수소충전소 안전설계를 위한 하이브리드 LOPA 연구
A Study on Hybrid LOPA for Safety Design of Hydrogen Refueling Stations
- 주제(키워드) 수소충전소 위험성평가 , 운전과위험분석（HAZOP） , 방호계층분석（LOPA） , 기능안전 , 규범적 기술기준 , Hybrid LOPA
- 주제(DDC) 628
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 정승호
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 환경공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000036385
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Hydrogen refueling stations are complex process facilities in which high-pressure hydrogen is stored, compressed, and dispensed. Owing to the physicochemical properties of hydrogen, leakage may readily lead to fire or explosion. In Korea, hydrogen refueling stations are designed, constructed, and inspected in accordance with prescriptive technical codes centered on the KGS Code. However, actual accident cases suggest that compliance with such codes alone does not fully guarantee practical safety. Accordingly, this study quantitatively examined the risk reduction performance of prescriptive technical codes and compared the effects of different protection layer scopes through a design-based risk assessment, with the aim of developing a Hybrid LOPA framework for the safety design of hydrogen refueling stations. First, a risk reduction assessment based on prescriptive technical codes was conducted. A large-scale hydrogen release caused by rupture of a high-pressure dispenser hose was selected as the representative accident scenario, and LOPA was performed using initiating event frequencies and PFD values adopted from the CCPS guideline. In addition, HAZOP was carried out using the design documents of an actual off-site hydrogen refueling station, followed by a comparative application of two LOPA approaches: the Functional Safety Only approach, which considers only functional safety protection layers, and the All Safeguards approach, which includes mechanical and procedural safeguards. Subsequently, to link the two approaches by design stage, All Safeguards Risk Margin and Functional Safety Gap were proposed as decision indicators, and a case study was conducted using a mobile hydrogen refueling station model. The results showed that, when the safety devices required by the KGS Code were applied as IPLs, the total PFD was calculated to be 1×10-5 and the final event likelihood was estimated as 1×10-7/year, satisfying the TMEL of 1×10-6/year. This indicates that the safety devices required by prescriptive technical codes may achieve the target risk level for the representative accident scenario when appropriately applied. However, this result was valid only under assumptions such as independence of protection layers, periodic inspection and testing, proper maintenance, and exclusion of common cause failures. In the design-based comparative analysis, the Functional Safety Only approach resulted in SIL 1 or SIL 2 requirements for all major scenarios, whereas the All Safeguards approach did not yield any additional SIL requirement. This demonstrates that the required SIL and the risk reduction results may vary depending on the scope of protection layers recognized in the analysis. This study examined the quantitative risk reduction performance and limitations of prescriptive technical codes and compared the differences between the Functional Safety Only and All Safeguards approaches according to the recognized scope of protection layers. Based on these results, the design-stage risk reduction effects and functional safety requirements were evaluated using a Hybrid LOPA framework that links overall protection strategy evaluation with functional safety verification according to the design maturity of hydrogen refueling stations. These findings suggest that compliance with prescriptive technical codes, review of protection layer independence from a functional safety perspective, and maintenance management should be comprehensively considered in the safety design of hydrogen refueling stations. Key word : Hydrogen refueling station risk assessment, Hazard and Operability Analysis（HAZOP）, Layer of Protection Analysis（LOPA）, Functional safety, Prescriptive technical codes, Hybrid LOPA
