안전밸브 등의 배출용량 산정 기준

화학 설비 및 그 부속설비에 설치하는 안전밸브 또는 이에 대체할 수 있는 방호장치의 설계(설정압력, 정격용량)를 위해 과압 발생 원인에 따른 소요 분출량 산정이 필요하다.

금번에는 여러 과압발생 원인 중 배출 용량에 해당될 가능성이 가장 큰 외부 화재에 대한 소요 분출량 산정에 대해 알아보고자 한다.

 

 

안전밸브 등의 배출용량 산정 기준

 

과압 원인별 소요분출량 산출방법

 

소요 분출량 및 배출용량에 대한 정의는 다음과 같다.

“소요 분출량 (Required capacity)”이라 함은 발생 가능한 모든 압력 상승 요인에 의하여 각각 분출될 수 있는 유체의 량을 말한다.

“배출용량 (Relieving capacity)”이라 함은 각각의 소요 분출량 중 가장 큰 소요 분출량을 말한다.

 

과압발생 원인은 출구 차단, 냉각 또는 환류 중단, 흡수제 공급 중단, 비응축성 가스의 축적, 휘발성 물질 유입, 과충전, 자동제어밸브의 고장, 비정상적인 열 또는 증기유입, 내부 폭발 또는 과도적 압력 상승, 화학반응, 유압 팽창, 외부화재, 열교환기 고장, 유틸리티 고장 등이며 원인별 압력방출 지침은 기 포스팅한 다음 자료를 참조하면 된다.

 

https://sec-9070.tistory.com/134

과압 원인별 소요분출량 산출방법

 

외부 화재(External fire)에 대한 소요 분출량

 

1. 일반사항

 

(가) 저장탱크나 공정 장치 등의 용기가 외부 화재에 노출되면 액체 내용물의 비등이나 분해 반응에 의한 증기 생성, 유체의 팽창 등에 의해 과압이 발생한다.

(나) 용기 벽면의 과열에 따른 재료 강도의 저하로 인해 압력방출장치의 설정압력 미만에서도 파열이 일어날 수 있다.

(다) 개방 액면화재(Open pool fire), 제한된 공간의 화재(Confined pool fire), 제트 화재(Jet fire)의 3가지 화재의 유형에 대한 소요분출량 산정 및 보호방법이 다르다.

 

 

2. 개방 액면화재

 

(가) 액체를 취급하는 용기 등에 대한 소요분출량

 

W = Q / λ  

  식 (1)

 

여기서, W = 소요분출량, kg/hr

          Q = 총 입열량, kcal/hr

          λ = 증발 잠열, kcal/kg

 

① 총 입열량(Q) 계산식

㉮ 적절한 소화설비 및 배유설비가 있는 경우

식 (2)

 ㉯ 적절한 소화설비 및 배유설비가 없는 경우

식 (3)

여기서,

F = 환경인자(Environmental factor)

적절한 배유설비는 다음 조건을 충족하는 배유·배수 계획이 수립된 경우를 의미한다.

㉠ 방유제, 트렌치(Trenches) 등을 기준으로 화재관리구역(Fire zone)을 구분하고 화재 발생지역에서의 인화성·가연성 물질의 최대 누출량과 소방용 수 전량을 비위험구역으로 안전하게 이송할 수 있어야 한다.

㉡ 지면은 트렌치 등의 위치를 고려하여 최소 1:100 이상의 경사가 유지될 수 있어야 하며 배유·배수되는 물질이 정체될 수 있는 웅덩이가 없어야 한다.

㉢ 중간저유지(Remote impoundment)를 설치한 경우에는 가장 가까운 공정 설비와 최소 15 m 이상 이격 되도록 설치해야 하며 화재 발생지역 밖에서 모든 제반 설비가 조작이 가능해야 한다.

㉣ 저장 탱크로부터의 누출 확산을 차단하는 목적으로 방유제를 설치하는 경우에는 KOSHA GUIDE D-8 에 적합해야 한다.

㉤ 최종 배유·배수 처리설비에서 인화성·가연성 물질의 증기가 체류할 수 있는 경우에는 KOSHA GUIDE D-35 에 적합한 안전설비가 설치되어야 한다.

 

 

② 환경인자(F) 값

㉮ 단열재의 전열계수를 기준으로 한 F값은 <표 1>에 수록되어 있다.

 

<표 1> 환경인자(F)

㉯ 단열재의 열전도도와 두께가 주어진 경우 식 (4)를 이용하여 F를 계산한다.

 

식 (4)

여기서,

k = 평균 온도[=(Tf + 904)/2]에서 단열재 열전도도, kcal․㎜/hr·㎡·℃ <표 2> 참조

Tf = 용기 등에서 취급 및 저장하는 유체의 분출 시의 온도, ℃

 

<표 2> 주요 단열재의 열전도도

 

 

㉰ 복층 단열재의 경우 식 (5)을 이용하여 F를 계산한다.

