KR101907248B1 - 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법 - Google Patents
확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템을 제공한다. 상기 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템은 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부와; 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부; 및 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부를 포함한다.
Description
본 발명은 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있음과 아울러, 실제 위험도 분석 작업을 효과적으로 지원할 수 있는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법에 관한 것이다.
현재, FPSO 등의 대형 해양플랜트 공정 설비들은 대량의 고가연성 물질들을 지속적으로 채굴 및 처리하고 있다.
이로 발생되는 화재 및 폭발 사고는 해양플랜트의 안전을 위협하는 가장 치명적인 위험요소 중 하나가 된다.
화재 및 폭발 사고의 위험도를 합리적이고 체계적으로 분석할 수 있는 능력은 해양플랜트 안전설계의 핵심 기술이다.
일반적으로 가연성 물질을 다루는 공정시스템의 화재/폭발 위험도 분석은 [누출 -> 점화 -> 화재 또는 폭발 -> 피해]와 같은 연쇄적인 사고 전개 과정을 단계별로 나누어 순차적으로 수행된다.
상기의 세부 분석 단계들은 서로 밀접하게 연관되며, 계산을 위한 입출력 정보를 상호 제공한다.
모든 분석 결과는 화재/폭발 사고의 발생빈도와 사고결과를 정량적으로 추산하는 것으로 귀결되고 이들을 조합하여 정량적 위험도를 산출할 수 있다.
이에, 근래에 들어, 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구된다.
이로 발생되는 화재 및 폭발 사고는 해양플랜트의 안전을 위협하는 가장 치명적인 위험요소 중 하나가 된다.
화재 및 폭발 사고의 위험도를 합리적이고 체계적으로 분석할 수 있는 능력은 해양플랜트 안전설계의 핵심 기술이다.
일반적으로 가연성 물질을 다루는 공정시스템의 화재/폭발 위험도 분석은 [누출 -> 점화 -> 화재 또는 폭발 -> 피해]와 같은 연쇄적인 사고 전개 과정을 단계별로 나누어 순차적으로 수행된다.
상기의 세부 분석 단계들은 서로 밀접하게 연관되며, 계산을 위한 입출력 정보를 상호 제공한다.
모든 분석 결과는 화재/폭발 사고의 발생빈도와 사고결과를 정량적으로 추산하는 것으로 귀결되고 이들을 조합하여 정량적 위험도를 산출할 수 있다.
이에, 근래에 들어, 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은, 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있음과 아울러, 실제 위험도 분석 작업을 효과적으로 지원할 수 있는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법을 제공함에 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템을 제공한다.
상기 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템은 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부와; 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부; 및 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부를 포함한다.
상기 특성 설정부는, 상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화부와, 정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출부와, 산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분석 대상 설정부는, 분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고, 상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고, 상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고, CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 누출 현상 정량화부는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고, 상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고, 상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련하는 것이 바람직하다.
상기 가스운 부피 산출부는, 바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고, 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고, 상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고, 상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출하는 것이 바람직하다.
상기 가스운 부피 범주 설정부는, 가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고, 공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고, 상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고, 상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출하는 것이 바람직하다.
상기 빈도 산출부는, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 분석 대상 설정부를 사용하여 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정 단계와; 특성 설정부를 사용하여 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정 단계; 및 빈도 산출부를 사용하여, 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출 단계를 포함한다.
상기 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템은 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부와; 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부; 및 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부를 포함한다.
상기 특성 설정부는, 상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화부와, 정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출부와, 산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 분석 대상 설정부는, 분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고, 상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고, 상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고, CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성하는 것이 바람직하다.
상기 누출 현상 정량화부는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고, 상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고, 상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련하는 것이 바람직하다.
상기 가스운 부피 산출부는, 바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고, 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고, 상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고, 상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출하는 것이 바람직하다.
상기 가스운 부피 범주 설정부는, 가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고, 공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고, 상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고, 상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출하는 것이 바람직하다.
상기 빈도 산출부는, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 분석 대상 설정부를 사용하여 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정 단계와; 특성 설정부를 사용하여 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정 단계; 및 빈도 산출부를 사용하여, 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출 단계를 포함한다.
본 발명은, 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있음과 아울러, 실제 위험도 분석 작업을 효과적으로 지원할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 작용 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르는 Explosion Exceedance Curve를 보여주는 그래프이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 폭발 시나리오 계산 프로그램 개발에 따른 프로그램 화면을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 작용 흐름을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따르는 Explosion Exceedance Curve를 보여주는 그래프이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 폭발 시나리오 계산 프로그램 개발에 따른 프로그램 화면을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법을 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조 하면, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템은 크게 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부(100)와, 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부(200)와, 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부(300)를 포함한다.
상기 특성 설정부(200)는, 상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화부(210)와, 정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출부(220)와, 산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정부(230)를 포함한다.
상기 분석 대상 설정부(100)는, 분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고, 상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고, 상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고, CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성한다.
상기 누출 현상 정량화부(210)는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고, 상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고, 상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련한다.
상기 가스운 부피 산출부(220)는, 바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고, 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고, 상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고, 상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출한다.
상기 가스운 부피 범주 설정부(230)는, 가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고, 공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고, 상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고, 상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출한다.
상기 빈도 산출부(300)는, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출한다.
다음은, 상기의 구성을 참조로 하여, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템을 상세하게 설명한다.
분석대상 설정 단계인, 확률적 폭발 위험도 분석의 준비단계[STEP 0 - Target System Analysis]
본 단계에서는 분석 대상이 되는 해양플랜트 공정 설비의 설계 정보를 구체적으로 식별하여 대상에 대한 이해를 명확히 하고 분석할 문제를 구체적으로 정의한다.
상기 [STEP 0]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
설계 문서 검토를 통하여 세부 분석이 필요한 특정 모듈 또는 구획을 결정한다.
설계 문서 검토를 통하여 대상 모듈 또는 구획의 공정 조건들을 정의한다.
