Greenfield Project Part 5. Process Safety Engineering, 왜 공정안전이 프로젝트의 성패를 결정할까?

Plant Project Lifecycle(PPL) 시리즈에서는 지금까지 Greenfield Project의 Concept Review, Feasibility Study, FEED, Basic Engineering까지 살펴보았습니다.

 

이번 Part 5에서는 Process Safety Engineering(공정안전 설계)에 대해 알아보겠습니다.

 

많은 분들이 Process Safety Engineering을 단순히 HAZOP Meeting 정도로 생각하는 경우가 있습니다.

 

하지만 실제 프로젝트에서는 Process Safety Engineering은 사고를 예방하기 위한 모든 Engineering 활동을 의미하며, 프로젝트전체의 안전 수준을 결정하는 핵심 Engineering 분야입니다.

 

특히 Greenfield Project에서는 설비가 건설되기 전에 위험을 제거하는 것이 가장 경제적이며 효과적인 안전 확보 방법입니다.

 

이번 글에서는 Greenfield Project에서 수행되는 Process Safety Engineering의 전체 업무와 각 단계별 산출물에 대해 자세히 알아보겠습니다.

 

 

Process Safety Engineering이란?

 

Process Safety Engineering은

공정(Process)에서 발생 가능한 화재(Fire), 폭발(Explosion), 독성물질 누출(Toxic Release) 등의 중대사고(Major Accident)를 예방하기 위한 Engineering 활동입니다.

 

즉, 설비를 안전하게 운전하기 위한 모든 설계를 의미합니다.

 

여기서 중요한 점은, Process Safety는 작업자의 산업재해를 줄이는 Occupational Safety와는 목적이 다릅니다.

 

구분	Occupational Safety	Process Safety
목적	작업자 안전	공정 전체 안전
사고 규모	개인 사고	대형 사고
예시	낙상, 끼임	폭발, 화재, 독성누출
대상	작업자	Plant 전체

 

즉, Process Safety는 "사람"보다 공정(Process) 자체를 안전하게 만드는 Engineering입니다.

 

 

Greenfield Project에서 Process Safety Engineering이 중요한 이유

 

Greenfield Project는 아무것도 없는 상태에서 Plant를 새롭게 건설합니다.

 

따라서 초기 설계 단계에서 안전성을 확보하지 못하면 나중에 설비가 설치된 이후에는 변경 비용이 수십~수백 배까지 증가할 수 있습니다.

 

대표적인 예가

 

• PSV 추가 설치
• SIS 추가
• Fire Water 배관 추가
• 방폭등급 변경
• 건물 위치 변경

등입니다. 이러한 사항들은 설계 초기에는 쉽게 수정할 수 있지만 시공 이후에는 막대한 비용이 발생합니다.

 

그래서 대부분의 EPC Project에서는 Front-End에서 위험을 제거(Inherently Safer Design)하는 것을 가장 중요하게 생각합니다.

 

 

주요 Process Safety Engineering 업무

 

① Process Hazard Analysis (PHA)

Process Safety Engineering의 출발점은 공정 위험성 분석(Process Hazard Analysis, PHA)입니다.

 

PHA는 공정에서 발생할 수 있는 위험요인을 체계적으로 식별하는 절차이며, 대표적인 기법은 다음과 같습니다.

 

• HAZID(Hazard Identification)
• HAZOP(Hazard and Operability Study)
• What-if Analysis
• Checklist Analysis
• FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)

이 중 가장 널리 활용되는 기법이 HAZOP입니다. HAZOP에서는 "No Flow", "More Pressure", "Less Temperature", "Reverse Flow"와 같은 Guide Word를 이용하여 공정의 모든 편차(Deviation)를 분석하고, 원인(Cause), 결과(Consequence), 기존 보호장치(Safeguard), 개선사항(Action)을 도출합니다.

 

② LOPA (Layer of Protection Analysis)

HAZOP에서 도출된 위험 시나리오에 대해 위험도가 허용 가능한 수준인지 평가하는 단계입니다.

 

LOPA에서는 기존 보호계층(Independent Protection Layer, IPL)이 충분한 위험 저감 효과를 제공하는지 분석하며, 부족한 경우 추가적인 보호계층이 필요한지를 결정합니다.

