HAZOP 기본 개념 정리

HAZOP(Hazard and Operability Study) 이란?

• 공장 설비 프로세스에 존재하는 해저드(hazards) 및 운용 상의 문제점(operability problems)을 찾아내는 정성적 분석 기법
• HAZOP 분석은 시스템의 원래 의도한 설계와 차이가 있는 변이(deviations)를 일련의 가이드워드(guidewords)를 활용하여 체계적으로 식별해 낸다.
• Hazard: 인적, 경제적, 환경적 피해를 초래할 수 있는 바람직하지 않는 이벤트(An unwanted event in the system with the potential to cause injury or loss)

 

History

• 화학 산업 분야에서 공장의 프로세스 설계 및 운용의 안정성 분석 기법으로 개발되어 이후 오일, 가스, 유독 화학 물질, 제약 시스템 등으로 적용 분야가 확장됨
• 1960년대에 Dr H G Lawley와 영국 화학 업체 ICI의 Wilton 공장 연구원들에 의해 처음 시작됨
• 1974년 Dr H G Lawley가 HAZOP에 대한 첫 번째 페이퍼 발표
• 1977년 ICI와 영국 화학 산업 협회(Chemical Industries Associations)가 첫 번째 가이드 문서(“A Guide to Hazard and Operability Studies”) 발행

 

HAZOP 분석 수행 시점

• 신규 시스템의 경우 되도록이면 시스템 설계 단계 초반에 수행 하는 것이 바람직하지만, HAZOP 분석을 위해서는 어느 정도 완성된 설계가 필요함. 따라서 상세 설계가 완성된 시점에 HAZOP 분석이 수행되는 경우가 많음
• 기 운용되는 시스템에서 잠재적 위험 요인이나 운용상 문제점 제거를 목적으로 HAZOP 분석을 수행하는 경우도 있음(기존 시스템의 안전성 업그레이드를 위해 어떤 변경이 필요한지 식별)

 

팀 기반의 분석 기법

• HAZOP은 그룹에 의한 브레인스토밍 분석 기법이다(개인이 별개로 작업한 결과를 종합하는 것보다 팀으로 분석 시 더 효과적으로 문제점 식별이 가능하다는 가정에 기반)
• HAZOP 분석 팀은 분석 대상 시스템에 대한 지식과 경험이 있는 다양한 분야의 전문가들로 구성된다(예, 프로젝트 엔지니어, 기계 엔지니어, 전기 엔지니어, 안전 담당 엔지니어, 품질 엔지니어, 유지보수 엔지니어, 공장/시설 설계 담당자, 실 운영자 등)
• HAZOP 미팅을 주관하는 ‘HAZOP Leader’와 자료 준비, 미팅 내용 기록, 보고서 작성 등을 책임지는 ‘HAZOP Secretary’가 존재
• 팀 규모는 5~8명이 적절

 

HAZOP 분석 절차

1) 분석 대상 노드(node) 선정

• 노드: 프로세스상의 주요 변화가 발생하는 프로세스의 한 부분(section)
  예) 액체 압력 증가가 발생하는 펌프 시스템, 화학 구성이 변화되는 원자로(reactor), 액체 온도가 변경되는 열교환기(heat exchanger), 라인, 용기(vessel) 등
• HAZOP 분석을 위해서는 해당 노드의 프로세스 설계 자료(예, Process Flow Diagram, Piping and Instrumentation Diagram, Process Data Sheets 등)와 안전성 관련 자료(예, Safety procedures documents, safeguarding process flow diagram, 운용 매뉴얼, 이전 HAZOP 보고서 등)가 사전 준비되어 있어야 한다.
• 위 자료를 통해 분석 팀은 대상으로 선정된 노드의 설계 및 안전 규제(safety limits) 등을 확인한다. 필요에 따라 분석 팀이 해당 공장 시설을 직접 방문하기도 한다.

 

노드 각각에 대해 아래와 같은 설비 운용 모드(modes of operation)가 고려되어야 함

• 정상 운용(Normal operation)
• 감소된 처리량의 운용(Reduced throughput operation)
• 일상적 스타트업(Routine start-up)
• 일상적 셧다운(Routine shutdown)
• 비상 셧다운(Emergency shutdown)
• 시운전(Commissioning)
• 특수 운용 모드(Special operating modes)

 

2) 프로세스 패러미터(process parameter) 선정

• 패러미터: 위험 요인을 가진 시스템 구성 요소의 물리적 특성(physical properties)
• HAZOP 분석에서 선정되는 패러미터는 분석 대상 프로세스의 타입, 프로세스 내의 장비 유형 등에 따라 달라짐
• 많은 경우 공통적으로 고려하는 프로세스 패러미터로 흐름(Flow), 온도(Temperature), 압력(Pressure), 수위(Level), 구성요소(Composition), 점도(viscosity) 등이 있다.

