성하였다. 외적요인에는 자연재해 및 외부요인 으로 인한 중대재해의 영향을 OR gate로 포함하여 분석하였다. 내적요인으로는 tube tailer, compressor & storage tank, dispenser로 나누어 운전과정의 실수 및 부품의 leakage로 인한 사고원인을 중점으로 하여 구성하였다.
운전 실패에는 연결 불량 및 shut-off 실패로 인한 노즐 연결 실패, return line 오작동, 과충전 감지 실패와 운전원 부재 그리고 CCU 결함으로 인한 과충전, 차량 급발진 및 breakaway 실패로 인한 차량 충 전부 누출로 구성하였다.
작성한 FT도를 기준으로 기초사건에 맞는 고장률을 찾기 위해 신뢰도 Handbook8,9) 을 참고하여 Table 3과같이 각 부품에 대한 고장률의 평균(mean)값을 사용 하여 기초사건의 값으로 적용하였다.
정량적 위험성 분석을 실시하기 위하여 사전에 정성적 위험성 평가인 failure mode effect analysis (FMEA), hazard and operability (HAZOP)를 분석하고^3,4) 위험성을 파악하여 FT도를 구성 후 기초사건을 선정하여 fault tree analysis (FTA)를 실시하였다.
정성적 위험성 평가를 통해 수소누출의 위험도가 가장 큰 위험요인으로 분석되어 top event로 선정하였다. 고장모드 및 사고원인이 FTA 작성 시에 FT 도구성 및 기초사건으로 인용되어 작성되었다.

대상 데이터

수소충전소의 수소가스 누출을 top event로 선정하여 수소가스 누출이 되는 FT도를 작성하였다. 기초사건에 대한 고장률을 추정하기 위해서 Offshore and Onshore Reliability Data, European Industry Reliability Data Bank 등 신뢰도 데이터 핸드북을 참고하였다. 시스템 고장확률을 Isograph Reliability Workbench 프로그램을 활용하여 계산 후 문제점을 도출하여 수소충전소의 안전성 향상을 목표로 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 패키지형 수소충전소의 안전성 향상 및 보급 활성화를 위해서 정량적 위험성 평가의 하나인 FTA로 분석을 실시하였다. 본 연구를 시행하기 위해 정성적 위험성 평가인 FMEA와 HAZOP이선행연구로 진행되어 FTA 분석 시에 top event 선정 및 기초사건으로 사용되었다.
본 연구의 대상이 된 수소충전소는 Fig. 1과 같이 튜브트레일러를 이용한 off-site 방식으로 수소가스를 공급받아 패키지 안의 압축기와 판넬을 거쳐 압축된 후 저장 탱크에 저장 또는 수소차에 공급하는 설비로 구성된다.
FTA 분석을 위해 수소누출을 top event로 하여 외적, 내적요인으로 구분하여 분석되었으며, 각 기초사건들의 신뢰도 데이터를 수집하기 위해 신뢰도 Handbook을 참고하였으며, human error에 대해서는 THERP 인간실수 분석기법을 인용하였다. 분석에서는 총 32종의 gate가 구성되었고 총 80개의 minimal cutset이 도출되었다. 분석을 통해 수소가스 누출의 사고빈도, 비가동도, gate, importance, minimal cutset이 분석되었다.
신뢰도 Handbook에서 찾을 수 없는 기초사건에 대해서는 Table 4와 같이 전문가의 의견과 기 수행된 국내 정량적 데이터를 토대로 공학적인 판단 하에 신뢰도 데이터를 추정하였다.⁶⁾

이론/모형

FTA 분석을 위해 수소누출을 top event로 하여 외적, 내적요인으로 구분하여 분석되었으며, 각 기초사건들의 신뢰도 데이터를 수집하기 위해 신뢰도 Handbook을 참고하였으며, human error에 대해서는 THERP 인간실수 분석기법을 인용하였다. 분석에서는 총 32종의 gate가 구성되었고 총 80개의 minimal cutset이 도출되었다.
내적요인으로는 tube tailer, compressor & storage tank, dispenser로 나누어 운전과정의 실수 및 부품의 leakage로 인한 사고원인을 중점으로 하여 구성하였다. 각 기초사건에 대해서는 신뢰도 핸드북을 참고하여 수집하였고 인간 실수에 대해서는 technique for human error rate prediction (THERP) 인간 실수 분석 기법으로 분석을 실시하였다.^6,7)

