비상 방출 시스템(EDPS)

비상 방출 시스템(Emergency Depressurization System, 이하 EDPS 또는 Blowdown System)은 화재나 내부 반응 폭주와 같은 비상 상황에서 설비 내의 압력을 신속하게 대기로 방출하여 장치의 파손을 막는 능동적인 보호 시스템이다.

금번은 안전밸브(PSV)와 EDPS의 관계 중심으로 정리한 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

비상 방출 시스템(EDPS)

비상 방출 시스템(EDPS)의 개요

비상 방출 시스템(Emergency Depressurization System, 이하 EDPS 또는 Blowdown System)은 화재나 내부 반응 폭주와 같은 비상 상황에서 설비 내의 압력을 신속하게 대기로 방출하여 장치의 파손을 막는 능동적인 보호 시스템이다.

EDPS는 주로 원격 제어가 가능한 비상 방출 밸브(BDV, Blowdown Valve)를 통해 작동한다.

• 목적: 외부 화재 시 금속 벽면의 온도가 상승하여 재질의 강도가 급격히 떨어지기 전에, 내부 압력을 설계 압력의 50% 이하(일반적 기준)로 강하시켜 취성 파괴(Rupture)를 방지함.
• 작동 방식: 운전원의 수동 조작이나 화재 감지기/ESD(Emergency Shutdown) 로직에 의해 자동으로 밸브가 열려 플레어 스택(Flare Stack)으로 가스를 방출함.
• 적용 대상: 고압 가스 용기, 대량의 가연성 액체를 포함한 설비, 초임계 유체 취급 설비 등.

 

 

비상 방출 시스템의 구성도 설명

일반적인 공정 용기(Vessel)를 기준으로 설명하면 다음과 같은 배관 구성이 이루어진다.

• 용기 상부 (Vessel Top): 과압 방지를 위한 안전밸브(PSV)와 비상 방출을 위한 비상 방출 밸브(BDV)가 병렬 설치된다.
• 비상 방출 밸브 (BDV, Blowdown Valve): 원격으로 제어되는 On-Off 밸브이다. 평소에는 닫혀 있다가 DCS(제어실) 신호나 현장 화재 감지 신호에 의해 열린다. 신속한 개방을 위해 보통 공압식(Pneumatic) Actuator를 사용하며, 공기가 상실될 경우 열리는 Fail Open(FO) 타입을 선정한다.
• 오리피스 (Restriction Orifice, RO): 방출 유량(Blowdown Rate)을 결정하는 핵심 요소이다. BDV 후단에 설치된다. 밸브가 열렸을 때 가스가 한꺼번에 너무 많이 나가서 플레어 시스템에 과부하가 걸리는 것을 막고, 정해진 시간(예: 15분) 동안 서서히 압력을 낮추도록 유량을 조절한다.
• 플레어 헤더 (Flare Header): 배출된 가스는 공장 전체의 공통 배관을 타고 플레어 스택(연소탑)으로 이동한다.
• 배관 재질: 가스가 급격히 팽창하면서 온도가 급격히 낮아지는 저온 취성( Auto-refrigeration and Brittle Fracture, AR/BF ) 현상이 발생하므로, BDV 후단 배관은 저온용 스테인리스강(SUS) 등을 사용하기도 한다.

 

 

안전밸브(PSV)와 EDPS의 관계 및 비교

가스, 증기 또는 초임계 유체가 들어 있는 용기의 외부 화재 시 금속 온도 상승에 따른 파열 위험이 존재한다. 이에 따라 수동적 보호 장치인 안전밸브(PSV) 설치와 병행하여, 장치의 건전성을 확보를 위하여 능동적 보호 시스템인 비상 방출 시스템(EDPS) 추가 설치 여부를 검토해야 한다.

 

안전밸브와 EDPS는 모두 과압으로부터 장치를 보호하지만, 작동 원리와 목적에서 다음 비교 표와 같이 뚜렷한 차이가 있다.