분석 목적을 기반으로 구체적인 폭발 영향 계측 지점을 설정한다.
CFD 기법을 이용한 폭발 시뮬레이션 수행을 위하여 삼차원 캐드모델을 작성한다.
다음은, 특성 설정 단계를 설명한다.
[STEP 1 - Leak Analysis]단계
실제 분석의 첫 단계인 [STEP 1 - Leak Analysis]에서는, 가스폭발 사고의 초기 원인이 되는 가연성 공정물질의 누출 현상을 정량적으로 정의한다.
해양플랜트 공정 설비에서 지속적으로 처리되는 대량의 가연성 공정물질이 설계 의도와 다르게 누출되는 현상은 가스폭발 사고 발생의 초기조건이 되므로, 누출 분석은 합리적인 폭발 위험도 분석을 위해 매우 중요한 첫 시작이 된다.
[STEP 1]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
공정 시스템에서 누출이 발생할 수 있는 취약 구획을 정의한다.
누출 취약 구획을 기반으로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산한다.
누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의한다.
누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의한다.
공정 안전시스템의 순차적 작동을 고려하여 누출율의 시간 변화 데이터를 분석한다.
그리고, 누출된 가연성 공정 물질이 즉시 점화되지 않고 기체상으로 확산이 되면 대기 중에 폭발성 가스운을 형성할 수 있다.
대부분의 가스폭발 사고는 이러한 폭발성 가스운이 형성된 후 점화가 되어 발생하게 된다.
[STEP 2 - Dispersion Analysis] 단계
확률적 폭발 위험도 분석인 [STEP 2 - Dispersion Analysis]에서는 누출 이후의 폭발성 가스운 형성 과정을 주로 다룬다. [STEP 2]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기반으로 가스운 형성 시나리오를 정의한다.
공정 안전시스템의 영향을 무시한 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의한다.
각 시나리오들에 대하여 가스 확산 시뮬레이션을 수행한다.
가스 확산 시뮬레이션 결과를 취합하여 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 작성한다.
누출율 곡선과 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출한다.
주요 데이터 곡선은, 시간 변화 누출율 곡선 : MT Curve (Leak Rate-Time Curve), 시간 변화 폭발성 가스운 부피 기준 곡선 : RVT Curve(Reference Volume-Time Curve), 시간 변화 폭발성 가스운 부피 실 곡선 : AVT Curve(Actual Volume-Time Curve)로 정의한다.
[STEP 3 - Ignition Analysis]
생성된 가스운이 점화원과 접촉하면 폭발이 발생한다.
해양플랜트 Topside 공정 시스템에는 각종 전기 장비, 펌프, 압축기, 공정 장비, 작업자 등의 수많은 점화원이 존재한다.
이러한 점화원들은 소량의 점화 에너지를 가지고도 충분히 폭발 사고를 일으킬 수 있다.
[STEP 3 - Ignition Analysis]에서는 TDIIM (Time Dependent Internal Ignition Model) 방법을 기반으로 공정 시스템에 존재하는 각종 점화원들의 수량을 조사하여 점화 밀도를 계산하고, 관련 점화 확률을 추산하는 작업을 수행한다.
또한, 앞서 [STEP 2]에서 정의된 가스운 부피 곡선 데이터들을 기반으로 적절한 크기의 가스운 범주를 정의하는 작업도 수행한다.
[STEP 3]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
가스운 부피 추정치를 기반으로 가스운 부피의 범주를 정의한다.
공정 시스템에 존재하는 점화원들의 수량을 종류별로 조사한다.
가스운 부피 범주에 따라 가능한 점화 지점(가스운 중심 지점 또는 경계 지점)을 정의한다.
가스운 부피 범주 및 점화 지점에 따라 고려 가능한 점화원 특성(연속적 점화원 또는 간헐적 점화원)을 정의한다.
점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추산한다.
점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 정의한다.
가스폭발 시나리오는 크게 두 부분의 연속으로 구성된다.
첫 번째는 폭발성 가스운의 형성이고, 두 번째는 점화이다.
상기 [STEP 2]에서는 폭발성 가스운 형성 시나리오 및 발생확률이 정의되었고, [STEP 3]에서는 점화 시나리오 및 발생빈도가 정의되었다. [STEP 4 - Explosion Analysis]에서는 [STEP 2]와 [STEP 3]의 결과들을 조합하여 가스폭발 시나리오를 완성하는 작업을 수행하게 된다.
다음은, 빈도 산출 단계를 설명한다.
가스 폭발 시나리오는 폭발-빈도 매트릭스(ExF Matrix, Explosion-Frequency Matrix)의 형태로 정리될 수 있다.
[STEP 2] 결과를 기반으로 정의된 가스운 범주에 따라 적용 가능한 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 하기의 표 1과 같이, ExF 매트릭스가 완성된다.
[표 1]
특성 설정부(200)에서는 가스운 부피 최대값을 산출하고 이를 기준으로 발생 가능한 가스운 종류를 몇 가지의 대표적인 부피값으로 범주화 한다. 각각의 가스운 부피 범주는 가연성 물질의 누출사고 확률에 의해 결정되는 발생확률값을 가지고 있으며, 이에 점화 확률을 곱하면 가스 폭발 빈도를 산출할 수 있다.
이하, 표 1의 ExF 매트릭스(폭발-빈도 매트릭스)에 대해 설명한다.
점화 확률을 구하기 위해서는 가스 폭발 결과에 영향을 미치는 두 가지 요소를 고려해야 한다. 하나는 점화원의 특성이고 나머지는 점화 지점이다.
