누출유량의 결정

다음은 산안법 및 고압법, 액화석유가스법, 도시가스법의 적용을 받는 인화성 액체 및 가스시설 주변에 형성될 가능성이 있는 폭발위험장소의 종류의 구분 및 범위산정을 위해 필요한 내용이다.

금번은 누출유량의 결정에 대해 살펴보고자 한다. 

 

 

 

누출유량의 결정

 

누출률 매개변수

(1) 누출 특성 및 형태(Nature and type of release)

이는 개방 표면, 플랜지 누설 등과 같은 누출원의 물리적 특성에 관한 것이다.

(2) 누출 속도

① 누출원에서의 누출률은 누출압력에 따라 증가한다. 아음속(음속 이하)누출에서 누출속도는 공정 압력과 관련된다.

② 인화성 가스 또는 증기운의 크기는 인화성 증기 누출률과 희석률에 의하여 결정된다.

③ 고속으로 누출되는 가스와 증기 흐름은 공기에 혼합되어 자체적으로 희석될 수 있으나, 폭발성 가스 분위기의 범위는 공기 흐름과는 거의 관련이 없다.

④ 인화성 물질이 저속으로 누출되거나 고형체에 부딪쳐 속도가 감소될 경우, 그 물질은 공기흐름에 따라 이동 희석되어 공기 흐름에 영향을 받게 된다.

(3) 농도

누출된 인화성 물질의 질량은 누출된 혼합물 내의 인화성 증기 또는 가스의 농도에 따라 증가한다.

(4) 인화성 액체의 휘발성

① 휘발성은 증기 압력과 증발 엔탈피(열)에 주로 관련된다. 증기압이 알려지지 않은 경우, 끓는점과 인화점을 가이드로 사용할 수 있다.

② 폭발분위기는 해당 인화성 액체의 인화점 보다 낮은 온도에서 사용한다면 존재하지 않는다.

비고 인화성액체가 사용 중에 인화점 이상으로 특별히 가열 등이 이루어지지 않는다면 인화점이 40 ℃ 이하의 경우에만 적용한다(NFPA 479의 4.2.6(Flammable Liquids), API RP 505의 5.2.2(Class I)에서 37.8 ℃ 이하인 경우에만 폭발위험장소 설정, 참조).

③ 인화점이 낮으면 낮을수록 폭발분위기의 범위는 더 커질 수 있다. 그러나 인화성 물질이 안개(분무) 형태로 누출된다면, 폭발위험분위기는 그 물질의 인화점 이하에서도 형성될 수 있다.

비고 1. 인화점에 대해 주어진 실험값이나 발행 본이 정확히 기록되지 않을 수 있고 시험 데이터도 달라질 수 있다. 인화점이 정확하게 알려져 있지 않는 한 인용값에 대한 약간의 오차는 허용된다. 혼합물의 경우, 순수 액체의 인화점 보다 ±5 ℃ 넘는 허용오차는 일반적이지 않다.

2. 인화점은 두 가지 측정, 즉 밀폐 컵(Closed cup)과 개방 컵(Open cup)에 의한다. 밀폐된 설비는 밀폐 컵에 의한 인화점을 사용한다. 개방 장소에서의 인화성 액체의 경우, 개방컵 인화점을 사용할 수 있다.

3. 일부 액체들(예, 할로겐화 탄화수소 등)은 폭발성 가스분위기를 생성 할 수 있음에도 불구하고 인화점을 갖고 있지 않다. 이 경우, 최저 인화한계(LFL)에서 포화 농도에 상응하는 등가 액체 온도를 최대 액체 온도와 상대적으로 비교하도록 한다.

(5) 액체 온도

액체는 온도증가에 따라 증기압이 상승하는데 이는 증발에 따라 누출률이 증가하기 때문이다.

비고 액체의 온도는 누출이 발생한 후 상승할 수도 있다(예, 고온의 표면이나 외기온도). 그러나 증기화는 에너지의 인가와 액체의 엔탈피에 기초한 등가조건에 도달될 때까지 액체를 냉각시키는 경향이 있다.

