[두 번째 이야기] 안전과 소방 설계
[26] Safety & Fire Fighting Engineering
플랜트 현장에 가보면 “안전에는 지나침이 없다”라는 구호를 쉽게 볼 수 있습니다. 화공플랜트 설비는 항상 폭발이나 가스 누출 등의 사고 위험에 노출되어 있으며, 만일 사고가 나면 많은 인명과 재산 피해 볼 수 있는 위험이 있는 산업입니다. 따라서, 프로젝트의 안전은 물론 사람의 생명과 직결되기에 안전설계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것입니다.
이번에는 Oil & Gas Plant의 안전설계(Safety Engineering)에 대해 알아보겠습니다.
안전설계(Safety Engineering)는 기본적으로 플랜트의 운전 중에 발생할 수 있는 화재나 폭발에 대비한 업무를 수행합니다. 플랜트에 종사하지 않더라도 대부분 뉴스를 통해 플랜트의 사고 소식을 접하셨을 것입니다.
대표적인 플랜트 사고 소식은 2010년도에 발생한 미국 멕시코만 원유 유출 사고입니다. 영화 “Deep Water Horizon”으로 널리 알려진 이 사고는, 영국 최대 기업이자 세계 2위의 석유회사인 BP(당시 British Petroleum)의 시추선 “Deep Water Horizon”의 석유 시추 시설이 폭발한 사고로, 당시 11명의 사망자와 18명의 부상자, 그리고 한반도 면적을 뛰어넘을 정도의 많은 원유 유출로 인한, 미국 역사상 최악의 해상 기름 유출 사고로 기록되고 있습니다. (출처:위키백과)
우리나라에서도 종종 비슷한 사고를 볼 수 있는데, 최근 가장 큰 사고로는 2015년에 6명의 사망자가 발생한 한화케미컬 울산 2 공장의 폭발사고가 있습니다. 이외에도 서산이나 여수 등 석유화학 공장이 몰려있는 지역에서 가스 누출로 직원이나 인근 주민이 긴급 병원으로 후송되는 사고가 최근에도 연이어 일어나고 있습니다.
이처럼 화공플랜트 설비는 화학 물질을 다루기에 항상 폭발이나 가스 누출 등의 사고 위험에 노출되어 있으며, 사고가 나면 많은 인명과 재산 피해를 볼 수 있는 산업입니다. 이렇게 위험한 플랜트에서, 폭발과 가스 누출 등을 사전에 방지하고, 만일 발생할 경우에도 신속하게 진압할 수 있도록 대비 함으로써 안전하게 운영할 수 있도록 설계하는 곳이 바로 안전설계입니다. 그렇기에 플랜트 프로젝트에서 안전설계의 역할은 그만큼 중요하다고 할 수 있습니다.
안전설계 (Safety Engineering)
앞서, 안전은 화재나 폭발 방지와 만일 사고가 발생할 경우 미치는 영향 등을 사전에 파악하는 일종의 소프트웨어의 성격이라고 하였습니다. 하지만 이렇게만 설명하면 조금 이해하기 어려울 수도 있습니다만, 안전에서 수행하는 주요 업무를 살펴보면 쉽게 이해하실 수 있습니다. 편의상 현업에서 구분하는 업무 수행방식으로 나누어 살펴보겠습니다.
안전설계 팀은 보통 Safety 팀이라고 부르지만 실제로는 안전(Safety)과 소방(Fire Fighting)으로 나누어집니다.
둘의 업무를 쉽게 구분해 보면, 먼저 안전설계는 화재나 폭발 방지와 만일 이것들이 발생한 경우 미치는 영향 등을 사전에 파악하는, 일종의 소프트웨어의 성격이라고 할 수 있습니다. 하지만 소방설계는 화재나 폭발이 실제 발생했을 때 직접 이를 진화하기 위한 설비를 다루는 하드웨어적인 성격이 강하다고 할 수 있습니다. 물론 이렇게 간단하게 설명할 수는 없지만 크게 보면 이렇다는 것입니다.
