논리 검증법을 이용한 보일러 운전 절차의 안전성 검색

고세준, 문 일

연세대학교 화학공학과

Verification of the Safety of Boiler Operating Procedures

using a Symbolic Model Verifier

Sejune Goh and Il Moon

Department of Chemical Engineering, Yonsei University

서론

화학공장은 대부분 거대 장치 산업이며, 유독한 물질을 고온, 고압 상태에서 다루는 경우가 많으므로 안전사고의 위험을 내포하고 있다. 안전사고로 인한 범위는 공정 시설의 파괴는 물론이며, 인명의 살상, 더 나아가 환경의 파괴와 같은 범지구적인 범위로 확대될 수 있다.  전 세계적으로 많은 사건□사고들이 보고되어 왔으며, 가장 대표적인 예로는 인도의 보팔에서의 유독가스 대량 누출 사고(1984)와 이탈리아의 세베소에서의 사고(1976) 등을 들 수 있고, 우리나라에서도 화학공정에서의 안전관리에 연구의 초점이 옮겨지는 실정이다.  OSHA (Occupational Safety and Health Administration)의 조사에 의하면, 전체 투자액 중에서 핵처리 공장에서의 경우는 30%, 일반 화학공장에서의 경우는 5% 정도를 안전사고 대비를 위해 쓰고 있으며, 정부의 규제 강화와 산업체 내의 필요에 의하여 안전에 대한 투자가 증가되는 경향을 보이고 있다. 이는 곧 더욱 안전하고 효율적인 운전 방법을 개발하는 것이 세계적으로 중요한 관심사가 되었음을 보여주고 있다.

그림 1. 보일러 공정의 개괄도

본 연구는 이러한 세계적 추세에 대응하여, 운전절차의 안전도를 자동으로 검색하는 방법의 개발에 목표를 두었다. 많은 화학 공정 중에서 보일러 공정은 일반적으로 운전이 까다로우며 안전이 중요시되는 공정이라 할 수 있다. 본 연구에서는 보일러 공정을 중점적으로 다루고 그 중에서도 start-up 시에 일어날 수 있는 모든 상황을 자동으로 검토하여 위기상황을 사전에 예방하는 방법을 개발하는 데 주안점을 두었다. 그림 1은 보일러 공정의 개괄도를 나타낸다.

보일러 start-up의 단계

보일러 공정의 start-up 절차는 크게 나누면 3단계로 구분이 가능한데, 첫째로 점화 준비 단계, 둘째 보일러 퍼지 단계, 셋째는 보일러 점화 단계로 나눌 수 있을 것이다. 본 연구에서는 이를 더욱 세분화하여 9단계로 나누었다. 각 단계는 □드럼에 물 채우기 공정, □팬 start-up 공정, □로(爐) 퍼지 공정, □연료 시스템 start-up 공정, □연료 시스템 누출 검사 공정, □버너 점화 공정, □드럼 압력 증가 공정, □터빈 start-up 공정, □보일러 부하 증가 공정 등이다. 이러한 각 단계 중에 또는 그 전후에 □버너 점화 실패□, □과다한 로 압력□, □너무 낮은 연료기름 온도□, □너무 낮은 드럼수위□ 등의 위급상황이 나타날 수 있는데, 본 연구에서는 이들에 대한 시스템의 안전성을 자동으로 판별할 수 있도록 하였다. 다음의 표 1에서는 보일러 start-up의 각 단계를 구체적으로 서술하고 있다.

