화학공장의 안전설계

본 내용은 CHEMICAL INDUSTRY and TECHNOLOGY Vol. 4(1986)에 수록된 배동렬 님의 귀중한 자료(화학공장의 안전설계)로서 화공설계에 도움이 되어 공유하고자 한다.

 

 

 

화학공장의 안전설계

 

모든 공장은 운전시 불의의 사고를 최소화기 위한 안전시설을 갖추어야 한다. 여러 가지 안전설비 중 화재 및 불의의 조업 중단에 의해 발생한 압력에 의한 폭발 및 화재를 최소화하는 데 있어서 화학공장을 중심으로 안전설계 시 고려할 기본 원칙, 장치별 안전장치 등에 대해 기술코져 한다. 

 

기본 원칙 

안전설계시에는 위험의 정도를 공정에서 취급하고 물질에 대해 각각 평가하여야 한다.

예를 들면 탄화수소의 경우 RVP가 15 PSIA 이상인 경질 탄화수소와 15 PSIA 미만인 중질 탄화수소로 구분한다. 이 기준점은 대기압 하에 비등하여 화재 및 폭발의 가능성이 크기 때문이다.

 

안전시설을 하는 데 있어서 모든 가능한 우발적인 사고가 동시에 발생하는 것에 대비한 설계는 경제성을 감안하여 설계하지 않는 것이 일반적이다. 

모든 비상상태는 하나의 특정한 원인에 의해 발생되지만 두개 이상의 우발적인 사고가 동시에 발생할 것으로는 생각하지 않는다. 예를 들면 자동제어 밸브와 냉각수가 동시에 기능이 마비되는 경우의 우발적인 사고는 안전설계에 반영하지 않는다. 

 단위공정 및 장치는 각각 별도로 검토되어야 하며 또한 모든 우발적인 사고도 면밀히 검토되어야 한다. 단위공정에 대한 안전설비는 하나의 우발적인 사고에서 발생되는 최대 부하를 처리할 수 있도록 설계되어야 한다.  2개 이상의 단위공정에서도 가장 큰 부하를 기준하여 안전시설을 설계하는 것을 원칙으로 한다.  

 

 

일반적으로 우발사고는 화재와 운전 중단의 2개 범주로 구분하며 운전 중단은 Utility 중단, 기계고장 및 운전미숙 등이 포함된다. 화재대상의 단일 지역은 소방기구 및 소방원이 접근할 수 있는 지역의 기기 장치가 모여 있는 하나의 지역으로서 정의하고 있다. 

Utility 시설이 신빙성 있게 설계되어 있는 경우 Utility 시설 전체가 동시에 중단되는 경우는 거의 발생하지 않음으로 안전시설을 전체 Utility 시설의 중단에 대비한 설계는 하지 않는 것이 일반적이다. 그러나 단위공정이나 Utility 시설에 미비한 점이 있는 소형의 공장에 대해서는 각 Utility 시설에 대한 세심한 검토가 요망되며 또한 Utility 간의 상호 연관성도  면밀히 검토해야 한다.

Utility에서의 우발적인 사고는 아래와 같은 경우에 발생하므로 이를 주의 깊게 검토하여 조업에 차질이 없도록 하여야 한다. 

 1) 전력 

전력공급에는 전력 공급원과 전력공급 시설을 검토하여 운전에 차질이 없도록 해야 한다. 그러나 전원 공급 시설이 잘되어 있더라도 단위공정에 대한 전원 중단에 대비한 시설은 갖추어야 한다. 또한 특수 계기의 연속적인 작동에 대비한 별도의 전원 공급도 필요에 따라 갖추어야 한다. 

2) 냉각수 

냉각수 공급 중단의 기준은 공장내 Main Header로부터 Branch Line을 가지고 있을 때 하나의 Branch Line 만이 중단되는 것으로 간주한다. Utility 시설이 잘되어 있는 공장에서의 Main Header로부터 냉각수 공급 중단은 고려하지 않는 것을 원칙으로 한다. 따라서 Branch Line에 연결된 단위공정에 대한 냉각수 공급 중단만을 고려한다. 

3) 증기 

증기 공급도 Main Header에서 Branch Line으로 공급되는 경우 냉각수 공급과 유사하다.

