EI 15 밀폐 내부 정량적 가스 축적 해석

Energy Institute Part 15(EI 15) 규격은 IEC 60079-10-1에서 구체적으로 다루지 않는 밀폐 인클로저(Enclosure) 내부의 비산 누출(Fugitive emissions) 및 가스 축적 메커니즘을 정량적 수식으로 명확히 규정한다. 따라서 그 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

EI 15 밀폐 내부 정량적 가스 축적 해석

인클로저 내부 가스 축적 공식

EI 15 규격은 강제 환기 또는 제한된 자연 환기가 존재하는 밀폐 인클로저 내부에서 가스가 누출될 때, 시간 경과에 따른 가스 농도 변화 및 최종 평형 농도를 산출하기 위해 유체역학적 질량 보존 법칙(Mass Balance)에 기반한 수식을 적용한다.

1. 시간 가변적 농도 산출 공식

인클로저 내부의 가스 농도가 시간에 따라 축적되는 과정은 다음과 같은 일반 연산 수식으로 정의한다.

C(t) = (G / (Qv * f)) * (1 - e^((-Qv * f / V) * t))

• C(t): 시간 t에서의 인클로저 내 가스 체적 농도 (Volumetric Concentration)
• G: 가스의 지속적인 비산 누출률 (Gas Release Rate, m3/s)
• Qv: 인클로저 내부로 유입되는 환기량 (Volumetric Ventilation Flow Rate, m3/s)
• f: 환기 비효율 계수 (Ventilation Inefficiency Factor, 공기 혼합도에 따라 1 내지 5 적용)
• V: 인클로저의 내부 순 체적 (Net Internal Volume of Enclosure, m3)
• t: 누출이 지속된 시간 (Time, s)
• e: 자연로그의 밑 (약 2.718)

 

2. 최종 평형 배경 농도(Xb) 산출 공식

누출 시간이 충분히 길어져 상태가 안정화(Steady-state, t → ∞)되면 지수 항이 0으로 소멸(e^{-∞} = 0)한다. 이때 인클로저 내부 전체에 완전히 혼합되어 잔류하는 최종 배경 농도(Xb)는 아래와 같은 평형 상태 공식으로 수렴한다.

Xb = G / (Qv * f)

 

 

EI 15 원문 기준의 위험 구역(Hazardous Area Class) 확정 절차

EI 15 규격은 상기 공식으로 계산된 Xb 수치와 인클로저의 기밀성, 그리고 가스 감지 시스템(Gas Detection)의 연동 여부에 따라 위험 구역 등급(Zone)을 정량적으로 확정한다.

< Xb 수치에 따른 등급 판정 기준 >

1. Xb 가 LEL(하한폭발한계)의 25 % 미만인 경우 (Xb < 0.25 * LEL):

• 인클로저 내부의 환기량(Qv)이 비산 누출률(G)에 비해 충분히 커서 가스가 위험 수준으로 축적되지 않는 상태이다.
• 환기 희석 등급이 고희석(High Dilution)으로 판정되며, 인클로저 내부를 Zone 2 또는 적절한 차단 조건 만족 시 비위험지역(Non-hazardous Area)으로 완화한다.

 

2. Xb 가 LEL의 25 % 이상 ~ 100 % 미만인 경우 (0.25 * LEL <= Xb < LEL):

• 환기 효율이 정체되어 배경 농도가 상승하는 상태이다.
• 중희석(Medium Dilution) 단계로 분류하며, 비산 누출의 일반적인 발생 빈도(2차 누출 등급)를 고려하여 인클로저 내부 공간 전체를 Zone 2로 확정한다.

 

3. Xb 가 LEL의 100 % 이상인 경우 (Xb >= LEL):

• 환기량이 극도로 부족하여 시간 경과에 따라 인클로저 내부가 언제든 폭발 가능한 상태가 됨을 의미한다.
• 환기 유효성이 저희석(Low Dilution)으로 떨어지며, 인클로저 내부 전체를 Zone 1 또는 외부 환기가 완전히 차단된 구조인 경우 Zone 0으로 엄격하게 확정한다.

 

 

폭발위험지역 계산서 적용 시 공학적 결론

IEC 60079-10-1의 C.4.6 조항이 비산 누출 시 가스 축적 위험에 대해 정성적인 경고에 그치는 반면, EI 15 규격은 Xb = G / (Qv * f) 공식을 통해 이를 정량적으로 입증한다.

따라서 계기 판넬이나 분석계실 계산서 작성 시 비산 누출량(G)과 인클로저 환기량(Qv)을 대입하여 평형 배경 농도(Xb)를 계산하고, 이 수치가 LEL의 25 %를 초과하는지 여부를 검증하여 내부 위험 구역의 반경(인클로저 체적 전체)과 등급(Zone 0, 1, 2)을 판단하는 최종 논리적 근거로 연계하여 적용한다.