석유화학공장에서의 공정 유해위험성 분석을 통한

공정안전 및 유해위험성 관리에 관한 연구

강호철, 박종규, 송덕만

울산대학교 화학공학과

A Study on Process Safety and Risk Management (PSRM)

via Process Hazard Analysis (PHA) in Petrochemical Plants

H.C. Kang, J.K. Park, D.M. Song

Dept. of Chem. Eng., University of Ulsan

1. 서론

미 환경보호국 (USEPA)은 1996년 5월 24일『최종 유해위험성 관리 프로그램 (the Final Risk Management Program, RMP)』 Rule 40 CFR 68을 제정하여 1996년 6월 20일에 최종 공표하였다. 이 Rule은 USEPA의 대기청정법 (the Clean Air Act Amendments of 1990, CAAA)의 Section 112(r) 하에서 규제 화학물질의 사고누출 방지 법규조항을 만족시키고 있으며, 또한 『미 산업안전보건국 (the Occupational Safety and Health Administration, OSHA)』의 『공정안전 관리 (Process Safety Managemet, PSM)』Rule에까지 확장하였다.

『공정안전 및 유해위험성 관리 (Process Safety and Risk Management, PSRM)』는 개인, 장치설비 및 주위 인근의 지역사회에 미치는 공정관련 사고를 방지하기 위한 것으로 공정관련 산업재해 및 사고를 제거하려는데 목적이 있다.  PSRM의 14개 구성요소중 『공정 유해위험성 분석 (Process Hazard Analysis, PHA)』는 크게 2분야로 이루어진다 :

● 공정 유해위험성 검토 (Process Hazard Review, PHR)

● 결과영향 분석 (Consequence Analysis, CA; Hazard Assessment, HA)

본 연구는 실제 석유화학공장에서 1단계로 HAZOP Study에 의한 『공정 유해위험성 검토』를 수행하고, 다음 2단계로 『공정 유해위험성 검토』로부터 검토된 고압에틸렌 저장탱크의 화재 및 폭발 모델링에 의한 『결과영향 분석』을 수행하는 Integrated Approach를 통하여 보다 체계적이고 정성□정량적인 『공정안전 및 유해위험성 관리』방안을 수립하기 위한 것이다.

2. 공정 유해위험성 검토 (Process Hazard Review, PHR)

석유화학공장에서의 가장 주요한 유해위험성은 크게 화재, 폭발 및 독성가스의 누출로 대별될 수 있다.  본 연구는 실제 석유화학공장에서 HAZOP Study에 의한『공정 유해위험성 검토(PHR)』를 수행하였으며,『공정 유해위험성 검토(PHR)』의 결과, 공정 유해위험성은 고압 에틸렌 및 프로필렌 저장탱크 및 파이프라인에서의 화재 및 폭발의 잠재 유해위험성이 다소 있는 반면, 유해독성가스인 염소가스의 누출에 의한 잠재 유해위험성은 극히 미약한 것으로 검토되었다.  결국, 고압 에틸렌 및 프로필렌 저장탱크의 화재 및 폭발의 잠재 유해위험성에 주안점을 두고 『결과영향 분석』을 수행하게 되었다.  『공정 유해위험성 검토(PHR)』의 결과의 예는 Table 1에 나타내었다.

Table 1. HAZOP Study Record Sheet (KPIC PLANT)

SECT.	TANK YARD		P & ID No	T-5C		STUDY DATE	□97. 7. 9.
UNIT	고압 에틸렌 저장 탱크		설계의도	① 900 ton ② 17.1 KSCG, -34 ℃ ③ 고압에틸렌 저장 및 사용처로 이송		SHEET No	37
NODE NAME	T-FB 104A∼C TANK					NODE No	# 023
이 탈	원 인		결 과		위험등급	시나 리오	안전조치 개선사항
EMPTY LEVEL	1. 가능성 없음				5	23-1
HIGH LEVEL	1. 재고파악 MISS로 PRODUCT 과다 유입		□ 탱크 압력 상승 및 VAPOR 이송량 증가		5	23-2
	2. LP→HP MAKE-UP 과다		□ 23-2와 동일		5	23-3
	3. 이송 PUMP TRIP		□ 울산공장 S/DOWN		5	23-4
	4. USER 사용 CUT시		□ 23-2와 동일		5	23-5
LOW LEVEL	1. PRODUCT 유입량 감소		□ LEVEL 저하로 PUMP CAVITATION 발생가능 □ TANK 압력 하락		5	23-6
	2. LP→HP MAKE-UP 불가		□ 23-6과 동일		5	23-7
	3. 이송량 과다		□ 23-6과 동일 □ TANK 압력 하락		5	23-8
	4. LD V/V OPEN		□ 에틸렌 LOSS되나 위험사항 없음		5	23-9
HIGH PRESS	1. PRODUCT 과다 유입		□ TANK LEVEL 상승		5	23-10
	2. LP→HP MAKE-UP 과다		□ 23-10과 동일		5	23-11
	3. 이솔량 감소		□ 23-10과 동일		5	23-12
	4. N-DA 402 압력 상승 (EQUALIZING LINE)		□ T-FB 104A∼C 압력 상승되나 DESIGN 동일하므로 위험사항 없음		5	23-13
	5. 외부 화재		□ 탱크파열 가능		5	23-14
	6. Tank 고립 (VAPOR LINE)		□ 압력상승에 의한 탱크파열 가능		5	23-15
	7. LP→HP MAKE-UP 에틸렌 온도 상승		□ VAPOR 발생량 증가로 N-DA 402로 VAPOR RETURN량 증가		5	23-16
LOW PRESS	1. N-DA 402 압력 하강		□ N-DA 402로 VAPOR RETURN량 증가되나 위험사항 없음		5	23-17
	2. 이송량 과다		□ TANK LEVEL 하락		5	23-18
	3. PSV BYPASS OPEN		□ 에틸렌 LOSS 발생되나 가능성 없음		5	23-19
	4. FITTING부 LEAK		□ 가스누출에 의한 화재 발생 가능		5	23-20
HIGH TEMP	1. LP→HP MAKE-UP 에틸렌 온도 상승		□ 탱크압력 상승		5	23-21
	2. HP 에틸렌 PRODUCT 온도 상승		□ 23-21과 동일		5	23-22
LOW TEMP	1. LP→HP MAKE-UP 에틸렌 온도 하강		□ 저온에 의한 탱크재질 변형의 위험있으나 가능성 없음		5	23-23
	2. HP 에틸렌 PRODUCT 온도 하강		□ 가능성 없음		5	23-24

