천연가스공급설비에 대한 신뢰도분석

차영환, 김효, 차민환

서울시립대학교 화학공학과

A Study on Reliability for

the Natural Gas Transmitting Facilities Located in Seoul

Young-Whan Cha, Hyo Kim, and Min-Whan Cha

Dept. of Chem. Eng., University of Seoul

서론

1986년 10월 석유에너지 대체자원, 그리고 환경문제를 해결하기 위해서 인도네시아로부터 Liquefied Natural Gas(LNG)를 도입한 이래 그 도입량은 전국의 확대 공급에 의하여 96년 706만톤, 97년 930만톤으로 늘어났다. 또한 환경친화적인 특성도 다른 연료에 비해 강해서 소위 □청정연료□라는 호칭도 가지며 다른 연료에 비해 각광을 받고 있다.

그러나 이러한 증가세와 함께 가스의 기본적인 물성(폭발성, 가연성 등) 때문에 발생하는 가스사고에 대하여 관심을 기울이지 않을 수 없다. 1994년 12월 아현동에서 발생한 기지폭발사고, 1995년 4월 대구 지하철 공사장에서 도시가스폭발은 이를 단적으로 증명하는 사건이었다. 결과적으로 공급설비에 있어 시설의 적절한 교체주기를 찾아내거나 발견된 문제점에 대해 합리적인 해결방안을 결정하는 것이 중요한 문제이다.

따라서 본 연구의 목적은 천연가스 공급설비를 효과적으로 관리함으로써 설비를 안정적으로 운영하고 또 이 설비들이 내포한 위험성 및 공급중단의 가능성을 체계적이고 종합적으로 평가하는 기법의 도입을 위하여 이력 데이터의 정리□분석, 정성적□정량적 위험성 평가, 사고 결과분석을 수행하는 것이다.

이론

1. 사건수목

사건수목은 정해진 고장으로 시작해서 야기될 수 있는 몇 단계의 과정을 거쳐 최종결과를 나타낸다. 그러므로 사건수목은 발생 가능한 고장모드에 대해서 시나리오를 만들어 보는데 매우 유용하다. 정량적인 데이터가 유용하다면, 측정값은 고장의 주기로 나타내어질 수 있다. 이것은 안전을 향상시키기 위해서 디자인을 개량하는데 사용되곤 한다. 어려운 점은 실제 공정에 대해서 방법이 매우 자세하게 나타내질 수 있고 매우 큰 사건수목을 야기할 수도 있다는 것이다.

2. 고장수목

고장수목은 사고를 일으킬 수 있는 잠재적원인(hazard)을 인지하는 방법에 대한 연역적인 방법이다. 이것은 정확하게 정의된 사고, 혹은 top event로 시작해서 이 사고(top event)를 야기할 수  있는 여러 가지의 시나리오를 훑어 가는 것이다. 이것의 목적은 top event를 일으킬 수 있는 각각의 사건단계를 정하는 것이다.

사례연구

서울의 한 밸브기지를 기초적인 모델로 이용해서 각 부분별 신뢰도를 측정한다. 기지에 대한 간략한 설명을 하면 DC밸브기지는 LNG저장탱크로부터 BH밸브기지를 통해서 천연가스를 공급받고 P-31과 P-32에서의 1차감압후에 다른 밸브기지로 천연가스를 공급할 수 있다. P-51과 P-52에서의 2차감압후에 D도시가스회사에 천연가스를 공급한다. 또한 BH밸브기지로부터의 공급중단이나 기지자체의 문제로 인한 도시가스회사로의 천연가스공급중단(top event)을 대비하여 다른 기지(BB)로부터 공급할 수 있는 시설을 갖추었다.

Fig. 1. the Simplified P&ID of DC Valve Station.

Table 1. Quantitative Analysis of Event Trees of Small Leakage

Index	Small Leak	Detected by Detector	Detected by Operator	Operators Mitigate Leak	Not Developed to Large Rupture	Not Reached to Flammable Range	No Ignition Source	Frequency	End State
1	6.2697	0.9		0.95				5.3605507	STSR
2	6.2697	0.9		0.05	0.99	0.999		0.2790335	LTSR
3	6.2697	0.9		0.05	0.99	0.001	0.98	0.0002737	LTSR
4	6.2697	0.9		0.05	0.99	0.001	0.02	5.58E-06	SFIRE
5	6.2697	0.9		0.05	0.01			0.0028213	LRET
6	6.2697	0.1	0.9	0.95				0.5360550	STSR
7	6.2697	0.1	0.9	0.05	0.99	0.999		0.0279033	LTSR
8	6.2697	0.1	0.9	0.05	0.99	0.001	0.98	2.73E-05	LTSR
9	6.2697	0.1	0.9	0.05	0.99	0.001	0.02	5.58E-07	SFIRE
10	6.2697	0.1	0.9	0.05	0.01			0.0002821	LRET
11	6.2697	0.1	0.1		0.99	0.999		0.0620074	LTSR
12	6.2697	0.1	0.1		0.99	0.001	0.98	6.08E-05	LTSR
13	6.2697	0.1	0.1		0.99	0.001	0.02	1.24E-06	SFIRE
14	6.2697	0.1	0.1		0.01			0.0006269	LRET