점화원의 특성은 연속 점화(continuous ignition) 또는 불연속 점화(discrete ignition)로 구분할 수 있다. 전기 장치와 같이 상시 활성화되어 있는 장치를 연속 점화원으로 간주할 수 있고, 정전기 및 금속 충돌 스파크와 같이 간헐적으로 활성화되는 요소는 불연속 점화원으로 간주할 수 있다. 점화 확률 관련 연구결과에 의하면 각각의 점화원 특성은 서로 다른 점화 확률 계산식을 적용하여야 한다. 표 1에서 보면, 연속(continuous) 및 불연속(discrete)을 구분하여 시나리오를 분리하고, 각각에 대해 P_dis 와 P_con 으로 확률을 달리 적용하고 있으며, 전체 공간 대비 가스운 점유 부피 비율만큼 보정하여 점화원 특성별 확률을 계산하고 있다.
점화 지점은 가스운의 중심 또는 테두리의 두 가지로 구분할 수 있다. 가스폭발 관련 연구결과에 의하면 동일한 크기의 가스운이라 할 지라도 중심부에서 점화가 발생하는 경우와 테두리에서 점화가 발생하는 경우의 폭발 압력이 상당히 다르므로, 점화 지점을 구분하여 다루는 것이 합리적이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 점화 지점을 가스운 중심과 테두리로 구분하고 각 지점별 확률을 적용하는 방법을 제안한다. 따라서 표 1에서 보면, 가스운 중심과 테두리의 점화지점별 확률을 f_ac 와 같이 각각 적용하고 있다.
표 1에 의하면, 가스폭발 빈도는 다음과 같이 산출된다.
가스폭발 빈도 = [개별 가스운 범주 발생확률(f_ijkpq)] x [점화원 특성별 확률(f_d)] x [점화지점별 확률(f_ac)]
완성된 ExF 매트릭스를 기반으로 최종적으로는 하기의 표 2와 같이, 폭발-위험도 매트릭스(ExR Matrix, Explosion-Risk Matrix)를 작성한다.
ExR 매트릭스는 ExF 매트릭스의 각 가스운 범주에 대하여 폭발 위치 세분화를 추가하여 작성되며, 최종적인 폭발 발생확률을 결정하게 된다.
또한 ExR 매트릭스에서 정의된 각 행들은 그 자체로 개별적인 폭발 시나리오를 나타내며, 이 폭발 시나리오들을 기반으로 폭발 시뮬레이션을 수행하게 된다. 폭발 시뮬레이션 수행 결과 얻어지는 관측지점에서의 폭발압력 수치들을 ExR 매트릭스에 입력하면 폭발 위험도 산출을 위한 모든 데이터들이 완성된다.
[표 2]
이하, 표 2의 ExR 매트릭스(폭발-위험도 매트릭스)에 대해 설명한다.
ExR 매트릭스는 표 1의 ExF 매트릭스 각 행에 폭발 발생 위치 구분을 추가하여 작성되며 이를 통해 최종적인 가스폭발 빈도를 결정하게 된다. 생성된 가스운은 바람에 의해 플랜트의 모든 지점으로 부유하여 이동할 수 있다. 따라서 플랜트 전체 공간을 가스운 부피로 나누어 폭발사고가 발생 가능한 지점의 수를 결정하고 각 지점에 가스운이 위치할 확률을 균일하게 배분할 수 있다. 가스운 위치별 확률을 표 1에서 구한 가스폭발 빈도에 곱하면 최종적으로 모든 시나리오별 가스폭발 빈도가 산출된다.
표 2에 의하면, 최종 가스폭발 빈도는 다음과 같이 산출된다.
최종 가스폭발 빈도 = [표 1의 가스폭발 빈도] x [가스운 위치별 확률(f_v_p)]
[STEP 4 - Explosion Analysis]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
[STEP 3]의 결과를 이용하여 ExF 매트릭스를 작성한다.
관련 주요 데이터는 가스운 부피 범주, 점화원 특성 : 연속적 점화원 또는 간헐적 점화원, 점화 지점 : 가스운 중심 또는 경계, 점화 확률 계산 값, 폭발 확률 계산 값를 포함한다.
ExF 매트릭스를 이용하여 ExR 매트릭스를 작성한다.
관련 주요 데이터는 가스운 부피 범주, 점화원 특성 : 연속적 점화원 또는 간헐적 점화원, 점화 지점 : 가스운 중심 또는 경계, 가스운 위치 분류, 최종 폭발 확률 계산 값, 폭발 과압 관측 값을 포함한다.
[STEP 4]까지의 작업들을 수행하면 확률적 폭발 위험도 분석의 모든 작업이 완료된다.
[STEP 5 - Risk Assessment]에서는 앞서 수행한 분석 작업의 결과를 확인하고, 평가기준에 비추어 폭발 위험도가 문제 되는 지 여부를 평가한다.
정량적 폭발 위험도 평가의 대표적 사례 중 하나는 허용 가능한 발생확률을 가지는 최대 폭발압력의 발생 여부를 평가하는 것이다.
도 3에 도시되는 바와 같이, ExR 매트릭스에서 계산된(또는 입력된) 결과를 도식화한 폭발압력-초과확률 곡선을 작성할 수 있다.
여기서, 세로축은 폭발 발생확률의 연간 초과누적확률 값을 나타내고 가로축은 최대 폭발압력 값을 나타낸다.
따라서, 평가기준이 되는 폭발 발생확률이 정의되어 있으면, 해당 발생확률을 넘지 않는 확률로 발생할 수 있는 폭발압력의 최대치를 도 3의 그래프로부터 즉각 도출할 수 있고, 이렇게 결정된 폭발압력 최대치는 해양플랜트 Topside 공정 시스템의 주요 구조물 및 방화 시스템의 설계하중으로 적용될 수 있다.
다음은, 본 발명에 따르는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 프로그램 동작 과정을 설명한다.
본 발명에 따르는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 프로그램은 기본적인 다이얼로그 기반 소프트웨어 형태를 이루고, C++ 언어와 MFC (Microsoft Foundation Class library)를 이용하여 그래픽 사용자 인터페이스 및 계산 알고리즘으로 구현된다.
구체적인 프로그램의 구현 모습은 도 4 내지 도 8을 참조로 한다.
