[논문]HAZOP을 통한 해양플랜트 흡착식 탈수공정 패키지의 위험성평가 및 안전도 향상 방안

노현정; 박상현; 조수길; 강관구; 김형우

doi:10.21289/ksic.2020.23.4.569

HAZOP을 통한 해양플랜트 흡착식 탈수공정 패키지의 위험성평가 및 안전도 향상 방안
A Case Study on the Risk Assessment for Offshore Plant Solid Desiccant Dehydration Package by using HAZOP 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.4/1, 2020년, pp.569 - 581

노현정 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 박상현 (한양대학교 미래자동차공학과) , 조수길 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 강관구 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터) , 김형우 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업지원센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Since the dehydration packages of offshore plant deal directly with oil & gas, there is a great risk of fire and explosion during operation. Therefore, this study performed risk assessment through HAZard & OPerability (HAZOP) for solid desiccant dehydration package that can remove water component of natural gas in offshore floating liquefied natural gas (LNG) production facilities below 0.1 ppmv. The risk matrix was determined by dividing the likelihood and the severity into five levels separately by asset, life, environment and reputation. The piping & instrumentation diagram (P&ID) of the dehydration package was divided into 9 nodes. Total 22 deviations were assessed in consideration of the adsorption and desorption conversion cycle. A risk assessment based on deviations revealed 14 major hazards. Three representative types of hazards were open/close failure of the control valve, control failure of the heater, and abnormal operation of the regeneration gas cooler. Finally, we proposed the installation of additional safety devices to improve safety against these major hazards, such as safety instrumented functions, alarms, etc.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Procedure of HAZOP[12]
표 Table 1. Typical HAZOP parameters, guide words and deviation examples
표 Table 2. Design data of dehydration package
그림 Fig. 2 Process flow diagram of dehydration package.
그림 Fig. 3 Risk matrix for HAZOP study of the dehydration package.
그림 Fig. 4 P&ID and 9 nodes of dehydration package
표 Table 3. Main equipment, design intent and selected deviations of each nodes
표 Table 4. An example of the HAZOP sheet for node 1 for valve malfunction closed/open, node 3 for control failure of heater, and node 6 for regeneration gas cooler failure, where L means likelihood, S is severity, and R is risk grade
그림 Fig. 5 P&ID of node 1 (red line) of dehydration package.
그림 Fig. 6 P&ID of node 3 (purple line) of dehydration package.
그림 Fig. 7 P&ID of node 6 (pink line) of dehydration package.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 대표적 특정 유형의 위험요소들을 제시하고 이들의 위험을 제거 또는 완화 시켜 안전도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
10등급 이상은 as low as reasonably practi-cable (ALARP) 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험구간으로 그림 3에서 붉은 색으로 표기하였다. 본 연구에서는 위험구간에 포함된 위험요소들을 대상으로 10등급 아래로 위험성을 낮출 수 있는 구체적 방안을 제시하였다.
위험요소의 대표적 세 가지 유형으로 제어 밸브의 개폐 고장 또는 오작동, heater의 제어 실패, regeneration gas cooler의 비정상 작동을 도출하였다. 본 연구에서는 이러한 주요 위험요소에 대해 안전도를 향상할 수 있도록 추가 안전 장치 설치를 제시하였다. 본 연구는 위험성 기반 해양플랜트 탈수공정 패키지 설계에 도움을 줄 수 있으며 해당 장비의 국산화에 기여할 수 있다.
본 연구에서는 해양플랜트에서 천연가스 수분제거 필수적인 탈수공정 패키지에서 유⋅가스 공정의 위험성평가에 널리 사용되는 HAZard & OPerability Study(HAZOP)[9] 기법을 사용하여 위험성평가를 시행하였다. 이를 통해 탈수공정 패키지의 잠재적 위험 요인을 파악하고, 알람 설치, 안전 계장 장비 추가 등 위험을 제거 또는 완화시키는 방안을 제시하고자 한다. 또한 본 연구는 통상적으로 회사의 기술력 보호 차원에서 공개가 되지 않는 HAZOP의 절차와 결과를 보여줌으로써, HAZOP에 익숙하지 않은 엔지니어들에게 도움을 줄 수 있다.