프로세스 설계를 대표 문서가 Process Data와 P&ID라면, 안전 설계를 대표하는 문서는 Safety P&ID와 Hazardous Clarification이라고 할 수 있습니다. P&ID가 프로젝트 전체에 걸쳐 적용된다면, Safety P&ID는 소방 설계의 기준이 되는 도면이며, Hazardous Clarification은 플랜트의 위험지역을 구분하는 도면으로써, 방화(Fire Protection) 설계의 기준이 됩니다. 이 도면에 따라 각종 장비나 기기의 방폭(Explosion proof) 여부와 함께 구조물의 내화(Fire proofing) 설계를 진행합니다.
Engineering
1. Process Safety
(1) Risk Assessment (위험성 평가)
- 플랜트 시스템의 위험도 발생 확률(Probability)과 영향(Consequence) 등을 조합, 모델 분석 등을 통해 시스템의 위험도를 예측, 평가하는 Study입니다.
(2) Consequence Analysis (사고 피해 예측)
- 폭발이나 화재 혹은 가스 누출 등 사고가 발생할 경우 피해를 예측, 산정하는 작업이며, 대표적으로 Fire에 대한 Radiation Study와 가스 누출에 대한 Dispersion Study가 있습니다.
(3) RAM Study (Reliability, Availability and Maintainability Study)
- Project 초기에 대상 공정의 정상 운전 확률을 예측하여, 정상 가동 시 그 공정을 통해 얻을 수 있는 생산성을 예측하고 대상 공정의 경제성을 판단할 수 있는 기준을 제시하기 위한 Study입니다.
(4) Hazardous Area Classification
- 위험 분위기(대기 중의 인화성 또는 가연성 물질이 화재 나 폭발을 일으킬 수 있는 환경)가 생성될 우려가 있는 지역을 가스의 종류나 온도 등을 고려하여 안전하게 방폭(Explosion Proof) 지역을 선정하는 Study이며, 이 지역에 설치되는 기계나 전기 기구는 반드시 방폭 제품을 사용합니다.
(5) Fireproofing (내화)
- 화재 발생 시 소방 시설이 가동되기 전에 화재가 확산하는 것을 방지하기 위하여 화재 발생 가능성이 높은 지역을 설정하여 구조물에 미리 Fireproofing Material을 설치하는 방재 수단입니다.
- Fireproofing 자재로는 예전에는 콘크리트를 사용하여 무겁고 시공 기간이 긴 단점이 있었으나 최근에는 비교적 가볍고 시공이 편리한 Epoxy 등 다양한 자재가 개발되어 있습니다.
(6) Safety Review
- 유해성 확인 평가라고 하며 프로젝트 초기에 잠재적인 위험을 찾아내고 밝혀진 위험 원을 적절히 제거 또는 조절함으로써 발생할 수 있는 사고의 위험을 낮추기 위해 다양한 분야의 경험을 가진 전문가들이 모여 Workshop을 실시하며 그 결과를 안전설계에 반영하는 것으로, 대표적으로 HAZID(Hazard Identification), HAZOP(Hazard and Operability), FIREPRAN(Fire Protection Analysis) 그리고 SIL(Safety Integrity Level) Review 등이 있습니다.
- 프로세스에서 설명한 HAZOP처럼, HAZID와 SIL 또한 발주처와 관련 공종이 함께 Review를 실시하는데, 보통 PFD(Process Flow Diagram)와 P&ID 그리고 Plant Layout 등 관련 문서의 초기 설계가 완료되는 시점으로, 대체로 엔지니어링 착수 3개월 전후가 됩니다. 또한 HAZOP Workshop과 마찬가지로 전문기관(3rd Party)에서 파견하는 Chairman 주관으로 수행합니다.
- 프로젝트의 안전을 위해 하나의 프로젝트에서도 약 40여 종의 Safety Review를 실시합니다. 앞서 언급한 HAZID와 HAZOP Workshop도 이 Safety Review의 하나입니다. 이 중에서 대표적인 것 몇 가지만 소개합니다.
- Hazard Identification (HAZID)
- Hazard and Operability (HAZOP)
- As Low As Reasonably Practicable (ALARP) Analysis
- Quantitative Risk Assessment (QRA)
- Risk Based Inspection (RBI) Study
- Safety Integrity Level (SIL) Classification
- RAM (Reliability, Availability & Maintainability) Study
- Noise Study and Vibration (Acoustic/Flow Induced Vibration) Study
- Fire & Gas Mapping Study
2. Fire and Gas Detection
화재가 발생하면 소실에 의한 직접적인 일차적 피해는 물론, 화재 진압 시 방수에 의한 이차적 손실, 그리고 화염에 의한 건축물의 강도 저하 등 큰 물적 피해를 주는 것과 함께, 때로는 귀중한 인명 피해를 볼 수도 있습니다. 따라서, 화재를 자동으로 조기 발견하여 신속히 알림(경보)으로써, 인명은 물론 건축물과 설비를 보호할 수 있습니다. 이 용도로 사용하는 것이 바로 Detector(탐지기)입니다.
