한국건설기술연구원(원장 김병석)은 플랜트 시설물의 지진, 화재, 폭발, 유독물질 확산 등 대표적인 재해 발생 시 안전성을 평가할 수 있는 통합위험관리시스템을 개발했다고 밝혔다.
  
최근 여러 나라에서 지진이 발생하고 있는데, 특히 대형 플랜트의 경우 재해가 발생하면 막대한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 따라서 가동 중단에 따른 피해와 유해 물질 누출 등을 최소화하기 위한 안전 관리가 매우 중요하다.

이에 건설연 구조연구본부 연구팀(팀장 조정래 박사)은 플랜트 시설물의 재난 안전성 평가를 위한 통합위험관리시스템(이하 시스템)을 개발했다. 

이 시스템은 화재, 폭발, 지진이라는 세 가지 재난에 대해 확률론을 이용해 위험도를 평가하여 사전에 대비할 수 있을 뿐만 아니라, 지진 발생 시 신속하게 대응할 수 있도록 한다. 개발된 기술은 의사결정을 지원하는 확률론적 알고리즘인 베이지안 네트워크와 AI기법을 활용한다. 산사태, 눈사태, 지진, 쓰나미와 같은 자연재해에 대한 알람 및 복구의사결정 시스템으로 자주 사용되는 베이지안 네트워크는 여러 재해 영향 인자 간의 관계를 확률적으로 분석하는 것을 말한다. 이를 활용하여 플랜트 전체 시스템 및 하위 시스템의 위험도를 정량적으로 산정할 수 있다. 확산 평가의 경우, AI기법을 기반으로 국내 지역 특성을 반영한 화학물질 확산 피해 모델을 구축하고 시스템에 탑재하여 누출 사고 발생 시 플랜트 외부로 영향을 줄 수 있는 확산 위험도를 빠르게 평가할 수 있다.

플랜트는 일반적으로 공정을 처리하는 설비와 구조물이 복잡한 네트워크로 연결되어 있다. 기존의 방식은 플랜트에 대한 위험도를 평가하기 위해서 외산 프로그램을 활용하여, 화재와 폭발 각각에 대해 독립적으로 위험도를 평가한다. 한편, 지진의 경우, 개별 건축 구조물에 대해 독립적으로 평가하기 때문에 플랜트 위험도 평가 방법이 제한적이다. 따라서 공정에 기반한 구조물 및 설비 간의 상관성을 고려하지 못하며, 전체 시스템에 대한 평가를 하지 못한다는 한계점이 있다.

그러나 건설연에서 개발한 시스템은 지진을 포함한 화재, 폭발, 확산 사고 등 플랜트에서 발생할 수 있는 모든 재해에 대해 설비와 공정 간의 상관성을 종합적으로 고려하여 위험도를 산정한다. 이는 플랜트 공정을 면밀히 검토하고 구조물 및 설비 간의 상관관계를 기반으로 위험도를 평가한다는 점에서 기존 기술과 차별성이 있다. 그리고 평상시의 위험도와 지진 발생으로 인한 운영정지 상태의 위험도를 비교하여 위험도 변화를 시각적으로 나타낼 수 있다.

이 시스템의 가장 큰 특징은 사고 발생의 다양한 시나리오를 가정할 수 있고, 이에 따른 각 설비들의 위험도를 평가하여 수치화하고 시각화할 수 있다는 점이다. 결과적으로 수치화된 위험도는 대소 비교가 가능하기 때문에 실시간 재해 대응 및 보수·보강 수립과 같은 의사결정 지원이 가능하다.

만약 지진 발생으로 인해 플랜트가 운영 정지될 경우, 플랜트의 거대한 규모와 복잡성 때문에, 모니터링 시스템이 있더라도 복구 작업의 의사결정에 어려움이 발생한다. 이때, 통합위험관리시스템은 각 하위시스템(하역, 저장, 기화, 공급, 변전소, 파이프라인)에 대한 수치화된 위험도를 즉각적으로 산정할 수 있어, 복구를 위한 신속하고 객관적인 의사결정을 지원할 수 있다.

가스 플랜트 공정 흐름 모식도

유독물질 유출 시 플랜트 외부로의 확산 위험도 평가 예시

예를 들어 정확한 규모가 파악되지 않은 지진으로 인해 가스플랜트 운영이 정지된 경우 개발된 시스템은 다음과 같은 방식으로 작동한다. 플랜트 전체 운영정지 후, 하위 공정인 하역의 경우 1%에서 15%로, 공급의 경우 4.7%에서 65.5%로, 변전소, 파이프라인은 각각 2%, 0.8%에서 27.8%, 10.5%로 위험도가 급격히 증가한다. 결과적으로 시스템 내에서 도출된 위험도를 바탕으로 그 증가폭이 가장 큰 공급, 변전소, 하역, 파이프라인 순으로 복구 우선순위를 객관적으로 산정하여 의사결정을 지원할 수 있다. 

그리고 이 시스템은 플랜트 내부뿐만 아니라 외부로의 확산 위험도도 평가할 수 있다. 사고 발생 지점을 중심으로 화학물질 종류, 누출량, 대기조건 등의 변수를 고려하여 다음과 같은 세 개의 위험도 수준을 구분한다. 불쾌감, 자극을 느끼는 농도인 ‘PAC-1’, 심각한 건강 손상이 발생하는 농도인 ‘PAC-2’, 생명의 위협 혹은 사망할 수 있는 농도인 ‘PAC-3’로 구분할 수 있다. 도출된 위험도는 지도상에서 영역을 구분하여 시각적으로 표현될 수 있다. 국내 적용 대상 지역의 특성(인구수, 밀도 등)을 반영하여 예상 인명 피해에 대한 통계자료 제시가 가능한 것이다. 따라서 추후 재해로부터 연계되는 누출 사고의 피해 규모를 구체적으로 산정할 수 있다.

김병석 원장은 ”도심지 내 플랜트 설비 및 시설에 대한 수요가 확대됨에 따라 안전한 시설물의 유지관리에 대한 중요성이 커지고 있다. 따라서 개발된 기술을 통해 플랜트산업 전 주기에 영향을 미치는 안전 기술을 확보할 수 있을 것“이라고 밝혔다.