• PSV (수동적): 압력이 설정치(Set Pressure)를 넘으면 물리적인 힘으로 밀고 올라가 열린다. 전기가 끊겨도 작동한다.
• EDPS/BDV (능동적): 압력이 설정치에 도달하지 않았더라도, "화재가 났으니 미리 압력을 빼자"라고 판단되면 제어 신호에 의해 강제로 밸브를 연다.

<표 1> PSV vs. EDPS

구분	안전밸브 (PSV)	비상 방출 시스템 (EDPS/BDV)
작동 성격	수동적 (Passive) - 압력에 의해 자동 열림	능동적 (Active) - 제어 신호에 의해 열림
작동 시점	설정 압력(Set Pressure) 도달 시	화재 인지 시 또는 비상 정지 시 즉시
주요 목적	기계적 설계 압력 초과 방지	금속 온도 상승에 따른 용기 파열 방지
방출량	과압을 해소할 만큼의 유량만 배출	일정 시간 내에 압력을 목표치까지 강하

 

 

가스/증기 및 초임계 유체 팽창 시나리오에서의 중요성

외부 화재 시 액체는 증발 잠열을 통해 에너지를 소모하지만, 가스, 증기 또는 초임계 유체가 들어 있는 용기는 상변화가 없으므로 내부 유체의 온도 상승 및 팽창에 의해 압력이 증가한다.

가스/증기 팽창이나 초임계 유체 시나리오에서 열전달에 의한 금속판의 강도 저하(Rupture) 가능성이 있어 안전밸브만으로는 용기를 완벽히 보호하기 어렵다.

• 이유: 가스는 액체처럼 기화열로 열을 식혀주지 못하므로 금속 온도가 순식간에 T_w(허용 온도)를 초과한다.
• 해결책: 이때 EDPS를 통해 압력을 신속히 낮추면, 금속 벽면에 가해지는 응력(Stress)을 줄여 온도 상승에 따른 파열을 유예하거나 방지할 수 있다.

 

가스/증기 및 초임계 유체 팽창 시나리오는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1632

가스/증기 등 외부화재 시 소요분출량

 

 

안전밸브 설계 시 EDPS의 영향 (사이징 관련)

안전밸브의 소요분출량 산정 시 EDPS의 존재는 다음과 같은 공학적 근거가 된다.

1. 소요분출량의 경감 (Credit 적용 여부)

일반적으로 외부 화재 시나리오에서 EDPS가 있다고 해서 안전밸브의 크기를 줄여주는 Credit은 인정하지 않는 것이 원칙이다. (API 521)

이유는 EDPS(능동형)가 고장 날 경우를 대비하여 PSV(수동형)가 최후의 보루 역할을 해야 하기 때문이다.

 

2. 분출 온도(T₁) 및 압력(P₁)의 변화

EDPS가 먼저 작동하여 압력을 낮추고 있는 도중에 화재가 지속되어 PSV가 열린다면, 초기 가스의 절대 온도(T₁)와 압력(T₁) 조건이 달라질 수 있다. 이는 앞서 포스팅한 가스 팽창 공식의 F' 계수에 영향을 미친다.

 

3. 플레어 헤더(Flare Header) 용량 합산

플레어 시스템 전체 용량을 계산할 때는 PSV 배출량과 EDPS 배출량을 동시에 고려해야 하는 경우가 많다. 동일한 화재 구역(Fire Zone) 내의 모든 PSV와 EDPS 유량을 합산하여 플레어 스택의 크기를 결정한다.

 

 

시스템 작동 시나리오 예시 (화재 시)

⓵ 화재 발생: 용기 주변에 불이 난다.

⓶ 화염 노출: 용기 내부 가스가 팽창하고 금속 벽면이 뜨거워진다.

⓷ BDV 작동: 화재 감지기가 신호를 보내거나 운전원이 버튼을 누르면 BDV가 열린다.

⓸ 압력 강하: 압력이 설계 압력의 50% 수준으로 낮아진다. 이제 금속이 뜨거워져서 약해지더라도, 내부 압력이 낮아졌기 때문에 용기가 터지지 않고 버틸 수 있게 된다.