A Study on the Integrated System for Fire Explosion Risk Assessment in the Pre-FEED and FEED Stage of Offshore platform

Abstract

It is important to preemptively assess the risk at Pre-FEED and FEED stage and reflect it in the design, since accidents caused by fires and explosions in offshore plants involve significant casualties and property damage. If the results of the risk assessment are not reflected in Pre-FEED and FEED stage, it will take much greater cost and time to establish mitigation measures in subsequent stages.

The Integrated Fire Explosion Conceptual Risk Assessment (IFECRA) system was developed to efficiently perform fire explosion risk analysis in Pre-FEED and FEED stage, with data interface module, inventory calculations module, leak frequency calculation module, ignition probability calculation module, fire and explosion simulation module and risk assessment module.

The purpose of this study is to develop and supplement the IFECRA system to carry out a fire explosion risk assessment more accurately and efficiently.

First, IFECRA system is automated to make fire and explosion risk analysis quick and easy. Through the direct linkage with the HYSYS model, the input data required to perform the fire explosion risk analysis is automatically read. Because pipes and valves are difficult to obtain information in the early design stage, they are predicted through various algorithms. In addition, empirical models can be used to simulate fire and explosion accidents instead of using CFD-based commercial programs with high computational cost. In the case of a fire, a jet fire model is developed, a UDM model for dispersion, and a BST model for an explosion. It is integrated into the system so that the system could simulate accident results on its own without using a commercial program.

Second, a simplified transient dispersion model is presented. Explosion risk analysis has different results depending on the size of the flammable gas cloud obtained through the dispersion model. In reality, the gas is sensed and the shutdown valve acts to reduce leakage as well as to disperse the gas by the atmosphere, the amount of flammable gas clouds will be reduced after a certain period of time. However, the UDM model tends to be conservative because it computes simulation results for steady state. To compensate for this, a simplified transient dispersion model is proposed and integrated into the system for more realistic dispersion simulation results and explosion risk analysis.

Keyword : Fire explosion risk analysis, Automation, Empirical model, Simplified transient dispersion model

해양플랜트에서의 화재 및 폭발로 인한 사고는 큰 인명피해와 재산 피해를 수반하기 때문에, 해양플랜트의 안전한 운용을 위해서는 화재 및 폭발에 대한 위험도 평가를 수행해야 한다.

특히, 화재와 폭발은 초기설계 단계에서 위험도 평가 결과를 반영하지 못할 경우, 이후 단계에서 완화책을 수립하는 데 훨씬 더 큰 비용과 시간이 소요되기 때문에, 초기설계 단계에서 위험도를 선제적으로 평가하여 설계에 반영하도록 하는 것이 중요하다.

위와 같은 필요성에 따라 초기설계 단계에서 화재폭발 위험도 분석을 효율적으로 수행하기 위하여 개발된 것이 바로 화재폭발 개념적 위험도 평가 통합시스템 (Integrated Fire Explosion Conceptual Risk Assessment System, IFECRA)이며, 주요 기능으로는 데이터 인터페이스, inventory 계산, 누출과 누출 빈도 계산, 점화 확률 계산, 화재 폭발 사고 시뮬레이션, 화재와 폭발 위험 평가가 있다. 본 연구는 IFECRA 시스템이 더욱 정확하고, 효율적으로 화재폭발 위험도 평가를 수행할 수 있도록 개발 및 보완하고자 하였으며, 다음과 같은 세부적인 목표를 달성하도록 하였다. 첫 번째, IFECRA 시스템이 자동화되어 화재폭발 위험도 분석을 빠르고 용이하게 할 수 있도록 하였다. 먼저, HYSYS 모델과의 직접적인 연계를 통하여 화재 폭발 위험도 분석을 수행하는데 필요한 입력데이터를 자동으로 읽어 들이도록 하였다. 파이프나 밸브는 초기설계 단계에서 정보를 얻기 어렵기 때문에, 다양한 알고리즘을 통하여 예측하도록 하였다. 또한, 계산 비용이 큰 CFD 기반의 상용 프로그램을 사용하는 대신 경험적 모델을 사용하여 화재 및 폭발 사고 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하였다. 화재의 경우에는 제트 화재 모델을, 분산의 경우에는 UDM 모델을, 마지막으로 폭발의 경우에는 BST 모델을 중심으로 개발하였다. 이를 시스템 내에 통합하여 상용프로그램을 사용하지 않고도 시스템이 자체적으로 사고 결과 시뮬레이션을 수행할 수 있도록 하였다.

두 번째, 단순화된 일시적 분산 모델을 제시하였다. 폭발 위험도 분석은 분산 모델을 통해 얻은 가연성 가스 구름의 크기에 따라 다른 결과를 가진다. 현실에서는 가스가 감지되어 셧-다운 밸브가 작동함에 따라 누출이 줄어들 뿐 아니라, 대기에 의해서 가스가 흩어지기 때문에 일정 시간 이후에는 가연성 가스 구름의 양이 작아지게 된다. 그러나 UDM 모델은 정상상태에 대한 분산 시뮬레이션 결과를 계산하기 때문에 보수적으로 판단되는 경향이 있다. 이를 보완하기 위하여 단순화된 일시적 분산 모델을 제시하였으며, 시스템에 통합하여 더욱 현실적인 분산 시뮬레이션 결과 및 폭발 위험도 분석을 수행할 수 있도록 하였다.

주요어 : 화재폭발 위험도 분석, 자동화, 경험적 모델, 단순 분산 모델