HAZOP 분석 자동화시스템의 개발에 관한 연구

이병우, 강인구*, 강병관, 윤인섭

서울대학교 화학공학과, LG엔지니어링 공정부*

Development of Expert System for HAZOP Study

Byungwoo Lee, In Koo Kang*, Byunggwan Kang, and En Sup Yoon

Dept. of Chemical Engineering, Seoul National University,

Process Dept., LG Engineering Co., Ltd.*

서론

정유 및 석유 화학 공장에서의 사고의 특징은 개인적인 상해 사고 뿐 아니라 화재, 폭발, 유독 물질 누출 등 중대 사고로 발생할 수 있는 가능성이 높으며, 이는 곧 공장 내에서의 인명 및 경제적 손실 뿐 아니라, 주변지역의 환경 파괴 및 지역 주민에 대한 직접적인 피해로 나타나게 된다. 그러므로 화학 공장에서의 사고를 예방하기 위해서는 잠재적인 사고 가능성 및 위험 요인에 대한 사전 분석 및 체계적인 예방 대책의 수립이 매우 중요하다고 할 수 있다.

현재 위험성 평가 방법론에는 여러 가지가 있으며 이중에서 HAZOP(Hazard and Operability) 분석법이 정성적인 평가 방법 중 가장 체계적이고 논리적인 방법으로 평가받고 있다. 그러나 이러한 HAZOP 분석은 서로 다른 전문지식을 가진 전문가들의 많은 시간과 노력이 요구된다. 여러 인원이 동시에 시간을 내어 또 많은 시간을 투입하여야 한다는 문제와 참여한 엔지니어의 수준 및 주관적인 판단에 따라 그 결과가 차이가 날수 있음으로 인하여 일관적인 평가 결과를 얻기 어렵다는 특성이 있다. 이에 따라 전체적인 평가의 소요 시간을 줄이는 동시에 일관적인 평가 결과를 얻기 위하여 위험성 평가의 자동화가 요구되고 있다.

본 연구에서는 HAZOP 분석 과정을 전문가 시스템의 한 방법론인 규칙 기반 시스템의 경험적 추론 방법을 이용하여 지식 체계를 표현한 후, 사례연구를 통하여 진단을 수행하여 실제 공정에서 적용되었던 경험 중심의 결과와 비교함으로써 본 연구 방법론의 유용성과 타당성을 보이고자 하였다.

위험성 평가 방법

위험성 평가 방법은 화학 공장이나 공정에 잠재하는 위험요소를 파악 및 평가하고, 그 영향을 제거하거나 감쇄시키기 위한 방법론을 의미한다. 현재 많이 이용되고 있는 위험성 평가 방법에는 모두 12가지가 있다.

안전성 관찰(safety review), 체크리스트 분석(checklist analysis), 상대 평가(relative ranking), 예비 위험 분석(PHA; preliminary hazard analysis), 가정 분석(what-if analysis)과 같은 평가 방법은 큰 공정이나 복잡한 공장의 내재한 위험을 대체적으로 평가하는 경우에 효율적이다. 이러한 평가 방법들은 공장 건설을 시작하기 전에 실시함으로써 건설 후 안전성 향상을 위한 추가 비용의 절감을 가져온다.

가정/체크리스트 분석(what-if/checklist analysis), HAZOP(hazard and operability) 분석, 이상 상태 및 영향 분석(FMEA; failure modes and effects analysis) 등은 공정의 설계 단계나 일상의 조업 시에 넓은 범위의 위험을 상세히 분석하는 경우에 매우 유용하다. 여기에서 얻은 결과는 더 자세한 분석 방법의 기초 자료로 이용할 수 있다.

이상 트리 분석(fault tree analysis), 상황 트리 분석(event tree analysis), 원인-결과 분석(cause-consequence analysis), 인간 신뢰도 분석(human reliability analysis)의 방법은 관심의 대상인 특정한 위험 상황에 대하여 매우 자세한 분석이 요구될 경우에만 이용하는 것이 바람직하다. 이것은 위의 방법들이 관련된 특별한 지식 및 기술을 소유한 인원이 필요하며, 상대적으로 개괄적인 다른 방법에 비하여 매우 오랜 시간과 노력을 필요로 하기 때문이다.

다음은 이 연구에서 사용하고 있는 HAZOP 분석과 이상 상태 및 영향 분석에 대한 설명이다.

