중/저희석 위험 범위 적용 공식(무거운 가스)

 

공정 조건과 환기 상태에 따라 최신 IEC Figure D.1 차트 독취법과 여러 계량 공식들을 명확히 구분하여 적용해야 한다. 실내외 환경, 희석도, 배경농도 축적 여부 및 가스 유동 특성에 따른 기술적 해결책과 확실한 규정 표준을 공유하고자 한다.

 

 

 

중/저희석 위험 범위 적용 공식(무거운 가스)

실내 중/저희석 무거운 가스에 구형 체적 모델 적용 불가 사유

구형 체적 모델(Spherical Volume Model)은 상하좌우 모든 방향으로 동일하게 확산되는 구체(Sphere)를 가정한다.

하지만 실내 공간에서 헥산(Hexane)이나 LPG 등 공기보다 무거운 가스(Heavy Gas)가 누출되는 경우, 초기 제트 동력이 상실되면 부력을 잃고 바닥으로 가라앉아 수평 방향으로 넓게 밀려 나가는 지표면 침적 거동(Gravity Spreading)을 보인다. 가스 증기가 상부로는 거의 상승하지 않는다.

따라서 이러한 물리적 특성을 무시하고 실내 무거운 가스 시나리오에 구형 모델을 적용하면, 지표면을 따라 흐르는 바닥 쪽의 실제 위험 거리는 과소평가되어 점화원을 방어하지 못한다. 반면 상부 공간은 불필요하게 위험장소로 지정되어 방폭 자재 선정의 경제성을 저해하는 왜곡을 유발한다.

 

 

환경 및 유동 조건별 무거운 가스 적용 공식 표준

공기보다 무거운 가스의 위험 거리를 산정할 때는 대기 확산, 바닥 침적, 풍속 및 배경농도(X_b) 축적 메커니즘이 정량적으로 반영된 EI 15 (Energy Institute Part 15) 및 HSE RR 185 표준 공식을 적용해야 한다.

공간의 개방 여부와 초기 분출 압력에 따라 다음 세 가지 공식으로 명확히 분리하여 대응한다.

1. 실외 개방 공간 또는 장애물 충돌 상태: EI 15 / HSE RR 185 공기역학 모델

고압 제트의 운동 에너지가 소멸된 이후, 대기 중에 존재하는 풍속(u_w)의 힘에 의해 가스가 밀려가며 대기 중으로 확산되는 단계를 연산한다.

• 공식 형태: d = C * [ W_g / (u_w * LFL_mass * ρ_g) ]⁰·⁵
• 물리적 타당성: 분모에 가스 밀도(ρ_g)가 위치하여 무거운 가스일수록 초기 확산 반경을 무겁게 제어하며, 지속적인 실외 풍속(u_w) 변화에 따른 위험 거리 d의 증감을 정량적으로 추적한다.

2. 실내 밀폐 공간 및 저압 누출 상태: EI 15 정체 대기 확산 모델

바람이 부는 실외와 달리, 환기가 불량하고 대기 유속이 거의 없는 실내 정체 조건에서 가스가 자체 중량으로 바닥에 고이며 번지는 거동을 연산한다.

• 공식 형태: d = C_h * [ W_g / (u_w * LFL_mass * ρ_g) ]⁰·⁵
• 물리적 타당성: 수식 형태는 공기역학 모델과 같으나, 무풍에 가까운 실내 극미풍 환경(u_w)에 맞추어 고도로 보수적인 성향을 가진 전용 계수(C_h)를 준용하여 안전 마진을 확보한다.

3. 실내 밀폐 공간 및 고압 제트 누출 상태: EI 15 수정 제트 모델 (Modified Jet Dispersion)

주변 바람의 영향이 차단된 실내에서 고압 분출에 의한 공기 강제 흡입과, 실내에 누적된 배경농도가 희석을 방해하는 효과를 정량화한다.