표 1. 보일러 공정의 start-up 단계

1. 드럼에 물 채우기 공정	가. BFP start-up 준비 나. BFP start 다. 정해진 드럼 수위까지 물을 feed
2. 팬 start-up 공정.	가. IDF 댐퍼를 5%이하로 유지 나. IDF 스위치를 켬 다. FDF 댐퍼를 5%이하로 유지 라. FDF 스위치를 켬
3. 로(爐) 퍼지 공정	가. wind box 댐퍼를 염 나. IDF 댐퍼를 30%이상 염 다. FDF 댐퍼를 30%이상 염 라. 퍼지가 되도록 5분 가량 방치
4. 연료 시스템 start-up 공정	가. 4개의 주 버너 밸브를 닫음 나. 연료 차단 밸브를 염 다. 연료 조절 밸브를 염 라. 연료 순환 밸브를 염 마. 기름 가열기 스위치를 켬 바. 연료 펌프 스위치를 켬 사. 연료 기름의 온도가 90℃이상이 되도록 유지
5. 연료 시스템 누출 검사 공정	가. 4개의 주 버너 밸브를 닫음 나. 연료 순환 밸브를 닫음 다. 연료 차단 밸브를 닫음 라. 연료 공급 압력을 6□/□인 상태로 3분간 유지

6. 버너 점화 공정	가. atomizing 스팀 밸브를 염 나. 연료 공급 압력을 2□/□이상으로 유지 다. 연료 오일 속도를 0.4t/hr이상으로 유지 라. 댐퍼를 연다. 마. wind box 공기 유속을 27.5%이하로 유지 바. FDF 흐름을 30%이상 유지 사. 점화기 스위치를 켬 아. 주 버너 밸브를 염 자. 버너의 불꽃을 확인
7. 드럼 압력 증가 공정	가. 온도를 110℃/hr 이하로 증가 나. 드럼 수위가 적당한지 확인 다. vent 밸브를 닫음 라. 드럼 압력이 30□/□이상으로 조정
8. 터빈 start-up 공정	가. drain 밸브가 열려있는지 드럼 압력이 30□/□이상인지 확인 나. 터빈 앞의 밸브를 10% 염
9. 보일러 부하 증가 공정	가. 드럼 압력을 75□/□이상으로 증가시킴 나. 스팀관의 압력 조절을 자동으로 전환한다. 다. 스팀관의 유량을 40t/hr으로 운전

이상의 주어진 공정개괄도와 운전 절차 및 제어 소프트웨어를 종합하여 보일러의 start-up 공정에서 발생될 수 있는 상황을 논리적으로 전개하여 위기상황의 유무를 검색하는 것이 본 연구의 목표이다. 본 목표를 달성하기 위하여 다음의 논리 검증법을 응용하였다.

논리 검증법(Symbolic Model Verification)

화학공정의 안전도를 평가하는 기법들은 매우 다양하다. 가장 간단한 check list 이용법에서부터 HAZOP과 FTA에 이르기 까지 많은 평가 방법들이 개발되어 왔고 이들 방법들을 컴퓨터를 이용하여 자동화하려는 연구도 진행되고 있다. 본 연구에서는 논리 검증법(Symbolic Model Verification)을 이용하여 보일러의 안전성을 검토하였다. 이 방법은, 상태의 그래프를 모두 생성하는 대신 이진 표현식으로 공정 상태들의 집합과 상태간의 전이들을 표현함으로써, 이전의 연구에서 문제점이었던 □상태 폭발 문제(state explosion problem)□를 크게 감소시켰다. 이 검증법으로 구현한 논리 검증기(Symbolic Model Verifier, SMV)는 '시스템 모델'과 '검증 질의어', '모델 검사기'의 세가지 요소로 구성되었다[1]. 시스템 모델은 검사의 대상이 되는 계에 대해서 일반적으로 기술한 것으로, □공정 하드웨어 모델□, □조업자의 운전 행동 모델□ 등으로 구성되며, 자체 언어를 사용하여 기술한다. 검증 질의어는 대상이 되는 계의 안전성을 검증하기 위한 질문으로써 그 계의 안전성의 기준을 직접적으로 나타낼 수 있어야 한다. 이것은 시간의 개념을 포함하는 temporal logic으로 표현된다. 모델 검사기는 시스템 모델과 검증 질의어를 입력으로

그림 2. SMV의 구성요소 및 개요[1]

받아들이며, 시스템의 동작이 검증 질의어의 질문 내용에 부합하는지에 대해 참 또는 거짓으로 안전성을 판별한다. 그림 2는 SMV의 구성요소와 개요를 보여준다.