HAZOP 분석법

HAZOP 분석은 처음에는 새로운 설계나 기술의 평가에 적용되기 위해 이용되기 시작하였으나, 공정의 사용 기간의 모든 과정에서 적용이 가능하다. 이 분석 방법은 다른 배경과 지식을 가지고 있는 여러 전문가들이 개인적으로 작업한 결과를 종합하는 경우보다는 한 곳에 모여서 회의를 통해 창조적이고 체계적인 상호작용을 거치는 것이 더 많은 문제를 발견할 수 있다는 원칙에 기본을 두고 있다. HAZOP 분석은 여러 분야를 담당하는 구성원들이 공정도와 필요에 따라서는 공정 절차(procedure)를 여러 번의 회의를 거치면서, 정상적인 설계 의도에서의 이탈로 인한 영향 및 영향의 중요도를 일정한 방식에 따라 평가하는 방식으로 수행된다.

HAZOP 분석은 공정이나 조업에서 □분석점(study node)□라는 특정한 부분에 촛점을 맞추는 방식으로 수행된다. 각 분석점에서는 미리 정해진 지시어(guide word)에서 유도된 이탈 현상을 검사한다. 지시어의 목적은 공정 변수에서 관련된 모든 잠재적인 이탈 상황을 찾아내는 것이다. 원칙적으로 각각의 지시어는 관련된 공정 변수(process parameter)와 결합하여 적절한 이상으로 구성되어 분석점에 적용된다. 다음은 지시어와 공정 변수를 이용하여 정상 상태로부터의 이탈 상황을 나타내는 예이다.

Guide Words	Parameter	Deviation

NO	+ FLOW	= NO FLOW

MORE	+ PRESSURE	= HIGH PRESSURE

AS WELL AS	+ ONE PHASE	= TWO PHASE

OTHER THAN	+ OPERATION	= MAINTENANCE

일반적으로 HAZOP 평가의 진행 방법은 분석 중인 분석점에서의 모든 이상에서의 해결이 있은 후에 다음 부분의 분석이 수행되는 방식이므로 많은 시간이 필요하게 된다.

이상 상태 및 영향 분석(FMEA: Failure Modes and Effects Analysis)

이상 상태 및 영향 분석은 장치의 고장 및 이 고장이 공정에 미치는 영향을 평가하는 방법이다. 평가 결과는 시스템의 설계를 개선하기 위하여 변경할 부분을 결정하는 기초로 이용될 수 있다. 이상 상태 및 영향 분석은 장치에서 발생 가능한 이상의 결과를 설명하고 이 결과들을 장치의 기계적 고장에만 연관시키는 방식으로 진행된다. 따라서 이 분석 방법은 직선적이고 적용이 용이하다. 각각의 장치에서 발생하는 개별적 이상은 시스템 내에서의 다른 이상과 무관하게 독립적으로 발생하는 현상으로 고려한다. 이때 개별적 이상으로 인한 영향은 제외한다.

이상 상태 및 영향 분석의 장점은 구성 요소 수준에서의 적용이 용이하고, 일반인에 의한 해석이 용이하며, 상대적으로 자세한 분석 방법에 비하여 소요 시간이 적고, 위험한 단일 이상을 빨리 발견할 수 있다는 점이다. 그러나 한 번에 하나의 구성 요소만을 다루기 때문에 구성 요소와 요소 사이, 또는 구성 요소와 시스템 사이에서의 중요한 상호 작용을 발견하지 못할 수 있고, 모든 이상이 구성 요소의 기계적 고장에 의한 것으로만 분석되며, 시스템의 영향을 정량화할 수 있는 기반을 제공할 만큼의 세부 사항까지 다루지 않는다는 단점이 있다. 이러한 이상 상태 및 영향 분석의 결과에 위험도(criticality)를 추가한 것을 이상 상태, 영향 및 위험도 분석(FMECA; failure modes, effects and criticality analysis)이라 한다.

HAZOP 분석법과 이상 상태 및 영향 분석법은 체계적으로 수행할 수 있으며, 공정 설비가 반복적인 사용되고 계층적으로 구조를 가진다는 점도 자동화를 용이하게 한다.

HAxSYM의 구조

전문가 시스템이란 전문적인 영역 지식(domain knowledge)을 이용하여 특정한 분야의 문제에 대한 해결을 하고자 하는 프로그램을 의미한다. 즉 전문가 시스템은 전문가의 지식을 컴퓨터의 환경을 통하여 재구성하고, 구성된 지식 기반을 토대로 하여 추론의 형태를 거쳐 정보를 획득하는 시스템이라고 할 수 있다.

