HIRA지수법을 이용한 BTX플랜트의 기초위험분석

김용하, 김인원*, 안광현**, 김인태**, 윤인섭

서울대학교 응용화학부, 건국대학교 화학공학과*,

한국화재보험협회 위험관리정보센터**

Preliminary Hazard Analysis of BTX Plant Using HIRA Index Method

Yong-Ha Kim, In-Won Kim*, Kwang-Hyun Ahn**, In-Tae Kim** and En Sup Yoon

School of Chemical Engineering, Seoul National University,

Dept. of Chemical Engineering, Konkuk University*,

Risk Management & Information Center, Korean Fire Protection Association**

Ⅰ. 서론

화학공업은 고도의 자본, 기술 집약적 산업이다. 사용원료가 지닌 화재, 폭발, 누출시에 발생할 수 있는 위험성과 고온, 고압 등의 조업조건으로 인해 화학공업에서 발생하는 사고는 다른 산업에서의 경우와는 비교할 수 없을 정도로 그 피해가 크다.

이렇게 발생할 수 있는 여러 가지 형태의 위험 요소를 미리 파악하여 비상시에 대응할 수 있도록 하기 위해서 위험물을 다루는 사업장과 공장마다 공정안전 보고서(Process Safety Management, Safety Management System)를 작성하여 제출하는 것이 의무화되었다. 현재 이 규정에서는 각 사업장의 위험성 평가(hazard evaluation)의 방법으로서 HAZOP 방법을 사용하도록 하고 있다. HAZOP 방법은 발생할 수 있는 위험을 세밀히 분석할 수 있다는 장점이 있으나, 반면 이 방법을 공장내의 모든 설비에 대해서 적용시키는 것은 많은 인력과 시간, 비용을 필요로 한다

이런 점을 고려할 때 다국적 화학기업인 Dow Chemical Co.에서 제안한 단계적인 위험관리 방법은 좋은 대안이 될 수 있다. 위험성 평가를 사용하기 쉽고 간편한 것부터 자세하고 복잡한 것까지 단계적으로 수행함으로써 앞의 방법에서의 문제들을 어느 정도 해결할 수 있다. 이것을 위해서는 정확도가 높고 선택성이 좋으며 시간과 인력의 소요가 적은 선별법(screening method)이 위험 산정(risk assessment) 이전인 기초위험분석(preliminary hazard analysis) 단계에서 사용되어야 한다.

HIRA(Hazard Identification and Ranking)지수법은 이런 기초위험분석법이 갖추어야할 요소들을 충족시켜주고 있다. HIRA지수법은 화재·폭발에 대한 위험 정도를 나타내는 FEDI(Fire and Explosion Damage Index)와 물질 독성에 대한 위험도를 나타내는 TDI(Toxic Damage Index)로 구성되어 있다. 본 연구에서는 HIRA수법 중 화재·폭발의 위험성을 지수화하는 FEDI를 실제 BTX공장에 적용시켰으며, 또한 사고 시나리오에 대한 정량적 위험성 평가를 수행하여 그 결과를 앞 서 구한 각 설비의 FEDI 값과 비교 분석함으로써 HIRA지수법의 선택성을 조사하였다.

Ⅱ. 본론

공정위험지수법(Process Hazard Index Method)

공정위험지수법(Process Hazard Index Method)은 위험성 평가에 앞서 행하는 기초위험분석(Preliminary Hazard Analysis)의 여러 방법 중 한 형태이다. 이것은 각 공정의 속성을 비교하여 더욱 심도 깊은 분석이 필요할 만큼 중요한 위험 요소가 있는지를 결정한다. 이러한 비교는 위험을 그 정도에 따라 상대적인 수준을 나타내는 정량적 수치(점수 혹은 지수)를 근거로 하여 이루어진다. 원래 공정 위험 지수법은 공정의 설계 단계에서 세부적인 설계가 이루어지기 전에 행해지지만 이미 공정의 조업시 발생할 수 있는 다양한 형태의 위험 요소를 골라내는 목적에서 이미 가동되고 있는 공정에 대해서도 적용된다.