프로그램의 자료 입출력 방식은 GUI 상의 빈칸에 직접 입력하는 방식과 텍스트로 작성된 데이터 파일들을 읽어 들이는 방식의 두 가지로 구성된다.
모든 계산 결과는 텍스트 파일로 저장되어 사용자가 확인할 수 있으며, 필요한 경우 기존의 스프레드시트 프로그램을 이용하여 각종 도표를 작성할 수 있다.
도 4를 참조 하면, 첫 번째 입력화면은 가스폭발 사고 시나리오를 계산하기 위한 기본 정보들을 입력할 수 있도록 구성되었다. 구체적으로는, 프로젝트 식별을 위한 기본 설명, 누출 지점 및 위치 정보, 초기 누출률 데이터, 누출 방향 정보, 안전시스템들의 고장확률 정보, 바람 방향 및 속도 정보, 계산 시간 정보 들을 입력할 수 있다.
도 5를 참조 하면, 두 번째 입력화면은 [STEP 1 - Leak Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 정보를 입력받도록 구성된다.
기본적으로 누출 지점에서의 초기 누출률 별 발생빈도를 입력하고, 시간에 따라 변화하는 누출률 데이터를 입력할 수 있다.
누출률의 시간 변화 데이터는 PHAST 등의 별도 프로그램에서 계산된 값을 텍스트 파일 형태로 정리하여 입력받는다.
도 6을 참조 하면, 세 번째 입력화면은 [STEP 2 - Dispersion Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 정보를 입력할 수 있다.
가장 핵심 정보는 시간 변화 가스운 부피 기준 곡선(RVT Curve) 데이터인데, 이는 FLACS 와 같은 별도의 CFD 시뮬레이션 프로그램 등에서 얻을 수 있다.
가스운 기준 곡선 데이터를 입력하면 프로그램에서 자동으로 시간 변화 가스운 부피 실 곡선(AVT Curve) 데이터를 계산한다.
이 결과를 확인하여 적절한 크기와 개수로 가스운을 범주화하고 그 결과를 입력한다.
CFD 시뮬레이션 수행을 위한 기본적인 시나리오 정보 및 가스운 부피 실 곡선 데이터는 화면의 우측 하단에 있는 기능 버튼을 이용하여 자동으로 계산 및 텍스트 파일로 출력할 수 있다.
도 7을 참조 하면, 도 7은 [STEP 3 - Ignition Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 네 번째 입력화면을 보여 준다.
점화 분석은 기본적으로 TDIIM (Time Dependent Internal Ignition Model) 방법을 적용한다.
먼저, 각종 점화원 종류별 수량을 입력하고 점화확률 계산에 반영되는 조정 계수에 대한 인자들을 선택 입력한다.
Hot Work 관련 점화 정보도 입력할 수 있는데, 현재 프로그램에서는 아직 내부 계산 알고리즘을 반영하지 못한 상태로써, 추후 프로그램 개선을 통해 반영할 예정이다. 상기의 입력 정보들을 바탕으로 프로그램 내부적으로 점화원 특성(연속적 또는 간헐적)별로 시간에 따라 변화하는 점화확률 데이터가 자동 계산된다.
계산된 점화확률 결과 데이터들은 우측 하단에 있는 기능 버튼을 이용하여 자동으로 계산 및 텍스트 파일로 출력할 수 있다.
도 8을 참조 하면, 마지막 입력화면은 도 8과 같다.
[STEP 4 - Explosion Analysis] 및 [STEP 5 - Risk Assessment] 단계의 작업들에 해당한다.
분석 대상이 되는 Topside 공정 모듈의 기하학적 정보를 입력하고, 앞서 입력되었던 가스운 부피 범주별 배치 개념을 간단히 입력한다.
모든 입력이 마무리 되면 대화상자의 우측 하단에 있는 기능 버튼들을 이용하면 지금까지 입력된 정보들을 바탕으로 자동으로 계산된 결과를 ExF 매트릭스, ExR 매트릭스, 그리고 폭발압력-초과확률 곡선 형태로 확인할 수 있다.
또한, [STEP 6 - Conclusion]의 목적은, 수행 완료한 확률적 폭발 위험도 분석 결과를 요약 및 정리하고, 해양플랜트 Topside 공정 시스템 설계에 있어 큰 문제가 될 수 있으리라 식별된 사항들을 제시함에 있다.
만일 위험도가 너무 과도하여 위험도 저감을 위한 추가 노력이 요구되는 경우, 구체적인 설계 개선방안을 고안하여 제시하는 것도 본 단계에 포함될 수 있다.
이를 통하여, 해양플랜트 Topside 공정 시스템 설계가 가스폭발 사고 측면의 안전성을 합리적이고 수용 가능한 수준에서 유지할 수 있음을 증명할 수 있다.
상기의 구성 및 작용을 통해, 본 발명에 따르는 실시예는 해양플랜트 탑 사이드(Topside) 공정 시스템에서 발생 가능한 가장 치명적 사고 중 하나인 가스폭발 사고의 위험도를 확률적으로 정량화할 수 있는 방법론을 새로이 제시할 수 있다.
또한, 관련 분석 작업을 보다 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 사고 시나리오 구성 및 발생확률 계산을 자동화한 응용 프로그램을 개발하여, 제시된 방법론과 개발된 프로그램을 활용함으로써, 가스폭발 사고의 측면에서 보다 안전한 해양플랜트 공정 설계를 작성함에 있어, 유리한 측면이 있다.
이에 따라, 본 발명은 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있음과 아울러, 실제 위험도 분석 작업을 효과적으로 지원할 수 있는 이점이 있다.
이상, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1 및 도 2를 참조 하면, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템은 크게 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부(100)와, 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부(200)와, 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부(300)를 포함한다.
상기 특성 설정부(200)는, 상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화부(210)와, 정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출부(220)와, 산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정부(230)를 포함한다.
상기 분석 대상 설정부(100)는, 분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고, 상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고, 상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고, CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성한다.
