본 연구를 위해 가정한 대상은 탱크로리에서 액화수소를 하역하여 저장탱크에 저장하는 공정으로, 시스템의 공정흐름도(process flow diagram, PFD)는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1. 
PFD of Large-scale liquid hydrogen unloading and charging facility

첫 번째 하역공정은 탱크로리에서 액화수소를 하역하여 저장탱크에 저장하는 공정이다. 두 번째 Vapor 리턴공정은 저장탱크 내 Vapor를 회수하는 공정이다. 세 번째 공급공정은 저장탱크에서 발전소로 공급하는 공정이다. 네 번째 재액화 공정은 발생된 BOG (Boil-off Gas)를 재액화하는 공정이다. 다섯 번째 재순환 공정은 냉각 온도 유지를 위한 순환 공정이다.

HAZOP (Hazard and operability)은 공정상 존재하는 위험 요인과 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 운전상의 문제점을 찾아내어 그 원인을 제거하고자 하는 정성적 위험성 평가 방법으로 공정에 초점을 맞춰 그 자체에서 발생 가능한 위험 요인을 발견할 수 있는 위험성 평가 방법이다⁵⁾.

HAZOP은 평가 대상 공정을 여러 개의 검토 구간으로 구분하여 평가를 진행하였다. 각 시나리오의 빈도(Table 1) 및 강도(Table 2) 기준은 평가 참여자들의 논의를 통해 사용하였다. 빈도와 강도를 조합한 Risk matrix는 다음 Table 3과 같다.

HAZOP 수행을 통해 총 128개의 유해위험시나리오를 파악했으며 68개의 개선권고사항을 도출했다. HAZOP에서 도출된 주요 위험 시나리오는 Table 4와 같다.

첫 번째는 하역공정에서 유량이 공정조건보다 적거나 흐르지 않는 경우로 탱크로리 하역라인의 체결이 불량하거나, 연결부 leak가 발생하면 수소 대기누출이 가능하다. 이에 대한 현재안전조치는 가스감지기, 긴급차단장치 등이 있으나, 이 시나리오의 강도는 5등급으로 예상된다. 이에 Leak test 계획 수립, 비상대응매뉴얼 수립, 작업 시 개인보호장구 착용 등과 함께 LOPA에서 시나리오를 추가 검토하도록 하였다.

두 번째는 하역 종료 후 일정 구간에서 액봉현상에 의한 압력 팽창으로 과압 발생 시 배관 및 밸브가 손상될 수 있다. 이에 대해 TSV (temperature safety valve), 압력계 high 알람, 액 드레인(Drain Line) 등의 현재안전조치가 마련되어 있지만, 강도가 5등급으로 예상되므로 LOPA를 추가 검토하도록 하였다.

세 번째는 측정 오류 및 운전원의 조작 실수 또는 펌프 과작동으로 인해 액화수소의 수위가 과도하게 상승 시 과압이 형성되거나 탱크 상부 루프가 손상될 가능성이 있다. 이에 수위계, 수위계 high 알람, 하역 측 자동차단 인터록 등이 현재안전조치로 마련되어 있으나, 구체적 밸브 조작 등을 명시한 운전매뉴얼 수립, 인터록 작동 시 선박 측 안전대응방안 확인 등을 개선권고 하였으며 해당 시나리오의 강도는 4등급이므로 LOPA를 추가 검토하도록 하였다.

네 번째는 공급공정에서 Cooldown 공정이 불충분하게 이뤄지는 경우 BOG가 대량 발생하여 고온이 발생할 수 있다. 이에 TSV, BOG 재액화 설비, PSV (Pressure safety valve) 등이 현재안전조치로 마련되어 있지만, 공급 시 배관 등 온도 확인 후 공급작업을 실시할 수 있도록 작업절차를 수립하도록 권고하였다.

