A Case Study on the Risk Assessment for Offshore Plant Solid Desiccant Dehydration Package by using HAZOP

HAZOP을 통한 해양플랜트 흡착식 탈수공정 패키지의 위험성평가 및 안전도 향상 방안

Abstract

Since the dehydration packages of offshore plant deal directly with oil & gas, there is a great risk of fire and explosion during operation. Therefore, this study performed risk assessment through HAZard & OPerability (HAZOP) for solid desiccant dehydration package that can remove water component of natural gas in offshore floating liquefied natural gas (LNG) production facilities below 0.1 ppmv. The risk matrix was determined by dividing the likelihood and the severity into five levels separately by asset, life, environment and reputation. The piping & instrumentation diagram (P&ID) of the dehydration package was divided into 9 nodes. Total 22 deviations were assessed in consideration of the adsorption and desorption conversion cycle. A risk assessment based on deviations revealed 14 major hazards. Three representative types of hazards were open/close failure of the control valve, control failure of the heater, and abnormal operation of the regeneration gas cooler. Finally, we proposed the installation of additional safety devices to improve safety against these major hazards, such as safety instrumented functions, alarms, etc.

1. 서론

가스전에서 바로 생산된 생산가스에는 CO₂, H₂S, 수은, H₂O, 기타 황화물 등의 다양한 불순물이 여러 농도로 함유되어 있다[1,2]. 이 불순물들은 프로세스 공정 중 여러 문제를 일으켜 플랜트 시설에 피해를 발생시킬 수 있고, 또한 수송과정에서 문제를 일으키기도 한다. 따라서 가스전에서 생산된 천연가스는 다양한 처리공정을 통해서 불순물이 적절히 제거되어야만, 파이프라인 또는 liquefied natural gas (LNG) 수송선에 송유 가능한 수준의 품질을 갖게 된다[2]. 가스전에서 유정을 통해 해양플랜트로 보내진 feed gas는 유수 분리기를 통해 우선적으로 가스가 분리된다. 이렇게 분리된 가스는 수은 제거, CO₂/H₂S의 제거공정을 거친 뒤, 수분을 제거하는 탈수공정(dehydration)을 거치게 된다. 다양한 불순물 중 수분은 파이프라인 안에서 하이드레이트를 생성해 파이프라인을 막거나, 천연가스에 포함된 소량의 CO₂와 H₂S와 만나 부식을 유발하는 등 생산 공정에 부정적 영향을 미칠 수 있다[3-6]. 따라서 천연가스에 포함된 물 성분의 제거 과정은 필수적으로 요구된다. 또한, 수분 제거 과정은 천연가스의 상업적 판매 시 요구되는 이슬점을 충족시키는데 필요한 과정이기도 하다[6].

천연가스에 포함된 수분을 제거하는 공정으로는 흡수방식(absorption process)과 흡착 방식(adsorption process)이 있다[7]. 흡수 방식은 가스 상에 포함된 수분이 글리콜에 용해되는 성질을 이용하여 수분을 제거한다. 흡수 방식은 초기 비용이 적으며 흡수탑에서 압력강하가 작고 상대적으로 충격에 강해서 널리 사용되는 방식이다. 하지만 통상적으로 흡수 방식은 수분을 10 parts per million volume(ppmv)까지만 제거가 가능하다. 반면 흡착 방식은 0.1 ppmv까지 수분을 제거할 수 있어서, 보다 더 낮은 농도로 수분을 제거하기 위해서는 일반적으로 흡수 방식 이후 흡착 방식을 사용하여 추가적으로 수분을 제거한다. 흡착 방식은 일정한 크기의 공극을 갖는 작은 고체 흡착제를 사용하여 공극에 수분만 가두는 물리적인 방식이다. 분자체(molecular sieve)는 타 흡착제에 비해 공극의 크기가 작아 높은 표면적을 가지므로 천연가스에 포함된 작은 수분까지 흡착이 가능하여, 천연가스 흡착제로 많이 사용된다. 해상 부유식 LNG 생산설비의 경우 천연가스 수분 농도 0.1 ppmv 이하가 요구사항으로 제시되므로 흡착방식의 탈수공정 패키지(dehydration package)는 반드시 설치되어야 한다.