제안 방법

1 ppmv 이하로 제거할 수 있는 분자체가 충진된 흡착식 탈수공정 패키지를 대상으로 HAZOP을 통해 위험성평가를 수행하였다. HAZOP 수행 단계에서 우선 수행자산, 인명, 환경, 명성 별로 별도의 기준을 가지고, 위험 확률 및 피해도를 5단계로 구분하여 위험성 매트릭스를 결정하였다. 그리고 P&ID를 바탕으로 흡착과 탈착 변환 주기를 고려하여 탈수공정 패키지를 9개의 검토구간으로 나누고 22개의 이탈을 전개하였다.
그리고 P&ID를 바탕으로 흡착과 탈착 변환 주기를 고려하여 탈수공정 패키지를 9개의 검토구간으로 나누고 22개의 이탈을 전개하였다.
우선 regeneration cooler 하단 파이프에 과열을 감지하는 알람을 달아 비상시 heater를 shutdown 시키도록 하였다. 또한, regeneration cooler부터 regeneration separator까지 연결된 파이프를 double jacket pipe로 변경하고 해수를 통해 냉각될 수 있도록 설계 변경하였다. 추가된 장치는 그림 7에 파란색으로 표시하였다.
HAZOP은 이렇게 도출된 이탈을 검토구간마다 전개하면서 공정상의 위험요소를 파악하고, 해당 위험의 원인 및 그로 인한 결과의심각도를 평가한다. 또한, 해당 위험요소를 줄일 수 있도록 안전 계장 시스템(SIS; safety in-strumented systems) 설치, 설비 변경, 알람 설치 등의 안전 조치를 제안하여 설계에 반영시키도록 한다.
본 연구에서 HAZOP을 통해 탈수공정 패키지에 다양한 추가 안전 장치 설치가 제시되었다. 하지만 이러한 안전 장치 추가 이외에도 비상 알람발생시 시스템 관리자/운영자가 수동으로 적절히 제어할 수 있도록 정기적 교육 훈련이 필요하며, 또한 상시/정기 점검을 통해 장비의 고장 여부를 확인할 필요가 있는 것으로 판단된다.
HAZOP 수행을 위해서는 공정의 다양한 정보를 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 공정 시뮬레이션을 통해 온도, 압력, 유량 등의 기본 운전 조건, 장치 크기 등의 설계 조건을 도출하였다. 그리고 이를 통해 도출된 P&ID는 그림 4와 같다.
사건 발생빈도 레벨 및 심각도 레벨을 곱한 값으로 위험등급을 설정하고 이 등급을 안전 대책 필요성의 우선순위로 설정하였다.
현재 설계에는 해당 위험에 대응할 수 있는 safeguards가 없는 상태로 여러 가지 안전도 향상 방안이 도출되었다. 우선 regeneration cooler 하단 파이프에 과열을 감지하는 알람을 달아 비상시 heater를 shutdown 시키도록 하였다. 또한, regeneration cooler부터 regeneration separator까지 연결된 파이프를 double jacket pipe로 변경하고 해수를 통해 냉각될 수 있도록 설계 변경하였다.
이탈을 바탕으로 위험성평가를 시행한 결과 14개의 주요 위험 요소가 제시되었다. 위험요소의 대표적 세 가지 유형으로 제어 밸브의 개폐 고장 또는 오작동, heater의 제어 실패, regeneration gas cooler의 비정상 작동을 도출하였다. 본 연구에서는 이러한 주요 위험요소에 대해 안전도를 향상할 수 있도록 추가 안전 장치 설치를 제시하였다.
Low level인 상황에서 하단의 제어 밸브 LV 001이 고장으로 열린 경우는 gas blowby 현상으로 인하여 Inlet separator 하단에 연결된 vessel이 폭발할 수 있다. 이를 위해 비상시 separator에서 기체가 하단의 vessel로 유입되지 않도록 LV 001을 수동으로 작동시킬 수 있으나 운전자의 적절한 대처가 없는 경우를 대비하여 inlet separator의 하단부에 level 알람을 통해 차단 밸브가 자동으로 작동하는 장치를 추가하였고 그림 5에 파란색으로 표시하였다.
탈수공정 패키지는 유⋅가스를 직접 다루기 때문에 화재, 폭발 등의 큰 위험성을 가지고 있으므로 적절한 위험성평가 및 관리가 필수적이다. 이에 본 연구는 해상 부유식 LNG 생산설비에서 1차적으로 탈수 처리된 생산 가스의 수분을 0.1 ppmv 이하로 제거할 수 있는 분자체가 충진된 흡착식 탈수공정 패키지를 대상으로 HAZOP을 통해 위험성평가를 수행하였다. HAZOP 수행 단계에서 우선 수행자산, 인명, 환경, 명성 별로 별도의 기준을 가지고, 위험 확률 및 피해도를 5단계로 구분하여 위험성 매트릭스를 결정하였다.
3단계는 1, 2 단계와 4, 5단계의 중간 정도로 피해가 복구가능하나, 상당한 시간 내지 비용이 소요되는 피해로 산정하였다. 인명, 재산, 환경, 명성의 4가지 피해 중 가장 심각한 단계의 피해를 최종 사고피해 심각도로 결정하였다.
총 9개의 검토구간을 대상으로 전개된 주요 이탈은 총 22개이다. 특히, 본 연구 대상인 탈수공정 패키지는 공정의 시간 흐름에 따라 흡착과 재생이 번갈아 진행됨에 따라 같은 검토구간이라 하더라도 흡착/재생 단계에 따라 운전 목적이 달라지는 것을 고려하여 이탈을 전개하였다.
피해의 심각도를 인명, 재산, 환경, 명성의 4가지 요소로 구분하여 각각 5단계로 구분하여 심각도를 평가하였다. 심각도의 5단계에서, 1, 2단계는 피해가 일시적이거나 쉽게 복구가 가능한 단계를 나타낸다.