4) 계기용 압축공기 

계기용 압축공기의 중단으로 인한 우발적인 사고는 가능한 최소화 하도록 설계되어야 한다. 압축 공기의 공급도 증기나 냉각수 공급과 유사한 차원에서 검토하여야 한다. 

5) 연료 

연료 공급원이 하나일 경우 연료공급 중단의 가능성을 면밀히 검토해야 한다. 

6) 운전원의 실수 

안전시설을 설계하는데 밸브 작동등의 미숙한 운전에 대비해야 한다. 

7) 기계적 고장 

제어밸브, 펌프 및 배관등의 고장 등을고려해야 한다. 

 

 

장치별 안전장치 

화학공장에서 많이 사용되고 있는 압력용기, 열교환기, 펌프, Compressor, Fired Heater 등에 대한 안전밸브 설치 개념을 요약하면 아래와 같다. 

1) 압력용기 (Tower, Drum, Spheres) 

화재, 운전미숙 또는 기계적 고장 등에 의한 각종 저장 용기류 및 탑등에 발생한 과잉 압력은 설계 압력보다 10~20% 정도를 초과하지 않도록 각 장치류에 안전밸브를 설치해야 한다. 단, 아래와 같은 경우에는 각각의 장치류에 안전밸브를 설치하지 않아도 된다. 

 (1) 저장용기가 Block Valve 없이 배관으로 연결되고 연결된 배관으로 발생된 유체를 충분히 처리할 수 있고 배관을 막을 만한 물질이 없을 경우 연결된 2개 이상의 용기를 단일 용기로 간주하여 안전밸브 배출 용량을 계산한다. 저장 용기류 사이의 배관에 설치된 Car Sealed Open (CSO) Block Valve는 한 개의 단일 용기로 간주한다. 부주의로 CSO 밸브를 닫았을 때 이 용기의 설계 압력보다 50% 이상 압력이 상승하는 경우에는 일반적으로 CSO 밸브를 설계하지  않는다. 

 (2) 저장용기 및 탑의 직경이 2 ft 이하인 경우에는 화재를 대비한 안전밸브는 설치하지 않는 것을 원칙으로 한다..  

 (3) 연료가스 Knockout Drum과 같이 액상이 아닌 가스상태의 저장용기에는 화재에 대비한 안전밸브를 설치 않는데 이는 과열에 의해 용기가 파손되기 때문이다. 

 (4) 가압하의 증류탑 등의 Tower 경우에는 다음 사항을 만족하는 조건하에 Tower 자체에 안전밸브를 설치하는 것이 바람직하다. 

 (가) Drum 설계 압력이 최소한 Tower 안전밸브 Setting 압력과 동일해야 한다.

 (나) Condenser 출구가 정상운전 시의 Drum의 액면보다 낮은 Submerged Conderser의경우 Drum 부근에 화재가 발생하면 Drum 내의 액이 Tower 쪽으로 이동하여 Tower 안전밸브에서 배출하게 된다. 단 Drum 내의 압력이 Drum 설계 압력보다 20% 이상 형성되면 Drum과 Tower에 각각 안전밸브를 설치해야 한다. 

(다) Condenser 의 탄화수소 유체측에 밸브를 설치할 경우에는 Car Sealed Open Valve로 해야 한다.  

 

 

2) 열교환기 

 (1) 고압측의 압력이 저압측보다 1.5배 고압이거나 고압측 관의 파열 시 배출된 물질을 저압측 배관으로 감당할 수 없을 경우에는 저압측에  안전밸브를 설치해야 한다. 

 (2) 내부 플랜지가 없는 이중판 열교환기에는 안전밸브가 필요없다. 압력차가 클 경우에는 별도 고려해야 한다. 

 (3) 안전밸브를 설치하는 측의 정상적인 유량을 방출할 수 있는 용량의 안전밸브를 선정해야 한다

3) 펌프 

Reciprocating 또는 Rotary Pump 등에는 일반적으로 펌프 보호장치가 필요하며 용량은 펌프의 용량과 동일하게 설계한다. 한편 원심펌프는 보호장치가 필요 없다. 원심펌프 Casing의 설계 압력은 흡입측의 최고 압력에 최고 압력차를 더한 압력으로 하는데 최고 압력차는 정상 압력 차의 120% 정도로 한다. 