식 (5)

여기서,

단, 용기 등에 설치된 보온재는 화재가 진행되는 동안(최소 2시간 이상) 900℃에서도 효과적으로 열을 차단할 수 있어야 한다. 특히, 정상 운전조건에서는 뛰어난 보온 특성을 갖지만 특별처리 및 사전 시험을 거치지 않은 경우 260℃ 이하에서 녹거나, 증발하거나 손상될 수 있는 단열재를 사용하는 경우에는 주의하여야 한다. 아울러, 보온재는 최소 2시간 이상 동안 소화수의 높은 압력에 의해 용기 등에서 분리되어서는 안 되며 화염의 직접 접촉에 견딜 수 있어야 한다. 또한 보온재의 보호덮개도 소화수의 압력과 화염의 온도에 견딜 수 있어야 한다. 일반적으로 스테인레스강은 보온재의 덮개로 적합하지만 알루미늄은 그렇지 않다.

 

③ 내부 액체와 접촉하고 있는 용기 등의 벽 면적(Aws ) 계산

㉮ 화재 시에는 지표면으로부터 최소 7.5m 수직높이까지 화재의 영향을 받는 것으로 가정하여 용기 등의 내부 액체 접촉면적(Aws )을 계산하여야 한다. 다만, 구형 용기의 경우 7.5m와 최대 수평 지름까지의 높이 중 더 큰 수치를 적용하여 계산한다.

㉯ 환기가 제한적인 스커트 지지대로 보호되는 용기 헤드 부위는 젖은 면적 계산에서 제외한다.

 

(나) 가스, 증기 및 초임계 유체를 담은 용기에 대한 소요분출량

식 (6)

여기서,

W = 소요분출량, kg/hr

M = 분자량

P1 = 인입측 분출압력(Upstream relieving pressure), MPa(abs)

A = 화재 시 노출되는 용기 등의 면적, ㎡

Tw = 용기 등의 최대 벽면 온도, K (탄소강의 경우 866 K)

T1 = 인입측 분출압력에서 가스 온도((P1/Pn) x Tn), K

 

여기서,

Pn = 정상 운전압력, MPa(abs)

Tn = 정상 운전온도, K

 

① 식 (6)에서 용기는 단열되어 있지 않고, 그 벽 온도는 파열 응력 온도에 도달하지 않으며, 유체 온도는 일정하다고 가정한다. 위에서 언급한 기준을 충족하는 단열재 설치 시 압력방출량을 감소시킬 수 있다.

 

② 이 가정을 적용하기 곤란한 경우 동적 모델링을 통해 소요분출량을 산출하는 방법을 적용할 수 있다.

 

 

3. 제한된 공간의 액면화재

 

(가) 구조물 내부 또는 둑으로 둘러싸인 지역에서 화재 발생 시 밀폐로 인한 예열 및 재복사 때문에 일반적으로 개방 공간에서의 화재보다 더 높은 화염 온도와 더 큰 열플럭스를 보이지만, 화재의 유형(환기지배 또는 연료지배) 및 규모에 따라 그 효과가 달라진다.

① 환기(Ventilation-controlled)에 의한 화재의 경우 가용 공기량이 열방출 속도를 지배하여 화재 규모가 제한적이다.

 

② 연료(Fuel-controlled)에 의한 화재의 경우 연료량이 열방출 속도를 지배하며 화재 규모에 따라

㉮ 중소 규모 화재 시 밀폐효과가 중간 수준이라 개방 액면화재와 비슷한 거동을 보이므로 식 (1) ∼ (3)으로 열입력량 및 소요분출량을 계산한다.

㉯ 대규모 화재의 경우 식 (2), (3)은 열입력량을 과소평가하게 되므로 더 엄밀한 방법을 사용할 필요가 있다.

 

(나) 용기가 그 높이에 상당하는 둑이나 벽으로 둘러싸인 부분적인 밀폐 상태에서의 화재 시 식 (1) ∼ (3)에서

를 사용하여 열입력량 및 소요분출량을 계산한다.

 

(다) 액면화재의 유형과 규모는 사용자가 결정해야 한다.

 

4. 제트화재

(가) 제트화재는 용기 표면을 국소적으로 과열시켜 용기 내부 압력이 압력방출장치의 설정압력에 도달하기 전에 금속 벽을 파열시킬 수 있으므로 통상적인 압력방출장치는 효과적인 보호 수단이 될 수 없다.

 

(나) 그렇기 때문에 압력방출장치를 대신하여 화재 누출원의 격리, 감압시스템, 외부단열 등의 관리 및 완화책 등을 고려하여야 한다.

 

Reference : KOSHA GUIDE D-18-2020 (안전밸브 등의 배출용량 산정 및 설치 등에 관한 기술지침)