통기관과 긴급통기설비 크기 계산

상압저장탱크에는 과압 이나 진공에 의한 파손을 방지하기 위해 배기나 흡기를 위한 통기관이 필요하다.

저번 포스팅에서 계산한 배기량 및 흡기량으로 부터 통기관과 긴급통기설비의 크기 계산 사례를 공유하고자 한다.

 

 

 

상압저장탱크 통기관과 긴급통기설비 크기 계산

 

과압이나 진공의 주요 원인은 로딩(하역)/언로딩(출하)에 의한 액체의 유입/배출과 계절에 따른 온도변화, 외부화재 등이 있다.

외부화재의 경우에는 통기관으로는 충분히 배출할 수 없으므로 긴급통기설비를 별도로 설치하여야 한다.

통기관과 긴급통기설비의 크기를 계산하기 위해서 액체의 이동, 온도변화에 따른 배기량 및 흡기량과 외부화재에 의한 배기량을 계산하여야 한다.

이에 대한 계산식과 계산 사례는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/407

배기량 및 흡기량 계산

 

로딩작업과 온도변화에 의한 배기량 계산식

 

배기량으로부터 통기관과 긴급통기설비의 크기는 다음 식을 통해 계산할 수 있다.

위의 식은 누출속도가 음속미만인 경우의 가스상태 누출의 누출률을 계산하는 식과 유사하나 단지 단위환산에 따라 형태가 일부 다를 뿐이다. 

 

 

계산 사례

 

기 포스팅 사례로 부터 계산된 배기량 및 흡기량 결과로 부터 외부화재 시 배기량이 로딩 및 온도변화에 의한 배기량보다 훨씬 많음을 알 수 있었고 그 결과는 다음과 같다.

 

- 배기량과 흡기량 계산 결과

평균저장온도 25℃에서 7,000 ㎥ 의 톨루엔 탱크에 대한 배기량과 흡기량을 계산하면 각각 1,924 ㎥/hr과 4,195 ㎥/hr이다.

 

- 외부화재 시 배기량 계산 결과

이를 통해 접촉면적 861 ㎡, 인입열 4,129.7 kW를 계산할 수 있으며 톨루엔의 증발잠열 412 kJ/kg을 이용하여 외부화재 시 배기량 18,560 ㎥/hr을 구할 수 있다.

 

 

통기관과 긴급통기설비 크기 계산 결과

 

로딩작업에 의한 배기량과 외부화재에 의한 긴급배기량으로부터 통기관과 긴급통기설비의 크기를 계산한 결과, 직경이 각각 100 mm와 338 mm이다.

참고로 흡기량으로부터 통기관의 크기는 148 mm가 계산된다.

 

계산 결과로부터 로딩 또는 언로딩 작업 및 외부온도 변화에 의한 배기량과 흡기량은 사고발생 설비에 설치된 직경 250 mm의 중앙 통기관으로 충분히 배출하거나 흡입할 수 있다.

그러므로 500 mm의 원주방향 통기관은 로딩작업 등 일상적인 통기를 위한 설비는 아님을 알 수 있다.

내부부상지붕탱크의 경우 고정지붕와 부상지붕 사이에 액상의 유체를 저장하지 않은 빈 공간이므로 외부화재를 대비한 긴급통기설비를 설치할 필요가 없다. 다만, 부상지붕 하부의 액체에 열전달되는 양을 고려하여 긴급통기설비를 설치할 수도 있다. 또한 사고탱크와 같이 충분한 크기의 원주방향 통기관이 다수 설치된 경우에는 설상 외부화재에 의한 긴급통기량의 배출이 필요하다면 원주방향 통기관이 그 역할을 대신할 수 있다. 위의 톨루엔 탱크 긴급통기설비의 크기는 직경 338 mm로 계산되어 하나의 원주방향 벤트의 크기가 500 mm 이므로 충분히 긴급통기량을 배출할 수 있다.

 

 

통기설비를 통한 누출량을 통해 폭발분위기 형성 가능성에 대해 검토

 

고정지붕과 부상지붕 사이에 폭발분위기를 형성할 수 있는 경우는 부상지붕이 최하부에 도달한 후 액위가 그 이하의 위치에 있을 때 충전작업을 진행하여 부상지붕에 설치된 통기설비를 통해 하부의 유증기가 배출되는 경우와 부상지붕과 동체의 실링 미흡으로 하부로부터 유증기가 배출되는 경우가 있다. 하지만 통기 설비에 의한 누출량이 실링 미흡에 의한 누출량 보다 크고 실링 미흡에 의한 누출량은 추정이 곤란하므로 통기설비를 통한 누출량을 통해 폭발분위기 형성 가능 성에 대해 검토할 필요가 있다.