SMV의 적용

보일러 운전중 start-up 공정에 있어서 가장 안전사고의 위험이 있는 부분은 보일러의 불꽃을 점화하는 것이라 할 수 있다. 공기(산소)와 연료(오일/가스) 등이 보일러에 유입되고 수 초 안에 점화기를 통해 점화되지 않으면 폭발의 위험이 있는데, 공기 및 연료의 유무와 점화기의 고장 여부를 조사 하면, 불꽃 점화 단계의 이상 여부를 검색할 수 있다. 표 1의 전체 보일러 공정 start-up 단계 중 보일러 불꽃 점화와 직접적으로 관계있는 단계만을 집중적으로 보면, 반응기 예열→시스템 퍼지→연료밸브 열기→점화의 단계로 생각할 수 있는데, 이 과정을 먼저 RLL(Relay Ladder Logic)의 형태로 표현하고 RLL의 각각의 rung을 SMV 자체의 언어로 일대일로 재구성한다[2,3]. 이렇게 설계된 공정의 안전 여부를 판별하기 위한 질문들을 준비한다. 예를 들면, □버너 스타트 버튼이 눌려진 후 버너 내의 불꽃이 감지되지 않으면, 즉각적으로 연료밸브가 닫히는가?□라는 안전과 관련된 질문이 있을 때, 이것을 temporal logic으로 바꾸어 구성하면 다음과 같다.

AG(StartB -> AF(!BFlame -> AX !CFuel))

여기서 AG는 □모든 경로를 통하여 항상□을 의미하며, AF는 □모든 경로를 통하여 언젠가는□의 뜻이며, AX는 □모든 경로를 통하여 바로 직후에□를 뜻한다. 이런 방법으로 만들어진 질문들은 시스템 모델과 함께 모델 검사기에 입력한다. 모델 검사기는 시스템 모델과 검증 질의어를 받아들여 그림 2에서의 모습과 같이 시스템 모델이 검증 질의어의 내용에 합당하다면 □true□의 결과를 출력하고, 부적합하다면 □false□의 결과를 나타내고 반례를 보여줌으로써 오류의 위치를 알 수 있게 해주고 시스템의 오류를 수정할 수 있게 도움을 준다.

결론

위와 같은 과정을 통해 보일러 공정의 start-up 단계의 시스템 모델을 SMV의

양식으로 표현하였고, 보일러 공정의 안전에 관한 질문 사항을 temporal logic을 이용한 검증 질의어로 표현하고 이를 자동으로 검색하였다. 본 방법에 의해 안전하다고 평가되는 보일러의 운전절차에서 외부 조건이 바뀜에 따라 잠재적으로 내포하고 있는 설계상의 오류를 탐지할 수 있었다. 본 SMV를 이용한 안전검색 방법은 시스템의 구성이 바뀌어도 관련된 모듈만 바꾸면 언제든지 컴퓨터가 자동으로 검색할 수 있는 장점이 있다. 본 연구를 통하여, 논리 검증법을 이용한 안전성 자동 검색은 기존의 수작업에 의존하는 방법보다 훨씬 더 체계적이며 효율적임을 알 수 있다.

참고 문헌

1. Il Moon, G.J. Powers, J.R. Burch and E.M. Clarke, "Automatic verification of sequential control systems using temporal logic," AIChE vol.38, no.1, pp.67-75, 1992.

2. Il Moon, "Modeling PLCs for Logic Verification," IEEE Control Systems, vol.14, no.2, pp.53-59, April 1994.

3. 정상헌, 이광순, 문일, □공정의 안전 검증을 위한 PLC 모듈 개발,□ 제어□자동화□시스템공학, vol.2, no.1, pp.53-59, 1996.