증기 구동 Reciprocating Pump의 설계 압력을 공정의 최고 압력으로 하면 안전밸브를 설치할 필요가 없다. 펌프자체 및 펌프 배출측의 장치를 보호하기 위한 안전밸브의 Set Pressure는 정상 운전 시의 펌프 배출 압력보다 25 PSI 높게 설정한다. 펌프의 안전밸브에서의 방출은 보통 밀폐계로 하는데 경우에 따라서는 흡입측의 배관 또는 흡입측의 용기로 안전밸브의 유체를 배출하는 경우가 있다. 

4) Fired Heater 

일반적으로 안전밸브를 설치 않는 것을 원칙으로 하고 있다. 단 제어밸브, Block- Valve 또는 기타 Block Pressure 장치가 출구측에 설치되어 있을 경우에는 안전밸브가 필요하다. 안전밸브는 Furnace 출구의 정상 유량 및 온도에서 정한다. 그러나 다음의 경우에는 Furnace 입구측에 안전밸브를 설치해야 한다. 

 (1) 원료의 일부 또는 전부가 액체일때 

 (2) 안전밸브를 출구에 설치하여 안전밸브의 입구를 막을 경우 

 (3) 안전밸브 입구를 깨끗하게 유지하기 위한 증기 또는 기타 Purge를 하지 않는 경우

Multipass Furnace의 경우 모든 Pass 가 안전밸브와 연결되어 작동되도록 한다. 안전밸브를 입구측에 설치할 때는 펌프의 Shutoff Pressure, 정상온도 및 유량으로 안전밸브의 사양을 결정한다. 

 

 

5) Compressor 

Surge 압력이 배출측의 배관, 기기장치 및 Compressor Casing의 경제적인 압력보다 클 때는 모든 Reciprocating 및 Centrifugal Compressor에 안전밸브를 설치해야 한다. 

Centrifugal Compressor의 Casing 설계압력은 안전밸브를 사용하여 낮게 하는 것이 보다 바람직하며 Reciprocating Compressor는 중간단 및 배출측에 안전밸브를 설치해야 한다. 안전밸브의 Setting은 배출 설계 압력보다 25 PSI  또는 배출 설계 압력의 10% 중 높은 압력차만큼 초과토록 설계해야 한다.  

단, Air Compressor는 예외로 한다. 

안전밸브에서의 배출은 Compressor 흡입측에 연결하지 않고 안전지역 또는 Flare에 연결한다.  안전밸브의 용량은 비상시 Compressor 용량과 동일하도록 한다. Centrifugal Compressor는 특히 고압 운전 시에 Surge에 의해 파손될 가능성이 많으므로 비상시에 Surge를 피하도록  설계해야 한다. 

 

 

공정 배출물 처리 

 LPG 와 같은 경질유분을 처리하는 공정에서의 액상 Blowdown 시설은 안전운전에 필요 없을 것으로 판단되며 그 대신 기체 상태의 유분을  연소하기 위한 Flare 전에 Blowdown Drum올  설치하면 된다.  모든 액상 유체는 정상적인 공정 배관에 따라  펌프로 이송한다. 비상 조업 중단 시 잔존 유체가  응축하는 경우에는 비상시에도 운전이 가능한 별도의 배출시설을 갖추어야 한다. 

 펌프, 열교환기, 연료가스 Knockout Drum, 배관 등에서의 모든 경질유분 (LPG 등)의 Drain은 Closed Drain System에 연결하는 것이 가장 안전한 방법이지만 Drain System의 복잡성, 경제성을 고려하여 Open Drain System을 사용하는 것도 바람직하다.

Drain System을 선정하는데 아래와 같은 사항을 고려해야 한다. 

 (1) 부탄보다 가벼운 탄화수소 또는 이의 Flash Point 보다 높은 다른 액체는 일반적으로 Open Drain을 해서는 안된다.

 (2) 1회 배출량

 (3) 배출 회수 

 (4) 환경오염 

 (5) 정상 운전시 일부 기기 장치의 조업 중단에 대한 융통성 

수분을 함유한 배출유체를 0°C이하에서 Drain 시킬 때는 별도 배출시설을 갖추는 것이 보다 경제적이다. 또한 유체가 냉각되었을 경우 응축하는 것에 대한 대비 방안을 항상 고려해야 한다. 