대상 데이터

HAZOP 수행 결과 탈수공정 패키지의 운전상 위험을 일으킬 수 있는 위험요소를 29개 파악하였고, 이로 인해 38개의 피해가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 이 중 ALARP 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험요소는 총 14개가 도출되었다. 본 연구에서 이 14개의 위험 요소를 분석한 결과, 세 가지 형태의 위험요소 및 결과 유형이 특징적으로 나타났다.
P&ID를 바탕으로 흡착과 탈착변환 주기를 고려하여 탈수공정 패키지를 9개의 검토구간으로 그림 4처럼 분할하였고 각 검토구간별 설계 의도, 주요 장비, 이탈은 표 3과 같다. 총 9개의 검토구간을 대상으로 전개된 주요 이탈은 총 22개이다. 특히, 본 연구 대상인 탈수공정 패키지는 공정의 시간 흐름에 따라 흡착과 재생이 번갈아 진행됨에 따라 같은 검토구간이라 하더라도 흡착/재생 단계에 따라 운전 목적이 달라지는 것을 고려하여 이탈을 전개하였다.

이론/모형

본 연구에서는 해양플랜트에서 천연가스 수분제거 필수적인 탈수공정 패키지에서 유⋅가스 공정의 위험성평가에 널리 사용되는 HAZard & OPerability Study(HAZOP)[9] 기법을 사용하여 위험성평가를 시행하였다.

