공정 위험성평가기법 분석을 통한 화학공장 전 생애 위험관리에 관한 연구 :A study on whole-life risk management of chemical plant through analysis of process hazard evaluations

임종우

학위논문

저자정보: 임종우 (인천대학교, 인천대학교 대학원)

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화학 공장은 다양한 유해위험물질을 취급하는 유해위험시설 및 부속 설비를 보유하고 있는데 공장 설계 및 건설 관련 기술이 지속적으로 발전해감에 따라 새로운 공정은 과거보다는 시설 규모도 더욱 커지고 복잡해지고 있으며 운전 조건 또한 상당히 가혹해 지고(고온, 고압 및 다단계 반응 등) 있다. 물론 그러한 공정의 조건에 맞추어 인증된 기준의 공정안전설계가 적용되고 다양한 효과적인 안전관리 프로그램(공정안전관리, 가스안전관리, 유해화학물질관리, 위험물관리 등)이 시행되고는 있지만 근래에 중대 산업사고가 적지 않은 빈도로 발생함에 따라 최근 국내 안전환경 관련 제도는 한층 강화되어 운용되고 있다.
국내의 위험관리 현황을 보면 공장 위험도 관리의 기준(위험관리기준, Risk Criteria)이 해외 국가들과는 달리 국가 법적 요건으로 명문화되어 있지 않고 산업 현장에서도 위험도 관리의 개념이 제대로 정립되어 적용되고 있지 않다. 그나마 화학물질관리법 장외영향평가제도의 시행으로 공장 위험도 관리에 대한 시도가 점진적으로 활발해지는 분위기이다. 석유화학 산업 현장의 공정에 대한 위험성평가에 있어서 국내 대부분 기업에서 법적인 수행 주기 요건(2016년 이전 5년 주기, 이후 4년 주기)에 맞추어 주로 동일한 평가 기법을 반복 적용하는 방식으로 수행하는 연유로 공장 위험도에 따른 수행 주기를 변경하거나 공장의 수명 단계별로 적합한 위험성평가 기법을 적용하여 수행하는 시도는 그 사례를 찾기가 어려운 실정이다.
본 연구는 위험성평가 결과 산정된 위험도가 적정한지 판정하는데 정성적 위험성평가 결과와 정량적 위험성평가 결과를 구분하여 ‘위험관리기준’ 을 적용하는 방법을 개념적으로 정리함으로써 실제 현장에서 제대로 적용할 수 있도록 하였다.
또한 연구 대상으로 선정된 회사가 대단위 복합 석유화학단지(Complex)이기 때문에 전체 단위 공정 대상으로 각각의 상대위험등급을 산정함으로써 전체 단위 공정의 위험성평가 우선 순위를 결정하였으며, Para-Xylene 공장을 대상으로 Project 단계부터 공정 가동 연수 경과에 따른 단계별 위험성평가 수행 사례를 검토하고, 또한 통상적인 위험성 평가 기법(HAZOP, K-PSR, Checklist 방법)을 보완한 방법으로 위험성 재평가를 수행하였다. 정성적 위험성평가 수행 외에 공정 시설과 입출하 시설 각각에 대한 정량적 위험성평가도 연구 검토되었다.
정성적 위험성평가 수행 결과로 다양한 공정 안전설계 및 설비 운용 측면에서의 방안 들이 제시되었는데, 통상적인 HAZOP 기법 만을 관례적으로 적용하는 방식을 바꾸어 공장 상황 및 특성에 맞도록 평가 항목을 추가적으로 포함한 K-PSR 평가와 Checklist 평가를 수행해 본 결과 HAZOP 적용 시 보다 평가 소요 시간도 상당히 줄어들면서 공장에 존재하는 다양한 위험 요인은 적절하게 식별(파악)하고 그 개선 방안을 도출할 수 있었다. 물론 평가 항목 및 Checklist 를 어떻게 결정하여 활용하도록 하는지는 경험있는 전문가의 몫이라 할 수 있다.
정량적 위험성평가 결과에 대해서는 위험도 완화를 위하여 공정 특성 및 공장 주변 지역의 환경을 고려하여 공학적 공정 안전 설계 및 설비 운용 측면에서 여러 방안 들이 제시되었는데 그 중에는 공장 외곽 Fence 를 따라 방호벽을 설치(주민 거주 지역 가까운 쪽)하고 방호벽 상부에는 물분사 노즐 설치, 가스 누출 감지 및 공정 배관 연동 차단 설비, 가스 누출 감지 및 연동 물분무 설비, 누출 증기를 포집하여 희석 또는 중화처리 설비, 누출 증기를 다량의 물로 희석할 수 있도록 Scrubber 기능을 하는 희석 설비, 이송 배관 연결부(플렌지) 누출 시 공중 비산을 방지하기 위한 보호울(섬유 또는 폴리머 재질) 등이 있다.
본 연구의 결과로서 제시된 위험 개선 방안은 해당 공정에 특정적으로 적용되는 공정 안전 설계 및 설비 운용 측면 외에 어느 업종이든 공통적으로 적용할 수 있는 주제 항목으로 위험관리제도 운용 측면, 위험도 산정 프로그램 운용 측면, 위험관리 기본 인프라 관리 측면 별로 분류하여 제시함으로써 화학 공장은 물론 일반 제조 업종에도 본 연구의 내용이 적절하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