해양플랜트의 경우 육상플랜트와는 달리 사고발생 시 인명, 환경 및 자산에 미치는 피해가 크고 대응이 어렵기 때문에, 생애주기에 걸친 철저한 안전관리가 중요하다[8]. 육상 유⋅가스 공정에서의 탈수공정 패키지는 기술적으로 이미 성숙되고 널리 사용되는 공정이지만, 해상 부유식 LNG 생산설비 등 해양플랜트에 탑재되는 탈수공정 패키지는 제한된 공간 내에 모든 처리 장치가 적절히 배치되어야 하고 유⋅가스를 직접 다루어 화재, 폭발 등의 큰 위험성을 가지고 있어서 좀 더 면밀한 위험성평가가 필요하다.

본 연구에서는 해양플랜트에서 천연가스 수분 제거 필수적인 탈수공정 패키지에서 유⋅가스 공정의 위험성평가에 널리 사용되는 HAZard & OPerability Study(HAZOP)[9] 기법을 사용하여 위험성평가를 시행하였다. 이를 통해 탈수공정 패키지의 잠재적 위험 요인을 파악하고, 알람 설치, 안전 계장 장비 추가 등 위험을 제거 또는 완화시키는 방안을 제시하고자 한다. 또한 본 연구는 통상적으로 회사의 기술력 보호 차원에서 공개가 되지 않는 HAZOP의 절차와 결과를 보여줌으로써, HAZOP에 익숙하지 않은 엔지니어들에게 도움을 줄 수 있다.

2. HAZOP을 통한 위험성평가 방법

위험성평가란 대상 시스템의 개발 및 운용 단계에서 잠재하는 제반 위험요소(hazards)를 식별하고 이들로 인해 발생 가능한 사고 시나리오의 발생빈도(likelihood)와 사고 발생 시 피해의 심각도(severity)를 예측하고, 위험성을 허용 가능(tolerable)한 수준으로 제어/관리하는 일련의 기법을 의미한다[10,11]. 해양플랜트의 위험성평가를 수행할 수 있는 기법으로는 preliminary hazard analysis(PHA), hazard identification(HAZID), HAZOP, what-if, checklist, fault tree analysis(FTA), event tree analysis(ETA), failure mode and effects analysis(FMEA) 등 여러 방법이 존재한다[12].

이러한 위험성평가 방법들은 위험요소를 파악하고, 사고 발생빈도 및 피해의 심각도를 산정한다는 기본적 큰 틀은 같으나, 위험요소를 파악하는 방법과 발생빈도와 결과를 정성적 또는 정량적으로 평가하는 방법에서 세부적으로 다르다. 이 중, 본 연구에서 사용된 HAZOP[12] 은 유⋅가스 공정 설계 단계에서 위험성평가에 널리 사용되는 방법 이다. HAZOP은 여러 분야의 연관 전문가로 구성된 워크숍 형태의 브레인 스토밍(brain storming) 회의를 통해 설비 및 운영상의 위험요소를 변수 설정 및 가이드 워드 조합을 바탕으로 이탈(deviation)을 전개하여 대상 공정의 위험성을 체계적으로 파악할 수 있는 방법이다. 구체적 HAZOP 수행 절차는 그림 1과 같다.

Fig. 1 Procedure of HAZOP[12]

HAZOP을 수행할 때 가장 먼저 위험성평가를 수행할 설계 도면을 결정해야 하는데, 통상 piping & instrumentation diagram (P&ID)를 대상 도면으로 결정한다. 이후 HAZOP 수행 단계에 따라 HAZOP에 참여한 참가자들은 공정에 대한 이해를 바탕으로 검토구간(node)을 설정하게 되는데, 검토구간은 일반적으로 주요 설비를 중심으로 설비에 들어오고 나가는 프로세스 스트림 단위로 나누어진다.