당연하겠지만, 탐지할 물질의 특성에 맞는 Detector를 설치해야 하며, 하나의 Detector가 탐지할 수 있는 범위가 제한되어 있어 설치 위치는 물론 수량 등의 계산이 중요한데, 대표적인 것이 Fire & Gas Mapping Study입니다.
Detector의 종류는 크게 Fire와 Gas Detector로 구분할 수 있는데, Fire 용으로는 Smoke, Heat, Flame, Manual Detector 등이 있으며, Gas 용으로는 Combustible 또는 Flammable, Toxic Gas Detector 등이 있습니다. 이 중에서 일부는 실제 가정에도 설치가 되어 있고, 용어만으로도 쉽게 구별할 수 있기 때문에 자세한 설명은 필요하지 않을 것 같습니다.
3. Fire Protection
화재가 발생할 경우 대처하는 방법은 여러 가지가 있습니다.
우리가 가장 잘 알고 방법으로는 물을 뿌리거나 소화기(분말)를 사용해서 화재를 진압하는 것이지만, 이외에도 일반 가정에는 잘 알려지지 않은 Gas나 거품(Foam)을 사용하는 방법도 있습니다.
플랜트에 사용되는 유체의 종류에 따라 화재의 특성이 다르기 때문에 진압 방법도 달라야 하며, 또한 진압 방법에 맞는 설비를 설치해야 합니다. 이로 인해 소방용 장비도 매우 다양합니다. 한 가지 알아두면 좋은 것은, 어느 나라이든, 어느 장비이든 소방용 설비는 모두 붉은색입니다. 가정에 있는 소화기나 도로 주변에 설치된 소화전을 보면 알 수 있습니다. 불이 나면 장비를 쉽고 빠르게 찾아야 하기 때문입니다.
화재를 진압하기 위한 소방용 장비를 용도별로 살펴보겠습니다.
1) Fire Water System
- 물(소화 용수)을 사용하기 위한 설비 전체를 말하며, 물을 공급하는 설비와 이 물을 사용해서 직접 화재를 진압하는 장비를 Fire Water System으로 묶을 수 있으며, 주로 아래와 같은 설비로 구성됩니다.
- Fire Water Storage Tank (소화 용수 저장 탱크) : 플랜트에 화재 발생 시 사용할 물의 사용량(Fire Water Demand)에 따라 크기가 결정되며 프로젝트 초기에 결정됩니다.
Fire Water Pump : 물을 분사할 때 필요한 압력(토출압력)과 물의 양(토출량)을 확보하기 위하여 설치하는 펌프입니다.
- Fire Water Ring Main : 소방펌프로부터 각 소화용 설비로 소화 용수를 공급하기 위한 배관(Piping Network)을 말합니다.
- Jockey Pump : 소화 용수가 흐르는 배관 내 압력이 누설(Leakage)될 경우 압력을 보충하기 위한 펌프입니다.
- Water Spray System : 주요 장비들 주변에 노즐(Nozzle)이 설치하여 화재를 감지하면 Spray 형태로 물을 분사하는 설비로, 분사되는 물을 통해 냉각 작용(Cooling), 질식 작용(Smothering), 유화 작용(Emulsification), 희석 작용(Dilution)으로 소화효과를 얻을 수 있습니다.
- Sprinkler System : Water Spray System과 비슷한 구조이나 주로 건물 내 천정에 설치되며, 화재를 탐지할 경우 마치 폭우처럼 자동으로 물을 쏟아부어 초기 단계에 진화하기 위한 설비입니다.
- Hydrant : Hose를 사용하여 물을 분사하는 설비로 아파트 소화전과 같은 구조이며, 보호할 장비나 구조물에서 일정 거리를 유지(보통 15m 이상)하여 설치하며 보통 도로를 따라 설치합니다.
