중/저희석에서 폭발 위험 범위 계산

IEC 60079-10-1:2020 표준이 중/저희석(Medium/Low Dilution) 시 수식 대신 수치 해석(CFD)이나 보수적 구역 설정을 권고함에 따라, 실무적 계산이 필요한 경우 영국 에너지 협회(Energy Institute)의 IP 15 (EI 15) 가이드를 전 세계적으로 가장 많이 참조한다.

 

 

 

중/저희석에서 폭발 위험 범위 계산

EI 15(현재 EI Model Code of Safe Practice Part 15)는 IEC 표준의 근간이 된 문헌 중 하나이며, 중/저희석 상황을 포함한 세부적인 거리 계산식을 제공한다.

 

Energy Institute IP 15 (EI 15) 기반 계산식

EI 15에서는 환기 상태에 관계없이 누출 특성과 주변 환경을 고려한 거리(d) 산정 식을 제시한다. 중/저희석 상태와 같이 확산이 제한적인 경우, 아래와 같은 형태의 경험적 모델이 인용된다.

출처: EI Model Code of Safe Practice Part 15, Annex C (Derivation of Hazard Distances)

• "For a point source release, the hazard distance (d) to a specified fraction of the LFL can be determined using the following correlation: d = C * (W_g / (u_w * LFL * ρ_a))^(1/2) where d is the hazard distance (m); C is an empirical constant depending on the release geometry and air flow; W_g is the gas release rate (kg/s); u_w is the wind or ventilation speed (m/s); LFL is the lower flammable limit (mass fraction); ρ_a is the density of the ambient air (kg/m³)."

이 식은 분사 누출(Jet release)이 환기 기류(u_w)에 의해 희석되는 과정을 물리적으로 모델링한 것으로, IEC의 d_z 식과 달리 풍속(u_w)을 분모에 포함하여 환기가 불량한(중/저희석) 상황에서 거리가 길어지는 현상을 직접적으로 반영한다.

 

 

미국 화재예방협회 NFPA 497의 접근

미국 기준인 NFPA 497은 수식보다는 도식화된 예시(Typical Diagrams)를 우선하지만, 계산이 필요한 경우 아래 문헌의 원리를 차용한다.

• 출처: NFPA 497 (Recommended Practice for the Classification of Flammable Liquids, Gases, or Vapors and of Hazardous (Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas)

NFPA는 수식 자체를 본문에 나열하기보다, 계산된 거리표(Table)를 제공한다. 이때 중/저희석에 해당하는 밀폐 공간이나 환기 제한 구역에 대해서는 다음과 같이 명시한다.

• "In poorly ventilated areas or where enclosures restrict the free dispersion of gas, the entire volume of the enclosure should be classified as the applicable Zone, or the hazard distance should be significantly extended beyond the values calculated for open-air situations."

 

 

KOSHA GUIDE P-135-2023 (국내 지침)

대한민국 산업안전보건공단 지침은 IEC 표준을 준용하지만, 계산 편의를 위해 부록에서 특정 수식을 언급하기도 한다.

출처: KOSHA GUIDE P-135-2023 (폭발위험장소 설정에 관한 기술지침)

• KOSHA 가이드는 중/저희석 시 Figure D.1의 한계를 인지하고 있으며, 실무적으로는 "배경 농도를 고려한 가상 체적 보정"법을 설명한다. 다만, 직접적인 d_z 수식은 IEC 2015년판의 식을 그대로 인용하되, 중/저희석 시에는 "전문가의 판단 또는 CFD"를 우선할 것을 텍스트로 명시하고 있다.

 

 

결론 및 권고

중/저희석 시 d_z = [ (3 * V_z) / (4 * π * m) ]^(1/3)을 사용하는 대신, 기술적 근거를 확보하고 싶다면 다음의 텍스트를 인용하는 것이 적절하다.

• 환기가 고려된 식을 쓸 경우: EI 15 Annex C의 상관식(Correlation)을 인용한다. 이 식은 풍속(u_w)이 낮아지면 d가 무한대로 발산하는 구조를 가져 중/저희석의 위험성을 논리적으로 설명해 준다.
• 보수적 설계를 할 경우: IEC 60079-10-1:2020 Clause 8.3의 "저희석 시 구획실 전체를 위험지역으로 설정한다"는 원문을 인용한다.