회분식 HAZOP 이탈(deviations) 전파

대상 공정의 전체 task를 charging, reaction, discharge step으로 세분화한 후, 각 step과 연관되어 있는 연속 변수와 불연속 변수를 구분하여 이탈을 전파시키고 각 장치와 조작에 의해 발생 가능한 이탈과 연관된 연속 변수로 이탈을 전파시킨다.

 

 

 

회분식 공정 HAZOP 이탈 전파

 

공정장치의 속성변수

대상공장이 가지고 있는 공정장치들로는 일반적으로 반응기, 증류탑, 열교환기 등과 같이 안전 장치를 제외한 대부분의 단위장치들이 이해 해당되며, vessel, 열교환기, 증류탑 등의 stationary equipment와 pump와 같은 rotating equipment의 두 가지로 구별된다.

공정장치가 공통적으로 가지는 속성변수로는 service-flow, status, failure-mode가 있다.

여기서, service-flow는 공정장치 내부에 흐르는 물질이며, failure-mode는 leak나 rupture와 같이 기계적으로 발생할 수 있는 고장을 의미한다.

Valves와 같은 stationary equipment에서의 status는 밸브의 개/폐 유무를 나타내는 속성변수이다. 반면에 동력을 사용하는 rotating equipment의 status 현재의 공정장치가 작동하고 있는지의 여부를 나타내는 속성변수 이다.

Rotating equipment의 status는 power-on이라는 값이 초기화되어 있다. 이것은 동력을 사용하는 장치들이 정상적인 작동 상태에서 항상 동작하고 있기 때문이다.

공정장치의 하부 객체인 rotating과 stationary equipment는 flow, temperature, pressure 속성변수를 가지게 된다. Tank에 속하는 객체는 위와 같은 기본적 속성 변수 이외에도 level과 같은 속성변수를 가지게 된다.

 

 

유사 연속(pseudo continuity) 이탈 전파

회분식 공정에서 charge step과 discharge step은 장치의 입/출력 포트(port) 통한 장치 사이의 이동만 존재할 뿐, 반응이나 그 외 불연속적인 요소가 존재하지 않으므로 연속 공정에서의 이탈 전파법을 적용할 수 있으므로 이 단계를 유사연속 단계로 정의한다.

Charge/discharge step 내에서는 여러 가지의 물질 line이 존재할 수 있으나 각 물질의 charge/discharge line 내에 존재하는 공정 구성 장치인 valve, pump 등이 서로 유사하여 장치가 중복되는 것을 막기 위해 대표적인 line만 고려한다.

또한 물질의 특성상 운전 중 고온·고압의 위험성, 휘발성, 독성 등의 위험성이 발생할 가능성이 있는 물질의 Charge/Discharge line에 대해서는 물질 특성 library를 이용하여 그 위험성을 평가한다.

 

이탈이 전파되는 매개체에 따라 이탈의 적용여부가 결정되는데 물질 흐름에 영향을 받는 flow rate, level, pressure의 이탈은 물질 수지를 참조하고, 장치들의 접촉면으로 이동하는 열에 의해 영향을 받는 temperature의 이탈은 에너지 수지를 참조한다.

 

유사연속공정에서 각 속성변수의 의미는 다음과 같다.

(1) 공정장치 내의 온도는 열량을 공급하는 유체의 온도에 비례한다.

(2) 유출되는 유체의 온도는 공정장치 내의 온도에 비례하고, 열량을 공급받는 유체의 온도에 비례한다.

(3) 공정장치 내의 level은 유입되는 유체의 유속과 유출되는 유체의 유속의 차에 비례한다.

(4) 유출되는 유체의 유량은 공정장치 내의 level, 압력, 유입되는 유체의 유량에 비례한다.

(5) 공정장치 내의 압력은 level, 온도, 유입 유체의 압력에 비례한다.

(6) 유출되는 유체의 유압은 공정장치 내의 압력과 유입되는 유체의 압력에 비례한다.

 

 

불연속성(discontinuity) 이탈 전파

회분식 공정의 특징인 시간 개념의 불연속성을 고려하여 이탈의 전파를 고려하여야 한다.

(1) Task 수행시 운전자의 오조작

(2) Reactor 주변 보조장치의 고장 및 결함

(3) Charge step과 reaction step 간의 불연속

(4) Reaction step과 discharge step 간의 불연속

 

 

● Task 수행시 운전자의 오조작으로 인한 이탈 전파

Reaction step 내에서의 불연속 변수의 이탈은 task 수행시에 운전자의 오조작으로 발생하는 것으로 시간 개념의 변수와 guideword의 조합으로 표기하며, reaction step내의 주 장치인 반응기 내에서 발생 가능한 변수의 이탈은 table로 정리한 후 이러한 변수의 이탈로부터 다른 공정변수로 전이 가능한 이탈의 형태를 database화 한다.

예를 들어, 고분자 중합공정의 reaction step 내의 필수 task인 agitate에서 오조작으로 인한 이탈의 전파 과정을 보면, 다음과 같다. 여기서, TAi는 agitation을 시작하는 time을 뜻한다.

