Surging의 HAZOP 연관성 분석

HAZOP(Hazard and Operability, 위험 및 운전성) 분석에서 서징(Surging)은 주로 회전 기기인 원심 압축기(Centrifugal Compressor)나 펌프에서 발생하는 불안정한 유동 현상을 다룬다.

 

 

 

Surging의 HAZOP 연관성 분석

서징(Surging)의 정의 및 이탈(Deviation)

서징은 기기의 배출 유량이 특정 임계치 이하로 감소하여, 토출 측의 압력이 기기가 만들어내는 압력보다 커질 때 유체가 거꾸로 역류하는 현상이다. 이로 인해 유량과 압력이 심하게 요동치며 기기에 막대한 기계적 손상을 준다.

 

• 이탈 (Deviation): 유량 감소 (Low Flow) 또는 압력 상승 (High Pressure)

 

 

원인 (Causes)

HAZOP 분석 시 도출되는 주요 원인은 다음과 같다.

• 흡입측 유량 부족 (Low Inlet Flow): 상류 공정의 이상이나 밸브 오작동으로 인해 기기로 들어오는 유량이 급격히 줄어든 경우.
• 토출측 저항 증가 (High Back Pressure): 후단 공정의 폐쇄, 제어 밸브 고장 등으로 토출측 압력이 급상승하여 유체가 밀려 나가지 못하는 경우.
• 회전수 부족 (Low Speed): 가변 주속 구동기(VSD) 고장 등으로 압축기 회전수가 낮아져 충분한 압력을 형성하지 못할 때.
• 가스 밀도 변화 (Molecular Weight Change): 공정 가스의 조성 변화로 인해 분자량(M)이 설계치보다 가벼워져 압축비가 떨어지는 경우.

 

 

결과 (Consequences)

서징이 발생했을 때 나타나는 공정 및 장치상의 위험은 다음과 같다.

• 기계적 손상 (Mechanical Damage): 유체의 역류와 정류가 반복되면서 임펠러(Impeller)와 축(Shaft)에 강한 진동과 추력(Thrust)이 가해져 베어링과 씰(Seal)이 파손된다.
• 급격한 온도 상승 (High Temperature): 유체가 기기 내에서 반복적으로 압축되면서 열이 축적되어 케이싱 온도가 급격히 상승한다.
• 가스 누출 및 화재: 씰(Seal) 파손 시 내부의 가연성 또는 독성 유체가 외부로 누출되어 2차 사고로 이어진다.

 

 

안전 장치 (Safeguards)

서징을 방지하기 위해 설계에 반영되는 주요 안전 대책은 다음과 같다.

• 서징 방지 시스템 (Anti-surge System): 토출 측 가스를 흡입 측으로 되돌려주는 서징 방지 밸브(Anti-surge Valve, ASV)와 이를 제어하는 로직.
• 최소 유량 제어 (Minimum Flow Control): 기기 전단에 유량 전송기(FT)를 설치하여 유량이 설정치 이하로 떨어지면 자동으로 바이패스(Bypass) 밸브를 개방한다.
• 체크 밸브 (Non-return Valve, NRV): 토출 측 배관에 설치하여 유체의 역류를 물리적으로 차단한다.
• 진동 및 온도 인터록: 축 진동(Vibration)이나 베어링 온도가 기준치를 초과하면 기기를 즉시 정지(Trip)시킨다.

 

 

서징 방지 시스템 (Anti-surge System) vs. 최소 유량 제어 (Minimum Flow Control)

회전 기기 보호에서 중요한 두 시스템은 유체를 우회(Bypass)시킨다는 공통점이 있으나, 목적과 작동 속도, 제어 로직에서 큰 차이를 보인다.

1. 서징 방지 밸브 (Anti-surge Valve, ASV)

ASV는 압축기(Compressor)를 물리적 파손으로부터 보호하기 위한 안전 및 보호(Safety & Protection) 중심의 시스템이다.

• 목적: 압축기가 서징 라인(Surge line)에 도달하여 역류 및 진동이 발생하기 전에, 토출 측 가스를 흡입 측으로 급격히 되돌려 유량을 확보한다.
• 작동 속도: 매우 빠름 (보통 2초 이내 전폐에서 전개). 서징은 눈 깜빡일 사이에 발생하므로 초고속 응답성이 필수적이다.
• 제어 변수: 유량뿐만 아니라 압축비(Pₒᵤₜ / Pᵢₙ), 가스 밀도, 온도 등을 복합적으로 계산하는 서징 방지 컨트롤러(Anti-surge Controller)에 의해 제어된다.
• 특징: 공정 효율보다는 기기 파손 방지가 최우선이므로, 비상 상황 시 즉각적으로 개방(Fail Open)되도록 설계한다.

 

 

2. 최소 유량 제어 (Minimum Flow Control)

최소 유량 제어는 주로 펌프(Pump)나 일반 운전 조건에서 장비의 성능 유지 및 과열 방지(Operation & Performance)를 위한 시스템이다.

• 목적: 기기가 저유량으로 운전될 때 발생하는 과열(Overheating), 소음, 경미한 진동을 방지하여 기기의 수명을 보호하고 안정적인 운전을 유지한다.
• 작동 속도: 보통 (일반적인 제어 밸브 수준). 서징처럼 순식간에 기기가 파괴되는 상황이 아니므로 일반적인 PID 제어 속도로 충분하다.
• 제어 변수: 단순히 토출 측의 유량(Flow)만을 모니터링하여 설정된 최소 유량(Minimum continuous stable flow) 이하일 때 밸브를 연다.
• 특징: 운전 효율을 고려하며, 시스템에 따라 최소 유량 유지 전용 밸브(Minimum Flow Bypass Valve)를 별도로 설치하거나 자동 재순환 밸브(ARC Valve)를 사용하기도 한다.

 

 

 

3. 주요 차이점 요약 (Comparison Table)

구분	서징 방지 시스템 (Anti-surge)	최소 유량 제어 (Min. Flow)
보호 대상	원심/축류 압축기 (Compressor)	원심 펌프 (Pump) 및 일반 기기
핵심 목적	기계적 파손(역류/충격) 방지	과열 방지 및 저유량 운전 안정화
밸브 특성	초고속 응답, 대용량	일반 응답 속도
제어 로직	Surge Curve 추종 (복합 변수)	단순 유량 설정치 (Set-point)
운전 방식	비상 대응 중심	상시 운전 관리 중심

 

 

 

4. 수치 표기 및 분석 적용

• ASV 설정: 압축기의 서징 유량(Ws)이 1.2 * 10⁴ kg/hr라면, ASV는 약 1.3 * 10⁴ kg/hr 지점에서 개방을 시작하도록 마진을 둔다.
• 펌프 최소 유량: 정격 유량이 500 m³/hr인 펌프의 최소 안정 유량은 보통 150 m³/hr 내외로 설정한다.
• 응답 시간: ASV의 스트로크 시간(Stroke time)은 2 s 이하로 제한한다.

 

5. HAZOP 분석 시 시사점

HAZOP에서 이 두 시스템을 검토할 때, "ASV가 일반 제어 밸브(Control Valve)로 잘못 선정되어 응답 속도가 느린 경우"는 심각한 사고 원인(Cause)으로 간주한다.

반면 펌프의 최소 유량 밸브는 응답 속도보다는 "실패 시 위치(Fail position)"가 공정 흐름에 미치는 영향에 집중한다.