액위가 부상지붕 아래에 있는 상태에서 로딩작업을 할 경우 고정지붕과 부상지붕 사이의 농도변화는 <그림 1>과 같이 나타낼 수 있다.

 

<그림 1> Model for vapor concentration change.

 

고정지붕과 부상지붕 사이의 물질수지는 아래 식으로 나타낼 수 있으며 시간에 따른 탱크 내부의 농도를 계산할 수 있다. 다만, 탱크 내부는 균일하게 혼합되고 통기관을 통해 배출되는 증기의 농도는 탱크 내부의 평균농도와 같다고 가정하였다.

 

 

계산 결과, 로딩작업 시 시간에 따른 고정지붕 하부의 유증기 농도는 <그림 2>와 같다.

 

<그림 2> Vapor concentration(x) under the fixed roof.

 

충전작업이 시작되면 65분 이내에 톨루엔의 폭발하한(LEL)인 1.2%를 초과함을 알 수 있다. 계산을 위해 부상지붕 하부로부터 고정지붕 하부로 배출되는 증기량은 앞에서 계산된 1,924 ㎥/hr이며 동일한 양이 고정지붕 통기관을 통해 배출되는 것으로 가정하였다. 다만 부상지붕 하부에서 배출되는 증기는 톨루엔의 증기압(3.8 kPa@25℃) 기준으로 3.75%의 톨루엔 증기를 포함하고 있으며 배출된 증기는 고정지붕 하부에서 완전 혼합된 후 고정지붕 통기관을 통해 배출된다. 또한, 부상지붕 상부의 초기 농도(xo)는 0으로 하였다.

부상지붕의 지지대 높이가 2 m라고 가정하면 부상 지붕의 지지대가 탱크 바닥에 이르렀을 때의 부상지붕 하부의 체적은 약 1,400 ㎥ 이며 부상지붕 상부의 체적은 약 5,600 ㎥ 임을 알 수 있다. 이때 바닥으로부터 1,000 ㎥/hr 충전량을 기준으로 부상지붕까지 충전되기 위해서는 약 1.4시간(84분) 소요되므로 폭발분위기를 형성하기에는 충분한 시간이다.

원주방향 통기관이 설치되지 않은 상태에서 부상지붕의 지지대가 탱크 바닥에 있고 액위가 부상지붕 보다 하부에 위치한 상태에서 충전작업이 진행되면 부상지붕과 고정지붕 사이가 폭발분위기가 형성됨을 알 수 있었다. 그러므로 부상지붕 상부에 폭발분위기 형성을 방지하기 위해서는 충분한 환기가 필요하며 이를 위해 다수의 원주방향 통기관을 설치하는 것이다.

 

 

API(American Petroleum Insititute)에 의하면 고정지붕 중앙에는 최소 30,000 ㎟ 의(직경 200 mm) 중앙 통기관(Center circulation vent)이 설치되고 고정지붕 끝에는 최대 10 m 간격으로 원주방향 통기관(Peripheral circulation vent)을 최소 4개 설치하도록 규정하고 있다. 또한, 원주방향 통기관의 개구부 면적 총합은 최소 0.2 ㎡ 이며 탱크 직경 1 m당 0.06 ㎡ 이상이어야 한다. 저장탱크의 직경이 30 m인 경우 원주방향 통기관의 면적은 1.8 ㎡ 이고 원주의 길이는 94.2 m이므로 원주방향 통기관의 개수는 최소 10개이고 1개 당 0.18 ㎡ (직경 0.48 m)이다.

결국 원주방향 통기관이 설치되어 있지 않다면 고정 지붕 하부에 폭발분위기가 형성될 수 있기 때문에 통기관에 화염방지기를 설치할 필요가 있다고 말할 수 있다. 하지만 충분한 크기와 개수로 원부방향 통기관이 설치되어 있다면 화염방지기를 설치할 필요는 없다. 다만 안전을 위해 원주방향 통기관에 화염방지기를 설치할 수 있지만 설치 및 유지관리 비용을 제외하더라도 50 kg 이상의 통기관을 고정지붕에 10개 이상 설치 하게 되면 화염방지기의 중량에 고정지붕이 견딜 수 없을 것이다. 아울러, 화염방지기를 설치하게 되면 환기가 불충분하게 되어 고정지붕 하부는 항상 폭발분위기를 형성한 상태가 되므로 훨씬 위험한 조건에서 운전하는 것이 될 것이다.

 

Reference : 한국안전학회지, 제34권 제4호, 2019년(사고사례 정밀분석을 통한 상압저장탱크의 안전에 관한 연구)