성능/효과

2) 하지만 수소차 보급에 비해 수소충전소를 실제 운영 중인 곳은 11곳이고 2025년도까지 200개소 구축사업이 무산되며 2018년도에 8개소 구축 및 단계적 확충으로 변경되었다.
Importance analysis의 결과 Fig. 10에서 보는 바와 같이 외부요인이 가장 큰 요인으로 분석되었고, 그다음으로는 ESD 닫힘 실패, solenoid valve의 외부누출, 온도 계측기의 누출 순으로 위험도가 높게 분석되었다.
Minimal cutset 총 80건이 산출되었으며 Table 7은비가동도가 높은 순의 minimal cutset을 정리한 표이다. Minimal cutset 분석결과 ESD 닫힘 실패와 solenoid valve 누출의 비가동도가 가장 높았으며, 다음으로 ESD 닫힘 실패, 온도 계측기 누출, 압축기 누출 등이 있었다.
본 연구의 분석결과 수소가스 누출 사고빈도는 1,000년에 8.83회 정도로 약 100년에 1회 발생할 수 있다고 분석되었다. 수소충전소 시스템의 비가동도는 0.
본 연구의 분석결과 수소누출에 대한 top event의 비가동도는 0.106/10⁴hr이였으며, 내적요인에 대한 비가동도는 0.0053/10⁴hr, 외적요인으로는 0.102/10⁴hr 의 비가동도 값이 도출되었다.
분석 결과 태풍과 지진, 홍수 등의 외부요인에 대한 위험도가 높았고, 그 다음으로는 밸브, 계측기, 압축기 등의 누출 시 ESD 닫힘 실패 위험도가 높았다.
FMEA 수행을 위해 수소충전소 부품 23개에 대해 총 1,485개의 failure mode를 도출하여 고장형태에 대한 시스템의 영향을 분석하였다. 분석결과 압력을 관리해주는 pressure safety valve (PSV), needle valve (NV), flow control valve (FCV) 등의 압력 및 압축기에 의한 위험우선순위(risk priority number, RPN) 값이 높게 나타났다. Table 1의 결과에서 고장형태로는 막힘 또는 열림 실패로 인한 파열 및 수소가스 누출의 RPN값이 높은 것으로 분석되었다.
분석에서는 총 32종의 gate가 구성되었고 총 80개의 minimal cutset이 도출되었다. 분석을 통해 수소가스 누출의 사고빈도, 비가동도, gate, importance, minimal cutset이 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	｢융·복합 및 패키지형 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준｣에 의하면 패키지형 수소충전소란?	패키지형 수소충전소란 ｢융·복합 및 패키지형 자동차충전소 시설기준 등에 관한 특례기준｣에 의하면 수소자동차의 충전에 필요한 설비(필요한 경우 충전기는 제외할 수 있다)를 하나의 보호함에 장착한 충전시설을 일정한 장소에 배치하고 수소를 연료로 사용하는 자동차에 압축 수소를 충전하는 것을 말한다.5)
	수소충전소의 구축에는 어떤 어려움이 있는가?	수소충전소의 구축은 안전거리의 유지 및 수소 에너지원의 위험성 등에 대한 문제로 설치의 어려움이 있다. 본 연구에서는 안전성을 확보하고 보급을 활성화하기 위하여 off-site 패키지형 수소충전소의 정량적 위험성 분석을 실시하였다.
	Tube trailer의 부피는?	Tube trailer는 180-200 bar의 수소를 공급하고, dispenser는 수소차로 700 bar의 수소를 공급하게 한다. 부피가 343 L로 15,000 psi 압력을 버티는 tank가 4개 존재하며, filter는 튜브 트레일러 (tube trailer) 후단에 1개 dispenser 전단에 1개 compressor 앞뒤에 1개씩 존재한다. Safety valve는 용도에 따라서 10, 198, 460, 962 bar에서 작동되도록 구성되어 있다.

참고문헌 (9)

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OREDA Participants, "OREDA Handbook 2015, 6th edition - Volume I and II", DNV GL, 2015. Retrieved from https://www.oreda.com/product/oreda-handbook-2015-6th-edition-volume-i-and-ii-shipping-april-15th/.
J. M. Lecoeuvre, "European Industry Reliability Data Bank", DIRECTION DES ETUDES ET RECHERCHES, 1997. Retrieved from https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_qRN:29006168.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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