Figure D.1 대안 위험 범위 산정 방안

누출 속도가 너무 낮아(소량 누출 또는 저압) 운동량(Momentum)이 아닌 부력(Buoyancy)이 지배하는 플룸(Plume) 거동을 보일 경우, Figure D.1의 난류 제트 모델 범주를 벗어나므로, IEC 60079-10-1에서는 다음과 같은 대안적 방법으로 위험 범위를 산정한다.

 

 

 

Figure D.1 대안 위험 범위 산정 방안

Figure D.1은 고압 또는 고속으로 분출되는 가스가 주변 공기를 비말 동반(Entrainment)하며 급격히 희석되는 물리 현상(난류 확산 제트(Turbulent diffusing jet) 누출 특성)을 기반으로 작성되었다.

그러나 누출 속도가 너무 낮아(소량 누출 또는 저압) 운동량(Momentum)이 아닌 부력(Buoyancy)이 지배하는 플룸(Plume) 거동을 보일 경우, 가스는 수평으로 멀리 퍼지기보다 밀도 차이에 의해 수직 방향으로 상승하거나 하강하는 특성을 나타낸다.

이러한 시나리오는 Figure D.1의 난류 제트 모델 범주를 벗어나므로, IEC 60079-10-1에서는 다음과 같은 대안적 방법으로 위험 범위를 산정한다.

 

 

개구부 면적 기반의 간이 산정식 활용

난류 제트 모델을 적용하기 어려운 저속 누출의 경우, 표준에서는 누출원의 크기와 누출 특성을 고려한 별도의 계산 기법을 권고한다.

• 특히 환기가 제한된 공간이거나 부력 지배적 흐름일 때는 가상 체적(Vz)을 기반으로 해당 체적을 포괄하는 구(Sphere) 또는 원통(Cylinder) 형태의 범위를 설정한다.

 

 

부력 지배적 흐름의 위험 범위 설정 원칙

플룸 거동 시에는 수평 거리(dz)보다는 가스가 체류할 수 있는 수직적 상부 또는 하부의 확산 범위가 중요해진다.

• 상승 플룸 (Lighter than air): 수소(H₂), 메탄(CH₄) 등 공기보다 가벼운 가스는 누출 지점 상부에 가스가 정체될 수 있는 '포켓(Pocket)' 구역을 위험 장소로 지정한다.
• 하강 플룸 (Heavier than air): LPG, 가솔린 증기 등 공기보다 무거운 가스는 바닥면을 따라 흐르는 특성이 있으므로, 누출 지점 하부 및 바닥면으로부터 일정 높이까지의 전체 구역을 위험 범위로 산정한다.

 

 

CFD(전산유체역학) 시뮬레이션 권고

Figure D.1과 같은 간략화된 도표는 제트 기류를 전제로 설계되었기 때문에, 저속 누출 및 부력 흐름에서는 신뢰도가 낮아진다.

표준(IEC 60079-10-1) 본문에서는 다음과 같은 경우 CFD 분석을 통한 정밀 산정을 권장한다.

• 복잡한 기류 조건: 장애물이 많아 부력에 의한 흐름이 특정 위치에 정체될 가능성이 높은 경우.
• 저속 누출: 누출 속도(u₀)가 주변 풍속(uw)과 유사하거나 낮아 가스의 거동이 불규칙할 경우.
• 정량적 확산 범위: 확산 농도가 LFL-mass의 50%인 지점을 정밀하게 예측하여 위험 범위를 최적화하고자 할 경우.

 

 

정량적 대안 수식 (Vz 활용)

정밀 시뮬레이션이 어려운 경우, 보수적으로 가상 체적 Vz를 구의 부피로 가정하여 반지름 r을 산출하는 방식을 사용하기도 한다.

Vz = (4/3) * π * r³

• r = (3 * Vz / (4 * π))^(1/3)
• 단, 이 방식은 가스가 모든 방향으로 균등하게 퍼진다는 가정이므로, 부력 특성에 따라 수직 방향으로 1.5배에서 2.0배 정도의 가중치를 두어 범위를 보정한다.

 

 

요약 및 결론

구분	제트 거동 (Jet)	플룸 거동 (Plume)
지배력	운동 에너지 (Momentum)	밀도 차이 (Buoyancy)
산정 도구	Figure D.1 도표	CFD 분석 또는 Vz 기반 체적 산정
위험 형태	누출 방향으로 긴 타원형	상/하부 정체 구역 위주의 형태

 

플룸 거동이 예상되는 저압 설비의 경우, Figure D.1을 무리하게 적용하기보다는 Vz를 활용하여 누출원을 중심으로 한 구체(Sphere) 형태의 범위를 설정하고, 상하부 구조물의 개방성을 검토하여 최종 범위를 확정한다.