수전해 설비에 대한 비상정지상황 발생 요인 도출

2.1 알칼라인 수전해 설비

본 연구의 대상인 알칼라인 수전해 장치는 전해액으로 고농도의 수산화칼륨(KOH)을 사용하여 물을 전기분해한다. 물이 알칼리성일 때 전기분해가 일어나도록 물에 이온이 존재하고, 전극은 다이어프램으로 분리되어 생성된 가스를 분리하며 수산화물 이온을 한 전극에서 다른 전극으로 전달한다. 이때 전해액으로 사용되는 KOH는 강염기이며 분산 시 부유 입자가 빠르게 유해 농도에 도달할 수 있다. 또한 눈, 피부 그리고 기도에 부식성이 있으며 피부에 반복적 또는 장기간 접촉할 경우 피부염을 유발할 수 있는 부식성 물질이다⁵⁾.

2.2 HAZOP study

HAZOP은 사람, 장비 또는 환경에 대한 위험 및 운영 효율성에 영향을 미칠 수 있는 운전 중 문제점을 찾아 그 원인을 제거하고 예방하는 위험성 평가 기법이다. 초기에는 복잡한 화학 공정 시스템을 분석하기 위해 개발되었지만 다양하고 복잡한 시스템 및 작업으로 확장되고 있다. HAZOP은 공정상 존재하는 위험성만을 찾는 것이 아닌 효율을 저하시킬 수 있는 원인들도 찾기 때문에 구체적인 위험성 평가가 가능하다. 이를 위해 다양한 분야에서 많은 경험이 있는 전문가들이 모여 난상토론을 실시하며 가이드워드와 파라미터를 적절히 조합하여 체계적으로 시스템을 분석한다.

2.3 KGS CODE AH271

비상정지는 잠재적인 안전, 보건상의 발생 가능한 비상사태에 대비하고 사고 발생 시 신속하고 능동적으로 대처하여 인적, 재산적 손실을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 현재 KGS CODE AH271에는 비상정지제어 항목에 하나라도 해당이 된다면 비상정지제어 기능이 작동해야 한다고 명시되어 있다⁶⁾. 비상정지제어 항목은 다음과 같다.

1) 셀, 스택의 공급 전압에 이상이 생겼을 경우, 2) 셀, 스택의 온도가 현저하게 상승하였을 경우, 3) 셀, 스택에 과전류가 생겼을 경우, 4) 셀, 스택에 안전성능 변화를 유발하는 차압이 발생한 경우, 5) 수용액 수위가 현저하게 높거나 낮은 경우, 6) 물, 수용액 유량이 현저하게 낮은 경우, 7) 외함 내 수소 농도가 1%를 초과할 때, 8) 발생 수소 중 산소 농도가 3%를 초과할 때, 9) 발생 산소 중 수소 농도가 2%를 초과할 때, 10) 수용액, 산소, 수소가 통하는 부분의 압력이 현저하게 상승하였을 때, 11) 수전해 설비 안의 환기 장치에 이상이 생겼을 때, 12) 수전해 설비 안의 온도가 현저하게 상승 또는 저하될 때, 13) 수소 정제 장치에서 공급 가스의 압력, 온도, 조성 또는 유량이 경보 기준 수치를 초과할 때, 14) 수소 정제 장치에서 프로세스 제어 밸브가 작동 중에 장애를 일으킬 때, 15) 수소 정제 장치에 전원 공급이 차단될 때, 16) 수소 정제 장치에서 압력용기 등의 압력 및 온도가 허용 최대 설정치를 초과할 때.

3.1 위험성 평가

Fig. 1에 수전해 장치의 process flow diagram (PFD)을 나타냈다. 위험성 평가는 Fig. 1의 설비를 대상으로 HAZOP을 수행하였으며, Table 1과 같이 총 5개의 노드로 구분하여 평가를 진행하였다.

Fig. 1.

Process diagram of alkaline water electrolyzer

Table 1.

Node division of water electrolysis

Node 1은 reverse osmosis (Ro) 공급부로 Ro 제조기에서 city water를 정제 후 초순수 pump를 통해 공급한다. 주요 설비로는 Ro 제조기, Ro 저장탱크, Ro 펌프 등이 있다.

Node 2는 전해액 순환 공정부로 H₂/O₂ 기액 분리기의 전해액을 열교환기를 통하여 승온 후 KOH 필터를 거쳐 전해조로 공급되며 H₂와 O₂를 생산한다. 주요 설비로는 H₂/O₂ 기액 분리기, 열교환기, KOH 필터, 전해조 등이 있다.