• 공식 형태: d_z = C_j * [ W_g / (ρ_a * (LFL_mass - X_b)) ]⁰·⁵
• 물리적 타당성: 분모에 풍속 변수가 제외되어 실내 정체 상태(u_w = 0)에서도 연산 불능 오류가 발생하지 않는다. 분모의 (LFL_mass - X_b) 항을 통해 실내 내부에 배경농도(X_b)가 쌓일수록 위험 거리(d_z)가 급격히 길어지는 밀폐 공간의 축적 현상을 정확히 구현한다.

 

 

실무 보고서 작성 시 시나리오별 최종 선택 기준 표

폭발위험장소 구분 보고서를 작성할 때, 물질의 특성과 환기 상태에 따라 최종적으로 채택해야 하는 공식 기준은 다음과 같다.

물질 특성	고희석 / 제로배경농도 (주로 옥외 개방 공간)	중/저희석 / 배경농도 발생 (주로 실내 밀폐 공간)
인화성 가스 (공기 유사 또는 가벼움)	IEC 60079-10-1:2020 Figure D.1 (Diffusive 또는 Jet 곡선 직접 독취)	IEC 구 버전 구형 체적 모델 d_z = [ (3 * V_z) / (4 * π * m) ]^(1/3)
무거운 가스 / 증기 (헥산, LPG 등)	- 고압 누출: IEC 60079-10-1:2020 Figure D.1 (Heavy Gas 곡선 직접 독취) - 저압/충돌 누출: EI 15 / HSE RR 185 공기역학 모델 (C 적용)	EI 15 가스 유동별 모델 - 저압 누출: EI 15 확산 모델 (C_h 적용) - 고압 제트: EI 15 수정 제트 모델 (C_j 적용)

 

 

결론 및 제언

1. 옥외 개방 공간과 같이 자연 환기가 우수하여 가스가 축적되지 않는 조건의 고압 누출이라면 최신 IEC 60079-10-1:2020 Figure D.1 차트 독취법을 기준으로 채택한다. 가로축의 누출 특성(Q_c) 단독 변수를 산출한 후 Heavy Gas 곡선과의 교점을 통해 위험 거리를 정량화한다. 다만, 옥외라 하더라도 고압 제트의 성질을 잃어버린 저압 확산 조건이라면 대기 풍속이 반영된 EI 15 / HSE RR 185 공기역학 모델 수식을 혼용할 수 있다.
2. 반면, 환기가 제한적인 실내 룸(Room) 내부에서 중/저희석 조건으로 배경농도가 유발되는 무거운 가스 시나리오라면 구형 체적 모델이나 IEC Figure D.1 차트를 적용해서는 안 된다. 실내 대기 정체와 바닥 침적, 배경농도 차감 메커니즘이 명확히 성립하는 EI 15 확산 모델 및 수정 제트 모델 수식을 유일한 정량적 근거로 채택하여 범위를 산정하는 것이 공학적 결함과 법적 리스크를 방지하는 대책이다.

 

출처 및 근거

IEC 60079-10-1:2020 Annex D & Annex C (Ventilation Guidelines): 배경농도가 존재하는 저희석 밀폐 공간의 경우 Figure D.1 차트(제로배경농도 전제)를 적용할 수 없으며, 가스의 밀도 및 축적 특성에 따른 별도의 확산 모델(Dispersion Model) 적용이 필요함을 명시한 규정 준수.

EI 15 (Energy Institute Model Code of Safe Practice Part 15) Chapter 5 & Annex C: 인화성 중량 가스를 취급하는 실내외 설비의 가스 유동 역학(Wind-driven Dispersion, Low Wind Speed, Modified Jet)에 따른 입력 변수 조합 및 공간별 수식 적용 한계를 정의한 글로벌 표준 인용.

HSE Research Report 185 (Review of Area Classification Guidance): 대기 풍속(u_w)과 중량 가스 밀도(ρ_g)의 상호작용에 따른 공기역학적 확산 거리 모델 개발 표준 데이터 준용.