고압가스 비상차단 시스템 설계 기준과 긴급차단밸브 설치 요령

이 글의 목적은 고압가스 설비에서 비상차단 시스템과 긴급차단밸브를 설계할 때 필요한 법규 요구사항과 기술 기준, 실무 설계 절차를 정리하여 설계자와 안전관리자가 현장에서 바로 적용할 수 있도록 돕는 것이다.

1. 고압가스 비상차단 시스템의 개념

1.1 긴급차단밸브와 비상차단 시스템의 정의

고압가스 비상차단 시스템은 누출·화재·과압 등 비정상 상태 발생 시 고압가스의 흐름을 신속히 차단하여 설비를 블록화하고, 인명·설비·주변 환경 피해를 최소화하기 위한 종합적인 안전 설비를 말한다.

이 시스템의 핵심 구성요소인 긴급차단밸브(Emergency Shutoff Valve, ESV)는 배관 상에 설치되어 화재 또는 위험물질 누출 시 원격조작 스위치나 자동 신호에 의해 유체의 흐름을 신속하게 차단하는 밸브를 말한다.

자동 긴급차단밸브는 운전 조건(압력, 온도, 유량 등)에 이상이 발생했을 때 감지 신호만으로 자동으로 닫히도록 설계된 형태를 말한다.

1.2 비상차단 시스템의 구성요소

일반적인 고압가스 비상차단 시스템은 다음과 같은 요소로 구성된다.

긴급차단밸브(ESV, SSV): 저장탱크 인입·출구, 반응기·탑류 하부, 하역배관, 연료공급 배관 등에 설치되는 차단 밸브이다.
가스누설검지기 및 화재감지기: 누출·화재를 조기에 감지하여 비상차단 로직의 입력 신호를 제공한다.
수동 비상정지 스테이션(E-Stop): 현장 또는 중앙조정실에서 운영자가 수동으로 비상정지 신호를 넣을 수 있는 푸시버튼 패널이다.
비상차단 제어반(ESD Panel): 감지 신호와 수동 신호를 수집하여 논리 연산 후 밸브·펌프·기타 설비에 차단 명령을 내리는 제어장치이다.
전원 설비: 정상전원 정전 시에도 비상차단 기능이 유지되도록 하는 UPS, 비상발전기, 비상 DC 전원이다.
인터록·감시 시스템: DCS, PLC, SIS(Safety Instrumented System) 등과 연동하여 운전 상태를 감시하고 필요 시 공정 전체를 안전 정지시키는 시스템이다.

주의 : 비상차단 시스템은 단일 장치가 아니라 감지–논리–차단이 하나의 안전 루프로 구성되는 시스템이므로, 일부 구성요소만 설치하고 나머지를 생략하면 실질적인 안전 기능이 확보되지 않는다.

2. 법규 및 기술기준 관점에서 본 비상차단 설계 요구사항

2.1 고압가스안전관리법 및 가스기술기준 개요

고압가스 설비는 고압가스안전관리법과 동법 시행령·시행규칙, 그리고 한국가스안전공사에서 제정한 가스기술기준(KGS 코드)의 적용을 받는다. 이들 기준에서는 저장탱크·압력용기·제조설비·충전설비 등에 대해 다음과 같은 사항을 요구한다.

압력계, 안전밸브, 과충전방지장치 등 기본 안전장치 설치
가연성가스·독성가스 설비에 대한 가스누설검지경보장치 설치와 일부 설비에서의 중화·흡수설비 연동
비상전력 설비 설치 등 정전 시에도 안전 기능이 상실되지 않도록 하는 조치
일부 설비에 대한 긴급차단장치 설치 및 블록화 설계

세부 설치 대상과 구조·시험 기준은 KGS 코드와 산업안전보건 관련 기술지침에서 구체적으로 제시하고 있으며, 설계 단계에서 반드시 해당 설비 유형에 맞는 기준을 확인해야 한다.

2.2 긴급차단밸브 설치에 관한 기술지침 핵심 요건

KOSHA Guide D-11-2012 “긴급차단밸브의 설치에 관한 기술지침”은 인화성액체·인화성가스·급성독성물질을 취급하는 탱크, 탑류, 반응기, 가열로, 하역배관 등에 긴급차단밸브 설치 기준을 제시하고 있다.

해당 지침에서 제시하는 주요 구조·성능 기준은 다음과 같다.

