Batch Annealing Furnace 가스설비에 대한

정량적 위험성 평가

김영수, 유종호*, 정석열*

(주)유나이티드 퍼시픽 피엘지, 포항종합제철(주) 광양제철소*

Quantitative Risk Assessment for the Batch Annealing Furnace Gas Facilities

Y. S. Kim, J. H. Yoo*, S. Y. Jeong*

United Pacific PLG, Pohang Iron & Steel Co., Ltd.*

1. 서론

정량적 안전성평가(QRA, Quantitative Risk Assessment) 는 분석 대상의 위험도를 종합적이고 체계적으로 평가하여 사고발생 가능성 및 사고결과로 인한 설비 손상 및 조업자에 대한 피해 가능성을 확률론적으로 표현하는 것이다. 정량적 안전성평가는 설비 자체 및 인적 요인까지도 분석 하기 때문에 상당한 노력이 요구되지만, 안전성평가 수행과정은 물론 결과로부터 얻는 공학적, 실질적 혜택이 투자된 시간, 비용과 비교하여 결코 작지 않음이 인식되어 왔다. 이러한 인식을 바탕으로 국내에서도 1990년대 이후로 원자력, 화학 및 가스 플랜트에 대한 정량적 안전성평가 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 산업규모가 대단히 큼에도 불구하고 제철산업에 대한 정량적 안전성평가 노력은 다소 초기단계인 실정이다.

본 분석에서는 제철소 설비중 하나인 Batch Annealing Furnace(BAF)를 대상으로 정량적 안전성평가 방법론을 수립하고 이를 적용하여 가연성가스(H2, Coke Oven Gas(COG)) 누출 시나리오와 누출빈도를 분석하였으며, 가연성가스 누출 사고시 화재 또는 폭발의 피해 영향을 분석하였다. 이들 분석 결과를 바탕으로 BAF설비의 안전특성과 안전성 향상방안을 고찰하였다.

2. 공정 개요

본 공정은 냉연강판을 제조하는 공정으로 열처리 목적의 소둔로 등의 설비가 있다. COG가 연료로 사용되며, 소둔로는 HN(H2+N2) 가스와 H2 가스를 분위기 가스로 사용하고 있다. 수소는 자체 공장에서 제조된 수소가 11 Kg/cm2로 수소 탱크에 저장되었다가 4 - 5 Kg/cm2으로 1차 감압 된 후 소둔로 전단까지 공급된다. 수소는 다시 정압기(Regulator)에서 150 - 200mmH2O로 2차 감압된 후 소둔로에 공급된다.

소둔로 Inner Cover 내로 공급되는 순수한 수소가스는 환원성이 강하기 때문에 양질의 냉연강판을 제조하게 된다. 한편 HN 가스는 순수한 수소의 경우보다는 환원성은 떨어지나, 위험성 측면에서는 유리한 측면이 있다. HN 가스내의 수소농도는 안전을 고려하여 4 - 8%로 유지하여 공급된다. 연료가스로 사용되는 COG 가스는 1200℃ 정도로 유지하면서 소둔로의 Inner Cover 내부 온도를 700℃ 정도로 유지시켜 주는 역할도 갖고 있다.

3. 분석 방법

사고 시나리오를 정성적으로 분석하기 위하여 제철소 담당자들과 Hazard and Operability 분석을 수행하였으며, 사고 발생빈도분석을 위하여 고장수목분석(FTA: Fault Tree Analysis) 기법을 이용하였다. 고장수목분석은 분석대상계통이 기능상실(이용불능: Unavailable)되는 상태를 기술하고, 계통의 운전 및 운전 주변조건을 고려해서 이용불능 상태를 발생시킬 수 있는 모든 가능한 요인을 밝혀내는 분석기법을 말한다. 여기서 고장이란 기계적고장, 인적오류(Human Error), 공통원인고장(CCF: Common Cause Failure)등 원치 않는 상태를 발생시키는 사건을 말한다. 따라서 고장수목은 분석대상 계통이 원치 않는 상태(고장수목의 정점 사건)로 변화하는 기본사건의 논리적 상호관계를 기술하게 된다.

