소규모 누출 시 폭발위험범위 산정 대안 방법

IEC 60079-10-1:2020 부속서 D.3의 그림 D.1(범위 추정 차트)이 소규모 누출 시 신뢰성에 한계가 있어 제한하고 있어 그에 대한 대안을 공유하고자 한다.

IEC 60079-10-1:2020 부속서 D.3의 그림 D.1(범위 추정 차트)이 소규모 누출 시 보이는 신뢰성 한계를 분석하고, 이에 대한 대안으로 가상체적(V₂) 공식을 활용하는 방안의 타당성을 검토하고자 한다.

표준서 부속서 D.3에 명시된 바와 같이, 그림 D.1은 특정 조건하의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제작되었다. 소규모 누출 수준에서 신뢰성이 낮아지는 이유는 다음과 같다.

시뮬레이션 데이터의 범위: 차트의 곡선은 특정 조건(CFD 시뮬레이션 등)을 기반으로 작성되었으며, 극소량 누출 시에는 제트(Jet)의 운동에너지보다 난류(Turbulence)나 주변 기류(Buoyancy, Drafts)의 영향이 더 커지므로, 일반화된 차트 곡선이 실제 확산 거리를 대표하기 어렵다.
배경 농도(Background Concentration) 무시: 그림 D.1은 배경 농도가 0인 상태를 가정한다. 실내와 같이 환기가 제한되어 배경 농도가 발생하는 경우 차트를 그대로 적용하기 어렵다.
외삽(Extrapolation) 금지: 표준에서는 차트에 표시된 범위 밖으로 곡선을 연장(외삽)하여 해석하는 것을 엄격히 금지하고 있다.

그림 D.1의 적용이 부적절하다고 판단되는 경우, 가상체적(Vz) 공식을 사용하는 것은 표준의 논리적 절차에 부합한다. 다만, 이는 범위를 직접 구하는 공식이라기보다 환기의 유효성을 정량적으로 평가하여 범위를 결정하는 근거를 마련하는 하나의 과정이다.

가상체적(V₂): 누출된 인화성 물질이 공기와 혼합되어 폭발하한(LFL) 미만으로 희석되지 않은 상태의 체적을 의미한다. 이는 환기의 효율성을 평가하고 희석 등급(Degree of Dilution)을 결정하는 척도로 주로 사용된다.
가상체적 산출 공식: Vz = (f · Qg) / (C · k · LFL)
Vz : 가상체적 (m³)
f: 환기 효율 계수 (1~5)
Qg: 가스의 체적 누출률 (m³/s)
C: 단위 시간당 환기 횟수 (1/s)
k: 안전 계수 (0.25 또는 0.5)
LFL: 폭발하한계 (vol/vol)
범위(Extent): 실제 가스가 퍼져나가는 물리적인 거리(r)이다.
핵심 답변: 소규모 누출 시 차트(D.1) 적용이 불확실하다면, 가상체적(Vz)을 계산하여 해당 구역의 희석 등급(고, 중, 저)을 먼저 판정하고, 그에 따라서 위험 범위를 산출해야 한다.
무시할 수 있는 범위(NE) 검토: 소규모 누출에서 계산된 Vz 값이 극히 작고(일반적으로 0.1 m³ 미만 등), 환기 효율이 '고(High)' 등급인 경우, 위험 장소를 설정하지 않는 NE(Negligible Extent)로 결론지을 수 있는 공학적 근거가 된다.

소규모 누출 시 그림 D.1의 신뢰성이 의심된다면, 가상체적 공식을 통해 환기 시스템의 성능을 정량적으로 증명하는 것이 우선이다. 만약 Vz 계산 결과가 충분히 작다면, 이를 근거로 위험 범위를 최소화하거나 비위험지역으로 분류하는 논리를 전개할 수 있다.

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