회분식공정(Batch Process)에 대한 위험과 운전분석(HAZOP)기법

권혁면, 강순중

한국산업안전공단 화학공장위험관리실

How to apply HAZOP study to Batch Operating Process

Soon-Jung Kang, Hyuck-Myun Kwon

CCPS, Korea Industrial Safety Corp.

1. 서론

산업재해의 예방과 작업환경을 개선하고자 하는 노력에도 불구하고 전 세계의 산업체에서는 매년 약 5천만건의 사고가 발생, 하루만에도 약 16만건의 사고가 발생하고 있다. 더욱이 국제노동기구(ILO)의 보고서는 근래에 들어서는 사고의 빈도는 점차 줄어들고 있으나 치명적인 중대산업사고는 매년 2배씩 증가하고 있는 것으로 보고되고 있다. 우리나라에서도 대형사고가 빈발하고 산업체에서의 산업재해로 인한 사망자수가 줄어들지 않고 있는 실정이다. (1995년도 재해자 총 7만8천명 중 2천6백명 사망) 우리나라에서는 과학적이고 선진화된 기법으로 사전에 중대산업사고를 예방하고 불가피하게 발생하였을 경우  이에 신속히 대처하여 피해가 최소화 되도록 하고자 금년에 공정안전관리 제도인 이른바 PSM 제도를 도입하여 시행하고 있다. 공정안전보고서의 내용중 공정위험성 평가서에는 HAZOP 등 여러 위험성평가 기법중 설비상 잠재되어 있는 위험을 가장 효과적으로 발견 제거할 수 있는 기법을 한가지 이상 선정해 위험성 평가를 실시 한 후 발견된 잠재위험에 대한 사고예방 조치 및 피해 최소화 대책을 포함토록 하고 있다.

화학공장의 위험성평가 기법으로 보편화 되어있는 기법중의 하나가 HAZOP 기법이라 할 수 있는데 이 HAZOP 기법을 적용하는데 있어서 회분식 공정(Batch Process)은 일반 연속식 공정(Continuous Process)과 차이점이 있음을 그동안의 사업장 지도 과정에서 발견하였고 그 주요내용들을 정리하여 본 논문에서 소개키로 하였다.

2. 본론

2.1 회분식 공정의 HAZOP 특징

HAZOP 기법을 회분식 공정에 적용함에 있어 연속식 공정과 차이가 있다. 회분식 공정에서의 각 기기(EQUIPMENT) 운전상태는 시간에 따라 변화하는 반면에 연속식 공정은 지속적인 운전상태를 취하게 된다. 또한 회분식 공정은 다단계 운전 MODE를 가지며 동일 설비에서 여러종류의 제품을 생산한다. 회분식 운전에서는 운전자들 간의 상호협조 업무가 더욱 많아짐에 따라 HUMAN ERROR에 따른 위험분석이 강조되곤 한다. 이런 이유로 회분식 공정에 적합한 HAZOP 수행절차가 필요케 되었다.

2.2. 용어의 정의

1) 위험(HAZARD)

위험이라 함은 직·간접적으로 인적, 물적, 환경적 피해를 입히는 원인이 될 수 있는 실제 또는 잠재된 상태를 말한다.

2) 운전성(OPERABILTY)

운전성이라 함은 운전자가 공장을 안전하게 운전할 수 있는 상태를 말한다.

3) 기타 HAZOP에서 사용되는 용어의 정의는 다음과 같다.