이렇게 나누어진 검토구간별로 설계 의도(design intent)을 파악하고, 정상 상태(normal condition)를 정의한다. 검토구간에서 설계 의도와 다르게 프로세스가 이탈되는 것이 위험요소로 선정된다. 즉, 온도, 압력, 수위 등이 설계에서 허용한 범위를 벗어나게 되면 이탈로 정의된다. 공정에서의 위험요소를 누락 없이 파악할 수 있도록 이탈은 체계적으로 선정되어야 하며, 이를 위해 이탈은 표 1에서 제시된 것처럼 변수, 가이드 워드를 조합하여 구성된다.

Table 1. Typical HAZOP parameters, guide words and deviation examples

주요 변수에는 flow, level, pressure, temperature 등이 있다. HAZOP은 이렇게 도출된 이탈을 검토구간마다 전개하면서 공정상의 위험요소를 파악하고, 해당 위험의 원인 및 그로 인한 결과의 심각도를 평가한다. 또한, 해당 위험요소를 줄일 수 있도록 안전 계장 시스템 (SIS; safety instrumented systems) 설치, 설비 변경, 알람 설치 등의 안전 조치를 제안하여 설계에 반영시키도록 한다.

3. 흡착식 탈수공정

본 연구에서 대상으로 하는 흡착식 탈수공정 패키지는 해양플랜트에서 수분을 제거하는 장비로, 수분 뿐만 아니라 메르켑탄(mercaptans)과 같은 기타 불순물도 제거할 수 있으며, 소량의 사워가스(sour gas) 또한 탈수공정에서 제거될 수 있다[13]. 특히 feed gas에서 수분 농도를 0.1 ppmv 수준으로 낮춰야 하는 경우 zeolite와 clay binder가 결합된 형태의 분자체를 사용하게 된다. 분자체의 가장 큰 장점은 재생(regeneration)을 거쳐 다시 흡착 공정을 진행할 수 있다는 점이다.

재생과정은 가스에 열을 가해 재생에 필요한 온도 조건을 만들어 분자체가 흡착한 수분을 다시 탈착시키는 과정이다. 재생과정 이후 regeneration cooler에서 온도를 낮춰주어 수분을 물로 응축시켜 regeneration separator를 통해 수분을 제거하게 된다. 수분이 제거된 재생 가스는 다시 feed gas와 함께 흡착탑으로 보내지게 된다.

본 연구에서 사용된 탈수공정 패키지 공정은 그림 2와 같으며, 본 연구에서 공정 시뮬레이션을 통해 도출한 공정 조건은 표 2와 같다. 각 장치의 역할을 간단히 살펴보면 다음과 같다. Inlet separator는 흡착탑을 오염시킬 수 있는 액체 내지, 흡착탑 내 plugging 등을 일으킬 수 있는 고체 분진들을 제거하기 위한 장치이다[14]. 흡착탑은 2개로 구성되는데 한 개의 흡착탑이 흡착(adsorbing)하는 동안 다른 한 개의 흡착탑에서 탈착을 위한 재생(regeneration)이 진행된다. 이에 재생이 이루어지는 흡착탑은 재생탑이라고도 한다. 공정이 진행되는 시간에 맞추어 번갈아 흡착 및 재생이 이루어지기 때문에 연속 운전이 가능하다 [7].

Table 2. Design data of dehydration package

Fig. 2 Process flow diagram of dehydration package.

이때 흡착탑이 흡착의 역할을 하는지 재생의 역할을 하는지에 따라 흡착탑 상⋅하단에 위치한 밸브들이 열리거나 닫힌 상태를 유지하게 된다. Regeneration heater는 treated gas에 열을 가해 재생 반응이 일어날 수 있는 450∼600°C로 온도를 상승시킨다. Regeneration cooler는 재생이 완료된 가스를 냉각시켜 수분을 응축시키는 역할을 하며, regeneration separator는 냉각이 이루어진 가스 내 응축된 수분 또는 desiccant dust를 공정상에서 제거한다. 마지막으로 compressor는 재생 가스의 압력을 높여 다시 wet feed gas 쪽으로 송출시킨다. 탈수공정 패키지는 이렇게 흡착과 재생과정을 반복적으로 수행하며 수분이 제거된 천연가스를 다음 공정으로 전달하는 기능을 갖는다.