A lot of hazardous materials have been used for product processing and utility plant. A process has been more complex and severe than before in the process design and operation condition. So many good practices of process safety engineering and standards have been applied to the process design and construction. And also various safety and environment management program including PSM(Process Safety Management), Hazardous Chemical Management etc. are being implemented for risk management and accident prevention. Recently many major accidents including toxic release, fire and explosions occurred often in the production industry, and then more severe regulations and standards are being applied to even small facility and personnel companies.
There is no regulation about risk criteria for risk management target in Korea, but an very active environment for risk management has been formed since 2015 year - an implementation year of Off-site Risk Assessment program. In our internal petrochemical industry, the most company carry-out a Process Hazard Analysis(PHA) according to a mandatory implementation period(originally 5 years and now 4 years) of PHA without any change of implementation period and PHA methods considering risk level.
In this study, firstly the concept of risk criteria and its application was reviewed for risk management considering the results of qualitative and quantitative hazard evaluation. Secondly before PHA implementation, the relative ranking study was performed for decision-making about implementation priority of PHA among all units of petrochemical complex. The selected Para-Xylene(PX) plant for this study was average third priority group of total 4 classified groups for PHA. Lastly PHA ? qualitative and quantitative - results for some phase(project, early stage of operation, an aged operation phase) of whole-life period of PX plant were reviewed, and then risk management measures were proposed.
There are many PHA methods for application in the process industry. In this study, three kinds of qualitative PHA method ? HAZOP study, checklist and K-PSR(KOSHA Process Safety Review) - were performed respectively for same kind of PX plant. Past history and experience of incident, operation, maintenance and so on are very important in PHA by those two methods. The higher effectiveness was found in PHA by a modified checklist and a supplemented K-PSR Method than in PHA by a typical HAZOP study in case of PHA in a phase of a well on-going process since new construction. And also quantitative risk assessment was carried out for PX plant and loading/unloading facility by using KORA(Korea Off-site Risk Assessment) program in a calculation of incident effected area(distance) and OGP(Oil & Gas Producers) failure data and LOPA(Layer Of Protection Analysis) failure data in analysis of incident frequency.
The proposed improvement plans for risk management were classified with 4 groups. Firstly a risk criteria understanding and application, effective re-doing of process hazard analysis and use of proper PHA method, RBPS(Risk Based Process Safety) program application, compliance audit etc. were in a risk management system aspect. Secondly actions for recommendations of qualitative and quantitative PHA - process monitoring instrument, operation and maintenance procedure, protection wall with water spray, water curtain, a leak detection and emergency isolation etc. - were in a process safety design(hardware) and facility management procedure improvement aspect. Thirdly conditional modifier consideration for existing LOPA Frequency of Initiating Event, alternative supporting modeling program practice were in a risk estimation methodology aspect. And lastly IT supporting system and knowledge management were in a basic infra management aspect.
This study basis was on petrochemical process, but the results of study(risk management measures) could be applied to the most industry that wanted to get some risk management practices and methods.

#위험관리기준 #정성적 위험성평가 #정량적 위험성평가 #위험도 개선 #화학공장

국문초록 i
제 1 장 서 론
1.1연구배경 1
1.2 관련 연구동향 5
1.3 연구목적 9
1.4 논문의 구성 9
제 2 장 이론적 고찰
2.1 위험관리 및 위험성평가 수행 단계 11
2.2 위험관리기준 12
2.3 위험성평가 우선순위 결정 24
2.4 공장 수명 단계별 위험성 재평가 31
제 3 장 공장 전 생애 위험관리
3.1 위험관리기준 적용 43
3.2 위험성평가 우선순위 결정 50
3.3 위험성평가 준비 56
3.4 Project 수행 단계 HAZOP위험성평가 63
3.5 공장 가동 운영 초기 단계 HAZOP위험성평가 73
3.6 공장 가동 운영 기간 중 K-PSR위험성평가 84
3.7 공장 가동 운영 기간 중 Checklist 위험성평가 95
3.8 정량적 위험성평가 1 (공정 시설 장외영향평가) 104
3.9 정량적 위험성평가 2 (부속 시설 장외영향평가) 117
제 4 장 위험 개선 방안
4.1 위험관리 제도 운용 관점 131
4.2 공학적 공정 안전 설계 및 설비 운영 절차 측면 142
4.3 위험도 산정 프로그램 운용 관점 144
4.4 위험관리 기본 인프라 관리 측면 146
제 5 장 결론 148
ABBREVIATION 151
참고 문헌 154
ABSTRACT 158
감사의 글 161

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