- Fire Monitor : 직접 물을 분사할 수 있는 설비로 Hydrant와 마찬가지로 보호할 장비나 구조물에서 일정 거리를 유지(보통 15m 이상)하여 설치하며 보통 도로를 따라 일정한 간격으로 설치합니다.
- Fire Hose Reel : Hose를 감아놓은 것으로 Hydrant 또는 Fire Monitor로 접근이 어려운 플랜트 내부에 설치합니다.
2) Dry chemical fire extinguisher or Dry powder extinguisher
- 보통 분말소화기라고 부르는 이동용 소화 설비입니다. 물에 의한 소화가 어려운 위험물이나, 고압의 전기설비 등으로 전기의 절연성이 요구되는 소방대상물에 설치하며, 분말(Powder)을 사용합니다. 가정이나 건물에서 쉽게 볼 수 있는 소화기가 여기에 해당합니다.
- 앞서 설명한 Fire Water System을 사용하는 설비는 대부분 고정식으로 정해진 위치에서만 사용이 가능하지만 이 설비는 이동용으로 위치와 관계없이 효과적으로 사용할 수 있습니다. 직접 손으로 들고 사용할 수 있는 Hand Held Extinguisher와 비교적 용량이 커서 바퀴로 이동하는 Wheeled Fire Extinguisher가 있습니다.
3) 약제(가스) 소화설비
- 분말 혹은 가스 약제를 사용하는 소화 설비의 일종으로 분말소화기와 마찬가지로 물에 의한 소화가 어려운 위험물이나, 고압의 전기설비 등으로 전기의 절연성이 요구되는 소방대상물에 설치합니다.
- 가장 많이 사용하는 설비로 Inergen Skid와 FM 200등이 있는데, Spray System과 비슷한 구조로, 별도의 공간에 미리 약제가 고압으로 충전된 가스통이 있어 화재 감지 시 고압으로 약제를 뿌려 진압합니다.
- 분말소화기에 사용되는 약제로는 가장 널리 쓰이는 CO2를 비롯하여 탄산수소 나트륨, 탄산수소 칼륨, 인산암모늄 등이 있으며, 화재 종류에 따라 약제 역시 종류가 다양합니다.
4) Foam System (포말 소화설비)
- 약제가 포함된 포(Foam)와 물을 혼합한 소화제이며, 여기에 다시 공기를 혼합시키거나 화학변화를 일으켜 생기는 포(Foam)를 이용하는 설비입니다. 물이나 약제만으로는 소화 효과를 기대하기 어려운 가연성이나 인화성 액체의 소화에 사용하며, 연소물의 표면을 거품으로 덮어 산소의 공급을 차단하는 질식 작용과 거품에 포함된 수분의 냉각 작용 등 두 가지 작용으로 소화하는 설비입니다.
- Foam System은, Foam이 저장된 Tank에서 Foam을 분사하는 Foam Chamber 방식, Foam Hydrant 방식 그리고 Fire Hose Reel 등이 있는데, Water 대신 Foam을 사용하는 것 말고는 Fire Water System에서 사용하는 방법과 비슷합니다.
4. 법규 및 적용 코드 (Law and Applicable Code & Standard)
마지막으로 안전과 소방에 적용되는 주요 법규나 적용 코드를 소개합니다.
- API RP 500, 2nd Edition “Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as ClassⅠ, Division 1 and Division 2”
- API RP 505, 1st Edition “Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as ClassⅠ, Zone 0, Zone 1, and Zone 2”
- Institute of Petroleum Part 15, “Area Classification Code for Petroleum Installations”
- NFPA(National Fire Protection Association)
- European Publication
- International Electro technical Commission (IEC)
- European Standards produced by the European Committee for Electro technical Standardization (CENELEC) based on IEC publications
- USA Publication
- In USA Standards published by NFPA and Testing Agency – National Electrical Code (NEC)
- KOSHA(Occupational Safety ＆ Health Agency) CODE E-17-1999/ 노동부 고시 제93-19 호
Fire Monitor 시험 운전을 준비하는 모습2. Procurement Engineering
안전설계에서 수행하는 자재 구매업무는 앞서 설명에서 언급한 소방용 장비의 구매업무입니다.