밸브 본체는 배관의 설계압력·설계온도 조건을 모두 견딜 수 있는 구조일 것
화재 가능 지역에 설치되는 긴급차단밸브는 화염에 견디는 재질로 제작하거나, 별도의 내화 조치를 할 것(통상 15분 이상 내화 성능 확보)
전기·공기 등 구동용 동력원이 차단될 경우 자동으로 닫히는 Fail-close 구조일 것
밸브 조작 후 1분 이내에 완전 차단되는 것이 바람직하며, 차단 후 누출이 없어야 할 것
취급 유체의 부식·마모에 견딜 수 있는 재질을 사용할 것

또한 저장탱크 인입·출구 배관, 탑류·용기 하부 배관, 발열반응기 원료공급 배관, 가열로·보일러 연료공급 배관, 탱크로리·선박·철도차량의 하역배관 등은 원칙적으로 긴급차단밸브 설치 대상에 포함된다.

2.3 국제 규격(API, NFPA 등)과의 정합성

국제적으로는 영국 HSE의 ROEIV(Remotely Operated Emergency Isolation Valve) 개념, API 521·API 2000의 Emergency Block Valve(EBV), NFPA 30·NFPA 58 등의 규격에서 유사한 긴급차단 시스템 개념을 다루고 있다.

API 521: 압력완화 및 비상 감압 계통과 연계하여 EBV를 적절한 위치에 설치하고, DCS·ESD·독립 감지시스템 등에서 차단 신호를 받을 수 있도록 요구한다.
NFPA 58: LPG 탱크로리 하역설비 등에 원격조작형 긴급차단밸브 설치를 요구하고, ESD 시스템과 연계된 설계를 권장한다.
국내 긴급차단 기술지침은 이러한 국제 규범을 참고하여 Fail-safe 구조, 내화 성능, 작동시간, 설치 위치 기준 등을 조화롭게 반영하고 있다.

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3. 비상차단 시스템 기본 설계 철학

3.1 Fail-safe와 단일고장 대비

비상차단 시스템 설계에서 가장 중요한 철학은 “Fail-safe”이다. 이는 전원 상실, 공기압 손실, 제어신호 단선 등 단일고장 발생 시에도 설비가 보다 안전한 상태(대부분 차단 상태)로 이동하도록 설계하는 것을 의미한다.

동력 상실 시 밸브는 닫히도록(Spring return, Fail Close) 설계한다.
비상전력 상실을 고려하여, 밸브 자체는 복귀 스프링 또는 중력 등에 의해 차단이 가능하도록 하고, 비상전원은 감지·논리 기능 유지에 우선 사용한다.
중요 차단 루프는 신호선 이중화, 전원 이중화, 밸브 이중 설치 등으로 단일고장에 대한 내성을 확보한다.

주의 : 비상차단 밸브를 “평상시에 편리하다”는 이유로 Fail Open 구조로 선택하면 정전 등 비상 상황에서 가스 공급이 계속되어 사고 규모가 급격히 커질 수 있다.

3.2 차단 경계 설정과 블록화 개념

비상차단 시스템은 설비 전체를 무조건 차단하는 것이 아니라, 위험도가 높은 구역을 적절한 크기로 나누어 “블록화(Block)”하는 것이 중요하다.

저장탱크 존, 공정탑 존, 하역 존, 충전 존 등으로 구역을 정의한다.
각 존에 대해 “차단 경계”를 설정하고, 그 경계선에 긴급차단밸브를 배치한다.
누출·화재 시 사고원이 포함된 존만 우선 차단하고, 필요 시 인접 존으로 차단 범위를 확장하는 2단계 이상 차단 전략을 수립한다.

3.3 감지–논리–차단의 계통 설계

비상차단 시스템은 감지기–제어로직–차단 설비의 세 부분을 하나의 루프로 설계해야 한다.

감지기: 가스누설검지기, 화재감지기, 압력·온도·유량 계측기를 포함하며, 경보와 차단 두 단계로 세팅한다.
논리: ESD 로직에서 “어떤 신호 조합이 들어왔을 때 어떤 존을 차단할 것인지”를 명확히 정의하여 Cause & Effect 매트릭스로 문서화한다.
차단: 긴급차단밸브, 펌프 정지, 압축기 트립, 기화기 정지, 블로우다운 밸브 개방 등을 포함하는 종합적인 차단 조치이다.

IF (Gas_Detect_High_Zone1 = TRUE) OR (Fire_Detect_Zone1 = TRUE) OR (Manual_ESD_Zone1 = TRUE) THEN Trip_ESD_Zone1; Close_ESV_Tank_Outlet; Stop_Transfer_Pumps; Start_Emergency_Alarm; END IF;

4. 구성요소별 상세 설계 기준

4.1 긴급차단밸브(ESV) 선정 기준

긴급차단밸브 선정 시 고려해야 할 주요 항목은 다음과 같다.