 

3) 가이드워드(guideword) 적용

• 가이드워드는 분석 팀 멤버들이 프로세스 패러미터의 가능한 변이(deviations)를 생각(상상)해 내는데 도움이 되는 짤막한 단어/문구들이다.
• 가이드워드의 역할은 일련의 표준 질문을 프로세스 패러미터에 반복적으로 적용하여 정상 조건으로부터 벗어나는 변이(deviations)를 체계적이고 일관성 있게 도출하도록 해주는 것이다. 즉, Guideword + Parameter à Deviation
• 분석 대상 시스템에 따라 적용되는 가이드워드의 타입과 수가 달라지며, 동일한 가이드워드도 산업 분야 마다 또는 시스템 생명 주기의 단계마다 다르게 해석되기도 한다. 따라서 HAZOP 스터디를 위한 가이드워드를 선정하면, 그 해석(interpretations)을 적절히 정의해야 한다. 

대표적인 가이드워드로 아래를 들 수 있다.

Guidewords	의미	예
No(not, none)	전방향 흐름(forward flow)이 있어야 하는 곳에 흐름이 없는 경우 의도한 것의 일부가 달성되지 못한 경우, 의도한 이벤트/액션이 발생하지 않은 경우	펌프 장애, 밸브 막힘, 누수, 용기가 비어 있거나 통제 오류 등으로 인해 있어야 할 흐름이 없는 경우
More(higher)	패러미터가 적정 수준 보다 더 많은 경우(양적 증가)  데이터 값이 (한도 내에서 또는 한도를 벗어나) 너무 높은 경우	유량이 더 많은 경우, 유속이 더 빠른 경우, 압력이 더 높은 경우, 온도가 더 높은 경우 등
Less(lower)	패러미터가 적정 수준 보다 더 적은 경우(양적 감소) 데이터 값이 (한도 내에서 또는 한도를 벗어나) 너무 낮은 경우	위 예의 반대 경우
Reverse	역류, 의도한 로직의 반대 경우 발생	펌프 고장, 잘못된 경로 등으로 인해 거꾸로 된 흐름이 발생, 파이프 역류, 역 화학 반응(reverse chemical reactions)
As Well As	의도한 것 외에 추가적인 활동이 발생 모든 설계 의도가 달성되었지만 그에 더불어 다른 추가 이벤트가 발생함	특정 밸브를 닫을 때 로직 에러 또는 휴먼 에러로 인해 의도하지 않은 다른 밸브까지 한꺼번에 닫히는 경우, 불순물이 발생하는 경우
Part of	의도한 설계의 일부분만 정상적으로 수행되는 경우, 불완전	시스템 shut down 시 일부 시스템만 종료되거나 하는 경우
Other than	의도한 것 대신 전혀 다른 결과/활동이 발생, 완전하지만 부정확(complete but incorrect)	가스 파이프에 가스 대신 액체가 흐르거나 하는 경우

위의 가이드워드 외에 아래와 같은 타이밍 가이드워드도 종종 쓰인다.

• BEFORE: 시퀀스 또는 순서(orderings)와 관련, 표현식(expressions) 평가 순서, 시퀀스 내에서 신호가 의도보다 더 일찍 도착
• AFTER: 시퀀스 또는 순서와 관련, 표현식 평가 순서, 시퀀스 내에서 신호가 의도한 것보다 더 늦게 도착
• EARLY: 클락 타임 관련, 예상한 것보다 먼저 발생 
• LATE: 클락 타임 관련, 예상한 것보다 후에 발생

 

4) 의도한 정상 설계에서 벗어나는 변이(deviations) 식별

• 가이드워드를 선정된 프로세스 패러미터에 적용하여 발생 가능한 변이(deviation)를 찾는다. 예를 들어 가이드워드 "No"가 패러미터 "flow"에 적용되면 "no flow" 라는 하나의 deviation이 생성됨
• 아래와 같이 가이드워드와 프로세스 패러미터를 조합하는 매트릭스를 활용한다.
• 모든 가이드워드+패러미터 조합이 의미 있는 것은 아니므로 매트릭스 상의 빈 칸이 존재(분석이 필요 없는 경우)

 

