암모니아 폭발위험범위 계산

앞서 폭발위험장소 구분도 작성을 위한 KS C IEC-60079-10-1에 의거한 이론을 살펴보았다.

금번은 암모니아 냉동기에 사용하는 암모니아에 대해 폭발위험지역 범위 계산 사례를 공유하고자 한다.

 

 

 

암모니아 폭발위험범위 계산 (옥내 경우)

 

1. 인화성 물질 목록 및 특성

 

 

2. 누출율 계산

 

2.1 액화가스 상태로 누출되어 Pool 형성 후 증발

 

구분	항목	내역	계산 근거 및 기준
물질정보	물질명	암모니아	압축액화가스 상태로 누출
	분자량(kg/kmol), M	17.03	NH3
	정압비열(kJ/(kg.K)), Cp	4.744
	기체상수(J/kmol.K), R	8,314
	인화하한(vol %), LFLv	15.5
	인화하한(㎏/㎥), LFLm	0.11	LFLm=0.416*10-3*M*LFLv
	가스 밀도(kg/㎥), ρg	0.71	ρg=(Pa∙M)/(R∙Ta)
	액체 밀도(kg/㎥), ρl	618	MSDS
누출원정보	누출등급	2차 누출	V/V Stem Packing, Flange Gasket Failure
	대기 압력(Pa), Pa	1.013E+05
	운전 압력(Pa), P	1.141E+06	P=Pv+Pa	Pv=1,040 kPa(운전 압력)
	운전 온도(K), T	298	운전 온도(25°C)
	주위 온도(K), Ta	293	상온(20°C)
	구멍의 단면적(m2), S	2.5E-06	저속 구동 부품류(확대 스템 패킹)	아래 "표 B.1" 참조(2.5㎟)
	누출계수, Cd	1	2차 누출	1) Sharp orifice : 0.5~0.75 2) Rounded orfice : 0.95~0.99 3) 정확히 알 수 없는 경우 : 1
	압축계수, Z	1	이상기체
누출율 계산	액체의 누출률 (kg/s), W	8.96E-02
	누출 시간(s),t	1.80E+03	30min	API 581에 따라 middle 누출공(대표치 1"), 검출시스템 A, 차단시스템 C (30min)
	누출량(㎏),Q	1.61E+02	Q=W*t
증발률 적용	액체층 표면적(㎡),Ap	2.611E+01	A(㎡)=누출량(㎏)/밀도(kg/㎥)/0.01	확산방지 조치가 되어 있지 않은 경우 KOSHA GUIDE P-180-2020 액체층 표면적 계산식 도입
	증기압(kPa),Pv	8.820E+02		Pv=882 kPa   (20℃에서의 증기압 적용)
	액체 증발률(㎏/s),We	3.898E-02		확산방지 미조치 적용
	5% 증발률 적용(㎏/s)	4.48E-03	W*0.05	IEC 사례 증발률 2% 보다 높은 5%수치를 적용
	채택 누출량(kg/s),We	3.90E-02		보수적 수치인 액체 증발률 채택
누출특성	LFL의 안전계수, k	1	제조자 제공 MSDS	k=0.5~1 1) 폭발하한이 잘 알려져 있는 물질 : 1 2) 폭발하한의 계산이 가능한 물질 : 0.8 3) 그 밖의 경우 : 0.5
	누출특성 (㎥/s)	3.550E-01	We/(ρg∙k∙LFL/100)

 

 

2.2 가연성 가스 상태로 누출

 