 

LOPA 결과는 이후 수행되는 SIL Assessment와 SIS 설계의 기초 자료가 됩니다.

 

③ SIL Assessment (Safety Integrity Level)

LOPA 결과 추가적인 계장 보호계층이 필요하다고 판단되면 해당 Safety Instrumented Function(SIF)에 필요한 Safety Integrity Level(SIL)을 결정합니다.

 

SIL은 안전 기능이 요구될 때 정상적으로 동작할 확률을 나타내는 신뢰성 수준으로, 일반적으로 SIL 1, SIL 2, SIL 3 중 하나가 선정됩니다.

 

필요 이상의 높은 SIL을 적용하면 비용이 증가하고, 반대로 낮은 SIL을 적용하면 충분한 위험 저감 효과를 확보할 수 없기 때문에 적절한 수준을 선정하는 것이 중요합니다.

 

④ SIS (Safety Instrumented System)

SIL이 결정되면 이를 실제 설비에 구현하기 위한 Safety Instrumented System(SIS)를 설계합니다.

 

SIS는 공정이 위험 상태에 도달했을 때 이를 자동으로 감지하고, 미리 정의된 안전 동작을 수행하여 사고를 예방하거나 피해를 최소화하는 독립적인 안전 계장 시스템입니다.

 

많은 분들이 SIS와 일반 제어 시스템(BPCS)을 혼동하지만 두 시스템의 목적은 명확히 다릅니다.

 

• BPCS(Basic Process Control System) : 정상 운전을 위한 제어 시스템
• SIS(Safety Instrumented System) : 비상 상황에서 공정을 안전한 상태로 전환하기 위한 보호 시스템

대표적인 SIS 동작 사례는 다음과 같습니다.

 

• 반응기 압력이 High-High Pressure에 도달하면 Emergency Shutdown Valve(ESDV)를 자동 차단
• 반응기 온도가 설정값 이상 상승하면 원료 공급을 자동 차단
• 독성가스 검지기가 누출을 감지하면 ESD를 수행하고 환기 시스템을 자동 가동
• 탱크 액위가 High-High Level에 도달하면 유입 펌프를 자동 정지

SIS는 일반적으로 다음 세 가지 요소로 구성됩니다.

 

• Sensor : 압력, 온도, 유량, 액위 등의 공정 상태를 감지
• Logic Solver : Safety PLC를 이용해 입력 신호를 분석하고 Trip 여부를 판단
• Final Element : Shutdown Valve, Compressor Trip, Motor Trip 등 실제 안전 동작을 수행

이 세 요소가 하나의 안전 기능을 수행하는 단위를 Safety Instrumented Function(SIF)이라고 합니다.

 

실무 Tip
SIS는 정상 운전을 위한 제어 시스템이 아니라, 독립적인 보호계층(Independent Protection Layer, IPL)으로 설계되어야 합니다. 따라서 BPCS와 기능적으로 분리되어야 하며, IEC 61511에서는 이러한 독립성과 신뢰성을 중요한 설계 원칙으로 요구하고 있습니다.

 

 

⑤ Safety Requirement Specification (SRS)

SIS를 구현하기 위해서는 각 안전 기능이 어떤 조건에서 어떤 동작을 수행해야 하는지를 명확히 정의해야 합니다.

 

이를 문서화한 것이 Safety Requirement Specification(SRS)입니다.

 

대표적인 내용은 다음과 같습니다.

 

• Trip 조건
• Set Point
• Voting Logic(1oo2, 2oo3 등)
• Response Time
• Fail Safe Position
• Proof Test Interval

SRS는 SIS 설계와 검증의 기준 문서로 활용됩니다.

 

⑥ Fire & Gas System Engineering

가연성 또는 독성물질이 누출되었을 때 신속하게 감지하기 위해 Fire & Gas System을 설계합니다.

 

주요 검토 대상은 다음과 같습니다.

 

• Gas Detector
• Flame Detector
• Smoke Detector
• Heat Detector

또한 Fire & Gas Mapping을 수행하여 검지기의 설치 위치와 감지 범위를 검토합니다.

