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혼소발전소 내 암모니아 저장탱크의 CCA 기반 위험성 평가

CCA-Based Risk Assessment of Ammonia Storage Tanks in Ammonia Co-Firing Power Plants

  • 이다은 (LEE DAEUN, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

탄소중립을 위해 국내외 발전소에서는 기존 연료와 암모니아를 혼합하여 발전하는 혼소 기술이 도입되고 있다. 그러나 암모니아는 독성 및 누출 시 폭발·화재 가능성이 있어 혼소발전소에 대한 위험성평가가 필수적이다. 특히 암모니아 저장탱크는 암모니아를 저장하는 주요 설비이므로 위험성연구는 필요하다. 본 연구는 국내 천연가스 혼소발전소의 암모니아 저장탱크 설비를 대상으로, Cause–Consequence Analysis(CCA)를 활용하여 정량적으로 평가하였다. 이를 위해 Fault Tree Analysis(FTA)를 통해 저장탱크 구성요소의 기본 고장률을 분석하였고, Minimal Cut Set(MCS)을 도출하여 주요 기여 요인을 식별하였다. 이후 Event Tree Analysis(ETA)를 적용하여 누출 이후 점화 여부·점화 시점·확산 형태에 따른 결과 시나리오를 산정하였다. FTA 결과, 암모니아 저장설비 대규모 누출 빈도는 5.41E-04 /yr, 소규모 설비 누출 빈도는 6.24E-04 /yr로 나타났으며, 전체 Top Event 누출 빈도는 6.78E-04 /yr로 산정되었다. ETA 결과, 누출 이후 Fireball+Jet fire, Jet fire, Flash fire, Gas release 등 사고 시나리오가 도출되었다. Gas release 시나리오가 전체 결과 확률의 상당 비중을 차지하였다. 점화 방식과 방출 형태가 사고 심각도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. CCA 결과, 저장탱크 누출, 점화, 사고 전개 과정의 위험도를 정량적으로 도출할 수 있었다. 또한 MCS 기반 기여도 분석을 통해 격리 밸브, 플랜지, 펌프의 신뢰도 개선이 누출 빈도 저감에 효과적임을 확인하였다. 본 연구는 암모니아 혼소발전소 내 저장설비를 대상으로 한 빈도 기반 CCA 분석이라는 점에서 의의가 있으며, 향후 암모니아 혼소발전소의 안전관리 기준 마련 및 설계 단계에 기초 자료로 활용될 수 있다.

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목차

제 1장 서론 1
제1절 연구 배경 1
1. 연구 배경 1
2. 암모니아 혼소발전의 개요 1
3. 암모니아의 위험성 2
제2절 선행 연구 및 연구 목적 3
제 2장 연구 방법 6
제1절 정량적 위험성평가 6
1. 정량적 위험성평가 개요 6
2. 위험성평가 기법 7
가. 결함수 분석(FTA) 7
나. Minimal Cut Set 10
다. 사건수 분석(ETA) 11
라. ETA 사고 전개 요인 13
제2절 시나리오 입력조건 16
1. 연구 대상 16
2. 공정 조건 16
가. 사고 시나리오 선정 16
제 3장 결과 및 고찰 19
제1절 FTA 결과 19
1. 상위 사건(Top Event)의 정의 19
가. 대규모 누출(Catastrophic Release) 19
나. 소규모 설비 누출(Minor Equipment Leakage) 19
2. 대규모 누출(Catastrophic Release) 21
가. 저장탱크 파열(Tank Rupture) 21
나. 펌프 파열(Pump Rupture) 22
다. 과압에 의한 파열(Overpressure Rupture) 22
라. 탱크 과충전(Tank overfilling) 23
마. 진공 붕괴(Vacuum implosion) 23
바. 증기 라인 방출(Vapor line release) 24
3. 소규모 설비 누출 (Minor Equipment Leakage) 25
4. 정상 사상(Top Event) 결과 26
제2절 Minimal Cut Set 결과 27
1. 대규모 누출 28
2. 소규모 설비 누출 30
3. 주요 기여 요인 분석 31
가. 격리 밸브 신뢰도 향상을 통한 누출률 저감 34
나. 플랜지의 개스킷 사양 및 체결 관리 강화에 따른 누출 저감 34
다. 펌프 shaft seal 개선을 통한 외부 누출 저감, 34
제3절 ETA 결과 37
제4절 CCA 결과 39
1. 저장탱크 누출 빈도 산정 (FTA) 39
2. 누출 후 사건 전개 (ETA) 40
가. 즉시 점화 여부 (Immediate ignition) (Yes: 0.25, No : 0.75) 40
나. 장애물 없는 누출 여부 (Unobstructed release) (Yes: 0.63, No : 0.37) 40
다. 지연 국소 점화 (Delayed local ignition) (Yes: 0.25, No : 0.75) 40
라. 지연 원거리 점화 (Delayed remote ignition) (Yes: 0.80, No : 0.20) 40
3. 최종 결과 시나리오 및 발생 확률 40
가. 점화 없음(Gas release) 41
나. 즉시 점화(Fireball + Jet fire) 41
다. 지연 원거리 점화(Flash fire + Jet fire) 41
라. Jet fire 42
4. 시나리오 위험 허용 기준 42
제5절 한계점 44
1. 고장률(실패 확률) 입력자료의 불확도 미고려 44
2. 방호 장치 반영 범위의 한계 44
3. 싱가포르 MOM 단일 시나리오 ALARP 기준 적용의 한계 및 사용 이유 45
제 4장 결론 46
1. 원인·결과 분석(CCA/FTA/ETA) 46
2. 정량적 위험도(Top event frequency) 46
3. 기여도 분석 결과(신뢰도 개선 효과) 46
참고문헌 48
영문 요약(Abstract) 53

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