3. 결과영향 분석 (Consequence Analysis, CA)

『결과영향 분석(CA)』는 PSRM의 필수사항으로서, USEPA의 RMP Rule에서 규제되는 누출발생원들은 가능한 최악의 사고 누출시나리오를 해석하도록 법으로 규제하고 있다. 『결과영향 분석(CA)』는 『공정 유해위험성 분석(PHA)』의 중요한 기본 요소이며, 공학적 또는 관리적 제어의 실패로 야기되는 최악의 경우에 대한 잠재 누출량(누출속도)의 범위를 산출하여 가연성 가스의 화재시 점화에 대한 열효과, 폭발물질에 대한 과압을 평가함으로써 가연성 가스의 누출, 화재 및 폭발 사고로부터 산업장 주위 인근의 잠재 유해위험 영향을 평가하는 것이다.

(1) 모델의 선정 (Selection of the Model)

본 연구에서는 『공정 유해위험성 분석(PHA)』의 일환으로, 『공정 유해위험성 검토(PHR)』의 결과로부터 선정된 고압 에틸렌 및 프로필렌 저장탱크의 화재 및 폭발 사고에 주안점을 두고 『결과영향 분석(CA)』를 수행하기 위하여 Arthur D Little, Inc.의 SuperchemsTM(V.2) 모델을 사용하였다.  화재 및 폭발 모델링을 위한 SuperchemsTM(V.2) 모델의 적용개요는 다음의 Fig. 1에 나타내었다.

Fig 1.  Event tree for fire and explosion modeling of flammable gas

(2) 화재 및 폭발 모델링 (Fire and Explosion Modeling)

가연성 가스인 에틸렌 및 프로필렌 가스의 여러가지 가능한 화재 및 폭발 시나리오로부터 Thermal Damage Criteria 및 Overpressure Damage Criteria에 근거하여 화재 및 폭발 영향을 평가하는 방법론을 개발하여 각 시나리오별로 비교□검토하였다.

4. 결과 및 고찰

실제 본 석유화학공장에서 HAZOP Study에 의해『공정 유해위험성 검토(PHR)』를 수행한 결과, 공정 유해위험성은 고압 에틸렌 및 프로필렌 저장탱크 및 파이프라인에서의 화재 및 폭발 잠재 유해 위험성이 다소 있는 반면, 유해독성가스인 염소가스의 누출 잠재 유해위험성은 극히 미약한 것으로 검토되었다.

가연성가스의 가상적인 Fire Ball 및 Vapor Cloud Fire에 대한 화재모델링의 결과의 예는 Fig. 2 및 Fig. 3에 나타내었다.

Fig 2. Fireball duration vs. mass and isopleth for fire ball modeling results

Fig 3. Crosswind profile for vapor cloud fires modeling results

5. 결론

실제 석유화학공장에서 HAZOP Study에 의한 『공정 유해위험성 검토(PHR)』와 화재 및 폭발 모델링에 의한『결과영향 분석(CA)』를 조합하는 본 연구의Integrated Approach는 유해위험성 감축을 위한 보다 체계적이고 정성□정량적으로 『공정안전 및 유해위험성 관리』방안을 수립하는데 기여할 수 있을 것이다.  또한, 여러가지의 다양한 화재 및 폭발 시나리오에 대한 모델링 예측 결과들을 비교□검토함으로써 보다 완벽한 『공정안전 및 유해위험성 관리』방안을 수립할 수 있을 것으로 사료된다.  아울러 석유화학공단의 화학장치설비들에서 공정 유해위험성이 높은 가연성가스의 화재 및 폭발에 대한  취약지대 (또는 완충지대)를 설정하여 지역사회의 비상대응체제 계획을 수립하는데 있어서 예비 가이드라인의 제공 등 충분히 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

REFERNCES

1. "SuperchemsTM, Professional Edition Version 2.0 - User Guide", Arthur D. Little,

Inc., August (1996).

2. G.A. Melhem, "Advanced Consequence Analysis : Emission, Dispersion, Fire,

and Explosion Dynamics", Arthur D. Little, Inc. August (1995).