상기 누출 현상 정량화부(210)는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고, 상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고, 상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고, 상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련한다.
상기 가스운 부피 산출부(220)는, 바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고, 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고, 상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고, 상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출한다.
상기 가스운 부피 범주 설정부(230)는, 가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고, 공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고, 상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고, 상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고, 상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출한다.
상기 빈도 산출부(300)는, 상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출한다.
다음은, 상기의 구성을 참조로 하여, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템을 상세하게 설명한다.
분석대상 설정 단계인, 확률적 폭발 위험도 분석의 준비단계[STEP 0 - Target System Analysis]
본 단계에서는 분석 대상이 되는 해양플랜트 공정 설비의 설계 정보를 구체적으로 식별하여 대상에 대한 이해를 명확히 하고 분석할 문제를 구체적으로 정의한다.
상기 [STEP 0]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
설계 문서 검토를 통하여 세부 분석이 필요한 특정 모듈 또는 구획을 결정한다.
설계 문서 검토를 통하여 대상 모듈 또는 구획의 공정 조건들을 정의한다.
분석 목적을 기반으로 구체적인 폭발 영향 계측 지점을 설정한다.
CFD 기법을 이용한 폭발 시뮬레이션 수행을 위하여 삼차원 캐드모델을 작성한다.
다음은, 특성 설정 단계를 설명한다.
[STEP 1 - Leak Analysis]단계
실제 분석의 첫 단계인 [STEP 1 - Leak Analysis]에서는, 가스폭발 사고의 초기 원인이 되는 가연성 공정물질의 누출 현상을 정량적으로 정의한다.
해양플랜트 공정 설비에서 지속적으로 처리되는 대량의 가연성 공정물질이 설계 의도와 다르게 누출되는 현상은 가스폭발 사고 발생의 초기조건이 되므로, 누출 분석은 합리적인 폭발 위험도 분석을 위해 매우 중요한 첫 시작이 된다.
[STEP 1]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
공정 시스템에서 누출이 발생할 수 있는 취약 구획을 정의한다.
누출 취약 구획을 기반으로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산한다.
누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의한다.
누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의한다.
공정 안전시스템의 순차적 작동을 고려하여 누출율의 시간 변화 데이터를 분석한다.
그리고, 누출된 가연성 공정 물질이 즉시 점화되지 않고 기체상으로 확산이 되면 대기 중에 폭발성 가스운을 형성할 수 있다.
대부분의 가스폭발 사고는 이러한 폭발성 가스운이 형성된 후 점화가 되어 발생하게 된다.
[STEP 2 - Dispersion Analysis] 단계
확률적 폭발 위험도 분석인 [STEP 2 - Dispersion Analysis]에서는 누출 이후의 폭발성 가스운 형성 과정을 주로 다룬다. [STEP 2]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기반으로 가스운 형성 시나리오를 정의한다.
공정 안전시스템의 영향을 무시한 초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의한다.
각 시나리오들에 대하여 가스 확산 시뮬레이션을 수행한다.
가스 확산 시뮬레이션 결과를 취합하여 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 작성한다.
누출율 곡선과 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출한다.
주요 데이터 곡선은, 시간 변화 누출율 곡선 : MT Curve (Leak Rate-Time Curve), 시간 변화 폭발성 가스운 부피 기준 곡선 : RVT Curve(Reference Volume-Time Curve), 시간 변화 폭발성 가스운 부피 실 곡선 : AVT Curve(Actual Volume-Time Curve)로 정의한다.
[STEP 3 - Ignition Analysis]
생성된 가스운이 점화원과 접촉하면 폭발이 발생한다.
해양플랜트 Topside 공정 시스템에는 각종 전기 장비, 펌프, 압축기, 공정 장비, 작업자 등의 수많은 점화원이 존재한다.
이러한 점화원들은 소량의 점화 에너지를 가지고도 충분히 폭발 사고를 일으킬 수 있다.
[STEP 3 - Ignition Analysis]에서는 TDIIM (Time Dependent Internal Ignition Model) 방법을 기반으로 공정 시스템에 존재하는 각종 점화원들의 수량을 조사하여 점화 밀도를 계산하고, 관련 점화 확률을 추산하는 작업을 수행한다.
또한, 앞서 [STEP 2]에서 정의된 가스운 부피 곡선 데이터들을 기반으로 적절한 크기의 가스운 범주를 정의하는 작업도 수행한다.
[STEP 3]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
가스운 부피 추정치를 기반으로 가스운 부피의 범주를 정의한다.
공정 시스템에 존재하는 점화원들의 수량을 종류별로 조사한다.
가스운 부피 범주에 따라 가능한 점화 지점(가스운 중심 지점 또는 경계 지점)을 정의한다.
가스운 부피 범주 및 점화 지점에 따라 고려 가능한 점화원 특성(연속적 점화원 또는 간헐적 점화원)을 정의한다.
점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추산한다.
점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 정의한다.
가스폭발 시나리오는 크게 두 부분의 연속으로 구성된다.
첫 번째는 폭발성 가스운의 형성이고, 두 번째는 점화이다.
상기 [STEP 2]에서는 폭발성 가스운 형성 시나리오 및 발생확률이 정의되었고, [STEP 3]에서는 점화 시나리오 및 발생빈도가 정의되었다. [STEP 4 - Explosion Analysis]에서는 [STEP 2]와 [STEP 3]의 결과들을 조합하여 가스폭발 시나리오를 완성하는 작업을 수행하게 된다.
다음은, 빈도 산출 단계를 설명한다.
가스 폭발 시나리오는 폭발-빈도 매트릭스(ExF Matrix, Explosion-Frequency Matrix)의 형태로 정리될 수 있다.
[STEP 2] 결과를 기반으로 정의된 가스운 범주에 따라 적용 가능한 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 하기의 표 1과 같이, ExF 매트릭스가 완성된다.