LOPA (Layer of protection analysis)는 원하지 않는 사고의 빈도나 강도를 감소시키는 독립방호계층의 효과성을 평가하는 위험성 평가 방법으로 해당 설비의 사고 시나리오를 대상으로 개시사건 및 빈도를 확인하여 각 개시사건에 적합한 독립방호계층의 사고 완화율을 고려한 위험도를 평가한다⁶⁾.

LOPA는 HAZOP에서 도출된 유해위험시나리오 중 수소 누출 및 탱크파손 등 중대시나리오 7개를 대상으로 실시하였다. LOPA 수행에 사용하기 위해 평가자들이 정한 강도 기준과 TMEL (Target Mitigated Event Likelihood)은 다음 Table 5와 같으며, 본 평가에 사용한 개시사건과 그에 대해 CCPS (Center for Chemical Process Safety)에서 제시한 IEF (Initiating Events Frequency)는 Table 6과 같다.

LOPA를 수행한 중대 위험 시나리오 7개는 다음 Table 7과 같다. 초기사고원인 및 사고빈도는 모두 CCPS에서 제시하는 빈도를 사용하였으며 센서 고장, 인적오류, 펌프 고장 등이다.

첫 번째는 하역호스의 체결 불량으로 액화수소가 대량 누출되어 화재 및 폭발이 발생하는 경우로 강도 5, 치명적, 강도수준 1.00E-06이다. 인적오류로 인해 사고 발생 시 이에 대한 방호계층은 체결 후 leak test, 접근 제한, 개인보호장구 등으로 최종 사고발생빈도는 1.00E-06으로 평가되었다.

두 번째는 액화수소 탱크의 수위 센싱 오류 및 작업자의 확인 실패 시 액화수소 탱크 overflow로 인해 누출, 화재 및 폭발이 발생하는 경우로 강도 5, 치명적, 강도수준 1.00E-06이다. 센싱 오류로 인해 사고 발생 시 이에 대한 방호계층은 수위계 오류 시 알람, PSV, 탱크 외조 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-06으로 평가되었다.

세 번째는 재순환라인 실패로 냉각 실패 시 배관 내 액화수소가 정체되어 BOG가 발생, 배관 및 탱크 내부 과압이 발생하는 경우로 강도 5, 치명적, 강도수준 1.00E-06이다. 펌프 고장으로 인해 사고 발생 시 이에 대한 방호계층은 펌프 2중화, 인터록, TSV 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-05로 평가되어 SIL (Safety integrity level) 1등급의 SIS (Safety instrumented system)가 요구된다.

네 번째는 탱크 내조 파손으로 탱크 내부 과압형성 및 파손되는 경우로 강도 5, 치명적, 강도수준 1.00E-06이다. 탱크 파손으로 인해 사고 발생 시 방호계층은 PSV, 탱크 외조 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-08로 평가되었다.

다섯 번째는 하역 시 BOG 미공급으로 인해 탱크 내부에 부압이 형성 시 탱크 루프가 파손되어 수소가스가 누출되는 경우로 강도 5, 치명적, 강도수준 1.00E-06이다. BOG 공급 실패로 인해 사고 발생 시 방호계층은 압력계 알람, 인터록, PSV 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-05로 평가되어 SIL 1등급의 SIS가 요구되며 추가로 SIS loop 구성을 검토하도록 권고하였다.

여섯 번째는 액화수소 과다충전에 의한 액화수소 넘침에 의해 기체 라인으로 액화수소가 유입되어 배관 아이싱 손상 및 파손되는 경우로 강도 4, 중대함, 강도수준 1.00E-04이다. 유량조절 실패로 인해 사고 발생 시 방호계층은 배관 안전율, 수위계 인터록 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-04로 평가되었으며, 추후 자동화 로직 설계를 검토하도록 하였다.

일곱 번째는 플랜지 이음부 leak로 수소가 소량 대기 누출되는 경우로 강도 4, 중대함, 강도수준 1.00E-04이다. 플랜지 연결부 누출로 인해 사고 발생 시 방호계층은 기밀테스트 등으로 최종 사고 발생빈도는 1.00E-04로 평가되었다.