무거운 가스 위험 범위

공기보다 무거운 가스(Heavy Gas)는 누출 시 부력에 의해 상승하는 메탄과 달리, 지표면을 따라 깔리면서 수평으로 멀리 퍼지는 특성을 갖는다. IEC 60079-10-1:2020 및 EI 15의 기준을 적용한 무거운 가스의 산출 사례와 수직 거리 결정 논리를 정리한다.

 

 

 

무거운 가스 위험 범위

가벼운 가스 계산 사례는 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1938

가상 체적(Vz) 개념 (IEC vs. EI 15)

 

무거운 가스(Heavy Gas) 확산 모델

공기보다 무거운 가스의 경우, 지면 체류 특성을 반영하여 확산 계수 Cₕ를 가벼운 가스보다 보수적으로 설정하는 것이 기술적 표준에 부합한다.

1. 수평 확산 거리 d 산출

무거운 가스 특성을 반영하여 Cₕ = 15~20을 적용하고 다음 식을 이용한다.

기본 수식: d = Cₕ * [ Wg / (u_w * LFL_mass * ρg) ]⁰·⁵

 

2. 수직 범위(Vertical Extent) 결정 및 명문화 근거

무거운 가스의 수직 범위는 가스의 물리적 거동과 표준의 권고치를 조합하여 결정한다.

[수직 상부 범위: h_up]

• 결정 원칙: h_up = min(1.0 m, 0.5 * d)
• 명문화 근거:  EI 15 Section 5.4에 따르면 무거운 가스의 상부 확산은 기류 와류를 고려하여 제한적으로 설정하도록 명시되어 있다.

[수직 하부 범위: h_down]

• 결정 원칙: 누출원으로부터 지면(Grade)까지의 모든 높이를 포함한다.
• 명문화 근거: IEC 60079-10-1:2020 Annex D.3은 무거운 가스가 중력에 의해 하부로 침강하여 지표면에 축적되는 특성을 설명한다.

 

 

무거운 가스 계산 사례

1. 시나리오 설정 (Heavy Gas Scenario)

• 대상 물질: 프로판(Propane, C₃H₈)
• 물성: 밀도(ρg) ≈ 1.87 kg/m³ (공기 대비 약 1.5배 무거움), LFL ≈ 2.1 vol% (질량 환산 시 약 0.038 kg/m³)
• 누출 조건: 질량 누출 속도(Wg) = 1.0 * 10⁻⁴ kg/s
• 환경 조건: 유효 풍속(u_w) = 0.05 m/s (저풍속 정체 구역)
• 계수 설정: 비효율 계수(f) = 3.0, 안전 계수(k) = 0.25

2. 수평 확산 거리(d) 산출 (EI 15 모델)

무거운 가스는 확산 계수(Cₕ) 설정 시 공기보다 무거운 특성을 반영하여 가벼운 가스보다 보수적인 값을 적용하는 것이 일반적이다.

[산출식 및 계산]

d = Cₕ * [ Wg / (u_w * LFL_mass * ρg) ]⁰·⁵

• Cₕ = 15 적용 시: d = 15 * [ 0.0001 / (0.05 * 0.038 * 1.87) ]⁰·⁵ ≈ 2.52 m

[평가]

동일한 누출 속도와 풍속 조건에서 가스가 지면 근처에 체류하는 성질로 인해 가벼운 가스보다 더 긴 확산 거리가 산출된다.

 

 

3. 수직 거리(h) 및 위험 범위 결정 (Vertical Extent)

무거운 가스의 수직 범위는 EI 15에서 규정하는 '지면 축적' 모델을 따른다.

A. 수직 하부 거리 (h_down)

• 산출: 누출원이 지면보다 높은 곳에 있을 경우, 가스는 지면까지 하강한다.
• 결정: 누출 지점으로부터 지면(Grade)까지 전체 높이를 위험 범위로 설정한다.

B. 수직 상부 거리 (h_up)

• 산출: 무거운 가스는 부력이 없으므로 상부 확산이 극히 제한된다.
• 결정: 누출원으로부터 상부로는 통상 1.0 m 또는 0.5 * d 중 작은 값 [h_up = min(1.0 m, 0.5 * d)]을 적용하되, 실내의 경우 기류의 와류(Turbulence)를 고려하여 보수적으로 설정한다.

C. 지면 축적 범위 (Ground Accumulation)

• 특성: 가스가 지면에 닿은 후에는 웅덩이(Pool)를 형성하듯 옆으로 퍼진다.
• 범위: 지면으로부터 보통 0.6 m ~ 1.0 m 높이의 '띠' 형태 구역이 수평 거리 d만큼 형성되는 것으로 간주한다.

 

 

3. 기술적 결론 및 보고서 적용

항목	수치 및 근거
확산 계수 (C_h)	15 (무거운 가스 특성 반영, EI 15 준용)
수평 확산 거리 (d)	2.52 m
수직 상부 범위 (h_up)	1.0 m (min[1.0, 0.5 * 2.52] 적용)
수직 하부 범위 (h_down)	지면(Grade)까지의 높이

 

 

 

기술적 결론: 무거운 가스의 경우 가상 체적(V_z) 산출 시 LFL을 질량 단위(kg/m³)로 정확히 환산하여 적용하는 것이 차원 해석상 매우 중요하다. 또한 지면의 트렌치(Trench)나 피트(Pit)가 있다면 가스가 고일 수 있으므로 해당 구역은 별도의 Zone 1 또는 Zone 2로 지정해야 한다.

 

 

정보 출처:

IEC 60079-10-1:2020, Clause 3.42 및 Annex C.3.6

Energy Institute Model 15 (EI 15), Section 5

KOSHA GUIDE P-135-2023