Fig. 2. Fault Tree of Supply Stop of Natural Gas in DC Valve Station.

결과 및 고찰

DC 밸브기지에서 각 stage의 고장율은 reliability와 probability를 사용해서 계산한다. 그러므로 우리는 각 stage의 상태를 신뢰도의 관점에서 알 수가 있다. Table 2에서 top event를 계산한 결과 0.0233의 failure rate를 가진다. 그리고 fault tree analysis의 한 부분인 minimal cut sets에 의하면 초기 93개의 cut sets이 구해지지만 다른 수의 같은 기기지칭으로 인해 중복되는 숫자들로 많은 수의 cut sets이 겹쳐진다. 그래서 최종적으로 25개의 minimal cut sets이 남게 되어서 0.0238의 failure rate를 가지게 된다. 이 값은 순수하게 fault tree에 의해서 계산된 값보다 크다. 이유는 중복된 Probability가 무시되기 때문이다. 그러나 이 방법은 각 라인의 조합으로 만들어지는 top event의 비율을 보여준다. Table 2.에서 보듯이 event 26과 27의 조합이 top event의 가장 큰 요인으로 작용한다. 그러므로 가능하다면 또 다른 라인 하나가 설치되는 것이 도움이 된다. 또한 Table 3.을 통해, 사고 발생시 사고가 어떤 경로로 발전하게 될 것인지, 혹은 얼마나 자주 발생하게 될지를 수치적으로 평가해 볼 수 있다.

Table 2. Failure rate of top event & stage

Min Cut Set	Failure Rate	%	Stage	Failure Rate
26,27	0.0215263	90.348	A	0.0233055
6,7,24	0.0006477	2.7185	B	0.0225003
13,24	0.0003771	1.5826	C	0.0006052
29,30	0.0003063	1.2856	D	2.043E-13
29,31	0.0003063	1.2856	E	0.0225003
6,7,25	0.0002641	1.1084	F	0.0500203
28,	0.0002	0.8395	H	0.000974
13,25	0.0001538	0.6453	I	0.0215263
8,15,24	2.514E-05	0.1055	J	0.0232119
8,15,25	1.025E-05	0.0430	K	0.0433538
14,24	6.081E-06	0.0255	L	0.0215263
14,25	2.48E-06	0.0104	M	0.0016856
22,23,24	8.784E-08	0.0004	N	0.0016827
9,11,24	8.784E-08	0.0004	O	2.889E-06
9,12,24	7.752E-08	0.0004	P	0.0418584
22,23,25	3.582E-08	0.0002	Q	0.0418766
9,11,25	3.582E-08	0.0002	R	0.0126833
9,12,25	3.161E-08	0.0001	S	0.0127015
8,10,11,24	2.972E-10	1.E-06	T	5.773E-06
9,10,15,24	2.972E-10	1.E-06	U	0.0126775
8,10,12,24	2.623E-10	1.E-06	V	2.393E-05
8,10,11,25	1.212E-10	5.E-07	W	0.0126775
9,10,15,25	1.212E-10	5.E-07	X	0.0034023
8,10,12,25	1.07E-10	4.E-07	Y	0.0019012
1,2,3,4,5	2.043E-13	9.E-10	Z	0.0032023
TOTAL	0.023826	100

Table 3. Quantitative Analysis

	구분		발생빈도 (/년)
Fault Tree	대규모손상		3.73×10-3
	소규모누설		6.27
Event Tree	대규모누출	단기간	1.80×10-2
		장기간	9.45×10-4
	소규모누출	단기간	5.90
		장기간	0.37
	화재 / 폭발	소형	7.39×10-6
		대형	3.80×10-5

참고문헌

1. Daniel A. Crowl and Joseph F. Louvar, "Chemical Process Safety"             Fundamentals with Applications", Prentice Hall, New Jersey, 1990.

2. Fussell, J. B. and Vesely, W. E., "A New Methodology for Obtaining Cut      Sets for Fault Trees", Transactions of the American Nuclear Society, 15,      1972.