의도(Intention);설계자가 바라고 있는 운전조건

변수(Parameter);유량, 압력, 온도, 물리량이나 공정의 흐름 조건을 나타내는 변수

가이드워드(Guide Wores);변수의 질이나 양을 표현하는 간단한 용어

이탈(Deviation);가이드워드와 변수가 조합되어, 유체흐름의 정지, 또는 과잉상태와 같이 설계 의도로부터 벗어난 상태

원인(Causes);이탈이 일어나는 이유

결과(Consequence);이탈이 일어나므로써 야기되는 상태

검토구간(Node);HAZOP 검토를 하고자 하는 설비구간

4) 특정변수

회분식 공정에 사용되는 변수는 연속식에서 사용되는 유량, 액위, 온도, 압력 등 외에 STEP 별로 운전되는 특성에 따라 시간(TIME)과 씨퀸스(SEQUENCE)를 추가하여 가이드워드와 조합한 아래와 같은 이탈을 찾아야 한다. (예:시간생략/조작생략, 시간지연/조작지연, 시간단축/조기조작,  시간오차/오조작 등)

2.3. 평가절차

1) 회분식 HAZOP의 준비

① P&ID에서 연속식 공정 부분과 회분식 공정 부분을 구분한 뒤 연속식 공정 부분은 기 알려진 HZAOP 수행방법에 따라 진행한다.

② 회분식 공정에 대해서는 STEP과 기기의 운전상태를 조합한 표를 만든다. (표1.EQUIPMENT STATUS MATRIX 참조) 이 표는 모든 TEAM원들이 회분식 공정의 운전절차 및 공정 STEP별 기기의 운전상태를 이해하는데 필수적으로 필요하다.

③ HAZOP을 실질적으로 수행시에는 STEP/SYSTEM MATRIX를 사  용하며 이것은 각각의 STEP에 연관되는 기기들을 GROUP으로 묶거나 또는 연관 SYSTEM을 NODE화 한 것이다. (표2. STEP/SYSTEM MATRIX참조)예를들어 FEED LINE에 VALVE가 5개, PUMP가 1개 설치되어 있으면 EQUIPMENT STATUS MATRIX에서는 V1∼V5, P1으로 표시되나 STEP/SYSTEM MATRIX에서는 FEED LINE A로 표시되어 MATRIX를 단순화 할 수 있다. 또한 가열,냉각등 관련 SYSTEM을 NODE화하여 JACKET COOL 또는 JACKET HEAT등으로 표시한다.

④ 회분식 공정에서는 하나의 제조설비에서 운전절차와 씨퀸스를 변경시켜 수많은 종류의 제품을 생산한다. HAZOP 시간을 줄이기 위하여 동일 성격의 제품은 GROUP화하여 각각의 제품대신 각 GROUP별로 HAZOP을 수행함으로써 HAZOP을 단순화 할 수 있다.

2) 회분식 HAZOP의 진행

① 각 STEP별로 EQUIPMENT STATUS MATRIX를 만든다.

② 관련 EQUIPMENT 숫자가 복잡할 경우 STEP/STSTEM MATRIX화하여 MATRIX CHART를 단순화 한다.

③ STEP별로 STEP/SYSTEM MATRIX 상의 각 SYSTEM이 검토해야할 각각의 NODE가 되며 이 NODE별로 변수와 가이드워드를 조합한 이탈을 찾아야 한다. 만일 6개의 운전 STEP과 10개의 SYSTEM NODE로 구성된  MATRIX에서는 60개의 검토 NODE가 생기며 각 NODE별로 DEVIATION CHART가 만들어져야 한다. 또한 이 DEVIATION CHART 안의 DEVIATION 숫자만큼 원인, 결과, 현재 안전조치, 개선조치 사항 등이 분석되어져야 한다. 연속식 공정에 서 한 개의 특정 NODE에 대해 한번의 HAZOP만 수행하면 되지만 회분식에서는 한 개의 특정 NODE가 공정 STEP별로 틀린 운전성격을 나타내므로 운전 STEP이 6단계로 이루어지면 특정 NODE에 대하여 6번 HAZOP이 수행되어 진다.

④ 회분식 공정같이 STEP으로 이루어지는 공정은 안전운전에 시간과 씨퀸스가 결정적인 영향을 준다. 따라서 이 두가지 변수 즉 TIME과 SEQUENCE를 검토 변수에 포함하여야 한다. 각 운전 STEP이 기 정해진 TIME과 SEQUENCE에 따르지 않음으로서 생길 수 있는 이탈(DEVATION)은 앞장의 특정변수를 참조하여 찾을 수 있다.