4. 연구결과

4.1 위험성평가를 위한 위험성 매트릭스 정의

위험성 매트릭스는 자산, 인명, 환경, 명성 별로 별도의 기준을 가지고, 발생빈도 및 피해의 심각도의 심각도를 각각 5단계로 그림 3과 같이 구분하였다.

Fig. 3 Risk matrix for HAZOP study of the dehydration package.

발생빈도는 1,000년 이상에 한 번 발생을 가장 낮은 1단계로 정의하였으며, 2단계는 100∼1,000년에 한 번 발생, 3단계는 10∼100년에 한 번 발생, 4단계는 1∼10년에 한 번 발생, 5단계는 1년에 한 번 이상 발생하는 것으로 정의하였다.

피해의 심각도를 인명, 재산, 환경, 명성의 4가지 요소로 구분하여 각각 5단계로 구분하여 심각도를 평가하였다. 심각도의 5단계에서, 1, 2단계는 피해가 일시적이거나 쉽게 복구가 가능한 단계를 나타낸다. 4, 5 단계는 피해가 심각하여 영구적인 피해, 재난 규모의 피해를 각각 나타낸다. 3단계는 1, 2 단계와 4, 5단계의 중간 정도로 피해가 복구가능하나, 상당한 시간 내지 비용이 소요되는 피해로 산정하였다. 인명, 재산, 환경, 명성의 4가지 피해 중 가장 심각한 단계의 피해를 최종 사고 피해 심각도로 결정하였다.

사건 발생빈도 레벨 및 심각도 레벨을 곱한 값으로 위험등급을 설정하고 이 등급을 안전 대책 필요성의 우선순위로 설정하였다.

10등급 이상은 as low as reasonably practicable (ALARP) 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험구간으로 그림 3에서 붉은 색으로 표기하였다. 본 연구에서는 위험구간에 포함된 위험요소들을 대상으로 10등급 아래로 위험성을 낮출 수 있는 구체적 방안을 제시하였다.

4.2 검토구간(Node) 설정 및 이탈 전개

HAZOP 수행을 위해서는 공정의 다양한 정보를 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 공정 시뮬레이션을 통해 온도, 압력, 유량 등의 기본 운전 조건, 장치 크기 등의 설계 조건을 도출하였다. 그리고 이를 통해 도출된 P&ID는 그림 4와 같다. P&ID를 바탕으로 흡착과 탈착 변환 주기를 고려하여 탈수공정 패키지를 9개의 검토구간으로 그림 4처럼 분할하였고 각 검토구간별 설계 의도, 주요 장비, 이탈은 표 3과 같다. 총 9개의 검토구간을 대상으로 전개된 주요 이탈은 총 22개이다. 특히, 본 연구 대상인 탈수공정 패키지는 공정의 시간 흐름에 따라 흡착과 재생이 번갈아 진행됨에 따라 같은 검토구간이라 하더라도 흡착/재생 단계에 따라 운전 목적이 달라지는 것을 고려하여 이탈을 전개하였다.

Fig. 4 P&ID and 9 nodes of dehydration package

Table 3. Main equipment, design intent and selected deviations of each nodes

4.3 위험성평가 결과 및 안전도 향상 방안 제안

HAZOP 수행 결과 탈수공정 패키지의 운전상 위험을 일으킬 수 있는 위험요소를 29개 파악하였고, 이로 인해 38개의 피해가 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 이 중 ALARP 구간을 벗어나 안전도 향상을 위한 제안이 필요한 위험요소는 총 14개가 도출되었다. 본 연구에서 이 14개의 위험요소를 분석한 결과, 세 가지 형태의 위험요소 및 결과 유형이 특징적으로 나타났다.

따라서 본 연구에서는 대표적 특정 유형의 위험요소 들을 제시하고 이들의 위험을 제거 또는 완화 시켜 안전도를 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

4.3.1 Valve malfunction closed/open

제어 밸브의 위치는 주로 가스의 인입을 제어하는 장치 상단부 또는 처리 이후 가스 배출을 제어하는 장치 하단부에 위치하게 된다. 밸브의 오작동은 가장 많이 분석된 대표적 위험요소로 9개의 검토구간에 모두 나타났다. Separator, 흡착탑(adsorbing tower), 재생탑(regeneration tower), heater, cooler 등 주요 장비와 연결된 파이프라인에 설치된 밸브가 고장으로 유동 제어 역할을 하지 못하는 경우 위험성 매트릭스에서 20등급 이상의 높은 위험등급을 가지는 것으로 표 4와 같이 규명되었다. 탈수공정 패키지에서 흡착과 재생의 스위칭은 제어 밸브의 개폐로 이루어진다. 따라서 제어 밸브의 고장은 압력 증대 또는 역류 등을 유발하여 매우 심각한 피해를 일으킬 수 있다.