일반적으로 공정위험지수법은 공정에서 사용되는 물질의 물리·화학적 데이터를 필요로 하며, 다른 어떤 형태의 위험성 평가 방법보다도 준비, 평가, 문서화에 적은 시간을 소요한다는 장점이 있다. 또한 이 방법은 수행 결과를 정량적인 수치의 형태로서 제공하기 때문에 얻어진 결과를 상호 비교하여 상대적인 위험성을 결정하는 데에 유용하게 사용된다. 또한 높은 수준의 전문지식을 필요로 하지 않고 적은 인원으로도 수행될 수 있기 때문에 동원 인력, 교육 및 연구에 소요되는 시간, 그리고 경제적인 면을 고려할 때 매우 효율이 높은 방법이다

일반적으로 Dow Chemical Co.에서 1964년 개발한 Dow Fire and Explosion Index(Dow F&EI)는 공정에서 사용되는 물질이 고유하게 가지고 있는 인화성(flammability)과 반응성(reactivity)을 근거로 하여 산출한 물질계수(material factor)에 일반공정 위험계수(general process hazards factor)와 특수공정 위험계수(specific process hazards factor)를 곱한 값으로써 구한다. 이 방법은 Dow Chemical Co.에서 오랫동안 축적되어온 사고사례 데이터베이스를 바탕으로 만들어졌기 때문에 우리 나라의 화학공장에 그대로 적용시키기에는 무리가 있다. 이것을 우리 나라의 상황에 맞게 적용시키기 위해서는 수정할 필요가 있는데, 통계적인 데이터를 근거로 한 것이기 때문에 어려움이 있다. 또한 지수를 구하는 중간과정에서 적절한 중간 값을 선택하는 경우가 많기 때문에 실제 적용시에 공정에 대해 많은 배경지식과 전문성을 가진 사람이 아니면 사용하기가 어렵다는 단점이 있다.

HIRA(Hazard Identification and Ranking)지수법

HIRA(Hazard Identification and Ranking)지수법은 화학물질이 사용되는 공정에서의 온도와 압력의 변화와 인접한 민감한 unit들과의 거리, 시설의 밀집도 등 주위 환경의 영향을 고려한 공정위험지수법이다. 또한 다른 상대 순위법들이 물질계수(material factor)와 penalty들을 지정하고 계산할 때 흔히 발생하는 불확실성을 최소화하여 사용하기 편리하도록 하였다. 게다가 이 방법에서의 물질계수는 화학 에너지(반응성)뿐만이 아니라 Dow's F&EI 와 Mond Index에서는 고려하지 않았던 물리적 에너지(압력 에너지)고려하였다. 그리고 이 방법에서 사용된 물질계수와 penalty는 process의 종류와 조건에 대해 각각 다른 값을 가지며, process는 그 특성에 따라서 다섯 가지로 분류한다. Figure 1은 HIRA 지수법의 알고리즘을 나타낸다.

HIRA는 FEDI (Fire and Explosion Damage Index) TDI (Toxicity Damage Index)라는 두 개의 지수로 구성되어 있다. FEDI는 화재·폭발의 위험성에, TDI는 유독성의 위험성에 관한 것이다. FEDI의 알고리즘은 Figure 2와 같다. 먼저 조사하고자 하는 unit를 위와 같이 분류한 후 위험성의 계산에 필요한 화학물질의 화학적 특성치를 chemical data handbook을 이용하여 조사한다. 이렇게 얻은 화학적 특성치와 공정 조업 데이터를 가지고 FEDI를 계산한다. 먼저 각 unit의 물리적 에너지와 화학에너지를 계산하고, 그 다음으로 조업온도, 조업압력, 사용되는 물질의 양, 물질의 특성(반응성, 인화성), 가장 가까운 위험 unit와의 거리, 시설의 밀집도에 해당하는 penalty값을 계산하여 FEDI값을 구한다.

Ⅲ. 결과 및 토론

본 연구에서는 HIRA 지수법에서의 FEDI가 실제의 화학 플랜트에 적용될 수 있는지의 여부를 평가하였다. 이를 위해 실제 국내의 BTX 공장 세 곳을 임의로 선정하여 공정 조건 데이터와 사용 물질의 물성치를 가지고 FEDI를 구하였다. 그리고 구한 FEDI 값들과 실제 정량적 위험성 평가용 상용 프로그램인 PHAST Professional 5.0TM에 의해서 평가된 값들을 각각 비교함으로써 HIRA 지수법이 위험한 정도에 따라서 순위를 매기는 공정 위험 지수법의 사용 목적에 적합한 방법인가를 알아보았다.

