중/저희석 환경 위험범위 결정식

IEC 60079-10-1의 Figure D.1 및 해당 회귀식(d_z = 5 * Q_c^0.5)은 배경 농도가 없는(Zero Background Concentration) 고희석(High Dilution) 상태를 전제로 한 확산형 누출 (Diffusive Release) 모델이다.

따라서 배경 농도가 존재하는 중/저희석(Medium/Low Dilution) 환경에서 이 식을 그대로 투영하는 것은 논리적 모순이며, 실제 위험 범위를 과소평가(Underestimation)하거나 공정 특성을 무시한 과대평가를 초래할 수 있다.

 

 

 

중/저희석 환경 위험범위 결정식

 배경 농도가 존재하는 중/저희석(Medium/Low Dilution) 환경에서 이 식을 그대로 투영하는 것은 논리적 모순이며, 실제 위험 범위를 과소평가(Underestimation)하거나 공정 특성을 무시한 과대평가를 초래할 수 있다.

이 문제를 해결하기 위한 IEC 표준의 대응 방식과 EI 15로의 전환 필요성을 다음과 같이 정리한다.

 

 

IEC 60079-10-1:2020의 중/저희석 대응 방식

IEC 표준은 중/저희석 상태에서 배경 농도(Background Concentration, X₀)의 영향을 반영하기 위해 다음과 같은 논리를 제시한다.

• 배경 농도의 고려 (Non-zero Background): 표준의 Annex D.3에서는 배경 농도(X₀)가 존재할 경우, 제트 농도가 단순히 LFL에 도달하는 거리가 아니라, [LFL - X₀] 농도에 도달하는 거리를 위험 범위로 보아야 한다고 명시한다.
• 논리적 한계: 배경 농도가 높아질수록(저희석으로 갈수록) 제트의 농도 감쇠 속도는 현저히 느려지며, 위험 범위(dz)는 기하급수적으로 늘어난다. 그러나 IEC의 Figure D.1은 X₀ = 0인 상태만 정의하므로, 저희석 상황에서는 이 그래프를 직접 사용할 수 있는 방법(Methodology)이 표준 내에 부재하다.

 

 

EI 15 규정 적용의 타당성 (Applicability of EI 15)

EI 15의 산식은 이러한 IEC의 공백을 메울 수 있는 실질적인 대안이다.

d = Cₕ * [ Wg / (uw * LFLₘ * ρ_g) ]ⁿ

• 풍속(uw)의 반영: EI 15 식은 분모에 풍속(uw)을 포함한다. 이는 환기 상태(Ventilation Velocity)가 직접적으로 위험 범위에 영향을 미치는 중/저희석 환경에서 IEC 공식보다 훨씬 논리적인 결과를 도출한다.
• 희석 등급과의 연계: EI 15는 개방된 공간뿐만 아니라 차폐된 공간, 환기가 제한된 구역에서의 확산 계수(Cₕ)를 별도로 제공하므로, 중/저희석 시나리오에서 기술적 근거(Technical Basis)를 확보하기에 더 적합하다.

 

EI 15의 산식에 대한 세부적인 내용은 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1926

EI 15 위험 거리 계산식(2)

 

 

 

결론: 어떤 식을 사용하여 결정하는 것이 좋은가?

상황에 따른 최적의 선택 기준은 다음과 같다.

• 실외 및 고희석 (Outdoor & High Dilution): IEC의 dz 공식을 사용한다. 계산이 간편하고 인허가 기관(KOSHA 등)에서 가장 보편적으로 수용하는 방식이다.
• 실내 또는 환기가 불량한 중/저희석 (Indoor & Medium/Low Dilution): EI 15 또는 전산유체역학(CFD)을 적용하는 것이 논리적으로 완결성이 높다.

만약 IEC 준수를 고집한다면, IEC 표준에 언급된 가상 체적(Vz) 개념을 사용하여 해당 구역 전체를 1종 또는 2종 장소로 지정하는 보수적인 방법을 택해야 한다. 그러나 이는 설계상 비효율적일 수 있다.

• 전문적인 제언: 현재 국제적인 추세와 국내 PSM 심사 경향을 고려할 때, 중/저희석 구간에서는 EI 15의 Point Source Method를 인용하여 계산서를 작성하고, 그 사유로 'IEC Figure D.1의 배경 농도 반영 불가성'을 명시하는 것이 가장 합리적인 엔지니어링 접근법이다.

 

 

IEC 특성 거리 공식 유도 과정의 본질 (Derivation Essence)

위험범위 dz 공식의 유도 과정은 결국 "무한한 공간에서의 농도 확산"에 국한된다.

• 제트 내 임의의 거리(x)에서의 농도 Cₓ = C₀ * (D / x) * f(Re, Sc)
• 여기서 배경 농도가 X₀라면, 실제 농도는 C_total = Cₓ + X₀ 가 된다.
• 위험 경계인 C_total = LFL이 되는 지점을 찾으면, Cₓ = LFL - X₀가 되어야 한다.
• 즉, 배경 농도 X₀가 커질수록 Cₓ가 도달해야 하는 목표 농도는 낮아지며, 이에 따라 거리 x(즉, dz)는 무한히 커지게 된다.

결론적으로, IEC는 중/저희석 시 명확한 거리 산출식을 주지 못하므로, 실무적으로는 EI 15를 적용하는 것이 기술적으로 우월한 선택이다.

 

출처:

IEC 60079-10-1:2020, Annex C & D (Dilution and Background Concentration).

Energy Institute (EI) 15, Model code of safe practice Part 15: Area classification code for installations handling flammable fluids.

Birch, A.D., et al. (1987), "The Structure and Concentration Decay of High Pressure Jets of Natural Gas".