IEC 60079-10-1:2020 Ex. 1 분석

Example 1의 경우, 환기 조건이 중희석 등급에 해당하나 제로배경농도(고희석등급)에서만 사용가능한 Figure D.1 을 사용하여 위험범위를 산출하였다. 금번에는 이 배경을 살펴보고자 한다.

 

 

 

IEC 60079-10-1:2020 Ex. 1 분석

IEC 60079-10-1의 Annex D에서 제공하는 Figure D.1은 기본적으로 고희석(High Dilution) 상태, 즉 누출원이 주변 기류에 의해 즉각적으로 희석되어 배경 농도가 무시할 수 있는 수준(Zero Background Concentration)인 상황을 가정하여 작성된 도표이다.

 

 

 

IEC 60079-10-1:2020 Example 1

Example 1 산업용 펌프(기계식 씰(다이아프램) 이용, 옥외 및 지면 설치, 인화성 액체(벤젠)를 펌핑)

1. 누출 특성

• 누출등급: 2차 (기계식 seal 파열로 인한 누출)
• 액체 누출률, W: 0.192 kg/s (누출공 크기 S=5㎟, 누출계수: Cd=0.75, ∆P =15 bar)
• 가스 증발률,  We: 3.85×10^-3 kg/s,
• 부피 누출특성, Qc: 0.099 ㎥/s

2. 위치 특성

• 옥외상황: 탁 트인 장소(장애물 없음)
• 환기속도: 0.3 m/s
• 환기이용도: 우수(기상학적으로 안정적인 조건에서의 풍속)

3. 누출영향 (결과)

• 희석등급(<그림 E.1> 참조): 중희석
• 폭발위험장소  종별: 2종 장소
  설비그룹  및 온도등급: IIA T1

4. 폭발위험장소  구분

• 폭발위험장소  거리는 <그림  E.2>의 평가에 근거한다. 
• 수평 거리: 누출원으로 부터 r=3m(공기보다  무거운  물질)
• 수직 거리: 지면으로 부터 h=1.5m(저속의 학산 물질)

 

* 즉 중희석 등급에도 불구하고 Figure D.1 Chart를 이용하여 위험거리를 산출하였다.

 

Figure E.1 – Degree of dilution (Example No. 1)	Figure E.2 – Hazardous distance (Example No. 1)

 

 

Figure D.1의 적용 원칙과 희석 등급의 관계

IEC 60079-10-1의 Annex D에서 제공하는 Figure D.1은 기본적으로 고희석(High Dilution) 상태, 즉 누출원이 주변 기류에 의해 즉각적으로 희석되어 배경 농도가 무시할 수 있는 수준(Zero Background Concentration)인 상황 Figure D.1 은 을 가정하여 작성된 도표이다.

 

그러나 표준은 중희석 등급에서도 특정 조건을 만족할 경우 Figure D.1의 활용을 허용한다.

중희석 등급은 누출이 지속되는 동안 폭발 하한계(LFL-mass) 미만의 안정된 농도가 형성되지만, 누출 정지 후 가스가 체류할 수 있는 상태를 의미한다.

 

Example 1의 경우, 환기 조건이 중희석 등급에 해당하나 환기 속도와 기류의 방향이 누출 가스를 효과적으로 분산시킬 수 있는 구조를 갖추고 있다고 판단하여 해당 도표(Figure D.1)를 준용한다.

 

 

보정계수(1.5배) 적용 생략 사유

1.5배의 보정계수는 일반적으로 표준 본문이나 Annex D에서 명시적인 필수 요구사항으로 규정되어 있지 않다.

 

Annex E의 예제에서 보정계수를 적용하지 않은 사유는 다음과 같다.

• 보수적 매개변수의 사전 반영: Example 1 산출 과정에서 사용된 누출 구멍의 크기(Cross-sectional area), 유량 계수(Discharge coefficient), 환기 효율 계수(f) 등의 변수가 이미 충분히 보수적으로 설정되어 있다.
• 누출 특성의 일치성: Figure D.1은 제트 누출(Jet release) 및 확산 누출을 모델링한 결과이다. 예제에서의 누출 시나리오가 도표 제작 시 산정된 물리적 특성(누출 속도, 특성 길이 등)의 범주* 내에 명확히 포함될 경우 별도의 할증 계수를 추가하지 않는다.
• Safety Margin의 내포: Figure D.1의 곡선 자체가 이미 실험값과 시뮬레이션 결과의 최상단 경계(Upper bound)를 기준으로 작성되어 있어, 특정 희석 등급(중희석)에서도 기류의 흐름이 방해받지 않는 개방된 공간이라면 도표의 결과값을 그대로 위험 범위로 확정한다.

* "범주 내에 명확히 포함된다"는 것은 누출원의 물리적 거동(속도, 방향, 확산 방식)이 Figure D.1이 모사하는 난류 제트 확산 모델과 일치함을 의미한다. 이 경우 도표에서 도출된 거리(dz)는 이미 안전율을 포함한 충분한 이격 거리로 간주되므로, 별도의 보정 계수 적용 없이 위험 범위를 결정한다.

 

 

Figure D.1의 도출 근거

Figure D.1의 도출 근거가 되는 물리적 모델링의 유효 범위와 이에 대한 세부 기술적 사유는 다음과 같다.

1. 물리적 특성 범주의 일치성 (Physical Characteristics Alignment)

Figure D.1은 가스 누출 시 발생하는 운동량(Momentum)과 부력(Buoyancy)의 상관관계를 기반으로 작성된 도표이다. 예제 1의 시나리오가 이 도표의 설계 기반 내에 있다는 의미는 다음과 같다.