 

 

누출유량결정 기본기준

1. 실내에 동일한 인화성액체 및 인화성(가연성)가스를 취급하는 다수의 누출원이 존재하는 경우, 다음 기준에 따라 누출유량을 합산한다.

(1) 연속누출등급의 누출유량 값은 각 연속누출등급 누출원의 누출유량 값을 합산하여 구한다.

(2) 1차누출등급의 누출유량 값은 동시 발생 가능성이 있는 각 1차누출등급 누출원의 누출유량 합산 값과 연속누출등급 누출원의 누출유량 값을 합산하여 구한다.

(3) 2차누출등급의 누출유량 값은 각 2차누출등급 누출원의 누출유량 중 가장 큰 누출유량 값과 1차누출등급의 누출유량 값을 합산하여 구한다.

(4) (1)부터 (3)까지의 기준에도 불구하고 배경농도를 결정하기 위한 누출유량은 각 누출원의 부피 유량을 직접 합산하여 구한다.

 

 

2. 액체(액화가스)의 누출유량 산정

 

액체(액화가스)의 누출유량은 다음 근사식에 따라 산정한다.

 

 

 

3. 가스 및 증기의 누출유량 산정

 

용기 내부의 가스 압력이 다음 식에 따라 산정한 임계압력보다 높으면 가스가 음속으로 누출되는 경우로 본다.

[비고] 용기 내부의 가스 압력이 5㎫ 이하인 경우에는, 압축계수의 근사값으로 1을 적용할 수 있다.

 

4. 증발풀의 증발률 산정

 

다음의 식은 용기로부터 액체(액화가스)가 순간적으로 유출되어 1㎝ 깊이의 풀을 형성하고 주변조건에 의해 증발되는 경우를 가정하여 도출된 것이다.

여기에서 실내 및 실외의 경우 풍속은 희석등급 결정 시 적용하는 각각의 환기속도(추후 포스팅 예정)로 한다.

[비고] 1. 임계온도가 영하 50℃ 미만인 액화가스가 소량 누출되는 경우에는 주위로부터 열을 흡수하여 신속하게 증발되므로 액체 풀을 형성하지 아니하는 것으로 본다. 

2. 물보다 밀도가 낮고 물과 잘 혼합되지 아니하는 액화가스가 물에 누출되는 경우에는 수면에 얇은 액화가스의 막을 형성하여 증발률이 증가하므로 본항의 다음 식을 적용하지 아니한다.

 

 

 

누출시간 산출

Source : API 581 (KOSHA GUIDE P-110-2012)

상기 계산식에서의 누출유량은 누출율 개념이고 실제 누출량을 알려면 누출시간이 정해져야 된다.

누출시간 산출방법은 검출시스템의 유형 및 차단 시스템의 분류 등급을 결정하고 이를 고려하여 산출한다.

 

<표 1>은 설비의 검출 및 차단시스템의 등급(A, B 또는 C)을 결정하는 기준이다. 

검출 시스템 A는 특수 화학분야에서만 사용되고 있는 점에 주의해야 한다.

 

<표 2>에서 제시되는 등급결정기준은 연속누출의 피해크기를 평가할 경우에만 이용된다. .

<표 2>에 있는 총 누출시간은 다음과 같은 시간들의 합계이다.

(1) 누출 검출 시간

(2) 사고를 분석하고 시정 조치를 결정하는 시간

(3) 적절한 시정 조치를 완전히 끝마치는 시간

 

사용자가 운전자 응답시간과 관련하여 보다 나은 자료를 보유하고 있는 경우에는 <표 2>의 수치 대신에 사용한다.

 

<표 1> 검출 및 차단시스템의 등급결정 기준

 

 

<표 2> 검출 및 차단 시스템에 기반한 누출시간

 

 

누출유량결정 특례기준

상기의 누출유량결정 기본기준에도 불구하고 누출원의 특성 및 가스의 특성 등을 고려하여 더 정확한 계산식을 적용할 수 있는 경우에는 그 계산식에 따라 누출유량을 결정할 수 있다

 

Reference : KGS GC101 2018 가스시설의 폭발위험장소 종류 구분 및 범위 산정에 관한 기준