압력·온도 등급: 배관 설계압력·설계온도 이상을 견딜 수 있는 등급의 밸브를 선택한다.
재질: 취급 유체의 부식성, 온도, 점도, 입자 포함 여부 등을 고려하여 내식성·내마모성이 검증된 재질을 선택한다.
구동 방식: 공기압식, 유압식, 전동식, 스프링식 등 중 현장 여건과 신뢰성을 고려하여 선택하되, 정전 시에도 차단이 가능한 구조인지 확인한다.
Fail Action: 비상 시 닫힘(Fail Close)이 원칙이며, 일부 예외가 필요한 경우 위험성 평가를 통해 근거를 문서화한다.
차단 시간: 조작 후 1분 이내 완전 차단을 설계 목표로 하되, 유량·관로 길이에 따른 수격(워터해머) 위험을 함께 검토한다.
내화 성능: 화재 가능 지역에 설치되는 밸브와 구동기는 15분 이상 화염에 견딜 수 있도록 재질 또는 내화 피복을 적용한다.

4.2 감지기 및 수동 비상정지 스테이션 설계

가스누설검지기와 화재감지기, 수동 비상정지 스테이션은 비상차단 시스템의 “눈과 손” 역할을 한다.

가스누설검지기
- 가연성가스: 폭발 하한계(LFL)의 일정 비율(예: 25% LFL, 50% LFL 등)로 1차·2차 경보를 설정한다.
- 독성가스: 노출기준(예: TWA, STEL 등)에 따라 경보·차단 기준을 설정한다.
- 공기보다 무거운 가스는 바닥·피트 저부, 가벼운 가스는 상부에 설치한다.
화재감지기
- 탱크 주변, 하역설비, 기화기 주변, 펌프·압축기실 등 화재 위험이 높은 위치에 열·연기·불꽃감지기를 배치한다.
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수동 비상정지 스테이션
- 누설·화재 위험원에서 수평거리 15m 이상 떨어진 안전한 위치에 설치한다.
- ESV에서 7.5m 이상 30m 이내 범위에 설치하여, 운전자가 접근하기 쉽고 동시에 사고원에서 충분히 떨어진 위치를 확보한다.
- 지면에서 조작 가능한 높이(6m 이하)를 유지하고, 계단 등 안전한 통로를 통해 접근 가능하도록 설계한다.

주의 : 비상정지 스위치를 설비 바로 옆에 설치하면 누출·화재 시 접근이 불가능해질 수 있으므로, 거리 기준과 접근성을 동시에 만족하는 위치 선정이 중요하다.

4.3 비상차단 제어반 및 ESD 로직 설계 포인트

비상차단 제어반과 ESD 로직 설계 시 다음 사항을 고려한다.

ESD 로직은 공정제어(DCS)와 분리된 독립 계통으로 구성하는 것이 바람직하다.
입력·출력 신호는 Zon별로 그룹화하여 단일 존 차단, 전체 차단을 구분할 수 있도록 설계한다.
Cause & Effect 매트릭스를 작성하여 “신호–동작” 관계를 명확히 문서화하고, 설계·시공·시운전 단계에서 동일 기준으로 공유한다.
시험 모드(Partial Stroke Test 등)를 지원하여 설비 운영 중에도 기능시험이 가능하도록 한다.
ESD 동작 시 공정 상 안전한 정지 시퀀스(펌프 정지 후 밸브 차단 등)를 고려하여 순서를 정의한다.

4.4 전원·계장배선·방폭 설계

고압가스 시설의 비상차단 설비는 방폭·내화·비상전원 측면에서도 적절한 설계가 필요하다.

비상차단 제어반 및 관련 설비에는 비상전력을 공급하여 정전 시에도 최소한 차단 기능과 경보 기능이 유지되도록 한다.
가연성가스 구역에 설치되는 계장·전기 설비는 방폭 구조를 채택하고, 전원·신호 케이블도 방폭 구역에 적합한 규격을 사용한다.
ESV 구동기 전원선 및 공기 배관 등은 화재 시 일정 시간 이상 기능을 유지할 수 있도록 내화 케이블·내화 배관·보호 덕트를 적용한다.
접지·등전위 본딩을 적절히 설계하여 정전기로 인한 점화 위험을 줄인다.

5. 공정 유형별 비상차단 시스템 설계 예시

5.1 저장탱크 및 저장설비

인화성가스·인화성액체·급성독성물질을 저장하는 탱크는 누출 시 대형 사고로 이어질 가능성이 높기 때문에 비상차단 시스템 설계가 특히 중요하다.

