FTA 결과를 이용한 CA 사례연구

암모니아 냉동공정을 중심으로

조지훈, 주종대, 김종길*, 김호연**

한국산업안전공단, * 액트원 엔지니어링, ** 금호석유화학(주)

A Case Study on the CA Application of FTP Results.

J.H.Cho, J.D.Ju, J.G.Kim*, H.Y.Kim**

Korea Industrial Safety Corp., ACTone Eng.*, Kum Ho Petrochemical Co.,**

서 론

화학공장은 고도의 기술집약적 장치산업으로서 다량의 위험물질을 취급하므로 이로 인한 폭발·화재 및 누출사고와 같은 중대 산업사고의 잠재 위험성이 매우 높다. 이와 같은 재해의 특성으로 인하여 인도 보팔시에서의 MIC 누출사고 이후에 I.L.O와 같은 국제기구는 물론 선진외국에서는 이미 중대산업사고예방을 위한 제도를 시행하고 있으며 우리나라에서도 1996년부터 산업안전보건법에 중대산업사고 관련규정을 두어 PSM 제도를 도입, 시행하고 있다.

PSM의 구성요소중 핵심요소이면서도 산업체에서 시행에 어려움을 겪고 있는 사항이 공정위험성 평가라 볼 수 있다.  현재는 정성적 평가 기법인 HAZOP(위험과 운전분석)을 주로 이용하여 위험성 평가를 실시하고 있는 상황이나, 여러 가지 문제점으로 인하여 아직 정량적인 위험성 평가를 보편적으로 시행하고 있지는 못하고 있으며, 이에 따라 대부분의 산업체에서 위험성 평가 결과를 실제적으로 활용하는데 어려움을 겪고 있는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 정량적 위험성 평가의 산업체 현장 적용 연구의 일환으로서 FTA(결함수 분석)를 실시한 결과를 이용하여 CA(사고결과 분석)를 시행할 수 있는 방법을 실제 암모니아 냉동공정에 대하여 적용한 사례를 중심으로 소개하고자 한다.

공정위험성 평가절차

화학공정에 대한 위험성 평가절차는 공정의 특징이나 사용물질에 따라 다소 차이가 있을 수 있으나 전체적인 흐름은 대개 그림 1과 같이 나타낼 수 있다.

현재 대부분의 사업체에서 이용하고 있는 HAZOP 기법은 그림 1에서와 같이 정성평가의 단계로서 위험요소의 확인을 위한 평가 기법으로서 사고 또는 재해 발생빈도와 그 결과를 예측하는 정량평가가 생략된 위험성 평가라고 할 수 있다.  즉, HAZOP 검토후의 결과인 공정개선을 위한 각종 제언은 운전 또는 설계상의 경험에 의존한 결과로서 각각의 공정개선을 위한 제언에 대한 개선과 위험 우선순위를 결정하기에는 부족하다고 볼 수 있다.

따라서 공정위험성평가의 실효성을 기하고 나아가 합리적이고 효율적인 공정개선을 위해서는 사고빈도와 결과를 예측하는 정량평가를 함께 수행하는 것이 바람직하다고 할 수 있다.

【그림 1】 공정 위험성 평가 절차도

FTA 결과의 CA 적용

일반적으로 재해발생계통은 다음 그림 2와 같이 간략하게 표시할 수 있다.

구 분		정상운전			초기사건			공정이탈			재해발생				영 향
예	· Pump Fails · No Flow · Fire · S/Down · 위험요소 · Pipe Breaks · High Press · Explosion · Accident
평가기법 전 개						HAZOP
												FTA
												CA

【그림 2】 재해발생 계통도

즉, HAZOP 검토는 공정이탈을 가정하고 이탈에 대한 원인과 결과를 추적해 나가는 위험성 평가방법이고 FTA는 분석대상 공정 또는 설비에서 발생가능한 최악의 사고에 대한 원인을 연역적으로 추리, 분석하는 방법이며, CA는 공정에서 발생할 수 있는 특정사고에 대한 손실이나 상해를 일으킬 수 있는 잠재력을 분석하는 방법이다.

본 연구에서는 CA의 초기 사고시나리오를 도출하기 위하여 FTA의 분석 결과를 이용하였다.  즉, FTA에서 최소 컷세트를 분석한 결과를 바탕으로 확률과 사건수를 기준으로 한 우선 순위에 따라 위험이 큰 누출사고를 초기 사고 시나리오로 결정할 수 있었다.

