중희석 및 저희석 조건에서의 위험범위 결정

IEC 60079-10-1:2020 및 KS C IEC 60079-10-1:2020 표준에서 누출 등급과 환기 상태에 따른 폭발위험범위(dz)를 결정할 때, Figure D.1은 고희석(High Dilution) 및 배경 농도(X₀)가 무시할 수준(Zero)임을 전제로 도식화된 것이다.

중희석(Medium Dilution) 또는 저희석(Low Dilution) 조건에서는 가스가 체류하여 배경 농도가 상승하므로, 단순히 도표를 사용하는 것이 아니라 환기 효율을 반영한 계산 과정을 거쳐야 한다. 이에 대한 상세 설명과 계산식을 다음과 같이 기술한다.

 

 

 

중희석 및 저희석 조건에서의 위험범위 결정

배경 농도가 존재하는 경우, 즉, 중희석 및 저희석 조건에서의 위험범위는 누출원 주변의 국소 농도와 환기에 의한 배경 농도가 합산되어 폭발하한계(LFL)에 도달하는 지점을 찾아야 한다. 표준에서는 이를 위해 가상 체적(Vz) 개념과 환기 속도를 결합하여 계산한다.

 

 

주요 계산식 및 변수 정의

배경 농도(X₀)가 포함된 조건에서 위험범위를 산정하기 위한 핵심 수식은 다음과 같다.

1. 배경 농도(X₀)의 산출

환기가 원활하지 않아 가스가 누적되는 경우, 평형 상태에서의 배경 농도는 다음과 같이 계산한다. (표준 B.2항 및 B.5항 참조)

X₀ = (Gq / (f * Qv)) * (T / 293)

• X₀: 배경 체적 농도 (vol/vol)
• Gq: 가스 누출률 (m³/s)
• f: 환기 효율 계수 (Ventilation efficiency factor, 1 ~ 5)
• Qv: 환기량 (m³/s)
• T: 주변 온도 (K)

2. 위험범위(dz) 결정을 위한 가상 체적(Vz) 계산

중희석 상황에서는 Figure D.1 대신 다음 식을 사용하여 가스가 누적된 가상적인 체적을 먼저 구한다.

Vz = (f * Gq) / (C * dV/dt)

또는 환기 횟수(C)를 이용한 형태:

Vz = Gq / (f * k * LFL)

• k: 안전 계수 (일반적으로 0.25 또는 0.5 적용)
• LFL: 폭발하한계 (vol/vol)

3. 거리(dz) 산출식 (중희석 이상의 경우)

표준의 부속서 D (Annex D) 및 관련된 경험식에 따르면, 배경 농도가 존재하는 경우의 수정된 거리는 다음과 같은 비례 관계를 갖는다.

dz = (3 / (4 * π))^(1/3) * (Vz / m)^(1/3)

단, 실제 계산에서는 Figure D.1의 기본 거리 값에 배경 농도에 의한 할증 계수를 곱하거나, Annex E에서 제시하는 확산 모델(Dispersion Model)을 사용하여 수치 해석적으로 접근해야 한다.

 

중희석/저희석 경우 거리(dz)산출식에 대한 세부적인 내용은 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1918

폭발 위험 범위 d_z 계산식

 

 

 

희석 등급별 판정 기준 (Table C.1)

중희석과 저희석은 단순히 수식 하나로 끝나는 것이 아니라, 아래의 기준에 따라 위험장소의 '종류'를 결정하는 데 사용된다.

희석 등급	가상 체적(Vz) 판단 기준	결과 (1차 누출 기준)
고희석 (High)	Vz < 0.1 m³ 이고 0.1 * V_enclosure 미만	비위험장소 또는 매우 좁은 범위
중희석 (Medium)	Vz < V_enclosure	1종 장소 (Zone 1)
저희석 (Low)	Vz > V_enclosure	0종 장소 (Zone 0)

* V_enclosure: 해당 설비가 위치한 전체 공간의 부피

 

 

요약 및 제언

Figure D.1은 X₀ = 0인 이상적인 경우의 그래프이므로, 실제 중희석 환경에서는 Vz를 먼저 계산하여 해당 공간 내에서 가스가 어느 정도의 부피를 차지하는지 파악하는 것이 우선이다. 만약 Vz가 전체 공간에 비해 무시하지 못할 수준이라면, 도표 사용을 중단하고 Annex E의 확산 공식 또는 전문 공정 모델링 소프트웨어(PHAST 등)를 통한 시뮬레이션 결과를 적용해야 한다.

 

수식 및 이론의 출처

IEC 60079-10-1:2020, Annex B (Estimation of gas release rates and ventilation): 배경 농도(X₀) 및 가상 체적(Vz) 계산식의 기초 제공.

IEC 60079-10-1:2020, Annex C (Examples of ventilation ratings): 희석 등급(High, Medium, Low)의 정의 및 판정 로직.

KOSHA Guide P-135-2023 (인화성 가스 및 증기 누출원에 따른 폭발위험장소 설정 범위에 관한 기술지침): 국내 PSM 보고서 작성 시 표준으로 사용되는 지침으로, 상기 IEC 수식을 한국 실정에 맞게 요약 제시함.