위험 장소 반경(dz) 산출 방법론

IEC 60079-10-1:2020에서는 희석 등급(Dilution Degree)에 따라 적용 가능한 위험 장소 반경(dz) 산출 방법을 달리해야 하는 바 이를 공유하고자 한다.

 

 

 

IEC 60079-10-1:2020 위험 장소 반경(dz) 산출 방법론

IEC 60079-10-1:2020은 가스 폭발 위험 장소 구분을 위한 가이드라인을 제공한다. 특히 누출원으로부터 위험 분위기가 형성되는 거리인 dz 산출 시, 희석 등급(Dilution Degree)에 따라 적용 가능한 방법론을 엄격히 구분한다.

 

 

위험 장소 반경(dz) 산출 원칙

위험 장소 반경 산출 시 다음 원칙을 준수한다.

1. 누출 특성치 Qc를 산출한다.

2. 해당 구역의 환기 속도(uw)와 유효 개구부 면적 등을 통해 희석 등급을 판정한다.

3. 고희석(High Dilution)인 경우에 한하여 dz = 15 × (Qc)⁰⁴³³ 식 또는 Figure D.1을 적용한다.

4. 중/저희석(Medium/Low Dilution) 조건에서는 해당 구역의 장애물, 환기 방향 등을 고려하여 Figure D.1보다 확장된 거리 산출 방식이나 전문가적 판단(Engineering Judgment)을 적용한다.

5. 가상체적 Vz로부터 단순 반경을 도출하는 수식은 물리적 타당성이 부족하므로 사용을 배제한다.

 

 

고희석(High Dilution) 조건(Zero 배경 농도)

1. Figure D.1과 상관관계식(dz = 15 × (Qc)⁰⁴³³)의 관계

Figure D.1 그래프는 누출 특성치(Qc)와 dz 사이의 관계를 나타내는 차트이다.

• 적용 제한: 본 그래프는 고희석(High Dilution) 상태, 즉 배경 농도가 0에 수렴하는 조건에서 유효하다. 중희석(Medium Dilution)이나 저희석(Low Dilution) 조건에서는 확산 양상이 달라지므로 해당 그래프 사용을 금지한다.
• 수식화의 의미: dz = 15 × (Qc)⁰⁴³³ 식은 Figure D.1의 데이터 포인트를 수식으로 표현한 근사식이다. 따라서 이 수식을 적용한다는 것은 결국 Figure D.1을 사용하는 것과 물리적으로 동일한 결과를 도출한다.
• 사용 타당성: 해당 수식 역시 고희석 등급에서만 유효하며, 중/저희석 등급에서 이 식을 무분별하게 사용하는 것은 표준의 취지에 어긋난다.

2. 가상체적(Vz) 기반 산출식의 문제점

과거 기준에서 사용하던 dz = (3 × Vz / (2 × π))^(1/3) 식은 가상체적(Vz)을 구형 또는 반구형으로 가정하여 그 반경을 구하는 방식이다. 이 방식은 다음과 같은 이유로 적용을 지양한다.

• 물리적 불일치: 가상체적 Vz는 환기 효율과 누출 강도에 의한 '희석 능력'을 평가하는 지표이지, 실제 가스 구름의 물리적 형상을 대변하지 않는다.
• 보수성 결여: 가상체적을 구형으로 환산하여 얻은 반경은 실제 제트 누출(Jet Release)에 의한 긴 도달 거리를 과소평가할 위험이 크다.
• 표준의 변화: 최신 IEC 표준은 Vz를 통해 희석 등급(High, Medium, Low)을 결정하는 용도로만 사용하고, 실제 거리 dz는 희석 등급과 누출 특성을 고려한 별도의 방법론(Figure D.1 또는 CFD 등)을 따르도록 규정한다.

