희석 등급 판정 방식

환기 유효성의 결과인 희석 등급 판정의 두 방식인 IEC 60079-10-1:2020 부속서 C(Annex C)의 그래프 판정 방식과 과거 버전에서 사용하던 가상 체적(Vz) 계산식의 차이점에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

희석 등급 판정 방식

IEC 60079-10-1:2020 부속서 C에서는 과거 버전에서 사용하던 복잡한 가상 체적(Vz) 계산식 대신, 누출 특성(Qg)과 풍속(uw)의 상관관계를 나타낸 그래프를 통해 희석 등급을 직접 판정하도록 가이드하고 있다.

 

 

가상 체적(Vz) 규정

1. 규정의 내용

가상 체적(Vz)은 2015년판(Edition 2.0)까지는 희석 등급을 판정하는 주요 공식이었으나, 2020년판에서는 부속서 D(Annex D)로 옮겨져 폭발 위험 장소의 범위(Extent of zone)를 추정하는 보조적인 수단으로 주로 활용된다. 즉, 등급 판정은 부속서 C의 그래프로 수행하고, 그 구체적인 공간적 크기를 계산할 때 Vz 개념을 인용한다.

• 부속서 D: 부속서 C의 그래프를 사용하기 어려운 특수 상황이나, 보다 정밀한 수치 해석(CFD 등)이 필요할 때 사용하는 계산식과 방법론을 제시한다.

       - 부속서 D의 D.1(General) 및 D.2(Assessment of theoretical Vz)에서는 이를 이론적 가상 체적(Theoretical Vz)이라고

         부르며, 누출된 가스가 폭발하한계(LEL) 미만으로 희석되지 않고 남아 있는 공간적 범위를 수치화한 것으로 정의한다.

 

2. 왜 부속서 C 그래프에는 Vz가 없는가?

표준서가 개정되면서 사용자의 편의성을 위해 Vz 계산 과정을 그래프에 녹여냈기 때문이다. 부속서 C의 그래프는 다양한 조건에서의 Vz 값을 미리 계산하여 곡선으로 나타낸 것이므로, 그래프상의 위치만 확인하면 별도의 Vz 계산 없이도 희석 등급(고, 중, 저)을 즉시 판정할 수 있다.

 

 

가상 체적(Vz)의 적용 및 계산 방법 (부속서 D 기준)

만약 그래프 판정 외에 직접 수치로 가상 체적을 산출해야 한다면 다음과 같은 수식을 적용한다.

1. 계산 공식

가상 체적 Vz는 다음과 같은 기본 원리로 산출된다.

Vz = (f × Qg) / (C × k × LEL)

• f: 환기 효율 계수 (1에서 5 사이, 기류의 원활함 정도)
• Qg: 가스의 체적 누출률 (m³/s)
• C: 단위 시간당 환기 횟수 (1/s)
• k: 안전 계수 (일반적으로 0.25 또는 0.5 적용)
• LEL: 가스의 폭발하한계 (vol/vol)

 

2. 적용 기준

Vz < 0.1 m³: 일반적으로 고(High) 등급 희석으로 간주하며, 위험 지역의 범위가 매우 작음을 의미한다.

0.1 m³ < Vz < 실내 체적의 일정 비율: 중(Medium) 등급 희석으로 보며, 위험 지역이 관리 가능한 범위 내에 있음을 뜻한다.

 

 

가상 체적(Vz)을 산출하기 위한 핵심 변수

1. 환기 효율 계수 (f: Efficiency Factor)

환기 효율 계수 f는 공기 흐름이 누출 지점을 얼마나 효과적으로 통과하여 가스를 희석시키는지를 나타내는 보정 계수이다. 이론적인 환기량과 실제 현장의 유효 환기량 사이의 차이를 반영한다.

1) 설정 범위 및 의미

f 값은 보통 1에서 5 사이의 값을 가진다.

• f ＝ 1: 이상적인 상태로, 공기 흐름이 누출원을 직접 통과하며 즉각적인 혼합이 일어나는 경우(이상적인 전치 환기)
• f ＝ 5: 환기 흐름이 원활하지 않거나 장애물이 있어 기류의 사각지대(Dead zone)가 발생할 가능성이 높은 경우

2) 상황별 설정 가이드

• 우수한 환기 (f ＝ 1): 기류의 흐름이 방해받지 않는 개방된 야외 또는 누출원 바로 옆에 강제 배기구(국소배기장치)가 설치된 경우
• 양호한 환기 (f ＝ 2 내지 3): 일반적인 산업 현장의 기계 환기 시스템이 가동되거나, 적절한 개구부가 확보된 실내 공간인 경우.
• 불량한 환기 (f ＝ 4 내지 5): 장애물이 많아 공기 순환이 방해받는 구석진 공간, 지하 피트, 또는 환기구가 누출 지점에서 멀리 떨어진 경우

가벼운 가스의 경우 상부 환기구의 유무가, 무거운 가스의 경우 하부 기류의 흐름이 f 값을 결정하는 핵심 요소가 된다.

 

 

2. 안전 계수 (k: Safety Factor)

안전 계수 k는 가스 농도를 폭발하한계(LEL)의 어느 정도 수준까지 관리할 것인지를 결정하는 설계 여유율이다.

1) 설정 값의 기준

표준에서는 일반적으로 0.25 또는 0.5를 적용한다.

• k ＝ 0.25: 가스 농도를 LEL의 25퍼센트 이하로 유지하겠다는 의미이다. 보다 높은 안전성이 요구되는 시설이나 누출 가능성이 빈번한 곳에 적용한다.
• k ＝ 0.5: 가스 농도를 LEL의 50퍼센트 이하로 유지하겠다는 의미이다. 관리가 잘 되는 설비나 누출 빈도가 낮은 경우에 적용할 수 있다.

2) 선정 시 고려 사항

가벼운 가스나 무거운 가스 모두 공정의 위험도와 제어 시스템의 신뢰도에 따라 결정된다. 가스 감지 시스템과 연동되어 즉각적인 차단이 가능한 구조라면 0.5를 적용하기도 하나, 일반적인 위험 장소 구분 시에는 보수적인 접근을 위해 0.25를 주로 사용한다.

 

 

실무적 적용 팁

• 그래프 우선 적용: 일반적인 개방 공간이나 표준적인 환기 조건에서는 부속서 C의 차트(Figure C.1 등)를 사용하여 누출 특성 합계치와 특성 속도를 대입해 등급을 결정하는 것이 가장 표준적인 절차이다.
• Vz의 보조적 활용: 환기가 극히 불량하거나 기하학적으로 복잡한 공간(트렌치 내부, 밀폐 공간 등)에서 위험 범위를 수치적으로 입증해야 할 때만 부속서 D의 Vz 계산법을 인용한다.

요약하자면, 부속서 C는 그래프를 통한 직관적 판정을, 부속서 D는 가상 체적(Vz)을 이용한 정밀 판정을 담당하고 있다고 이해하면 된다.