Table 4. An example of the HAZOP sheet for node 1 for valve malfunction closed/open, node 3 for control failure of heater, and node 6 for regeneration gas cooler failure, where L means likelihood, S is severity, and R is risk grade

Inlet separator에서 high level인 상황에서 하단의 제어 밸브 LV 001이 고장으로 닫히면 gas가 역류하여 흡착탑의 압력 상승을 일으킬 수 있다. 이에 흡착탑 내의 분자체가 손상을 입거나 흡착탑이 폭발할 가능성이 있다. 이러한 비정상 상태를 방지하기 위해 LV 001의 수동 개방, PSV 등의 safeguards가 존재하지만, 운전자의 실수나 위험을 제거할 만큼 충분히 압력이 제거되지 않으면 중대 사고로 이어지기 때문에 추가적인 안전 장치가 필요하게 된다. 따라서 권고 사항으로 inlet separator에 level 알람을 달아 비상시 separator에 유입되는 gas를 차단하거나, heater를 shutdown 시키는 safety instrumented function(SIF)를 추가하는 것이 주요 조치로 제안되고 그림 5에 파란색으로 나타내었다.

Fig. 5 P&ID of node 1 (red line) of dehydration package. Blue lines represent the added safety equipment

Low level인 상황에서 하단의 제어 밸브 LV 001이 고장으로 열린 경우는 gas blowby 현상으로 인하여 Inlet separator 하단에 연결된 vessel이 폭발할 수 있다. 이를 위해 비상시 separator에서 기체가 하단의 vessel로 유입되지 않도록 LV 001을 수동으로 작동시킬 수 있으나 운전자의 적절한 대처가 없는 경우를 대비하여 inlet separator의 하단부에 level 알람을 통해 차단 밸브가 자동으로 작동하는 장치를 추가하였고 그림 5에 파란색으로 표시하였다.

4.3.2 Gas heater control failure

두 번째 분석된 비정상 상태 유형은 탈수공정 패키지의 여러 장치 중 heater가 제어 실패 상태가 되는 경우로 위험성평가 결과와 해당 검토구간을 각각 표 4와 그림 6에 나타내었다. 3번 검토구간에서 high temperature인 상황에서도 온도제어기가 정상적으로 작동하지 않는 경우 H-101 heater는 과열(overheating)로 폭발할 가능성이 있다. 또한, heater의 정상적 온도제어의 실패로 재생탑의 설계 온도 범위를 벗어나는 높은 온도의 gas가 재생탑에 공급되는 경우 재생탑 내의 분자체가 손상을 입거나 재생탑이 폭발할 가능성이 있다. T-102 재생탑 상단에는 PSV 005, 006 안전장치가 마련되어 있지만, 이 safety valve로는 높은 온도에 대응하는 것이 충분하지 않을 수 있다. 이 경우 heater 선정 시 자동 과열 방지 기능이 포함된 heater를 사용할 것을 제안하였다. 또한, heater 외부에 과열을 감지하는 알람을 달아 비상시 heater를 shutdown 시키도록 하였고 추가된 장치들을 그림 6에 파란색으로 표시하였다.