탱크 인입·출구 배관에 탱크에 최대한 근접하여 ESV를 설치한다.
다수의 탱크가 있는 경우 탱크별 ESV 설치를 원칙으로 하되, 공정 특성상 불가피한 경우 위험성 평가를 통해 그룹화 기준을 정한다.
탱크 상부 또는 주변에 가스누설검지기·화재감지기를 설치하고, 고농도·화재 감지 시 해당 탱크 존을 자동 차단하도록 한다.
독성가스 저장탱크의 경우 누출 시 흡수·중화설비로 자동 이송되는 설비와 연동하여 차단·배출을 동시에 고려한다.

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5.2 충전소 및 하역설비

LPG·수소·CNG 등 고압가스 충전소와 탱크로리·철도차량·선박 하역설비는 차량·탱크와의 접속부에서 누출이 발생하기 쉬우므로, 긴급차단 설계를 강화해야 한다.

하역용 호스 또는 로딩암에 최대한 근접한 위치에 ESV를 설치한다.
충전기·디스펜서 인입 배관에 긴급차단밸브를 설치하고, 비상정지 버튼과 연동한다.
하역·충전 존 주변에 가스누설검지기와 화재감지기를 설치하여 자동 차단이 가능하도록 한다.
차량 접근·이탈 중 호스가 파손되는 경우를 대비해, 풀어웨이 커플링과 함께 ESV 차단 시나리오를 설정한다.

주의 : 하역 배관에 ESV가 설치되지 않거나, 비상정지 버튼이 조작하기 어려운 위치에 있을 경우 누출 사고 시 현장 인력이 접근하지 못해 피해가 급격히 확대될 수 있다.

5.3 반응기·탑류·특정고압가스 제조설비

발열반응기, 대형 탑류, 특정고압가스 제조설비는 공정 내 정체량이 많고 운전 조건이 고온·고압인 경우가 많아, 비상차단 실패 시 폭발 위험이 매우 높다.

연속 운전형 발열반응기의 원료 공급 배관에는 자동형 ESV를 설치하여, 온도·압력·유량 이상 시 자동 차단되도록 한다.
탑류 하부·기타 용기 하부 배관에는 정체량 기준에 따라 ESV를 설치하고, 필요 시 탑 상부 또는 연결 계통과 함께 블록화한다.
가열로·보일러 연료공급 배관에는 가열로에 최대한 근접한 위치에 ESV를 설치하고, 화재 발생 시 자동 차단되도록 한다.

5.4 비상차단 Cause & Effect 매트릭스 예시

트리거 신호	자동 차단 대상	부가 동작
탱크 존 가스누설 High-High	탱크 인입·출구 ESV, 하역 ESV	탱크 존 경보, 비상방송, 인입펌프 정지
하역 존 가스누설 High + 수동 ESD	하역 라인 ESV, 차량 측 차단밸브	하역펌프 정지, 경보, 출입문 자동 폐쇄
발열반응기 온도 High-High	원료 공급 ESV, 반응기 출구 차단밸브	냉각수 펌프 최대 가동, 플레어·벤트 라인 개방
충전소 중앙 ESD 버튼 조작	모든 디스펜서 ESV, 저장탱크 출구 ESV	충전펌프 정지, 비상조명 점등, 사이렌 작동

6. 설계·시공·시운전 단계별 체크리스트

6.1 설계 단계 체크포인트

적용 대상 설비에 대한 관련 법령·KGS 코드·기술지침 목록을 정리하고, 설계 기준서에 반영한다.
PFD·P&ID를 기준으로 위험물 정체량, 운전 압력·온도, 누출 가능 지점을 파악한다.
HAZOP, LOPA 등 위험성 평가를 통해 비상차단 필요 존과 차단 경계를 정의한다.
존별 ESV 설치 위치와 감지기, 수동 ESD 스테이션 위치를 도면 상에 명확히 표시한다.
Cause & Effect 매트릭스를 작성하여 설계·시공·운전 부서가 공통으로 활용하도록 한다.

6.2 시공 단계 체크포인트

ESV, 감지기, 배선, 공기배관 등이 설계 도면과 동일 위치에 설치되었는지 확인한다.
ESV 방향(Flow 방향, Fail 방향)과 태그번호가 P&ID와 일치하는지 확인한다.
방폭구역 내 전기·계장 설비의 방폭 등급과 설치 방법을 점검한다.
내화 피복, 케이블 트레이, 보호관 등 내화 구조가 설계 요구사항을 만족하는지 확인한다.