 

 

중/저희석(Medium/Low Dilution) 조건

IEC 60079-10-1:2020 표준에서 고희석 이외의 조건(중희석, 저희석)은 가스 농도가 폭발하한계(LFL) 미만으로 떨어지는 데 더 많은 시간과 공간이 필요함을 의미한다. 따라서 Figure D.1의 단순 상관식인 15 × (Qc)⁰⁴³³을 그대로 적용하는 것은 위험 범위를 과소 산출할 우려가 있다.

 

1. 중희석(Medium Dilution) 조건의 산출 원칙

중희석은 환기가 존재하지만 누출된 가스를 즉각적으로 희석하기에는 부족한 상태이다. 이 경우 다음의 단계를 따른다.

• 보정 계수(Correction Factor) 적용: Figure D.1에서 도출된 거리(dz)에 희석 효율 저하를 고려한 가중치를 부여한다. 표준에서는 명시적인 수치를 제공하지 않으나, 일반적으로 유동 정체 구역이나 장애물이 있는 경우 산출된 dz의 1.5배에서 2배 이상을 검토한다.
• 포위체(Enclosure) 영향 고려: 실내 또는 반폐쇄 공간의 경우, 가스가 축적되는 양상을 분석한다. 환기가 불량한 상부 또는 하부 포켓 영역은 dz와 상관없이 해당 구획 전체를 위험 장소로 지정한다.

2. 저희석(Low Dilution) 조건의 산출 원칙

저희석 상태는 환기 효과가 미미하여 누출이 지속될 경우 가스 농도가 LFL을 초과할 가능성이 매우 높다.

• 구획 전체 지정: 누출원이 위치한 방(Room)이나 밀폐 공간 전체를 위험 장소(Zone 1 또는 Zone 2)로 간주한다. 이때 dz 산출식은 의미를 잃으며, 물리적 벽체나 경계선이 위험 장소의 범위가 된다.
• 확산 경로 분석: 개구부(문, 창문, 덕트)를 통해 인접 구역으로 확산될 가능성을 평가하여 2차적인 dz를 설정한다.

 

 

3. 전문가적 판단(Engineering Judgment)의 구체적 방법론

단순 수식 적용이 불가능한 경우, 다음과 같은 공학적 도구를 활용하여 객관성을 확보한다.

• CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션: 복잡한 구조물이나 장비가 배치된 현장에서 기류의 흐름과 가스 농도 분포를 3차원으로 계산한다. 중/저희석 조건에서 가장 명확한 근거를 제시한다.
• 유사 사례 비교(Empirical Data): 유사한 공정 및 환기 조건을 가진 설비의 실측 데이터나 기존 사고 사례를 참조하여 범위를 결정한다.
• 누출 지속 시간 평가: 환기가 부족하더라도 누출이 매우 짧은 시간(Short duration) 동안만 발생한다면, 가스 구름의 총량을 계산하여 범위를 제한적으로 설정한다. ☞ 상황에 따라 중희석이라도 축소 가능

4. 수치 및 산출 요약 테이블

중/저희석 시 적용하는 정성적/정량적 기준은 다음과 같다.

구분	고희석 (High)	중희석 (Medium)	저희석 (Low)
산출 방법	dz = 15 × (Qc)⁰⁴³³	dz 적용 후 안전율 가산(보정계수 적용)	구획 전체 또는 확산 경로 분석
농도 상태	즉시 LFL 미만 하락	일정 시간/거리 유지 후 하락	지속적으로 LFL 초과 가능성
권고 사항	그래프/수식 직접 사용	CFD 또는 보수적 범위 설정	설비 전체 위험 지역화

 

결론적으로 중/저희석 조건에서는 Figure D.1을 기준점으로 삼되, 환기 불량에 따른 가스 정체 가능성을 반영하여 범위를 대폭 확장하거나 해당 구획 전체를 위험 지역으로 설정하는 것이 표준의 핵심 권고 사항이다.

 

 

보정 계수(Correction Factor) 적용

IEC 60079-10-1:2020 표준은 중희석(Medium Dilution) 조건에서 Figure D.1의 직접적인 사용을 제한한다. 이는 해당 그래프가 무한 공간에서의 자유 확산(Free Jet)을 전제로 하기 때문이다.