Fig. 6 P&ID of node 3 (purple line) of dehydration package. Blue lines represent the added safety equipment

4.3.3 Gas cooler control failure

마지막 사례는 6번 검토구간에서 E-101 regeneration gas cooler가 비정상 상태인 경우로 위험성평가 결과와 해당 검토구간을 각각 표 4과 그림 7에 나타내었다. 재생탑에서 탈착되어 수분이 포함된 가스가 regeneration cooler를 통해 냉각되지 않는 경우 수분이 응축되지 않아 regeneration separator에는 응축된 수분이 인입되지 않는다. 이 경우 regeneration separator와 연결된 상단 파이프를 통해 압축기 K-101에 높은 온도의 gas가 공급되면서 sealing이 파손되어 가스가 누출될 수 있고, 설계 온도 조건을 넘어서게 되면 compressor가 폭발할 수 있다. 현재 설계에는 해당 위험에 대응할 수 있는 safeguards가 없는 상태로 여러 가지 안전도 향상 방안이 도출되었다. 우선 regeneration cooler 하단 파이프에 과열을 감지하는 알람을 달아 비상시 heater를 shutdown 시키도록 하였다. 또한, regeneration cooler부터 regeneration separator까지 연결된 파이프를 double jacket pipe로 변경하고 해수를 통해 냉각될 수 있도록 설계 변경하였다. 추가된 장치는 그림 7에 파란색으로 표시하였다. 이 밖에 E-101 regeneration gas cooler 대신 해수를 이용한 heat exchanger로 교체하는 방안도 고려할 수 있나, 해당 설계는 해양플랜트가 설치되는 환경을 고려하여 진행할 필요가 있다.

Fig. 7 P&ID of node 6 (pink line) of dehydration package. Blue lines represent the added safety equipment

Regeneration cooler 고장으로 인한 또 다른 결과는 D-102 separator 하단의 물이 빠져나가는 water drum 쪽으로 gas blowby 현상으로 인한 폭발이다. 이러한 위험성을 완화하기 위해 현재 설계에 반영된 safe guards는 separator 하단에 제어 밸브와 연결된 level controller LIC 002와 separator의 level alarm LAL 002를 통해 수동으로 밸브를 조작하는 것이다. 그러나 해당 결과의 위험등급이 25등급으로 가장 높은 것을 고려하여 regeneration cooler 고장 알람을 통해 비상시 separator에서 기체가 하단의 vessel로 유입되지 않도록 자동 작동 차단 밸브를 추가하였고, 추가된 장치는 그림 7에 파란색으로 표시하였다.

본 연구에서 HAZOP을 통해 탈수공정 패키지에 다양한 추가 안전 장치 설치가 제시되었다. 하지만 이러한 안전 장치 추가 이외에도 비상 알람 발생시 시스템 관리자/운영자가 수동으로 적절히 제어할 수 있도록 정기적 교육 훈련이 필요하며, 또한 상시/정기 점검을 통해 장비의 고장 여부를 확인할 필요가 있는 것으로 판단된다.

5. 결론 및 고찰

탈수공정 패키지는 유⋅가스를 직접 다루기 때문에 화재, 폭발 등의 큰 위험성을 가지고 있으므로 적절한 위험성평가 및 관리가 필수적이다. 이에 본 연구는 해상 부유식 LNG 생산설비에서 1차적으로 탈수 처리된 생산 가스의 수분을 0.1 ppmv 이하로 제거할 수 있는 분자체가 충진된 흡착식 탈수공정 패키지를 대상으로 HAZOP을 통해 위험성평가를 수행하였다. HAZOP 수행 단계에서 우선 수행자산, 인명, 환경, 명성 별로 별도의 기준을 가지고, 위험 확률 및 피해도를 5단계로 구분하여 위험성 매트릭스를 결정하였다. 그리고 P&ID를 바탕으로 흡착과 탈착 변환 주기를 고려하여 탈수공정 패키지를 9개의 검토구간으로 나누고 22개의 이탈을 전개하였다. 이탈을 바탕으로 위험성평가를 시행한 결과 14개의 주요 위험요소가 제시되었다. 위험요소의 대표적 세 가지 유형으로 제어 밸브의 개폐 고장 또는 오작동, heater의 제어 실패, regeneration gas cooler의 비정상 작동을 도출하였다. 본 연구에서는 이러한 주요 위험요소에 대해 안전도를 향상할 수 있도록 추가 안전 장치 설치를 제시하였다. 본 연구는 위험성 기반 해양플랜트 탈수공정 패키지 설계에 도움을 줄 수 있으며 해당 장비의 국산화에 기여할 수 있다.