6.3 시운전·성능시험 단계 체크포인트

각 감지기(가스·화재)에 시험 신호를 주어, ESD 로직과 ESV 동작이 설계대로 연계되는지 확인한다.
수동 비상정지 버튼 조작 시 목적 존만 우선 차단되는지, 전체 ESD 시나리오도 정상 동작하는지 확인한다.
ESV 차단 시간과 차단 후 누설량을 확인하고, 필요 시 조정·보완한다.
시험·점검 결과를 기록하고, 운영 중 정기점검 기준과 연계하여 관리 절차를 수립한다.

7. 유지관리 및 정기시험 전략

비상차단 시스템은 설치만 해두고 방치하면 실제 사고 시 동작하지 않을 수 있으므로, 정기적인 유지관리 계획 수립이 필수이다.

정기 점검: 최소 반기 1회 이상 육안 점검 및 기능 점검을 수행하여 누설, 부식, 손상, 표시 불량 등을 확인한다.
작동시험: 연 1회 이상 실제 차단 동작 시험을 실시하고, 연속 운전 설비로 인해 실제 동작시험이 곤란한 경우 회로시험, Part-Stroke Test 등 대체 시험을 수행한다.
정밀 검사: 공장 연차보수 기간에 밸브 분해 점검, 시트·패킹 교체, 구동기 오버홀 등을 포함한 정밀 검사를 실시한다.
데이터 관리: 시험 결과, 오작동·거짓동작 이력, 보수 내역을 데이터베이스로 관리하여, 설계 변경 또는 교체 주기 설정에 활용한다.

주의 : 비상차단 설비는 “마지막 방어선”이므로, 평소에 조금 불편하더라도 오작동·거짓동작을 이유로 기능을 차단하거나 우회시키는 행위는 매우 위험하다. 우회가 불가피한 경우에는 기간·범위를 명확히 하고, 대체 안전조치를 반드시 병행해야 한다.

FAQ

소규모 고압가스 설비에도 비상차단 시스템을 설치해야 하나?

법규상 특정 용량 이상의 저장탱크·탑류·용기·하역 설비 등에 대해 긴급차단장치 설치가 명시되어 있으나, 설비가 법적 최소 기준에 미달하더라도 위험성 평가 결과 누출 시 인명·환경 피해가 클 것으로 판단되면 비상차단 시스템을 설치하는 것이 바람직하다.

특히 독성가스, 고독성 화학물질, 인구 밀집지역 인근 설비, 지하·반지하 공간에 설치된 설비 등은 소규모라도 비상차단 설비를 적극 검토해야 한다.

전원 상실 시 밸브가 열린 상태로 유지되도록 설계해도 되는가?

고압가스 비상차단 설비의 기본 철학은 Fail-safe이며, 이는 동력 상실 시 설비가 보다 안전한 상태로 이동해야 한다는 의미이다. 대부분의 고압가스 설비에서는 가스 공급이 계속되는 것보다 차단되는 것이 더 안전하므로, Fail Close 구조가 원칙이다.

일부 공정에서 안전상 또는 공정상 이유로 Fail Open이 불가피한 경우가 있을 수 있으나, 이때에는 별도의 안전장치(블로우다운, 안전밸브 등)와 정량적 위험성 평가를 통해 합리성을 입증하고 문서화해야 한다.

비상차단 시 수격(워터해머)이나 설비 손상 위험은 어떻게 줄이나?

대유량 배관에서 밸브를 순간적으로 닫을 경우 수격 현상이 발생하여 배관·플랜지·장비에 과도한 압력이 작용할 수 있다. 이를 줄이기 위해서는 밸브 차단 시간을 유체 특성에 맞게 조정하고, 필요 시 바이패스 라인·서지 탱크·팽창기 등 수격 완화 설비를 함께 설계해야 한다.

또한 ESD 로직에서 펌프 정지 후 일정 시간 지연 후 밸브 차단 순서로 설정하는 등, 제어 측면에서도 수격을 완화하는 시퀀스를 적용하는 것이 좋다.

기존 설비에 비상차단 시스템을 추가할 때 우선순위는 무엇인가?

기존 설비에 후속으로 비상차단 시스템을 설치할 때에는 먼저 설비 전반의 위험성 평가를 수행하여, 누출 시 피해가 큰 존부터 우선적으로 대상을 선정한다.

실무적으로는 다음 순서로 적용 우선순위를 두는 것이 일반적이다.

독성가스·고위험 인화성가스를 대량으로 저장·취급하는 존
하역·충전 등 사람과 차량이 동시에 존재하는 존
발열반응기·고압탑 등 폭발위험이 큰 공정 설비
그 외 설비

예산과 공사 여건을 고려하더라도, 최소한 상기 1·2순위 존에 대해서는 비상차단 설비를 우선 설치하는 것이 좋다.

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