비산 누출(Fugitive Emissions)

IEC 60079-10-1 C.4.6 (Fugitive emissions, 비산 누출) 조항의 물리적 메커니즘을 바탕으로, 폭발위험지역 계산 및 공학적 설계 적용 절차를 공유하고자 한다.

 

 

 

비산 누출(Fugitive Emissions)

유체역학적 특성 정의 (Physical Dynamics)

비산 누출은 압력을 받는 공정 장비의 미세한 틈새, 밸브 패킹, 플랜지 가스켓 등에서 지속적으로 발생하는 미세 유량의 누출 현상이다.

1. 정량적 누출률 규모

• 누출 유량 범위: 일반적으로 10⁻⁷ kg/s 이상 ~ 10⁻⁹ kg/s 이하의 극소량이다.
• 유동 특성: 초기 방출 모멘텀(Momentum)이 사실상 제로에 수렴하므로 제트 유동을 전혀 형성하지 못한다. 가스의 분산은 가스 고유의 부력과 해당 밀폐계 내부의 미세한 공기 대류에 의해서만 전적으로 지배되는 전형적인 확산 누출(Diffuse Release) 거동이다.

2. 누적 메커니즘 및 위험성

누출 유량 자체는 극히 미미하지만, 환기가 이루어지지 않는 밀폐된 공간(Enclosure) 내부에서는 시간이 경과함에 따라 가스가 지속적으로 축적(Accumulate)된다. 유량이 작더라도 환기가 결여되면 장기적으로 가스 농도가 가연성 하한 한계(LEL)를 초과하여 심각한 폭발 위험 환경을 조성한다.

 

 

폭발위험지역 계산서 상의 변수 적용 기준 (Design Parameters)

비산 누출 시나리오를 대상으로 폭발위험지역 구분을 계산할 때는 공간의 밀폐성과 환기 유효성을 매우 보수적으로 평가해야 한다.

1. 배경 농도(Xb)의 가속적 상승

• 밀폐 공간의 거동: 분석계실(Analyzer Houses), 계기 판넬(Instrument Panels), 계기 기상 보호 인클로저, 보온재 내부의 배관 간극 등 밀폐도가 높은 구조물 내부에서는 누출된 가스가 외부로 이송(Transport away)되지 못한다.
• Xb 계산: 가스 배출률이 0에 가깝기 때문에 밀폐계 내부의 배경 농도(Xb)는 시간 변수에 따라 우상향하며, 결국 공간 전체의 희석 등급을 저희석(Low Dilution) 단계로 전단시킨다.

2. 환기 속도(uz 또는 uw) 및 비효율 계수(f Factor)의 극대화

• 자연 환기에만 의존하는 기밀 인클로저의 경우, 내부 기류 속도(uw)는 0에 가까운 값으로 수렴한다.
• 환기 유효성 및 이용도(Availability)가 극도로 낮기 때문에, 환기 비효율 계수(f Factor)를 최고 등급인 5 이상으로 적용하여 계산상의 실효 환기량을 엄격하게 감쇄시킨다.

3. 위험 지역 등급(Zone) 및 위험반경(Hazard Distance) 결정

• 지역 등급 판정: 규격서 표 D.1(Table D.1)의 기준에 의거하여, 환기 유효성이 저희석(Low Dilution)이면서 환기 이용도가 '불량(Poor)'인 경우에 해당하므로 연속 누출 등급이 아니더라도 Zone 0 또는 Zone 1로 강력하게 분류해야 한다.
• 위험반경 산출 경로: 모멘텀이 없는 미세 확산이며 밀폐 구조물이므로 규격서 그림 D.1 차트를 직접 적용하는 것은 불가능하다. 따라서 밀폐계 전체 체적(Volume of enclosure)을 위험지역 범위로 지정하거나, EI 15 규격(Energy Institute Part 15)의 인클로저 내부 정량적 가스 축적 공식을 연계하여 위험 구역을 확정한다.

EI 15 규격(Energy Institute Part 15)의 인클로저 내부 정량적 가스 축적 공식은 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1979

EI 15 밀폐 내부 정량적 가스 축적 해석

 

 

 

 

공학적 대책 및 설계 적용 원칙 (Engineering Implementation)

C.4.6 조항에서는 비산 누출에 의한 폭발 위험을 원천적으로 제어하기 위해 설계 단계에서 다음과 같은 구체적인 보완 조치를 강제한다.

• 강제 환기 또는 분산 조치 제공: 고압 기체 라인이 통과하는 계기 판넬, 보온재 내부 공간 등은 평상시 또는 가스가 감지되는 크리티컬한 주기(Critical periods of time)에 한해서라도 최소한의 기계 환기(Forced ventilation) 또는 가스 분산(Gas dispersion) 장치를 반드시 구비해야 한다.
• 환기 연동 설계: 인클로저 내부에 인위적인 와류(Eddy Flow / Figure C.4형 거동)를 형성하는 소형 팬을 가동하여 전용적 혼합(Perfect Mixing)을 유도함으로써 국부적인 가스 고임 현상을 파쇄하고 Xb의 수치 상승을 억제한다.
• Zone 완화 조건: 적절한 기계 환기를 도입하여 실효 환기 유속이 확보됨을 전산유체역학(CFD) 등으로 입증할 경우, 저희석 단계를 중희석(Medium Dilution) 이상으로 격상시켜 Zone 0 또는 Zone 1 지역을 Zone 2 또는 비위험지역(Non-hazardous area)으로 완화 적용할 수 있다.