 

⑦ Quantitative Risk Assessment(QRA)

QRA는 사고 발생 가능성과 사고 영향을 정량적으로 분석하는 과정입니다.

 

대표적으로 다음 항목을 평가합니다.

 

• Individual Risk
• Societal Risk
• Fire Radiation
• Explosion Overpressure
• Toxic Dispersion

QRA 결과는 Plant Layout, Control Room 위치, 건축물 이격거리 등을 결정하는 중요한 자료가 됩니다.

 

⑧ Explosion & Fire Analysis

폭발 및 화재 발생 시 영향을 예측하여 설비와 인원의 안전을 확보합니다.

 

대표적인 분석 대상은 다음과 같습니다.

 

• Vapor Cloud Explosion(VCE)
• Jet Fire
• Pool Fire
• Fire Radiation
• Explosion Overpressure

분석 결과는 방호벽 설치, 안전거리 확보, 배관 및 설비 배치 최적화에 활용됩니다.

 

⑨ Escape, Evacuation & Rescue(EER)

비상 상황에서 작업자가 안전하게 대피할 수 있는지 검토하는 단계입니다.

 

주요 검토 항목은 다음과 같습니다.

 

• 대피 경로
• 비상구 위치
• 집결지(Muster Point)
• 대피 시간 분석
• 구조 접근성

 

 

주요 Deliverable

 

Deliverable	주요 내용
HAZID Report	초기 위험 식별
HAZOP Report	공정 위험성 분석
LOPA Report	보호계층 분석
SIL Verification Report	SIL 요구 수준 검증
SRS	SIS 기능 요구사항 정의
Cause & Effect Matrix	계장 인터록 및 ESD 동작 정의
Fire & Gas Philosophy	F&G 설계 기준
Fire & Gas Mapping	검지기 배치 검토
QRA Report	정량적 위험성 평가
EER Study	비상 대피 검토
Hazard Register	위험요소 관리

 

 

 

다른 Engineering Discipline과의 협업

Process Safety Engineering은 특정 부서만의 업무가 아니라 모든 Engineering Discipline과 긴밀하게 협업합니다.

 

Engineering 분야	주요 협업 내용
Process	위험 시나리오 도출, Relief Case 검토
Mechanical	PSV, Rupture Disc, Pressure Vessel 설계
Piping	Relief Header, Blowdown Line, Vent System 설계
Instrument	SIS, ESD, Fire & Gas System 구현
Electrical	방폭 설계, 비상전원, 안전 계장 전원
Civil & Structural	방호벽, 안전거리, 건축물 배치
Plant Layout	위험구역 및 건물 배치 최적화
Operation	운전 절차 및 비상 대응 절차 검토

 

이처럼 Process Safety Engineering은 Process, Mechanical, Piping, Instrument, Electrical, Civil, Operation 등 모든 분야를 연결하는 통합 Engineering 역할을 수행합니다.

 

 

마무리

 

Process Safety Engineering은 단순히 HAZOP Meeting을 수행하거나 SIS를 설치하는 업무가 아닙니다.

 

공정에서 발생할 수 있는 모든 위험을 체계적으로 식별하고, 이를 허용 가능한 수준까지 낮추기 위해 HAZOP, LOPA, SIL Assessment, SIS 설계, Fire & Gas Engineering, QRA 등을 종합적으로 수행하는 Engineering 분야입니다.

 

특히 Greenfield Project에서는 설계 초기부터 공정안전을 충분히 고려해야만 시공 이후 발생할 수 있는 대규모 설계 변경과 막대한 비용을 예방할 수 있습니다. 결국 공정안전은 법규 준수를 위한 절차가 아니라, 플랜트의 안전성과 경제성, 그리고 장기적인 운영 신뢰성을 확보하기 위한 핵심 설계 활동이라고 할 수 있습니다.

 

다음 편에서는 PPL Greenfield Project Part 6. Detailed Engineering을 통해 Basic Engineering에서 확정된 설계를 실제 제작과 시공이 가능한 수준으로 구체화하는 과정과 각 Engineering Discipline의 상세 업무 및 주요 Deliverable을 살펴보겠습니다.