 

 

Emergency Drums 

안전밸브에서의 배출물 및 장치 배출물을 수집하거나 또는 액의 Carryover를 방지하기 위한 Drum을 갖추어야 한다. 이와 같은 Blowdown Drum은 상온 대기압 하에서 비응축성 가스와 응축성 유체의 2가지 형으로 나누어 설계하여 사용하고 있다. 비응축성 가스의 Blowdown Drum은 Closed System에 연결된 안전밸브로부터의 배출되는 기체와 Drain Header로부터의 액체를 처리하는 데 사용한다. 

경제적으로 하나의 Blowdown Drum을 2개 이상 공정에 공통으로 연결 사용할 수 있다. 

그러나 Drum을 정비할 때는 이와 연결된 모든 공정이 동시에 조업 중단이 될 가능성도 있다. 가연성 물질을 취급하는 Drum은 화재 발생 가능성이 적은 공장 내 한 구석에 설치하는 것이 보다 바람직하다. 

응축성 유체를 처리하는 Blowdown Drum은 아래와 같은 기준을 참고하여 설계한다. 

 1) Drum의 최대 처리용량은 공정 중 가장 큰  용량의 단일 장치의 안전밸브에서 발생하는 양으로 한다. 

 2) Drum의 운전압력은 특별한 제한 사항이 없는 한 1~2 PSIG로 한다. 

 3) 배출 Stack은 Flare Header에 연결하거나 또는 50 Ft 높이 이내 있는 구조물의 최상부로부터 10 Ft 이상 높이에서 대기로 방출해야 한다. 대기로 방출할 경우에는 진화용 증기 공급  시설을 갖추어야 한다. 배출 Stack 높이는 지면으로부터 50 Ft 이상으로 하고 설계압력은 50 PSIG로 한다.

 4) 가스와 액체의 배출온도가 150°F 이하가 되도록 냉각수를 Drum 입구 파이프에 공급해야 한다.

 5) 최대 운전압력의 175% 또한 압력두 10 Ft 중 높은 압력에 해당하는 Seal Height를 액면에 주도록 설계해야 한다. 또한 Drum과 Vent 간의 수두차가 2”~4” 되도록 배관을 설계한다. 

 

 

유분가스 분리조

 하수에 가연성 물질이 있으면 위험하므로 하수구에 배출하기 전 가연성 물질을 제거하기 위한 Drum을 설치해야 한다. 

다음 2조건의 경우에 Cooler와 Condenser의 냉각수 및 System Preheater와 Reboiler의 응축수를 유분 가스 분리조에서 처리한다. 

 1) Cooler와 Condenser 의 경우 탄화수소가 경질분 (Light Ends) 이어야 하고 Steam Preheater와 Reboiler의 경우 증기 응축수 온도에서 탄화수소 증기압이 15 PSIA 이상인 경우

 2) 배출수 또는 증기응축수의 증기압보다 탄화수소 증기압이 클 경우

방폭형 Motor를 갖춘 Induced Draft Cooling Tower로 구성된 Recirculating Cooling Water System과 1~3 PSIG 압력 하에 운전되는 Over-Head Condenser의 경우는 예외로 한다. 경질유분 (Light Ends)보다 무거운 중질유를 처리하는 장치에서 배출되는 하수는 유수분리조를 사용하지 않고 직접 하수구로 배출시킨다. 

 1) 용량은 유수분리 조에 정상적인 유량으로하는 것을 원칙으로 한다. 

 2) 설계압력은 50 PSIG 정도로 한다.

 3) 출구관은 Drum에 수두 10 Ft 또는 최고 Drum Back Pressure의 175 %에 해당하는 Seal Height를 액면에 주어야 한다.

 

 

맺음말

화학공장의 안전시설에 대한 설계시 고려할 기본 개념에 대해 기술하였다. 안전설계는 이와 같은 기본 개념에 부합되도록 가장 경제적이고 안전사고를 최소화하는 차원에서 설계해야 한다.

기본적으로 완벽한 안전설계는 기술적인 면과 운전기술 및 경제적인 면에서 실제 공장 설계 시 거의 불가능할 것으로 판단된다.

또한 안전설계시에는 국내외에 각종 규정 법규에 부합되는 설계를 해야 한다. 

 

Reference : 

1. DEC Safety Facility Guideline

2. Ludwig, E. E., Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants 2nd Ed.Vol. 1, Chapter 7, 1977.