[표 1]
특성 설정부(200)에서는 가스운 부피 최대값을 산출하고 이를 기준으로 발생 가능한 가스운 종류를 몇 가지의 대표적인 부피값으로 범주화 한다. 각각의 가스운 부피 범주는 가연성 물질의 누출사고 확률에 의해 결정되는 발생확률값을 가지고 있으며, 이에 점화 확률을 곱하면 가스 폭발 빈도를 산출할 수 있다.
이하, 표 1의 ExF 매트릭스(폭발-빈도 매트릭스)에 대해 설명한다.
점화 확률을 구하기 위해서는 가스 폭발 결과에 영향을 미치는 두 가지 요소를 고려해야 한다. 하나는 점화원의 특성이고 나머지는 점화 지점이다.
점화원의 특성은 연속 점화(continuous ignition) 또는 불연속 점화(discrete ignition)로 구분할 수 있다. 전기 장치와 같이 상시 활성화되어 있는 장치를 연속 점화원으로 간주할 수 있고, 정전기 및 금속 충돌 스파크와 같이 간헐적으로 활성화되는 요소는 불연속 점화원으로 간주할 수 있다. 점화 확률 관련 연구결과에 의하면 각각의 점화원 특성은 서로 다른 점화 확률 계산식을 적용하여야 한다. 표 1에서 보면, 연속(continuous) 및 불연속(discrete)을 구분하여 시나리오를 분리하고, 각각에 대해 P_dis 와 P_con 으로 확률을 달리 적용하고 있으며, 전체 공간 대비 가스운 점유 부피 비율만큼 보정하여 점화원 특성별 확률을 계산하고 있다.
점화 지점은 가스운의 중심 또는 테두리의 두 가지로 구분할 수 있다. 가스폭발 관련 연구결과에 의하면 동일한 크기의 가스운이라 할 지라도 중심부에서 점화가 발생하는 경우와 테두리에서 점화가 발생하는 경우의 폭발 압력이 상당히 다르므로, 점화 지점을 구분하여 다루는 것이 합리적이라 할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 점화 지점을 가스운 중심과 테두리로 구분하고 각 지점별 확률을 적용하는 방법을 제안한다. 따라서 표 1에서 보면, 가스운 중심과 테두리의 점화지점별 확률을 f_ac 와 같이 각각 적용하고 있다.
표 1에 의하면, 가스폭발 빈도는 다음과 같이 산출된다.
가스폭발 빈도 = [개별 가스운 범주 발생확률(f_ijkpq)] x [점화원 특성별 확률(f_d)] x [점화지점별 확률(f_ac)]
완성된 ExF 매트릭스를 기반으로 최종적으로는 하기의 표 2와 같이, 폭발-위험도 매트릭스(ExR Matrix, Explosion-Risk Matrix)를 작성한다.
ExR 매트릭스는 ExF 매트릭스의 각 가스운 범주에 대하여 폭발 위치 세분화를 추가하여 작성되며, 최종적인 폭발 발생확률을 결정하게 된다.
또한 ExR 매트릭스에서 정의된 각 행들은 그 자체로 개별적인 폭발 시나리오를 나타내며, 이 폭발 시나리오들을 기반으로 폭발 시뮬레이션을 수행하게 된다. 폭발 시뮬레이션 수행 결과 얻어지는 관측지점에서의 폭발압력 수치들을 ExR 매트릭스에 입력하면 폭발 위험도 산출을 위한 모든 데이터들이 완성된다.
[표 2]
이하, 표 2의 ExR 매트릭스(폭발-위험도 매트릭스)에 대해 설명한다.
ExR 매트릭스는 표 1의 ExF 매트릭스 각 행에 폭발 발생 위치 구분을 추가하여 작성되며 이를 통해 최종적인 가스폭발 빈도를 결정하게 된다. 생성된 가스운은 바람에 의해 플랜트의 모든 지점으로 부유하여 이동할 수 있다. 따라서 플랜트 전체 공간을 가스운 부피로 나누어 폭발사고가 발생 가능한 지점의 수를 결정하고 각 지점에 가스운이 위치할 확률을 균일하게 배분할 수 있다. 가스운 위치별 확률을 표 1에서 구한 가스폭발 빈도에 곱하면 최종적으로 모든 시나리오별 가스폭발 빈도가 산출된다.
표 2에 의하면, 최종 가스폭발 빈도는 다음과 같이 산출된다.
최종 가스폭발 빈도 = [표 1의 가스폭발 빈도] x [가스운 위치별 확률(f_v_p)]
[STEP 4 - Explosion Analysis]의 주요 작업 내용은 다음과 같다.
[STEP 3]의 결과를 이용하여 ExF 매트릭스를 작성한다.
관련 주요 데이터는 가스운 부피 범주, 점화원 특성 : 연속적 점화원 또는 간헐적 점화원, 점화 지점 : 가스운 중심 또는 경계, 점화 확률 계산 값, 폭발 확률 계산 값를 포함한다.
ExF 매트릭스를 이용하여 ExR 매트릭스를 작성한다.
관련 주요 데이터는 가스운 부피 범주, 점화원 특성 : 연속적 점화원 또는 간헐적 점화원, 점화 지점 : 가스운 중심 또는 경계, 가스운 위치 분류, 최종 폭발 확률 계산 값, 폭발 과압 관측 값을 포함한다.
[STEP 4]까지의 작업들을 수행하면 확률적 폭발 위험도 분석의 모든 작업이 완료된다.
[STEP 5 - Risk Assessment]에서는 앞서 수행한 분석 작업의 결과를 확인하고, 평가기준에 비추어 폭발 위험도가 문제 되는 지 여부를 평가한다.
정량적 폭발 위험도 평가의 대표적 사례 중 하나는 허용 가능한 발생확률을 가지는 최대 폭발압력의 발생 여부를 평가하는 것이다.
도 3에 도시되는 바와 같이, ExR 매트릭스에서 계산된(또는 입력된) 결과를 도식화한 폭발압력-초과확률 곡선을 작성할 수 있다.
