LNG 저장탱크의 위험성평가

고재선1), 김영수2), 김효1)

서울시립대학교 화학공학과1)

유엔피(주)2

Risk Assessment of LNG Storage Tanks1)

Ko Jae-Sun1), Kim Young Soo2), Kim Hyo1)

Department of Chemical Engineering University of Seoul1

United Pacific PLG2

1. 서론

우리나라에서 액화천연가스(LNG)는 그 사용이 편리하고 연소시 공해물질의 발생이 없기 때문에 1980년대 후반부터 도시가스로 널리 사용되고 있다. 액화천연가스는 공급량 전체를 수입에 의존하고 있으며 매년 그 사용량이 급격히 증가하고 있어 액화천연가스 인수기지의 규모도 매우 커지고 있다. 인수기지의 설비 중 가장 중요한 부분은 LNG 저장탱크로서 보통 1기의 용량은 100,000□∼200,000□이며, 그 용량이 매우 크고 인화성과 폭발성이 강한 천연가스의 특성상 LNG저장탱크의 안전성확보는 매우 중요하다

따라서 LNG인수기지의 저장설비의 위험성을 줄이기 위해서는 발생가능한 사고를 예방하고 발생빈도를 최소화 시키는 것이다. 설비고장으로부터 발생되는 사고의 빈도를 줄이기 위해서는 설비들의 전반적인 신뢰성을 향상시켜야 한다.

저장탱크의 형식으로는 크게 멤브레인식과 9%-니켈식으로 대별되며, 특히 신뢰성과 안전성을 위해 완전방호탱크(9%-Ni)의 경우 콘크리트 외벽이 방류둑 기능을 할 수 있도록 대치시켰다.

LNG저장탱크에서 액화천연가스가 누출되는 사고는 크게 내부적인 요인과 외부적인 요인에 의한 것으로 나눌 수 있다. 이 중 내부적인 요인은 주로 인적오류(human error)와 기기고장에 의한 것이기 때문에 외부적인 요인(지진, 태풍, sabotage)보다 적절한 관리와 조치를 취하면 가스누출의 발생빈도를 크게 줄일 수 있어 안전한 설비운영을 위해서는 이에 대한 체계적인 분석이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 LNG인수기지의 안전성에 제일 큰 영향을 주는 LNG저장설비에서 LNG가 누출될 경우 그 사고의 원인을 내부적인 사건으로부터 연역적으로 추론하여 설비를 구성하는 기기의 고장율을 분석하고 설비의 안전성을 향상시킬 수 있는 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 본론

1) 예상사고 정의

LNG저장설비를 운용할 때 일반적으로 고려하여야 할 사항과 LNG 인수기지 저장탱크에서 내부적인 요인에 의하여 발생가능한 LNG 대량누출의 사고유형을 다음과 같이 정의 하였고 이들 각각에 대한 고장수목을 구축하고 각 사건에 대한 예상 빈도수의 계산을 수행하였다.

(1) 저장탱크의 내부벽 균열에 의한 대량누출

(2) 저장탱크의 과압에 의한 대량누출

(3) 저장탱크의 부압에 의한 대량누출

(4) LNG 과충전(overfilling)에 의한 대량누출

(5) LNG 유입배관의 파열에 의한 대량누출

(6) LNG 송출배관의 파열에 의한 대량누출

2) 기존문헌에 의한 9%-Ni LNG 저장탱크 사고발생빈도 정량화

(1) LNG 설비 고장률

Welker 와 Schorr(1979)은 미국에 있는 25개의 첨두부하용 LNG저장설비를 조사하여 LNG설비의 기기고장률 데이터베이스를 구축하였다. 이들 설비는 LNG액화공정의 가동시간이 수 개월에서 400,000시간 상까지 해당된다. 또한  LNG탱크 저장시간은  1,500,000시간이상, 기화기 가동간은 약 35,000시간, 배관사용은  15억 ft-hr이상, 제어기 가동은 15,000,000시간이상 그리고 운전시간은 1,300,000 persion-hr이상이었다.

