HIPS 개요

기계적 과압방지장치의 대안으로 HIPS (High Integrity Protection System)방법이 제시되고 있으며 계기의 신뢰도를 높여 과압의 원인을 사전에 차단함으로써 과압이 발생하지 않도록 하는 개념으로 발전하고 있는데 그 내용을 고유하고자 한다. (확률론적 위험성평가와 마찬가지로 천영우교수님 논문의 내용을 기초로 하고 있음)

 

 

 

HIPS (High Integrity Protection System) 개요

전통적인 시스템 또는 Pressure Vessel에서 과압(Over Pressure)을 방지하기 위한 방법은 기계적인 장치로 Pressure Safety Valve 또는 Rupture Disk가 사용되고 있으며 최근에도 과압 방지 장치로 반드시 설치가 되어야 하는 기기로 인식이 되고 있다.

최근 이러한 과압을 방지하는 위한 방법으로 HIPS (High Integrity Protection System)이 또 다른 대안으로 제시되고 있으며 계기의 신뢰도를 높여 과압의 원인을 사전에 차단함으로써 과압이 발생하지 않도록 하는 개념으로 발전하고 있으며, 국제적인 표준인 ANSI/APIStandard 521(5th Edition, Jan. 2007)에서도 간략하게 언급이 되고 있다.

 

HIPS vs. HIPPS

 

HIPS : 높은 신뢰도의 Shutdown protection system을 통칭하나, 최근엔 주로 육상(On-shore) project의 New/Revamping project의 Flare load 절감을 위한 하나의 방안으로 worldwide acceptable technology로 사용되어 옴

 

HIPPS(High Integrity Pressure Protection System) : 주로 해양(Off-shore) project에서 초고압 pressure source로 부터 경제성을 위해 상대적으로 저압으로 pressure rating한 riser/flowline/cluster/manifold/separator 등을 보호하기 위해 적용함(초고압 service에서 작동해야 하므로 유압으로 구동하는 system이 적용 되어짐)

 

 

HIPS (HIPPS)사용 목적

 

하지만 과압을 방지하는 계장시스템을 도입 할 때는 반드시 기계적인 안전장치 보다 신뢰성이 높은 장치를 도입하여야 함을 강조하고 있으며 HIPS를 기본적으로 사용될 수 있는 원리로

1) 설계단계에서 과압이 발생될 수 있는 시나리오를 제거하는 목적

2) 일부 안전변 (PSV)의 제거가 필요할 경우 안전변을 제거하고자 하는 목적

3) 안전변이 효율적이지 못할 경우 과압을 방지하기 위한 목적

4) 시스템에서 여러 안전변이 설치되어 있을 경우 안전변이 동시에 작동하지 못하도록 방지하여 배출시스템의 용량을 감소하기 위한 목적

5)위험을 감소하기 위하여 안전변에서 배출되는 용량을 감소하기 위한 목적으로

사용될 수 있음을 언급하고 있으며 HIPS를 적용하였을 경우 가장 큰 이점으로 경제적인 이득이 큰 면을 부각하고 있다.

 

HIPS (HIPPS)적용 근거 및 사례

 

또한 HIPS(HIPPS)의 적용 근거로서 일정 조건하에서 과압을 기계적인 안전장치를 대신하여 시스템 디자인에 의한 과압 방호장치를 인정하고 있는 1995/1996년 ASME Section VIII에 대한 Code Case2211-1에서 승인된 내용을 근거로 하고 있으며, ISA S84.01과 IEC 61508/61511을 근거로 하여 조심스럽게 언급하고 있다.

 

결국 HIPS(HIPPS)를 이용하여 시스템을 설계하는 데 있어서 계기에 의한 방호 시스템을 기계적인 방호시스템을 대신할 수 있을 것인가 하는 문제가 가장 큰 핵심이라고 할 수 있다.

