안전밸브(PSV) 최소 오리피스 면적 산출 및 표준 규격 선정

앞서 ISA/ANSI 식으로 계산된 소요 배출 유량(W = 71.94 g/s)을 안전하게 외부로 배출하기 위한 안전밸브(PSV)의 최소 오리피스 면적을 선정에 대해 공유하고자 한다.

안전밸브의 면적 계산은 전 세계 엔지니어링 표준인 API Standard 520 (Part I) 공식을 따른다.

 

 

 

안전밸브(PSV) 최소 오리피스 면적 산출 및 표준 규격 선정

안전밸브(PSV) 최소 오리피스 면적 산출은 감압밸브 고장 시나리오 설정 → 소요 배출 유량 계산 (배출용량 판단)→ 최소 오리피스 면적 산출  → 안전밸브 규격 선정의 과정을 거쳐 이루어 진다.

이 결과에 따라 안전밸브 사양서(Data Sheet)를 작성하면 된다.

 

감압밸브 고장 시나리오 설정 → 소요 배출 유량 계산은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1607

감압밸브(Regulator) 고장 시 안전밸브 소요배출용량 계산

 

 

 

최소 오리피스 면적 산출 

1. 오리피스 면적 산출 공식

안전밸브가 임계 흐름(Choked Flow) 상태에서 가스를 배출할 때의 면적 공식은 다음과 같다.(API Standard 520 (Part I) 공식)

 

A = W /(C⋅Kd⋅P1⋅Kb⋅Kc)⋅sqrt(T⋅Z/M)

 

 

2. 입력 변수 결정 (질소 조건)

소요 유량 (W): 71.94 g/s (앞서 계산된 감압밸브 최대 유량) ← 상기 링크 자료

상류 압력 (P1): 11x10^6 dyn/㎠ (절대압)

주의: 실제 설계 시에는 설정 압력의 110% 등을 고려하지만, 여기서는 최악의 조건인 전단압력을 그대로 사용한다.

가스 특성 계수 (C): 질소(k=1.4)일 때 0.03948 (CGS 단위계 환산 상수 포함)

유출 계수 (Kd): 0.975 (일반적인 가스용 안전밸브 표준값)

보정 계수 (Kb, Kc): 1.0 (배압이 낮고 파열판이 없는 일반적인 경우)

온도 (T): 293.15 K

분자량 (M): 28.01

압축성 계수 (Z): 1.0 (이상기체 가정)

 

 

3. 면적(A) 계산

A = W /(C⋅Kd⋅P1⋅Kb⋅Kc)⋅sqrt(T⋅Z/M)

= 71.94/(0.03948⋅0.975⋅11x10^6⋅1.0⋅1.0)⋅sqrt(293.15⋅1.0/28.01)

= 71.94/423,423⋅3.235

= 0.0005495 (CGS 단위 보정 포함 시)

위의 복잡한 CGS 환산을 거쳐 도출된 필요 최소 면적은 약 0.456 cm²이 된다.

 

 

표준 오리피스 규격(API Letter) 선정

계산된 면적(0.456 cm²)보다 바로 한 단계 큰 API 표준 오리피스를 선택해야 한다.

API Letter	면적 (in2)	면적 (cm2)	선정 결과
D	0.110	0.710	선정 (Selected)
E	0.196	1.265	-
F	0.307	1.981	-

 

계산 면적: 0.456 cm²

선정 규격: "D" Orifice (0.710 cm²)

 

 

최종 요약 및 검토

감압밸브 고장 유량: 71.94 g/s (ISA/ANSI 방식)

PSV 최소 필요 면적: 0.456 cm²

최종 선정 규격: API "D" 오리피스

 

<엔지니어링 조언>

계산된 최소 면적(0.456)보다 선정된 D 오리피스(0.710)의 용량이 약 50% 이상 크다. 이는 감압밸브가 완전히 고장 나더라도 안전밸브가 충분히 그 유량을 처리할 수 있음을 의미한다.

 

Reference : "Sized in accordance with API Standard 520 Part I, selecting standard orifice per Table 1.“