평가대상인 세 개의 공장에 대해서 설비의 갑작스런 파손(catastrophic rupture)으로 인한 화재 및 폭발 시나리오를 가정하여 PHAST Professional 5.0TM으로 모사하고 그 결과를 각각의 설비에 대한 FEDI 값과 비교함으로써 FEDI의 선택성을 조사하였다. 화재발생의 경우는 발생할 수 있는 pool fire, jet fire, fireball 중 더 큰 영향을 미치는 것을 선택하여 방사열(thermal radiation, thermal flux)을 계산하였고, 폭발의 경우는 대기 중으로 물질이 확산되어 증기운을 형성할 것이므로 UVCE에 대한 폭발 과압(overpressure)을 계산하였다. 각 설비 모두 내용물의 누출이 생기는 것으로 가정하였다. 바닥은 콘크리트이며 지표온도는 9.85 ℃, 대기온도는 20 ℃, 대기압력은 1.01 atm, 상대습도는 70%, 풍속은 1.5m/s이고 대기는 대체로 안정하다고 가정하였다.

BTX 공장 A에 대한 FEDI와 시나리오에 대한 모사 결과를 Table 1에 나타내었다. 예상되는 화재로 인한 방사열은 FEDI의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 다섯 설비 모두가 고온에서 운전되는데, 이에 따라 사고 발생시 내용물이 누출되면서 pool을 형성하지 않고 바로 기화하므로 화재의 경우는 모두 fireball의 형태가 우세하였다. Table 1을 FEDI와 화재에 의한 방사열과의 관계를 나타낸 것이 Figure 3이다. 여기에서 볼 수 있듯 FEDI와 방사열은 서로 비례관계를 보였다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 기존의 공정 위험 지수법들이 가지고 있는 단점을 보완하여 개발된 HIRA 지수법 중 화재·폭발에 대한 위험성을 나타내는 FEDI를 실제의 BTX 공장들에 적용하였다.

FEDI 값이 설비의 상대적으로 위험한 정도를 잘 나타내는 지를 알아보기 위해 2가지의 사고 시나리오를 가정하고 그에 대한 정량적 위험성 평가를 수행하여 FEDI 값과 비교하였다. 갑작스런 파손(catastrophic rupture)으로 인한 누출 사고 시나리오를 가정하였다. 화재 및 폭발의 영향(방사열, 폭발 과압)은 정량적 위험성 평가용 프로그램인 PHAST Professional 5.0TM으로 계산하였다. FEDI값에 따른 방사열과 과압의 크기를 그래프로 나타냄으로써 그래프들이 모두 비례관계임을 알 수 있었다.

결과적으로 HIRA 지수법 중 FEDI는 전반적으로 화학공장 설비의 화재 및 폭발 위험성을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 이 방법을 기초위험분석(preliminary hazard analysis)에 사용할 경우 FEDI는 위험한 정도를 지수화하여 나타냄으로써 평가한 여러 설비들 중 상대적으로 더 위험한 것과 덜 위험한 것을 잘 골라낼 수 있다. FEDI는 여러 사람이 평가를 할 경우라도 단 하나의 지수를 제공하므로 위험성 확인을 위한 도구로서 편리하고도 쉽게 사용될 수 있을 것으로 생각된다.

감 사

본 연구는 교육부의 두뇌한국21사업의 지원에 의해 이루어졌으므로 이에 감사드립니다.

참고문헌

AIChE, Dow's Fire & Explosion Index Hazard Classification Guide, 7th ed., AIChE, New York, 1994.

Brown, A. E. P., "Risk Analysis : An Investment in Engineering", Process Safety Progress, 18(2), 121-125 (1999).

CCPS, Guidelines for Hazard Evaluation Procedures, 2nd ed., CCPS of the AIChE, New York, 1992.

DNV Technica, PHAST Profesional 5.0 : User Manual, DNV Technica Inc., Temecula, 1995.

Khan, F. I., and S. A. Abbasi, "Multivariate Hazard Identification and Ranking System," Process Safety Progress, 17(3), 157-170 (1998).

Figure . Algorithm of HIRA system [8]

Figure . Systematic procedure for Fire and Explosion Damage Index (FEDI) calculation [8].

Table 1. FEDI and Simulation Results

for Catastrophic Rupture at the 5 Equipments

of the Fractionation Unit in the Plant 'A'

(Calculated by PHAST Professional 5.0TM).

Number & Equipment	FEDI	Type of Anticipated Fire	Anticipated Thermal Flux due to fire [kW/m2] (at 200m away)
1. Benzene Column	51.18	Fireball	0.75
2. Toluene Column	37.42	Fireball	0.39
3. Xylene Column	25.89	Fireball	0.22
4. Solvent Column	13.60	Fireball	0.06
5. Solvent Column Receiver	9.19	Fireball	0.06

Figure . FEDI vs Thermal Flux at 200m

(Case of Catastrophic Rupture at the 5 Equipments

of the Fractionation Unit in the Plant 'A').