성능/효과

HAZOP 수행 결과 탈수공정 패키지의 운전상 위험을 일으킬 수 있는 위험요소를 29개 파악하였고, 이로 인해 38개의 피해가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 이 중 ALARP 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험요소는 총 14개가 도출되었다.
이를 통해 탈수공정 패키지의 잠재적 위험 요인을 파악하고, 알람 설치, 안전 계장 장비 추가 등 위험을 제거 또는 완화시키는 방안을 제시하고자 한다. 또한 본 연구는 통상적으로 회사의 기술력 보호 차원에서 공개가 되지 않는 HAZOP의 절차와 결과를 보여줌으로써, HAZOP에 익숙하지 않은 엔지니어들에게 도움을 줄 수 있다.
이 중 ALARP 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험요소는 총 14개가 도출되었다. 본 연구에서 이 14개의 위험 요소를 분석한 결과, 세 가지 형태의 위험요소 및 결과 유형이 특징적으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서는 이러한 주요 위험요소에 대해 안전도를 향상할 수 있도록 추가 안전 장치 설치를 제시하였다. 본 연구는 위험성 기반 해양플랜트 탈수공정 패키지 설계에 도움을 줄 수 있으며 해당 장비의 국산화에 기여할 수 있다.
육상 유⋅가스 공정에서의 탈수공정 패키지는 기술적으로 이미 성숙되고 널리 사용되는 공정이지만, 해상 부유식 LNG 생산설비 등 해양플랜트에 탑재되는 탈수공정 패키지는 제한된 공간 내에 모든 처리 장치가 적절히 배치되어야 하고 유⋅가스를 직접 다루어 화재, 폭발 등의 큰 위험성을 가지고 있어서 좀 더 면밀한 위험성평가가 필요하다.

참고문헌 (14)

A.J. Kidnay, W.R. Parrish, and D.G. McCartney, "Fundamentals of natural gas processing. Second Edition", 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300: CRC Press, Taylor & Francis Group, LLC. (2011).
S.Mokhatab, W.A. Poe, and J.Y. Mak, "Chapter 7 - Natural Gas Treating, in Handbook of Natural Gas Transmission and Processing (Fourth Edition)", Gulf Professional Publishing. pp. 231-269. (2019).
N.A. Darwish and N. Hilal, "Sensitivity analysis and faults diagnosis using artificial neural networks in natural gas TEG-dehydration plants", Chemical Engineering Journal, Vol. 137, No. 2, pp. 189-197, (2008).

상세보기
A. Karimi and M.A. Abdi, "Selective dehydration of high-pressure natural gas using supersonic nozzles", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, Vol. 48, No. 1, pp. 560-568, (2009).

상세보기
W. Liu et al., "Assessment of hydrate blockage risk in long-distance natural gas transmission pipelines", Journal of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 60, pp. 256-270, (2018).

상세보기
M.G.R.S. Santos et al., "Natural gas dehydration by molecular sieve in offshore plants: Impact of increasing carbon dioxide content", Energy Conversion and Management, Vol. 149, pp. 760-773, (2017).

상세보기
H.A.A. Farag, et al., "Natural gas dehydration by desiccant materials", Alexandria Engineering Journal, Vol.50, No.4, pp. 431-439, (2011).

상세보기
T. Acheampong and R. Akumperigya, "Offshore risk regulation: A comparative analysis of regulatory framework in Ghana, the United K ingdom and N orway", Energy Policy, Vol. 113, pp. 701-710, (2018).

상세보기
J. Wu and M. Lind, "Management of System Complexity in HAZOP for the Oil & Gas Industry", IFAC-PapersOnLine, Vol. 51, No. 8, pp. 211-216, (2018).

상세보기
R.E. Melchers, "On the ALARP approach to risk management", Reliability Engineering & System Safety, Vol. 71, No. 2, pp. 201-208, (2001).

상세보기
D.N. Tchiehe and F. Gauthier, "Classification of risk acceptability and risk tolerability factors in occupational health and safety", Safety Science, Vol. 92, pp. 138-147, (2017).

상세보기
M. Rausand, "Risk Assessment: Theory, Methods, and Applications", Wiley, (2013).
M. Khalkhali, A. Ghorbani, and B. Bayati, "Study of adsorption and diffusion of methyl mercaptan and methane on FAU zeolite using molecular simulation", Polyhedron, Vol. 171, pp. 403-410, (2019).

상세보기
M. Stewart and K. Arnold, "Gas Dehydration Field Manual", Gulf Professional Publishing, Elsevier Science, (2011).

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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