사고영향분석으로, BAF설비에서 가연성 가스(H2 또는 COG)가 누출되는  즉시 점화가 될 경우를 가정하여 제트화재(Jet Fire)분석을 수행하였다. 또한 가스 누출이 즉시 점화로 발전되지 않고 대기중으로 확산되면서 증기운을 형성하여 가연성 농도범위에 도달하고 인화물질이 존재한 것을 가정한  증기운 폭발(VCE: Vapor Cloud Explosion)분석을 수행하였다.

4. 분석 결과

사고 발생빈도 분석

정성적 분석 단계에서 도출된 사고추이를 기본으로 하여 BAF설비에서 H2 및 COG 가스의 누출 발생빈도를 구하기 위해 고장수목 분석을 수행하였다 (그림 1 참조). 고장수목 분석은 한국원자력연구원이 개발한 KAERI Integrated Reliability Analysis Code Package(KIRAP)을 사용하여 수행하였다. KIRAP은 정량적 안전성평가에 필요한 사건수목 구성, 고장수목 구성, 최소단절군(MSC : Minimal Cut Set) 생성 및 정량화, 중요도 계산, 불확실성분석 등을 수행하는 전산코드 체계로서 1986년에 개발된 것이다. 고장수목 분석 후 각 사고유형별로 발생빈도를 계산하였으며 사고발생에 기여하는 원인별로 민감도분석 및 중요도분석을 수행하고 불확실성분석을 수행하였다. 이에 따라 사고 발생빈도에 영향을 미치는 주요 원인들을 파악하였고 사고발생을 줄이기 위하여 고려해야 할 부분을 결정하였다. 중요도 분석에 유용한 Fussell-Vesley Importance, Risk Achievement Worth, Risk Reduction Worth등 Index가 제시되었다.

정량화의 결과는 논리의 타당성, 계산결과의 정확성, BAF 설비 실제 운전경험을 고려한 현실성 등의 관점에서 검토되었으며, 필요 시 기본데이터를 고치거나 고장수목 논리를 수정하는 작업이 반복적으로 작업이 수행되었다. 또한 BAF 설비 정량분석 결과로 나타난 정량적 수치는 입력데이터의 불확실성, 분산모델의 불완전성 등의 여러 가지 이유로 불확실성을 내포하게 되는데 이러한 입력데이터의 불확실성을 고려하여 몬테칼로 방법을 도입하였다. 그리고 정성/정량분석 결과를 토대로 각 기본사건이나 계통이 BAF 설비의 안전성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 중요도/ 민감도분석을 수행하였다.

정성적 위험성 평가과정에서 도출된 사고시나리오를 바탕으로 가연성가스 누출 빈도 분석 결과 BAF설비로부터의 누출빈도는 3.926×10-1/yr로 약 2.5년의 재현주기로 계산되었다. 가연성 가스 누출의 원인으로는 메인버너 착화전 운전원의 파일롯 버너 착화확인 불량, 각 베이스별 폐가스 댐퍼 잘못 닫힘, 각 베이스별 폐가스 모터구동밸브 잘못 닫힘, 크레인 운전자의 실수로 다른 가열로를 잘못 장탈함 등이 중요한 사건으로 나타났다. 주요 설비 및 중요 운전원 오류에 대한 개선효과를 계산하기 위해 민감도분석을 수행한 결과 폐가스 댐퍼 및 모터구동밸브에 대한 설비 개선이 시행되거나 또는 코일 적입 과정 중 작업자의 실수를 감소시킬 수 있다면, 전체 가스 누출빈도를 각각 35%와 23% 정도 감소시킨다고 계산되었다.

사고영향 분석

정성적 위험성 평가(HAZOP) 및 빈도분석 결과를 근거로 분석된 BAF설비에서의 주요 가연성 가스 누출 시나리오를 정리하면 다음과 같다.