more초록/요약
수소충전소는 고압 수소를 저장, 압축 및 충전하는 복합 공정설비로서, 수소의 물리화학적 특성상 누출 시 화재 또는 폭발로 이어질 가능성이 높다. 국내 수소충전소는 KGS Code를 중심으로 한 규범적 기술기준에 따라 설계, 시공 및 검사가 이루어지고 있으나, 실제 사고사례는 기술기준의 준수만으로 시설의 실질적 안전성이 완전히 보장되지 않음을 보여준다. 이에 본 연구는 수소충전소에 적용되는 규범적 기술기준의 위험저감 효과를 정량적으로 검토하고, 실제 설계 기반 위험성평가를 통해 방호계층 범위 설정에 따른 결과 차이를 비교, 분석함으로써 수소충전소 안전설계를 위한 Hybrid LOPA 적용체계를 제안하고자 하였다. 연구 방법으로는 먼저 규범적 기술기준 기반 위험저감 수준 평가를 수행하였다. 대표 사고시나리오로 디스펜서의 고압 충전호스 파열에 따른 대량의 수소 누출을 선정하고, CCPS에서 제시하는 개시사건 빈도와 PFD 값을 적용하여 LOPA를 수행하였다. 또한 실제 Off-site 형 수소충전소의 설계자료를 바탕으로 HAZOP을 수행한 후, 기능안전 방호계층만을 고려하는 Functional Safety Only 기반 LOPA와 기계적, 절차적 보호수단을 포함한 All Safeguards 기반 LOPA를 각각 적용하여 결과를 비교하였다. 이후 두 접근법을 설계단계별로 연계하기 위하여 All Safeguards Risk Margin과 Functional Safety Gap을 판단지표로 제안하고 이동형 저장식 수소충전소 모델을 대상으로 사례연구를 수행하였다. 연구 결과, KGS Code에서 규정하는 안전장치를 IPL로 적용할 경우 총 PFD는 1 × 10-5, 최종 사고빈도는 1 × 10-7/year로 산정되어 설정한 TMEL 1 × 10-6/year를 만족하는 것으로 평가되었다. 이는 규범적 기술기준에 따라 요구되는 안전장치를 적절히 적용할 경우 대표 사고시나리오에 대해 정량적으로 목표 위험수준을 충족할 가능성이 있음을 보여준다. 그러나 이러한 결과는 방호계층의 독립성, 정기적인 점검 및 시험, 적절한 유지관리, 공통원인고장의 배제와 같은 전제조건 하에서만 유효하였다. 한편 실제 설계 기반 비교 분석에서는 Functional Safety Only 접근에서 모든 주요 시나리오에 대해 SIL 1 또는 SIL 2 수준의 요구가 도출 된 반면, All Safeguards 접근에서는 추가적인 SIL 요구가 도출되지 않았다. 이는 동일한 사고시나리오라도 방호계층의 인정 범위에 따라 요구 SIL과 위험저감 결과가 달라질 수 있음을 의미한다. 본 연구는 규범적 기술기준의 정량적 위험저감 효과와 한계를 검토하고 방호계층 인정 범위에 따른 Functional Safety Only 접근과 All Safeguards 접근의 차이를 비교하였으며, 이를 토대로 수소충전소의 설계 성숙도에 따라 전체 방호전략 평가와 기능안전 검증을 연계 적용하는 Hybrid LOPA 적용체계를 이용하여 설계단계별 위험저감 효과와 기능안전 요구사항을 평가하였다. 이러한 결과는 수소충전소 안전설계 시에 규범적 기술기준 준수, 기능안전 관점에서의 방호계층의 독립성 검토와 유지관리 등을 종합적으로 고려해야 함을 시사한다. 주제어 : 수소충전소 위험성평가, 운전과위험분석（HAZOP）, 방호계층분석 （LOPA）, 기능안전, 규범적 기술기준, Hybrid LOPA
more목차
제 1 장 서 론 1
제 1 절 연구배경 1
제 2 절 연구의 필요성 3
제 3 절 연구의 목적 8
제 2 장 이론적 배경 10
제 1 절 수소충전소의 공정 구성과 사고위험 10
제 2 절 수소충전소 안전관리 체계와 표준 및 기술기준 12
1. 수소충전소 안전관리 체계 12
2. 국제표준 ISO 19880-1 분석 13
3. 가스기술기준 KGS Code 분석 19
제 3 절 위험성평가 기법의 비교와 본 연구의 방법론 선택 근거 22
1. 위험성평가 개요 22
2. 본 연구의 방법론 선택 24
제 4 절 LOPA의 핵심 개념과 방호계층 범위 26
1. LOPA의 개요와 기본 개념 26
2. LOPA 수행을 위한 적용 표준 및 지침 설정 28
3. 방호계층 범위의 구분 31
제 5 절 선행연구 검토 및 연구 차별성 37
1. 수소충전소 QRA 및 CA 중심 연구 37
2. HAZOP, LOPA 및 기능안전 관련 연구 40
3. 기존 연구의 한계와 본 연구의 차별성 42
제 3 장 연구방법 및 연구대상 46
제 1 절 연구범위 및 수행절차 46
제 2 절 대상 시스템 설정 및 HAZOP 분석 범위 48
1. 평가 대상 시스템의 개요 48
2. HAZOP 평가 기본원칙 51
제 4 장 규범적 기술기준 및 실제 설계 기반 LOPA 결과 분석 53
제 1 절 규범적 기술기준 기반 위험저감 수준 평가 53
1. 대표 사고시나리오 선정 및 평가 조건 55
2. 허용 가능한 사고 발생 빈도 결정 60
3. 규범적 기술기준 기반 IPL 정의 및 PFD 설정 63
4. LOPA 결과 및 TMEL 달성 여부 69
5. 독립성 가정과 공통원인고장 민감도 분석 71
6. 규범적 기반 접근의 보완 필요사항 75
제 2 절 실제 설계 기반 위험성평가와 방호계층 범위 비교 81
1. HAZOP 수행 및 고위험 시나리오 도출 83
2. Functional Safety Only 및 All Safeguards 기반 LOPA 결과 91
3. 두 접근법의 비교ㆍ분석 104
4. 방호계층 범위 정의의 영향과 설계ㆍ운영 측면의 시사점 109
제 5 장 Hybrid LOPA 적용체계 제안 112
제 1 절 Hybrid LOPA 구성 논리 112
제 2 절 설계단계별 적용 원칙 114
1. 설계 단계의 구분 115
2. Hybrid LOPA 방법의 적용 흐름 116
제 3 절 Hybrid LOPA 적용 절차와 전환 기준 및 판단지표 118
1. 전환 기준 118
2. Hybrid 전환을 위한 정량적 근거 120
3. All Safeguards Risk Margin 및 Functional Safety Gap 123
제 4 절 이동형 저장식 수소충전소 모델 기반 사례연구 130
1. 사례연구 대상 및 기본설계 P＆ID 도출 130
2. 기본설계 기반 HAZOP 및 All Safeguards LOPA 결과 135
3. All Safeguards LOPA 결과에 따른 상세설계 P＆ID 보완 145
4. Functional Safety Only LOPA 결과 및 SIF/SIL 요구사항 도출 148
5. 최종 P＆ID 및 Hybrid LOPA 적용 결과 153
제 5 절 Hybrid LOPA 적용체계의 시사점 157
제 6 장 결 론 160
제 1 절 연구결과의 요약 및 결론 160
제 2 절 연구의 제한점 및 향후 연구방향 166
1. 연구의 제한점 166
2. 향후 연구방향 169
참고문헌 170
Appendix A : HAZOP results of an off-site hydrogen refueling station 183
Abbreviation 188
Abstract 190