주로 Fire Monitor, Hydrant, Fire Extinguisher, Inergen System, FM System, Foam System 등입니다. 다음에 나올 기계 업무에서 상세히 소개하겠지만, 자재 구매를 위한 MR(Material Requisition) 작성, TBE(Technical Bid Evaluation), PS(Purchase Specification) 작성 그리고 Vendor 관리 등 Procurement Engineering 업무를 모두 수행함은 물론, 시공과 시운전 지원까지 합니다.
다만, 조금 특이한 것이 있는데, Fire Water Pump는 기계에서 다른 Pump와 함께, 그리고 Ring main 용 Pipe는 배관에서 다른 Pipe와 함께 구매하며, Detector도 계장에서 구매합니다. 특별한 이유가 있다기보다는 회사마다 업무를 어떻게 나누는가(업무 분장)에 따라 결정되는 것입니다. 실제로 안전에서는 계산과 Fire System P&ID만 작성하고 기계나 배관 등에서 나머지 업무를 하는 회사도 있습니다. 이로 인해 일부 엔지니어들이 불만을 나타내기도 합니다. 다만, 앞서 설명한 대로 각종 Workshop이나 Study는 모두 Analysis 개념이기 때문에 대부분 전문업체(3rd Party)에서 수행하는 것이 일반적이며, 이를 위한 용역 계약은 안전팀에서 직접 수행합니다.
3. Construction Engineering
안전과 소방 설계는 비록 한 팀이라 해도 안전설계는 업무가 일찍 마무리 단계에 들어가는데, 프로세스처럼 시공 단계에 들어서면 중요한 업무는 마무리된다고 할 수 있습니다. 물론, 각종 Study Report는 발주처의 승인을 받아야 마무리되기에 프로젝트 말미까지 업무를 수행해야 하지만 많은 인원을 필요로 하지 않아 이즈음이면 서서히 다른 프로젝트로 이동하기 시작합니다.
하지만 소방용 장비를 다루는 소방 설계는 시공은 물론 시운전 단계까지 업무를 수행합니다. 설치 중이나 시운전 중에 생기는 문제는 끝까지 지원해야 하기 때문입니다. 참고로 현장에서도 소방용 장비는 대부분 배관과 계장에서 설치하는 것이 일반적입니다. 이 역시 회사의 업무 분장에 따른 결과입니다.
4. Commissioning Engineering
소방 설비 중에는 현장 설치 후 동작 여부를 확인하기 위해 실제로 테스트를 하는 경우가 있습니다. 주로 Inergen System 혹은 FM System으로 인명 피해를 막기 위해 건물 내에 설치되는 설비입니다. 물론 건물 전체를 대상으로 하는 것은 아니고 일부 제한된 공간을 만든 후 설비를 실제 가동하여 약제가 제대로 뿌려지는지 확인합니다. 실제 이 테스트를 하고 나면 건물 내부에 뿌려진 약제 가스로 인해 한 순간 엉망(?)이 되기도 합니다.
플랜트 현장에 가보면 “안전에는 지나침이 없다”라는 구호를 쉽게 볼 수 있습니다.
서두에 언급한 것처럼, 화공플랜트 설비는 항상 폭발이나 가스 누출 등의 사고 위험에 노출되어 있으며, 만일 사고가 나면 많은 인명과 재산 피해 볼 수 있는 위험이 있는 산업입니다. 따라서, 프로젝트의 안전은 물론 사람의 생명과 직결되기에 안전설계의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것입니다.
지금까지 EPC 프로젝트의 안전과 소방 엔지니어링에 대해 살펴보았습니다.
대한민국 플랜트 산업의 부흥을 꿈꾸는 자, oksk (박성규)
EPC 프로젝트의 엔지니어링은 하나하나가 대학에서 전공으로 배우고도 오랜 실무 경험을 통해 실력을 쌓아야 하는 전문 분야입니다. 따라서 한 개인이 모든 것을 안다는 것은 불가능합니다. 그래서 전문 지식은 독자에게 맡기기로 하고, 이 분야에 익숙하지 않은 분들이라도 어느 정도 개념을 잡을 수 있도록, 공종별로 하는 일과 역할에 대해 개략적으로 정리합니다. 이 분야에서 현업을 하는 분께는 아주 기초적인 내용이겠지만, 한편으로 다른 공종의 업무를 이해하는데 조금이라도 도움이 될 수 있기를 기대합니다.
이 글과 함께 읽으면 좋은 글입니다. 엔지니어링 매니지먼트가 알아야 할 중요한 것을 정리한 것입니다.