먼저 공정 요소의 이상이 발생하는 경우를 고려하여 분석의 대상 공정 내의 공정 요소의 상태 및 공정 물질 흐름에 미치는 영향을 고려한다. 이 원인-결과의 관계는 일차적으로 이상 상태 및 영향 분석의 결과의 형태로 나타나게 되며, 또한 지식 기반을 탐색하는 기초 자료로서 이용된다. 이상 상태 및 영향 분석에서는 공정의 모든 이상을 기계적 고장만으로 인하여 발생한 것으로 분석하므로, 운전상의 실수 등의 기타 원인들을 포함하는 적절한 공정 지식을 지식 기반에 입력하는 것이 필요하다. 지식 기반의 탐색 결과는 앞에서의 원인-결과의 관계와 함께 HAZOP 분석의 자료로 활용된다.

사고 원인이란 공정 및 단위 장치 중에서 발생할 수 있는 최초의 사건으로서 크게 장치 고장(equipment failure), 인적 오류(human error), 외부 원인(external event)의 세 가지로 분류될 수 있다. 이때 사고 원인을 크게 두 단계로 구분한다.

- 1st cause : 위험성 분석의 주요 판단 기준이 되는 비정상적인 현상

- 2nd cause : 1st cause를 야기시키는 세부적인 장치의 고장 및 비정상 상태

한편 사고 원인으로부터 HAZOP 분석 과정을 거쳐 유도되는 결과는 사고 결과로 정의하며 다음과 같이 2단계로 구분한다.

- 1st consequence : 2nd consequence를 야기시키게 되며, 검토 대상이 되는 주요 결과

- 2nd consequence : 공정 중에서 발생될 수 있는 화재, 폭발, 유독 물질 누출 및 긴급 조업 중지와 같은 주요 재해의 형태

1st consequence와 2nd consequence 사이를 연결하는 사상수 상에서 중간 단계를 차단할 수 있는 각종 안전 장치 혹은 작업자 활동이 있게 되는바, 이들 장치 및 활동으로부터 safety guard의 존재 및 recommendation이 유도될 수 있다.

Equipment와 Stream은 지식 베이스의 확장성을 높이고, 객체 지향적인 프로그래밍을 위하여 프레임(frame) 구조로 구성된다.HAZOP 자동화 시스템 HAxSYM에서는 공정 요소인 Equipment와 공정 요소간의 물질 흐름을 의미하는 Stream이 정의된다. Equipment는 vessel, 열교환기, 증류탑 등의 Stationary Equipment와 펌프와 같은 Rotating Equipment 의 두 가지로 구별된다.

Fig. 1. Structure of HAxSYM

결과 및 토론

사례 연구를 통해 수작업으로 진행되었던 결과와 비교함으로써 개발된 시스템의 성능을 평가할 수 있었으며, 본 연구 방법론의 적용성 및 타당성을 확인하였다.

올레핀 이성화 공정의 원료 공급 부분 및 RFCC공정의 탈펜탄기 공정에 대한 사례 연구 결과가 실제 수행된 HAZOP분석 결과와 비교 검토되었다. 이 검토 결과에 의하면 현재로서는 정성적 지식에 의한 모호성 및 이와 관련한 설계 자료 등의 적용 등에 제약이 있으나, HAZOP분석 자동화 시스템 개발에 대한 적용성을 확인할 수 있었다.

참고 문헌

[1] 강인구, □화학 공정의 HAZOP분석을 위한 전문가 시스템에 관한 연구□, 박사학위논문, 서울대학교, 1996.

[2] 이병우, □화학 공정에서의 위험성 평가의 자동화를 위한 지식 표현에 관한 연구□,  석사학위논문, 서울대학교, 1995.

[3] AIChE, □Guidelines for Hazard Evaluation Procedures□, 2nd ed., AIChE, New York, 1992.

[4] Chae, H.Y., □An Expert System for Hazard Identification in Chemical Processes□, 석사학위논문, 서울대학교, 1992.

[5] Greenberg, H.R. and J.J. Cramer ed., □Risk Assesment and Risk Management for the Chemical Process Industry□, Van Nostrand Reinhold, New York, 1991.

[6] Venkatasubramanian, V. and S.H. Rich, □An Object-Oriented Two Tier Architecture for Integrating Compiled and Deep-Level Knowledge for Process Diagnosis□, Computers chem. Engng., 12(9/10), 903(1988).