구분	항목	내역	계산 근거 및 기준
물질정보	물질명	암모니아	가연성 Gas 상태로 누출
	분자량(kg/kmol), M	17.03	NH3
	정압비열(kJ/(kg.K)), Cp	4.744
	기체상수(J/kmol.K), R	8,314
	인화하한(vol %), LFLv	15.5
	인화하한(㎏/㎥), LFLm	0.11	LFLm=0.416*10-3*M*LFLv
	가스 밀도(kg/㎥), ρg	0.71	ρg=(Pa∙M)/(R∙Ta)
누출원정보	누출등급	2차 누출	V/V Stem Packing, Flange Gasket Failure
	대기 압력(Pa), Pa	1.013E+05
	운전 압력(Pa), P	1.141E+06	P=Pv+Pa	Pv=1,040 kPa(운전 압력)
	운전 온도(K), T	298	운전 온도(25°C)
	주위 온도(K), Ta	293	상온(20°C)
	구멍의 단면적(m2), S	2.5E-06	저속 구동 부품류(확대 스템 패킹)	아래 "표 B.1" 참조(2.5㎟)
	누출계수, Cd	1	2차 누출	1) Sharp orifice : 0.5~0.75 2) Rounded orfice : 0.95~0.99 3) 정확히 알 수 없는 경우 : 1
	압축계수, Z	1	이상기체
임계흐름  여부	폴리트로픽지수, γ	1.11	γ=MCp/(MCp-R)
	임계압력(Pa), Pc	1.742E+05	pc=pa((γ+1)/2)γ/(γ-1)
	가스 임계 흐름 판단	Chocked (음속)	P>Pc →초크속도
누출률계산	음속가스의 누출률 (kg/s), Wg	4.72E-03
	아음속가스의 누출률 (kg/s), Wg	NA
누출특성	가스 부피유량(㎥/s), Qg	6.668E-03	Qg=Wg/ρg
	LFL의 안전계수, k	1	제조자 제공 MSDS	k=0.5~1 1) 폭발하한이 잘 알려져 있는 물질 : 1 2) 폭발하한의 계산이 가능한 물질 : 0.8 3) 그 밖의 경우 : 0.5
	누출특성 (㎥/s)	4.30E-02	Wg/(ρg∙k∙LFL/100)

 

 

 

3. 환기 특성 (옥내)

 

구분	항목	내역	계산 근거 및 기준
옥내	건물 크기(㎥), Vo	8,000	L(40m), W(20m), H(10m)
	단면적(㎡), Ao	400	A=L*H
	환기 유량(㎥/s), Qa	16.7	국소환기(1,000㎥/min)
	옥내 환기속도(m/s), Uw	0.04	Uw=Qa/Ao

 

 

4. 배경농도 검토 (옥내)

 

구분	항목	내역	계산 근거 및 기준
2.1 경우 (액화가스 누출)	환기효율계수, f	1.5	f=1~5 1) 배경농도는 균일하며, 배출구가 누출원과 멀리 떨어진 경우 : 1 2) 혼합 효율이 일부 비균질한 경우 : 1.5 3) 혼합 효율이 많이 비균질한 경우 : 5
	인화성 가스의 부피유량(㎥/s), Qg	5.503E-02	Qg=We/ρg
	임계농도(vol./vol.), Xcrit	3.875E-02	Xcrit=0.25*LFL/100
	배경농도(vol./vol.), Xb	4.936E-03	Xb=(f∙Qg)/(Qg+Qa)
	농도 비교	Xb<Xcric
2.2 경우 (가스 누출)	환기효율계수, f	1.5	f=1~5 1) 배경농도는 균일하며, 배출구가 누출원과 멀리 떨어진 경우 : 1 2) 혼합 효율이 일부 비균질한 경우 : 1.5 3) 혼합 효율이 많이 비균질한 경우 : 5
	인화성 가스의 부피유량(㎥/s), Qg	6.668E-03	Qg=Wg/ρg
	임계농도(vol./vol.), Xcrit	3.875E-02	Xcrit=0.25*LFL/100
	배경농도(vol./vol.), Xb	5.999E-04	Xb=(f∙Qg)/(Qg+Qa)
	농도 비교	Xb<Xcric

 

5. 희석등급의 결정

 

두가지 Case에 대해 다음의 희석등급 평가 챠트로 부터 희석등급 평가

Case 2.1) 누출 특성 : 0.36 ㎥/s, 환기 속도 : 0.04 m/s

Case 2.2) 누출 특성 : 0.043 ㎥/s, 환기 속도 : 0.04 m/s

 

▶ 두가지 Case 모두 중희석 등급

 

 

6. 폭발위험장소 추정

 

6.1 폭발위험장소 종별

 

두가지 Case에 대해 다음의 누출등급과 환기유효성에 의한 폭발위험장소의 종별표로 부터 종별 결정

- 누출등급 : 2차누출, 희석등급 : 중희석, 환기이용도 : 양호

 

6.2 폭발위험장소 범위 결정

 

두가지 Case에 대해 다음의 폭발위험장소 범위 추정 그래프로 부터 폭발범위 추정

Case 2.1) 누출 특성 : 0.36 ㎥/s, 누출형태 : 저속의 확산

Case 2.2) 누출 특성 : 0.043 ㎥/s, 누출형태 : 저속의 확산

 

 

▶ Case 2.1 : 2.6 m (액화가스 누출)

    Case 2.2 : 1 m 이하(가스 누출)