또한 Welker 와 Schorr는 고장의 종류를 다음과 같이 다음 3가지로 분류하였다.

· 경미한 고장 : 뜻하지 않는 기기고장으로 보수시간이 24시간 이내이고                            화재발생이나 부상이 발생되지 않는 경우

· 중대한 고장 : 뜻하지 않는 기기고장으로 보수시간이 24시간 이상이고                            상당량의 LNG 또는 NG가 누출되고 부상이 발생된 경우

· 안전사고 관련 고장 : 화재를 발생시킨 고장 또는 대량의 누출이 발생된                           경우.

Welker 와 Schorr에 의 정리된 LNG 첨두부하 설비(Subsystem)의 평균고장시간(MTBF)에 대한 자료조사에서 가스누출의 발생빈도는 매 300,000시간의 운전시 100,000 ft3규모이상의 가스누출이 발생하는 것을 기준으로 하였으며, LNG누출은 인화되거나 다른설비에 피해를 준 경우로서 매 150,000시간을 발생빈도 계산의 기본주기로 하였다.

(2) LNG설비 이외의 고장률 데이터

LNG설비 중 고장률 데이터가 없는 부분에 대해서는 이와 유사한 설비(LNG선      박)나 원자력발전소 또는 화학공정에서 이미 수집된 자료를 초기 고장률로 사용    할 수 있다. 이들 데이터는 차후 LNG설비를 가동하면서 수집된 고장률과 비교·    수정이 되면서 보다 정확한 고장률 데이터로 정착하게 된다. (Pelto et al,        1982, US. Atomic Energy Commission, 1974, Welcher et al, 1976, Henley ＊      Kumamoto, 1981)

3) 고장수목을 이용한 국내 Membrane LNG 저장탱크의 사고발생빈도 정량화

(1) 고장수목분석에 의한 정량화 방법론

분석에 사용된 LNG저장탱크 모델로는 현재 우리나라 가스공사 평택생산기지에서 운전되고 있는 100,000m3 규모의  Membrane 탱크를 대상으로 하였다. 본 연구에서는 앞서 언급한 저장탱크 자체의 내적요인에 의한 사고, 즉 저장탱크의 과압 및 부압, 과충전, 유입배관 및 송출배관의 파열, 탱크 기계적건전성 상실 등에 의한 탱크파손사고를 분석 대상으로 하였으며, 사고발생빈도를 구하기 위하여 대표적인 위험성평가 기법인 고장수목분석(FTA : Fault Tree Analysis)을 사용하였으며, 한국원자력연구소에서 개발한 KIRAP (KAERI Integrated Reliability Analysis Code Package) 소프트웨어 패키지를 사용하여 정량화를 수행하였다.

또한 기능 요구시 발생한 임의의 고장, 장비 및 기기의 운전 또는 대기시 고      장, 시험 또는 보수에 따른 이용 불능, 공통원인고장, 잠재적인 인간오류와 운     전원 조치 실패를 각 고장수목에 포함되는 기본사건으로 하였다.

(2) 사고 시나리오

현재 평택생산기지에서 운전중인 Membrane형태의 LNG저장탱크 및 관련배관파손의 빈도를 구하기 위하여 TPR(LNG release from tank or pipe)을 정점사건으로 하는 고장수목을 작성하였다. 저장탱크가 파손되는 경우는 저장탱크 과충전에 의한 넘침, 고압에 의한 손상, 진공에 의한 손상, 기계적건전성 상실 등 탱크 자체의 고장에 의한 파손뿐만 아니라 전원 상실 (LOSP: Loss of Offsite Power), 계기용공기 상실 (LOIA: Loss of Instrument Air) 등을 초기사건으로 하는 탱크파손사고도 함께 고려하였다. 그 밖에 관련배관이 파손되는 경우는 유입배관 파열, 송출배관 파열 등이 있다. 각각에 대한 사고시나리오는 탱크 TK-201을 기준으로 설명하였다.