따라서 선정된 기본 사고시나리오를 바탕으로 각각의 누출설비, 운전압력, 운전온도에 따라 대기압, 대기온도, 바람속도, 기상 등을 운전조건과 울산 기상대 3년간의 자료를 기준으로 하여 오염농도별 최대 피해거리와 대지에서의 등농도 곡선을 산출하고자 하였다. 이때, 기준조건은 통상 여름의 기후조건이 가장 위험하므로 여름의 기후조건으로 결정하였다.  이때 가우시안 모델과 누출원 모델의 기본 제한사항으로 주위의 여건을 평지로 보아 장애물이 없다고 가정하였고, 바람속도는 기상대의 평균값을 사용하여 암모니아 증기가 누출되는 높이를 일정하다고 가정하였다.

그리고 누출설비, 누출상, 누출공의 크기 등을 고려하여 누출량을 계산하고, 이 결과를 바탕으로 공정조건과 기상조건을 입력하고 가우시안 모델을 적용하여 암모니아의 증기운 확산농도를 산출하고자 하였다.

이와 같이 위험성평가의 분석대상공정에 대한 FTA 검토가 완료된 경우라면 FTA의 결과를 기본자료로 활용함으로서 보다 손쉽게 CA를 수행할 수 있는 가능성을 확인하였다.

적용사례

본 연구는 액트원 엔지니어링(ACTone ENGINEERING Co.) 연구실에서 개발한 CA 분석용 소프트웨어인 CaLab(ver 1.0)을 사용하였다.

FTA 결과를 이용한 CA사례로서 암모니아 냉동공정에 대하여 적용하였다. 본 공정은 반응, 회수공정과 같이 특별한 화학공정이 아닌 폐쇄계(Closed System)로서 각 공정별 상호영향이 적고, 이상반응 등의 발생우려가 없으므로 FTA 결과를 적용한 CA 평가가 보다 용이하였다.

기상조건은 주변기상대의 3년간의 기상자료를 이용하였다. 기본 자료값은 8월을 기준으로 하여 설정하였으며, 평균값은 3년간의 자료를 평균한 값을, 그리고 최고 및 최소값은 각각 3년동안에 가장 높거나 낮은 값을 채택하여 사용하였다.

이에 대한 기상자료는 다음의 표 1과 같다.

【표 1】 기상조건

		1994	1995	1996
대기압	기본(8월)	100720	100690	100610
Pa	년최고	104080	103560	103520
	년최저	98780	99450	99410
대기온도	기본(8월)	28.1	28.1	26.1
℃	년최고	38.2	37.2	37.4
	년최저	-9.4	-8	-10.8
바람속도	기본(8월)	2.1	2	1.8
m/sec	월평균최고	2.3	2.6	2.6
	월평균최소	1.6	1.7	1.6
구름	기본(8월)	36	47	55
%	월평균최고	64	72	72
	월평균최소	33	18	20

CA 평가를 위하여 공정조건과 기상조건을 고려하여 다음의 표 2와 같이 입력자료의 변화 범위를 결정하였다.

【표 2】 입력자료의 변화 범위

No.	누출설비 (-)	오염농도 (ppm)	운전압력 (Pa)	운전온도 (K)	대기압 (Pa)	대기온도 (K)	풍속 (m/s)	구름 (%)
	A	B	C	D	E	F	G	H
1	Ammonia Suction Drum	25	307207	276	100673	300.43	1.97	46
2	Oil Separator	35	1554266	353	104080	311.2	2.6	72
3	Ammonia Receiver	150	1473874	313	98780	263.8	1.6	18
4	-	700	-	-	-	-	-	-

결   론

반응·회수공정이 아닌 폐쇄계를 이루는 화학공정의 경우 FTA 분석이 완료된 후에는, FTA의 결과로 생성된 사고빈도와 사고 시나리오를 기준으로 발생 가능한 예상사고를 이용함으로써 더욱 체계적이고 실질적인 시나리오를 선정하여 사고결과 분석을 실시하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

즉, FTA에서 최소 컷세트를 분석한 결과를 바탕으로 기본 사건들을 확률과 사건수를 기준으로 우선 순위를 결정하여 위험이 큰 누출사고를 초기 사고 시나리오로 결정할 수 있었으며 KISCO CODE를 기반으로 FTA와 CA의 결과를 종합적으로 검토하여 암모니아 냉동공정의 안전향상에 기여할 수 있었으며 더욱 과학적이고 논리적인 비상조치계획 수립에 반영할 수 있었다.  또한 종합적 화학공정 위험성 평가의 가능성을 확인하였으며 향후 타공정에 대한 위험성 평가 체계 확립에 이용될 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌

1. CCPS, "Guidelines for Chemical Process Quantitative Risk Analysis", AICEhE, N.Y., (1989)

2. 주종대외, □화학공정위험성평가 Ⅱ(정량평가)□, 한국산업안전공단 (1996)

3. KISCO CODE P-30-96, 확산모델에 관한 기술기준, 한국산업안전공단(1996)

4. KISCO CODE P-31-96, 사고피해 예측 기법, 한국산업안전공단(1996)