중희석 환경에서는 장애물이나 기류 정체로 인해 가스 농도 감쇄가 지연되므로, 객관적 근거에 기반한 보정 계수 적용이 필수적이다.

1. 객관적 Reference 및 공학적 근거

중희석 조건에서의 거리 보정은 다음과 같은 문헌적/이론적 근거를 바탕으로 한다.

① IP(Energy Institute) Model 15: 석유화학 산업에서 널리 참조되는 가이드라인으로, 환기가 제한된 구역이나 장애물이 밀집된 지역(Congested area)에서는 자유 공간 대비 위험 반경을 최소 1.5배에서 3.0배까지 확장하여 적용할 것을 권고한다.

• Section 5.4.1: "For releases in sheltered or congested areas, the hazard radius will be significantly larger than for an equivalent release in an open area due to the reduction in effective ventilation."
• Open Areas (개방 지역): 기류의 흐름이 방해받지 않는 곳으로, KOSHA GUIDE의 고희석 조건과 유사하다.
• Sheltered or Congested Areas (차폐 또는 밀집 지역): 구조물로 인해 풍속이 감소(Wind speed reduction)하는 지역이다.
• 풍속 감소 효과: IP Model 15의 Hazard Radius Curves를 분석하면, 풍속이 2.0 m/s(Open)에서 0.5 m/s(Sheltered)로 감소할 때 동일 누출량에 대한 위험 반경 d_z는 약 1.5배에서 2.5배까지 증가하는 비선형적 특성을 보인다.

 

 

② UK HSE(Health and Safety Executive) Research Report(RR630): 환기 속도가 낮은 환경에서 장애물에 의한 와류(Wake effect)가 발생할 경우, 가스 구름의 소산 시간이 이론치 대비 2배 이상 증가함을 실험적으로 증명한다.

• "The presence of obstacles leads to the formation of wakes and regions of low velocity, which significantly reduce the rate of dilution. Experimental data indicates that for release in low-ventilation environments, the time taken for the gas concentration to fall below the LFL can be more than double the time predicted by free-jet models.“
• 가스 구름의 지속성(Persistence)과 체적이 증가하면, LFL에 도달하는 물리적 도달 거리 역시 증가한다. 2배의 시간 지연은 확산 모델상 약 1.4 ~ 1.7배의 거리 확장을 초래하며, 이를 정수화하여 1.5배로 적용한다.

③ IEC 60079-10-1 Annex B (Informative): 환기 효율 계수(f)를 언급하며, 공기 흐름이 원활하지 않은 경우 f 값을 1.0보다 크게 설정(보통 1.5 ~ 5.0)하여 가상체적(Vz)을 계산하도록 한다. 이는 간접적으로 위험 거리의 확장을 정당화하는 근거가 된다.

 

 

2. 수치적 요약 및 제언

IEC 상관식(dz = 15 × (Qc)⁰⁴³³)은 위 보고서들이 지적하는 'Free-jet' 혹은 'Open area'를 가정한 수치이다.

 

중희석 조건에서 객관성을 확보하기 위한 보정 계수(C_f) 적용 가이드는 다음과 같다.

환경 조건	권고 보정 계수(C_f)	비고
장애물이 적은 반폐쇄 공간	1.2 ~ 1.5	기류 방향이 일정한 경우
구조물 및 배관 밀집 구역	1.5 ~ 2.0	와류 및 정체 구역 발생 가능
환기 사각지대가 존재하는 실내	2.0 이상	CFD 분석 권장

 

결론적으로, Figure D.1에서 도출된 수치에 환경적 특성을 반영한 보정 계수를 곱하여 dz(modified)를 결정한다. 이는 단순한 추정이 아닌, IP 15 등 국제적으로 통용되는 가이드라인의 안전율(Safety Factor) 개념을 준용한 결과이다.

 

Reference:

1. IP(Energy Institute) Model 15

2. UK HSE(Health and Safety Executive) Research Report(RR630)

3. IEC 60079-10-1 Annex B (Informative)