3. 결론

Table 1. 9%-Ni 및 멤브레인 LNG 저장탱크의 사고발생빈도 정량화 결과

사고시나리오 유형	사고빈도 (/yr)
	9%-Ni	Membrane
저장탱크의 내부벽 균열에 의한 대량누출	1×10E-5	8.8×10E-06
저장탱크의 과압에 의한 대량누출	1×10E-6	6.5×10E-07
저장탱크의 부압에 의한 대량누출	4.9×10E-3	2.9×10E-10
LNG 과충전(overfilling)에 의한 대량누출	3.1×10E-4	1.2×10E-05
LNG 유입배관의 파열에 의한 대량누출	5×10E-4(1min)	2.6×10E-06
	6×10E-6 (10min)
LNG 송출배관의 파열에 의한 대량누출	인입배관의 파열에 의한 경우와 비슷	2.8×10E-05

사고의 유형을 내적요인에 의한 사고, 즉 저장탱크의 내로 정의하고 membrane형태의 국내 LNG저장탱크를 정량적기법(FTA : Fault Tree Analysis)을 통하여 위험성평가를 수행한 결과와 기존 9%-Ni LNG 저장탱크의 위험성평가 결과 도출된 사고 발생빈도수와 비교 분석한 결과 이들 손상 발생빈도수는 기존의 9%-Ni형태와 비슷하거나 더 작게 나타났다. 따라서 저장용량의 크기에 대해서 제한 요인을 갖지 않는 membrane 형태의 LNG저장탱크의 향후 건설이 토지 이용면에서 훨씬 유리함을 알 수 있었다.

더욱이 9%-Ni 형태의 저장탱크에서는 설치하지 않는 방류둑(Dike))을 안전상의 이유로 membrane형태의 탱크에서는 현재 설치하여 사용하고 있으나, 이 역시 위험성평가 결과  9%-Ni 형태의 LNG저장탱크에 비해서 membrane 형태가 안전성면에서도 뛰어나므로 방류둑의 설치는 불필요한 것으로 판단되어, 앞으로 저장탱크 건설비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이러한 분석 방법을 LNG탱크에 대한 기본적인 위험성분석을 수행하는데 활용한다면 설비이용의 안전성을 확보할 수 있다. 또한 우리 설비의 실제 기기고장률을 도출하기 위해서는 이미 본 연구의 본문에서 언급한 바와 같이 다른 유사설비에 대한 고장률 데이터를 초기 예상 고장률로 설정하고 설비를 운전함에 따라 이 데이터를 계속해서 수정 ·보완하여야 한다. 이를 위해서는 우선 고장에 대한 데이터베이스의 구축이 필요하며 아울러 설비이력 및 운전, 보수에 대한 정확한 기록과 나중에 이를 분석하기 위한 기록의 코드화가 요구된다. 이와 같은 자료가 준비가 됨년 LNG의 저장과 공급에 포함되는 공정전체에 대한 위험성평가와 예상사고 도출 및 사고의 영향성 평가를 구체적으로 수행할 수 있다.

참고문헌

1. GRI report PB82-153503, "Development of improved LNG plant failure rate       data base," 1981.

2. GRI report PB90-228131, "Reduction of LNG operator error and equipment        failure rates," 1990.

3. D. Blanking, C.Eng., M.I. Gas E., "Gas distribution in Osaka: the Japanese     way", Gas    Engineering & ManaPgement, 19, 433-456(1983).

4. "IEEE Guide to the Collection and resentation of Electrical, Electronic,      Sensing Component, and Mechanical Equipment Reliability Data for Nuclear      Power Generating Stations", IEEE std-500-1984, The Institute of Electrical     and Electronics Engineers,Inc., Nov. 1993.

5. "Guidelines for Process Equipment Reliability Data", Center for Chemical      Process Safety, 1989.