 

<표 1> agitate에서 오조작으로 인한 이탈의 전파 과정

 

No TAi(Agitating start time)	Less(Early) TAi(Agitating start time)	More(Late) TAi(Agitating start time)
→ 반응기 내 More Temp. 이탈 발생 → 반응기 내 More Press. 이탈 전이 → 반응기 내 생성 물질 More Conc. → More Temp.로 인해 Fire hazard 발생	→ 반응기 내 Less Temp. 이탈 발생 → 반응기 내 Less Press. 이탈 전이 → 반응기 내 생성 물질 Less Conc.	→ 반응기 내 More Temp. 이탈 발생 → 반응기 내 More Press. 이탈 전이 → 반응기 내 생성 물질 More Conc. → More Temp.로 인해 Fire hazard 발생

 

마찬가지로 reaction step 내의 필수 task로는 고온 steam이나 전기로써 유체를 가열시키는 단계인 heating task와 coolant로써 유체를 cooling시키는 단계인 cooling task가 있다. 이와 같은 task의 수행 중에 조작시간과 관계된 오조작으로 인해 reactor 내에서 발생 가능한 공정 변수의 이탈을 발열과 흡열반응에 따라 구분하면 다음 표와 같다.

 

<표 2> Deviation resulted from operator's maloperation

 

 

● Reactor 주변 보조장치의 고장 및 결함에 의한 이탈 전파

Reaction step에서 반응기 내의 반응이 안전하게 수행되고 제품의 생산이 원활하게 되기 위해 반응기 주변에는 여러 보조 장치들이 존재한다. 그런데 이러한 주변 장치들의 기능이 제대로 수행되지 않을 때는 정상 상태로 존재하던 반응기 내의 공정변수들에 이탈이 발생한다.

예를 들어, 보조 장치인 cooling system을 보면 coolant tank, valve, pump 등 다양한 장치들이 존재하는데 만일 이러한 장치 중에서 어느 하나의 장치에 고장이 발생할 경우, 반응기 내의 공정변수에 이탈이 발생한다(그림 1).

 

<그림 1> Equipment malfunction(reaction step).

 

 

● Charge step reaction step 간의 불연속성에 의한 이탈 전파

변수의 이탈 전파는 부가적인 기능을 하는 장치 (cooling unit, heating unit, agitation unit 등)와 관련이 없을 경우, 모든 이탈은 원래의 이탈 그대로 전파된다. 변수의 이탈 전파시 각 변수의 상호 관계에 의해 다음과 같은 추론을 할 수 있다.

 

- → - : 가능

+ → + : 가능

+ → - : 불가능

- → + : 불가능

 

예를 들어, 임의의 장치에 'More Temp.'이란 이탈을 전파시킬 경우, cooling task의 수행을 고려하지 않으면 다음 장치로 'More Temp.'가 그대로 전파된다.

 

 

Charge step과 reaction step 간의 불연속적인 공정 변수 이탈 전파를 위해 장치 중심의 이탈 전파법을 적용하여 charge step의 마지막 장치인 pipe 내의 공정 변수 이탈을 reaction step의 주 장치인 반응기 내의 공정 변수 이탈로 전파시킨다(표 3). 이때 pipe의 여러 공정변수 중에서 Q. T. C만을 고려하고, 반응기는 L. T. P. C만을 고려한다.

 

<표 3> The transition table of the process variable deviation between charge step and reaction step

예를 들어, 반응기로 투입되는 여러 물질 중에서 비교적 고온의 물질이 있는 charge line 내에서 'More Flow rate'란 이탈이 발생할 경우, 반응기 내에는 'More Level'의 이탈이 발생하게 되고 전체 반응물 중에서 고온 물질의 유속이 정상 유속보다 크므로 에너지 수지에 의해 반응기 내에는 'More Temp'의 이탈이 발생하여 반응기 내 온도는 정상 온도보다 높게 될 것이고, 이로 인하여 'More Press'로 이탈이 전이되게 된다.

 

 

● Reaction step discharge step 간의 불연속성에 의한 이탈 전파

앞에서 언급한 charge step과 reaction step 간의 불연속적인 변수의 이탈 전파와 마찬가지로 reaction step에서의 주 장치인 반응기와 관련 있는 공정변수(L, T, P, C) 이탈을 discharge step내의 첫 장치인 pipe와 관련 있는 공정 변수(Q, T, C) 이탈로 전파시킬 수 있으며, 그 관계는 다음 표와 같다.

예를 들어, reaction step에서 반응기내의 'More Temp'의 이탈이 발생할 경우, discharge step의 첫 장치인 pipe 내 생성물의 온도는 'MoreTemp.'란 이탈이 발생하게 된다.

 

<표 4> The transition table of the process 

 

Reference : 노미영 등, 회분식 공정의 HAZOP 분석 자동화를 위한 지식기반구조 및 알고리즘(HWAHAK KONGHAK Vol. 39, No. 3, June, 2001, pp. 292-299)