여기서, 세로축은 폭발 발생확률의 연간 초과누적확률 값을 나타내고 가로축은 최대 폭발압력 값을 나타낸다.
따라서, 평가기준이 되는 폭발 발생확률이 정의되어 있으면, 해당 발생확률을 넘지 않는 확률로 발생할 수 있는 폭발압력의 최대치를 도 3의 그래프로부터 즉각 도출할 수 있고, 이렇게 결정된 폭발압력 최대치는 해양플랜트 Topside 공정 시스템의 주요 구조물 및 방화 시스템의 설계하중으로 적용될 수 있다.
다음은, 본 발명에 따르는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 프로그램 동작 과정을 설명한다.
본 발명에 따르는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템의 프로그램은 기본적인 다이얼로그 기반 소프트웨어 형태를 이루고, C++ 언어와 MFC (Microsoft Foundation Class library)를 이용하여 그래픽 사용자 인터페이스 및 계산 알고리즘으로 구현된다.
구체적인 프로그램의 구현 모습은 도 4 내지 도 8을 참조로 한다.
프로그램의 자료 입출력 방식은 GUI 상의 빈칸에 직접 입력하는 방식과 텍스트로 작성된 데이터 파일들을 읽어 들이는 방식의 두 가지로 구성된다.
모든 계산 결과는 텍스트 파일로 저장되어 사용자가 확인할 수 있으며, 필요한 경우 기존의 스프레드시트 프로그램을 이용하여 각종 도표를 작성할 수 있다.
도 4를 참조 하면, 첫 번째 입력화면은 가스폭발 사고 시나리오를 계산하기 위한 기본 정보들을 입력할 수 있도록 구성되었다. 구체적으로는, 프로젝트 식별을 위한 기본 설명, 누출 지점 및 위치 정보, 초기 누출률 데이터, 누출 방향 정보, 안전시스템들의 고장확률 정보, 바람 방향 및 속도 정보, 계산 시간 정보 들을 입력할 수 있다.
도 5를 참조 하면, 두 번째 입력화면은 [STEP 1 - Leak Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 정보를 입력받도록 구성된다.
기본적으로 누출 지점에서의 초기 누출률 별 발생빈도를 입력하고, 시간에 따라 변화하는 누출률 데이터를 입력할 수 있다.
누출률의 시간 변화 데이터는 PHAST 등의 별도 프로그램에서 계산된 값을 텍스트 파일 형태로 정리하여 입력받는다.
도 6을 참조 하면, 세 번째 입력화면은 [STEP 2 - Dispersion Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 정보를 입력할 수 있다.
가장 핵심 정보는 시간 변화 가스운 부피 기준 곡선(RVT Curve) 데이터인데, 이는 FLACS 와 같은 별도의 CFD 시뮬레이션 프로그램 등에서 얻을 수 있다.
가스운 기준 곡선 데이터를 입력하면 프로그램에서 자동으로 시간 변화 가스운 부피 실 곡선(AVT Curve) 데이터를 계산한다.
이 결과를 확인하여 적절한 크기와 개수로 가스운을 범주화하고 그 결과를 입력한다.
CFD 시뮬레이션 수행을 위한 기본적인 시나리오 정보 및 가스운 부피 실 곡선 데이터는 화면의 우측 하단에 있는 기능 버튼을 이용하여 자동으로 계산 및 텍스트 파일로 출력할 수 있다.
도 7을 참조 하면, 도 7은 [STEP 3 - Ignition Analysis] 단계의 작업을 수행하기 위한 네 번째 입력화면을 보여 준다.
점화 분석은 기본적으로 TDIIM (Time Dependent Internal Ignition Model) 방법을 적용한다.
먼저, 각종 점화원 종류별 수량을 입력하고 점화확률 계산에 반영되는 조정 계수에 대한 인자들을 선택 입력한다.
Hot Work 관련 점화 정보도 입력할 수 있는데, 현재 프로그램에서는 아직 내부 계산 알고리즘을 반영하지 못한 상태로써, 추후 프로그램 개선을 통해 반영할 예정이다. 상기의 입력 정보들을 바탕으로 프로그램 내부적으로 점화원 특성(연속적 또는 간헐적)별로 시간에 따라 변화하는 점화확률 데이터가 자동 계산된다.
계산된 점화확률 결과 데이터들은 우측 하단에 있는 기능 버튼을 이용하여 자동으로 계산 및 텍스트 파일로 출력할 수 있다.
도 8을 참조 하면, 마지막 입력화면은 도 8과 같다.
[STEP 4 - Explosion Analysis] 및 [STEP 5 - Risk Assessment] 단계의 작업들에 해당한다.
분석 대상이 되는 Topside 공정 모듈의 기하학적 정보를 입력하고, 앞서 입력되었던 가스운 부피 범주별 배치 개념을 간단히 입력한다.
모든 입력이 마무리 되면 대화상자의 우측 하단에 있는 기능 버튼들을 이용하면 지금까지 입력된 정보들을 바탕으로 자동으로 계산된 결과를 ExF 매트릭스, ExR 매트릭스, 그리고 폭발압력-초과확률 곡선 형태로 확인할 수 있다.
또한, [STEP 6 - Conclusion]의 목적은, 수행 완료한 확률적 폭발 위험도 분석 결과를 요약 및 정리하고, 해양플랜트 Topside 공정 시스템 설계에 있어 큰 문제가 될 수 있으리라 식별된 사항들을 제시함에 있다.
만일 위험도가 너무 과도하여 위험도 저감을 위한 추가 노력이 요구되는 경우, 구체적인 설계 개선방안을 고안하여 제시하는 것도 본 단계에 포함될 수 있다.
이를 통하여, 해양플랜트 Topside 공정 시스템 설계가 가스폭발 사고 측면의 안전성을 합리적이고 수용 가능한 수준에서 유지할 수 있음을 증명할 수 있다.