 

 

● 배관의 HIPPS 적용 사례

 

HIPPS의 개념을 적용하여 최근 중동지역에 설치되고 있는 대형 가스 플랜트의 경우 고압의 가스 Well에서 생산되는 가스를 고려하여 플랜트를 설계하게 될 경우 물리적으로 불가능하거나 플랜트 전체의 설계압력이 상승하게 되어 경제성이 떨어짐에 따라 경제적인 설계를 위하여 Gas Well에서 육상으로 이송되는 Pipe Line에 HIPS를 적용하고 설계가 이루어지고 있다.

Pipe Line을 이용하여 고압의 가스 및 일부 Condensate를 이송하여 육상에서 가스를 처리하는 시설이 대규모로 개발되고 있으며 긴 Pipe Line의 압력이 급격히 상승하게 될 경우 육상 설비의 설계압력을 충분히 높혀 설비를 설계하게 될 경우 경제성이 떨어지게 되는 문제점을 가지고 있다.

이런 경우 Pipe Line까지만 가스정에서 발생되는 압력 및 긴 배관에서 발생하는 압력을 고려하여 설계를 하고 육상 설비에 대해서는 과압이 발생하였을 경우 압력을 해소 할 수 있는 기계적인 안전장치인 안전밸브를 설치하여 설비투자의 경제성을 높이는 방법으로 설계를 하게 되는데 고압의 가스배관에서 배출되는 가스의 양이 많은 경우에는 물리적으로 배출시설을 설치하지 못하는 경우가 발생 할 수도 있다.

<그림 1> 전형적인 가스 배관의 HIPPS 설치 사례

 

이럴 경우 압력이 상승하게 될 경우 사전에 압력을 차단하여 설비에 영향을 미치지 않도록 HIPPS를 적용하여 상기와 같이 설비의 시스템을 구축하고 있는 것이 현재 대규모 플랜트에서 적용 사례이다.

 

 

● 증류탑의 HIPS 적용 사례

 

일반적으로 석유화학공장에서 Flare Load에 가장 크게 영향을 미치는 설비가 증류탑이라 할 수 있다.국내의 석유화학공장의 경우 설비의 증설에 따른 Flare Load의 증가로 인하여 기존의 Flare설비의 용량을 초과함에 따라 Flare를 추가로 설치하는 문제가 있어 HIPS를 적용하고 있는 실정이다.

 

증류탑에서 과압 발생 시나리오는 아래와 같이 매우 다양하며 전력공급 계통,설비의 이격거리 및 설치위치,열공급 설비 및 냉각설비의 구체적인 사양 등에 따라 다양하게 구성 될 수 있다.

 

다음은 국내에서 KOSHA가 인정하는 HIPS 요구사항 사례이다.

 

<그림 2> 전형적인 증류 시스템

 

1. 신뢰성 확보를 위한 기준 준수

1) 일반제어시스템과 SIS시스템 분리의 적정성

- H/W, S/W 분리

- 전원공급방법 분리

- Sensor, TR, Alarm, 계기 배관 분리

2) SIS 시스템 Bypass 설치 유무

- C/R에 Master Bypass가 설치되어 있으면 안됨

- Bypass 절차를 명확히 규정

 

2. The prerequisite for SIL3(SIL3 만족조건)

1) Sensor(감지부): 2 out of 3 voting 사용

2) Logic solver(제어부): PLC를 사요하며 DCS와 별도 분리

- PLC는 자기진단기능을 갖추어야 됨

3) Final element(조작부): 현재 Valve의 수준으로 redundancy가 되어야 함 (기본 2개)

- Full stroke test 또는 Partial stroke test를 실시

(신규설비의 경우 Partial stroke test 기기 부착)

- Full stroke test를 위한 구체적인 Test procedure 준비

 

Reference : 1. 천영우, 고신뢰도의 계장시스템을 이용한 플레어 용량 감소에 관한 연구

               2. Jin Hyung Park, "The Design Improvement of High Integrity Protection System “, Journal of Mechanics Engineering and Automation 5 (2015)