Node 3은 수소 생산 공급부로 H₂ 기액 분리기에서 공급받은 수소를 열교환기, 기액 분리 콘덴서를 통과하고 수소 정제부로 공급된다. 주요 설비로는 H₂ 기액 분리기, 열교환기, 콘덴서 등이 있다.

Node 4는 산소 라인으로 O₂ 기액 분리기로부터 공급받은 산소를 열교환기, 기액 분리 콘덴서를 통과하며 감압을 한 뒤 공급한다. 주요 설비로는 O₂ 기액 분리기, 열교환기, 콘덴서 등이 있다.

Node 5는 질소 라인으로 H₂/O₂ 기액 분리기 내부 퍼징을 위해 봄베에 저장되어 있는 질소를 레귤레이터를 지나 공급한다. 주요 설비로는 질보 봄베, 레귤레이터 등이 있다.

HAZOP 결과 총 147개의 유해 위험 요인이 도출되었으며, 위험등급 4, 5등급은 도출되지 않았다(Fig. 2). 위험 및 운전상에 대한 위험등급 중 3등급 이상은 5개(3%)가 나왔으며 알칼라인 수전해 설비 특성상 대부분이 전해액인 KOH 누출 및 수소 누출에 관련한 사항이었다. 위험등급 3등급은 조건부 위험 작업을 수용으로 위험 감소 활동이 필요하다. 위험등급 1, 2등급은 위험 작업 수용으로 현 상태로 작업을 계속할 수 있다.

Fig. 2.

Risk level by node

발견된 위험 요인에 따른 개선 권고 사항은 Fig. 3과 같이 총 39개 도출되었다. 유해 위험 요인은 주로 수소와 KOH와 관련된 node 2, 3에서 도출되었다.

Fig. 3.

Recommendation by node

3.2 비상정지상황 도출

KGS CODE AH271에서는 각 장치 설비별로 일반적인 상황에서의 비상정지상황에 관한 내용 및 방안이 마련되어 있지 않다. 따라서 Table 2의 risk matrix를 기반으로 HAZOP 분석을 통하여 비상정지상황들을 도출하여 Table 3에 나타냈다. 분석 결과 노드별 주요 비상정지상황 발생 요인은 다음과 같다.

Table 2.

Risk matrix

Table 3.

Emergency stop situation by node

Node 1인 Ro 공급부에서는 Ro의 공급 불량 및 완전한 불순물 정제 실패 등으로 인한 시스템 내 설비 손상 등이 도출되었다. 또한 화재 폭발이 가능한 상황도 도출되었다.

Node 2인 전해액 순환 공정부를 보면 전해액이 유독 물질로 분류되어 있는 KOH이다. 피부 부식성, 경구 급성 독성의 유해성을 가지고 있어 누출로 인한 인명 피해가 우려되며, 전해조 전압 상승 및 효율 저하 등이 도출되었다.

Node 3인 수소 생산 공급부에서는 실질적으로 수소가 생산되기 때문에 수소 누출 및 수소 품질 저하와 관련된 사항들이 도출되었다. 수소 품질 저하의 원인으로는 수분 유입, 충분한 열교환 실패로 온도 상승 및 부피 팽창 등이 도출되었다. 수소 누출의 경우 설비 파손 및 밸브/배관 연결부 leak, 방출 라인 자동밸브 닫힘 실패 등이 도출되었다.

Node 4인 산소 라인에서는 외부 화재로 인한 시스템 파손 및 화재 폭발, 칠러 작동 불량으로 인한 열교환기 냉각 실패로 전해조 내구성 저하 등이 도출되었다.

Node 5인 질소 라인에서는 외부 화재로 인한 시스템 파손 및 화재 폭발, 공압 air 유입으로 인해 수소 기액 분리기 내 공기 유입으로 폭발 가능성 등이 도출되었다.

HAZOP 분석 결과 비상정지상황은 31개가 도출되었으며 Fig. 4와 같이 노드별로 구분하였다. 도출한 비상정지상황들을 일반 사항, 전해액(KOH) 관련 사항, 화재 및 폭발 관련 사항, 수소 누출 관련 사항으로 분류하여 Fig. 5와 같이 정리하였다.

Fig. 4.

Emergency situation by node

Fig. 5.

Emergency situation by characteristic