시나리오 1. 코일 낙반사고 시 지하 H2 및 COG 배관망 파손

시나리오 2. 가열로 장탈, 가열로 내 폭발로 H2 및 COG연결호스 파손

시나리오 3. H2, COG배관의 부식, 충격, 관리 실수로 파열, 홀(Hole) 발생

시나리오 4. H2 BAF의 Inner Cover 씰(Seal), 클램핑 불량으로 H2 누출

BAF 설비로부터 가연성가스가 누출되어 증기운 폭발로 발전될 수 있는 경우는 시나리오 1, 3, 그리고 4이다. 시나리오 1에 대해서는 1분 동안의  총 누출량을 계산하여 폭발 시 과압 및 피해범위를 계산하였으며 시나리오 3과 4에 대해서는 누출량에 따른 과압 및 피해범위를 계산하였다.

가연성가스 누출시 폭발에 의한 피해영향 분석 결과, 코일낙반으로 인한 지하 배관망 파손으로 H2및 COG가 누출되어 증기운 폭발이 발생할 경우 피해범위가 가장 큰 것으로 나타났다. 이 때 최대 누출량은 수소배관에서 0.0277kg/s, COG배관에서 0.1102kg/s로 나타났으며, 1분간 누출되어 폭발할 경우 1psig (6,895Pa) 규모의 과압 거리는 폭발지점으로부터 약 80m로 나타났다. 그리고 폭발지점으로부터 10m 내에 존재하는 사람은 고막파열 및 사망할 가능성이 90%이상이며, 구조물 및 유리창의 파손가능성도 거의 100%에 달한다. 각 피해 종류별 손상확률이 50%가 되는 거리는 폐출혈로 인한 사망이 12m, 고막 파열이 22m, 구조물 파손이 36m로 나타났다.

수소의 누출량에 따른 피해범위 분석결과 수소 0.5Kg 누출 시 각 피해 종류별 손상확률이 50%가 되는 거리는 폐출혈로 인한 사망이 5m, 고막파열이 9m, 구조물 파손이 14m, 그리고 유리창 파손이 48m로 나타났다. 따라서 수소는 미량이 누출되더라도 일단 폭발이 발생하면 그 피해범위가 넓으므로 누출방지 및 검지에 각별한 주의를 기울여야 한다. 가연성가스 누출시 화재에 의한 피해영향 분석 결과, 가열로 장탈 실수 또는 가열로 내 폭발로 인한 H2 및 COG연결호스 파손으로 H2 또는 COG가 누출되었을 때 피해범위가 가장 큰 것으로 나타났다. 분석결과 화재 발생 시 화염길이는 수소누출 시 6m, COG 누출 시 8m로 계산되었다.

5. 결론

수립된 방법론을 적용하여 제철설비인 BAF설비에 대한 정량적 안전성평가를 수행하였다. HAZOP 및 빈도분석 결과를 바탕으로 관리개선 사항과 설비개선 사항이 BAF설비 안전특성 및 안전성 향상방안으로 도출되어 중요도 순서로 정리하였다. 이 중 관리개선 사항으로는 도면 및 운전 절차서의 개정, 설비의 변경 부분 재검토, 그리고 기기이력관리의 효율화 등이 있으며, 설비개선사항으로는 설비 자동화 및 감지설비 강화, 점검 및 보수작업 강화, 그리고 기타 설비 강화 등의 BAF설비 운영의 모든 분야를 포함하고 있다. 이들은 중장기적으로 계획을 수립하여 검토할 필요가 있으며, 수립된 정량적 안전성평가 모델을 지속적으로 활용함이 바람직하다.

6. 참고자료

(1) 김연종, 안상현, 조현춘: 화학공업과 기술, 14(4) 351 (1996) □가스시설의     위험성평가 기법 및 적절한 기법의 선택을 위한 고려 사항□

(2) □포항종합제철(주) 광양제철소 제1냉연공장 Batch Annealing Furnace

(BAF) 가스설비 위험성평가 및 방폭안전진단 보고서□, (주)유나이티드     퍼시픽피엘지, 2000.11

그림 1 BAF 설비 고장 수목 분석 사례