• 제트 누출(Jet Release) 특성: Figure D.1은 고압 또는 고속으로 분출되는 가스가 주변 공기를 비말 동반(Entrainment)하며 급격히 희석되는 물리 현상을 모델링한다. 예제 1의 누출 속도가 이와 같은 난류 확산 제트(Turbulent diffusing jet)의 특성을 보인다면, 도표의 계산값은 이미 물리적으로 타당한 수치를 제공한다.
• 특성 길이(Characteristic Length)의 적합성: 누출원 크기와 누출 속도를 조합한 변수들이 Figure D.1에서 상정한 무차원 해석 범위 안에 포함된다. 즉, 실험적으로 증명된 희석 곡선의 범위를 벗어나는 극단적인 저속 누출이나 거대 누출이 아니라는 것을 의미한다.

2. 도표(Figure D.1) 자체의 보수적 설계

Figure D.1은 단순한 평균값이 아니라, 다양한 실험 데이터와 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 결과 중 가장 위험한 수치(Upper Bound)를 연결한 포괄적 곡선이다.

• Safety Margin의 내포: 도표의 각 곡선은 이미 실제 측정값보다 다소 넓은 범위를 위험 장소로 지정하도록 설계되어 있다. 따라서 정상적인 환기 조건(중희석 이상)에서 물리적 특성이 범주 내에 있다면, 여기에 추가로 1.5배를 곱하는 것은 과잉 설계(Over-design)가 된다.
• 배경 농도의 영향성 미미: 중희석 등급이라 하더라도, 예제 1과 같이 개방된 공간이나 환기가 원활한 장소에서는 누출 지점 인근의 국부적인 농도 구배가 Figure D.1이 가정하는 제로 배경 농도 상태와 물리적으로 큰 차이를 보이지 않는다.

3. 할증 계수 미적용의 공학적 판단 근거

표준에서 할증 계수(Safety factor)를 명시적으로 요구하지 않는 상황에서 이를 생략하는 근거는 다음과 같다.

• 변수 설정의 보수성: 위험 범위 산출 시 사용되는 누출률(Wg) 계산 과정에서 유량 계수(Cd)나 개구부 면적 등을 실제 발생 가능한 최악의 상황으로 설정한다. 이미 입력값에서 보수성을 확보했기 때문에 결과값에 추가 계수를 곱하지 않는다.
• 유효성 검증(Validation): Figure D.1은 수많은 실증 테스트를 통해 중희석 이상의 일반적인 환기 환경에서 위험 범위를 충분히 예측할 수 있음이 검증된 도구이다. 예제 1의 환경 조건(환기 속도, 장애물 없는 구조 등)이 도표의 기본 가정사항을 훼손하지 않는다고 판단한다.

 

 

수직 거리(h) 1.5 m 도출 주요 요인

공기보다 무거운 가스는 지면의 요철이나 장애물에 의해 국부적인 와류가 발생할 수 있으며, 다음과 같은 요인으로 상부 확산을 고려하여야 한다.

• 지면 근처의 체류 (Accumulation near ground level): 공기보다 무거운 가스(Heavier-than-air gas)가 중력에 의해 지면으로 가라앉아 수평으로 퍼지는 거동을 설명할 때 사용한다.
• 표면 거칠기 (Surface Roughness): 지면의 상태(장애물, 요철 등)에 따라 가스의 흐름이 방해받고 난류(Turbulence)가 형성되어 수직 방향으로 확산이 일어나는 물리적 요인을 설명한다.
• 낮은 환기 속도에서의 확산 (Dispersion in low wind speed): 풍속이 낮을 때 가스가 지면의 장애물에 부딪혀 국부적으로 솟구치거나 머무르는 현상을 기술한다.

 

1. 가스의 비중 및 확산 특성

• 벤젠의 상대밀도: 약 2.8 (공기 = 1)로 공기보다 현저히 무겁다.
• 확산 거동: 공기보다 무거운 가스는 누출 후 지면으로 가라앉아 층(Layer)을 형성하며 수평으로 확산한다.
• 저속 확산: 2차 누출(Seal 파열) 및 옥외 저풍속(0.3 m/s) 조건에서는 가스의 운동 에너지가 빠르게 소실되어 지면으로부터 일정 높이 내에 체류한다.

2. 표준 도표(Figure)의 적용

IEC 60079-10-1 Annex E의 그림 E.2(또는 유사 도표)는 누출 특성치에 따른 위험장소 범위를 제시한다.

• 벤젠과 같이 공기보다 무거운 물질이 지면 근처에서 누출될 때, 표준은 누출원으로부터의 수평 거리(r)와 더불어 누출 높이와 무관하게 지면으로부터의 최소 수직 높이(h)를 규정한다.
• 통상적으로 중희석(Medium Dilution) 및 2차 누출 등급에서 수평 거리 3 m가 결정될 경우, 지면으로부터의 수직 확산 높이는 1.0 m ~ 1.5 m를 표준 값으로 설정한다.

 

 

결론

IEC 60079-10-1 Example 1은 실질적인 공정 조건과 환기 구조를 종합적으로 고려하여 Figure D.1을 적용한다.

중희석 등급이라 할지라도 환기가 유효하게 작용하여 가스 축적 위험이 제어되는 것으로 평가되면 도표상의 수치를 직접 사용하며, 별도의 1.5배 보정은 설계자의 추가적인 판단(Engineering Judgment) 사항이지 표준의 강제적 연산 절차는 아니다.