패러미터	No	More	Less	Reverse	Part of	Other than
흐름	No flow	High flow	Low flow	Back flow		격납 실패
압력	진공	고압	저압		부분 압력
온도		고온	저온		극저온(영하)
수위	No level	고수위	저수위

 

 

 

 

5) 변이를 초래하는 원인(causes) 파악

• 변이(deviation)가 발생하는 이유를 찾는다. 특정 변이를 초래하는 원인(causes)이 한 가지 이상일 수도 있다.
• 발생 가능성이 지나치게 낮은 원인은 분석 팀의 판단에 따라 리스트에서 제외될 수도 있다.
• 원인의 유형으로 크게 세 가지가 있다.
  - 사람 에러(Human error): 오퍼레이터, 설계가, 제조자, 기타 관련 작업자의 행위로 인해 심각한 결과를 초래하는 위험이 발생
  - 장비 오류(Equipment failure): 기계적, 구조적, 운용상의 결함으로 인해 위험 발생
  - 외부 요인(External events): 외부 요인이 노드 운용에 영향을 주어 위험을 발생 시킴(예, 정전, 수도 공급 중단, 날씨, 지진, 유관 노드의 장애 등)

 

6) 변이로 인한 결과(consequences) 파악

• 변이 발생에 따른 결과(피해, 문제점)를 파악한다. 즉, 해당 변이가 시설 셧다운이나 제품 품질 저하 같은 프로세스 해저드(process hazards)와 운용 문제(operability problems)를 야기하는지 분석한다.
• 변이의 영향은 안전성(safety), 환경(environmental), 경제성(economic) 측면에서 따져볼 수 있다.

 

7) 변이의 안전책(Safeguards) 고려

• Safeguard는 변이 발생을 막거나(막는 것이 불가능하다면 발생 빈도를 줄이거나) 또는 변이가 주는 피해를 완화하는데 도움이 되는 안전 대책을 의미한다. HAZOP 분석 팀은 토론을 통해 이러한 safeguards를 찾아 낸다.
• 또한 오퍼레이터가 특정 변이가 실제 발생한 것을 알 수 있는 방법(예, 알람)이 필요하다. 만약 현 설계에서 변이 발생을 명확히 알 수 있는 방법이 없다면 이를 알리는 알림 메커니즘(indicating mechanisms)을 구현하도록 권고한다.

 

8) HAZOP 분석 프로세스 반복 및 결과 보고서 작성

패러미터에 가이드워드를 적용하여 변이를 식별하고 각 변이의 원인과 결과를 분석하는 일이 노드의 모든 분석이 완성될 때가지 반복된다.

 

HAZOP 분석이 완료되면 식별된 해저드와 권고사항을 기록한 분석 보고서를 작성한다.

 

[HAZOP 절차]

 

HAZOP의 타입

• 프로세스 HAZOP: HAZOP 기법이 애초에 공장 시설과 프로세스 시스템을 평가하기 위해 개발됨
• 휴먼 HAZOP: 특화된 HAZOPs의 한 계열로 기술적 실패 보다는 사람 에러에 더 집중함
• 프로시져 HAZOP: 절차 또는 운용 시퀀스의 검토. 때때로 SAFOP(SAFe Operation Study)로 표기됨
• 소프트웨어 HAZOP: 소프트웨어 개발에서의 가능한 에러를 식별

 

결론

• HAZOP 분석 기법은 일련의 가이드워드를 프로세스 패러미터에 적용하여 원래 의도한 프로세스 설계로부터 달라지는 변이(deviations)을 생성하고, 이러한 변이의 원인 및 결과(피해)를 식별하여 안전책을 마련하도록 하는 정성적 위험 분석 기법이다.
• HAZOP에 의한 일차적인 위험 분석의 결과가 필요에 따라 다른 정량적 리스크 평가 기법을 이용하여 좀 더 심도 있게 분석되기도 한다.
• HAZOP은 시스템 설계 단계 리뷰의 대체가 아니다. HAZOP 수행 여부와 관계 없이 통상적으로 시스템 설계 단계에서 이루어지는 여러 검증 활동(peer reviews, inspection 등)은 그대로 이루어져야 한다.
• HAZOP 분석은 솔루션이 요구되는 문제점(위험)을 식별하는데 있지 솔루션 자체를 만드는데 있지 않다. HAZOP 팀의 목적이 시스템 또는 공장 시설을 재설계 하는데 있지 않다는 점을 유의해야 한다(HAZOP 멤버들이 종종 범하는 실수).