상기의 구성 및 작용을 통해, 본 발명에 따르는 실시예는 해양플랜트 탑 사이드(Topside) 공정 시스템에서 발생 가능한 가장 치명적 사고 중 하나인 가스폭발 사고의 위험도를 확률적으로 정량화할 수 있는 방법론을 새로이 제시할 수 있다.
또한, 관련 분석 작업을 보다 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 사고 시나리오 구성 및 발생확률 계산을 자동화한 응용 프로그램을 개발하여, 제시된 방법론과 개발된 프로그램을 활용함으로써, 가스폭발 사고의 측면에서 보다 안전한 해양플랜트 공정 설계를 작성함에 있어, 유리한 측면이 있다.
이에 따라, 본 발명은 해양플랜트 공정시스템에서 예기치 않게 누출된 가연성 물질이 폭발성 가스운을 형성한 후 점화원과의 접촉에 의해 폭발하는 잠재적 사고 상황을 대상으로, 관련 위험도를 확률적, 정량적으로 분석할 수 있음과 아울러, 실제 위험도 분석 작업을 효과적으로 지원할 수 있는 이점이 있다.
이상, 본 발명의 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템 및 이를 사용한 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 분석 대상 설정부
200 : 특성 설정부
210 : 누출 현상 정량화부
220 : 가스운 부피 설정부
230 : 가스운 부피 범위 설정부
300 : 빈도 산출부
200 : 특성 설정부
210 : 누출 현상 정량화부
220 : 가스운 부피 설정부
230 : 가스운 부피 범위 설정부
300 : 빈도 산출부
Claims (14)
- 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정부;
상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정부; 및
상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출부를 포함하되,
상기 분석 대상 설정부는,
분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고,
상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고,
상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고,
CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성하며,
상기 특성 설정부는,
상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화부와,
정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출부와,
산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정부를 포함하며,
상기 빈도 산출부는,
상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 누출 현상 정량화부는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고,
상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고,
상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고,
상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고,
상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템.
- 제 4항에 있어서,
상기 가스운 부피 산출부는,
바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고,
초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고,
상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고,
상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고,
상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템.
- 제 5항에 있어서,
상기 가스운 부피 범주 설정부는,
가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고,
공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고,
상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고,
상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고,
상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고,
상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 시스템.
- 삭제
- 분석 대상 설정부를 사용하여 가스 폭발의 분석 대상을 설정하는 분석 대상 설정 단계;
특성 설정부를 사용하여 상기 가스 폭발이 발생되는 경우, 발생되는 가스운의 범주 및 상기 가스 폭발의 점화원의 특성값을 포함하는 정의값을 설정하는 특성 설정 단계; 및
빈도 산출부를 사용하여, 상기 특성 설정부로부터 정의된 상기 정의값을 기초로, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 빈도 산출 단계를 포함하되,
상기 분석 대상 설정 단계에서,
분석 대상 모듈 및, 분석 구획을 결정하고,
상기 분석 대상 모듈 또는 상기 분석 구획의 공정 조건들을 정의하고,
상기 가스 폭발로 인한 폭발 영향 계측 지점을 설정하고,
CFD 기법을 이용하여, 폭발 시뮬레이션 수행을 위한 삼차원 캐드모델을 형성하며,
상기 특성 설정 단계는,
상기 분석 대상에 발생되는 상기 가스 폭발에서의 가연성 공정 물질의 누출 현상을 정량화하는 누출 현상 정량화 단계와,
정량화된 상기 가연성 공정 물질의 누출 현상에서, 상기 가스 폭발 사고가 발생되는 경우, 발생되는 폭발성 가스운의 부피를 산출하는 가스운 부피 산출 단계와,
산출된 상기 가스운의 부피를 기준으로, 상기 가스운의 부피에 대한 범주를 설정하는 가스운 부피 범주 설정 단계를 포함하며,
상기 빈도 산출 단계에서,
상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 상기 점화원 특성 및 점화 지점들을 개별적으로 할당하여 상기 가스 폭발의 빈도에 대한 매트릭스를 통해, 상기 가스 폭발의 빈도를 산출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 8항에 있어서,
상기 누출 현상 정량화 단계에서는 공정 시스템에서 누출이 발생하는 누출 취약 구획을 설정하고,
상기 누출 취약 구획을 기초로 누출 지점 및 연간 누출 확률을 추산하고,
상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 누출 방향들을 정의하고,
상기 누출 지점에 대하여 발생 가능한 대표적 누출율을 정의하고,
상기 누출율의 시간 변화 데이터를 마련하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 가스운 부피 산출 단계에서,
바람 방향 및 속도, 누출율 곡선 데이터를 기초로, 상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오를 정의하고,
초기 누출율을 기반으로 확산 시나리오를 정의하고,
상기 폭발성 가스운의 형성 시나리오와, 상기 확산 시나리오에 대한 가스 확산 시뮬레이션을 수행하고,
상기 가스 확산 시뮬레이션 결과를 기초하여, 상기 폭발성 가스운 부피의 기준 곡선을 형성하고,
상기 누출율 곡선 데이터와 상기 가스운 부피 기준 곡선을 통합하여 실제 가스운 부피 곡선을 도출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법.
- 제 12항에 있어서,
상기 가스운 부피 범주 설정 단계에서,
가스운 부피에 대한 추정치를 기반으로 상기 가스운 부피에 대한 범주를 설정하고,
공정 시스템에 존재하는 상기 점화원들의 수량을 설정하고,
상기 가스운 부피에 대한 범주에 따라 가능한 점화 지점을 설정하고,
상기 가스운 부피에 대한 범주 및 점화 지점에 따라 상기 점화원 특성을 설정하고,
상기 점화원 특성에 따른 점화 밀도를 추정하고,
상기 점화 밀도에 따른 점화 확률을 시간 변화 데이터 곡선으로 산출하는 것을 특징으로 하는 확률적 가스폭발 시나리오 산출 방법.
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