⑤ NODE가 정해진 후 변수와 가이드워드를 조합하여 이탈을 찾은 후 원인과 결과를 도출하고 현재의 안전조치를 파악하여 위험등급을 정한다

음 필요한 개선조치를 추천하는 위험성평가 수행 방식은 일반 연속식 HAZOP 방식과 동일하다.

3. 결론

위험성평가는 다음과 같은 질문에 대한 해답을 얻기위해 시행된다고 볼 수 있다.

o 위험이 어떤곳(공정, 설비)에 있는가?

o 위험이 있다면 사고발생 가능성은 있는가?

o 이 사고가 발생하면 피해는 얼마나(어떻게) 되는가?

o 이런 위험을 제거 또는 발생 확률을 감소시킬 수 있는 방안은 무엇인가?

o 사고 발생시 피해를 최소화 할 수 있는 대책은 무엇인가?

위와같은 해답을 얻기란 쉬운일이 아니다. 따라서 각 공정의 복잡성, 특수성을 고려하여 기법을 선택하되, 그 기법에 따라 전문기술자들이 설계도면이나 각종 자료로부터 체계적으로 위험성을 분석하여 대책을 수립하여야 한다.

본 회분식 공정에 대한 HAZOP 기법은 회분식 공정의 특성을 고려할 때 위의 해답을 얻는데 상당히 근접한 기법이란 사실을 사업장 지도를 통하여 확인할 수 있었다.

문제는 NODE 수가 연속식과 비교하여 상대적으로 많아 HAZOP 수행을 위한 시간소요가 크고 또한 같은 종류의 이탈, 원인, 결과가 반복되는 경우가 있는데 회분식 공정의 특성상 잠재된 위험성의 도출에는 시간소요가 될지라도 본 기법이 많은 도움을 줄 것이라 믿으나 좀더 단순화된 방법을 찾는데 노력이 필요하다.

4. 실시사례

1) SAMPLE P&ID

참고문헌

1. 공정안전관리 편람, 한국산업안전공단(1995)

2. 화학공정위험성평가Ⅰ(HAZOP), 산업안전교육원(1994)

3. Hazard Evaluation Procedures, AIChE(1995)

4. Hazard Evaluation Training Course, Flour Daniels(1995)

5. Technical Management of Chemical Process Safety, AIChE(1995)

2) 평가결과:표1

Polymerization Reactor Equipment Status Matrix

Step/Equip	V1	V2	V3	V4	V5	V6	V7	V8	V9	P1	P2	AGT
Charge A, Agt	O	C	O	C	O	C	C	C	C	ON	OFF	ON
Charge B, Agt	C	O	O	C	O	C	O	O	C	OFF	ON	ON
Reaction, Agt, Heat	C	O	O	C	O	C	O	O	C	OFF	ON	ON
Reaction, Agt, Cool	C	C	O	C	O	O	C	C	C	OFF	OFF	ON
Reaction, Agt, Cool Solv Evac	C	C	C	O	O	O	C	C	C	OFF	OFF	ON
Reaction, Disch	C	C	O	C	O	C	C	C	O	OFF	OFF	OFF

NOTE : 1) O는 OPEN 즉 열림을 의미한다.

2) C는 CLOSE 즉 닫힘을 의미한다.

3) 평가결과:표2

Polymerization Reactor Step/System Matrix

Step/System	Feed LineA	Feed LineB	Jkt Heat	Jkt Cool	Disc Line	N2 Eject	N2 Purg	Relief
Charge A, Agt	O	F	F	F	F	F	O	F
Charge B, Agt	F	O	O	F	F	F	O	F
Agt, Heat	F	O	O	F	F	F	O	F
Agt, Cool	F	F	F	O	F	F	O	F
Agt, Cool Solv Evac	F	F	F	O	F	O	F	F
React, Disch	F	F	F	F	O	F	O	F

NOTE : 1) O는 관련 설비가 운전중임을 의미한다.

2) F는 관련 설비가 운전되고 있지 않음을 의미한다.