누출원 모델링 사례

출원 모델링(Source term modeling)이라 함은 화재․폭발․누출 등에 의한 사고 시의 피해예측에 필요한 입력자료, 즉 누출량(또는 누출 속도), 누출되는 기간 및 누출되는 위험물질의 상태 등을 예측하는 방법을 말한다.

 

 

 

누출원 모델링 사례

 

산업안전보건기준에 관한 규칙 별표 1의 위험물질 중 인화성 액체, 인화성 고체, 인화성 가스 및 가연성 가스 및 급성독성물질을 취급하는 화학설비 및 그 부속설비에 대한 사고피해예측에 적용한다.

 

누출 원인

(1) 용기 등의 균열 또는 파손

(2) 오조작에 의한 밸브의 열림

(3) 비상 배출(Emergency vent)

 

누출 상태 

(1) 가스 또는 증기(Vapor)

(2) 액체

(3) 액체-증기(Two phase flashing liquid-vapor)

 

 

누출원 면적 산정

(1) 이송 또는 압축설비를 제외한 화학설비의 균열 또는 파손에 의한 경우 :

    - 그 화학설비에서 취급․저장하는 위험물질이 10분 동안에 모두 누출될 수 있는 구멍(Hole)의 면적

(2) 배관의 균열 및 파열에 의한 경우 :

    - 배관의 호칭지름이 50㎜ 미만인 경우 : 배관의 단면적

    - 배관의 호칭지름이 50㎜ 이상 100㎜ 이하인 경우 : 50㎜ 배관의 단면적

    - 배관의 호칭지름이 100㎜를 초과하는 경우 : 배관 단면적의 20%

(3) 이송 또는 압축설비의 균열 또는 파손에 의한 경우 :

    - 흡인 측 배관의 크기에 따라 전항에서 규정하는 면적

(4) 오조작에 의하여 밸브가 열린 경우 :

    - 그 밸브의 구멍(Full bore)의 면적

(5) 비상 배출인 경우 :

    - 비상 배출관의 내경에 의한 면적

 

 

누출량 산정

 

KS C IEC 60079-10-1에 의거한 누출율(누출유량)의 결정에 대한 것은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조.

https://sec-9070.tistory.com/544

누출유량의 결정

 

1. 가스 또는 증기 상태로 누출되는 경우

1.1 임계흐름압력비 (PCF /P1) 산정

 

 

1.2 누출량 산정

(1) 누출속도가 음속 이상 (Pa/P1 ≤ PCF /P1 )인 경우

 

<표 1> 누출계수

※ CD가 불확실한 경우에는 CD=1로 가정

 

(2) 누출속도가 음속 미만 (Pa/P1 > PCF /P1 )인 경우

 

 

 

2. 액체 상태로 누출되는 경우(<계산 사례 1> 참조)

 

<계산 사례 1> 압력용기로부터 액체 누출 계산

과제 : 길이가 41 ft(12.5 m)이고 지름이 8½ ft(2.6 m)인 액체염소 이송용 철도차량의 바닥에 1½″(38 ㎜) 크기의 파열이 생긴 경우에 누출량은?

취급 조건 :

․ 파열 시의 저장량 : 용량의 ½ 정도

․ 취급 온도 : 70 ℉/21 ℃

․ 누출 시의 압력 : 105 psia/7.39 ㎏f/㎠ (포화상태)

염소의 물성 :

계산 :

- 상기 식(4)으로부터

CD = 0.61(표 1로부터), ρL = 1,405 ㎏/㎥, D = 38 ㎜ = 0.038 m, A = πD^2/4 = π×0.038^2/4 = 1.134 × 10^-3㎡, gc = 9.8 ㎏․m/㎏f․sec^2, P1 = 7.39 ㎏f/㎠ = 7.39 × 10^4 ㎏f/㎡, Pa = 1.033 ㎏f/㎠ = 1.033 × 10^4 ㎏f/㎡, g = 9.8 m/sec^2, h = ½ × 2.6 m = 1.3 m,

Q = 29.4 ㎏/sec

 

 

3. 액체-증기 상태로 누출되는 경우

 

3.1 일반사항

(1) 2상 유체의 누출은 액체가 누출되면서 압력의 차에 의하여 액체가 증기 상태로 플래시(Flash)되어 일어난다.

 

(2) 2상 유체의 누출은 다음과 같은 위험물질이 누출되는 경우로 분류한다.

가) 포화 액체(Saturated liquid)

- 평형(Equilibrium) : 누출되는 지점이 화학설비 외부로부터 0.1 m 이상인 경우

- 비평형(Nonequilibrium) : 누출되는 지점이 화학설비 외부로부터 0.1 m 이내인 경우

나) 과냉각 액체(Subcooled liquid)

 

(3) 2상 유체의 누출 시에 생성되는 증기의 비율(Flash fraction)은 다음과 같이 계산한다.

 

 

3.2 평형 포화 액체가 누출되는 경우(<계산 사례 2> 참조)

 

<계산 사례 2> 압력용기로부터 평형 포화액체 누출

과제 : 높이가 12 ft(3.7 m)이고 지름이 8½ ft(2.6 m)인 염소저장용 압력용기의 바닥에 설치된 1½″(38 ㎜) 배관이 압력용기 외벽으로부터 6″(0.15 m)되는 지점에서 파열된 경우 누출량은?

운전조건 :

․ 파열되었을 때의 취급량 : 용량의 ½ 정도

․ 취급 온도 : 70 ℉/21 ℃

․ 취급 압력 : 105 psia/7.39 ㎏f/㎠ (포화상태)

염소의 물성 : <계산 사례 1> 참조

계산 :

1. 평형 또는 비평형 포화 액체 여부 결정

- 누출되는 지점이 압력용기 외면으로 0.15 m 이므로 평형 포화액체

2. 누출량 계산 : 상기 식(6) 사용

- D = 38 ㎜ = 0.038 m, A = πD^2/4 = π(0.038)^2/4 = 1.134 × 10^-3 ㎡, ΔHV = 60.6 ㎉/㎏, ρG = 21.6 ㎏/㎥, ρL = 1,405 ㎏/㎥, K = 427 m․㎏/㎉, gc = 9.8 ㎏․m/㎏f․sec^2, T1 = 21 ℃ = 294 K, CPL = 0.24 ㎉/㎏․℃

Q = 11.6 ㎏/sec

 

 

3.3 비평형 포화 액체가 누출되는 경우(<계산 사례 3> 참조)

 

<계산 사례 3> 압력용기로부터 비평형 포화액체 누출

과제 : 높이가 12 ft(3.7 m)이고 지름이 8½ ft(2.6 m)인 염소저장용 압력용기의 바닥에 설치된 1½″(38 ㎜) 배관이 압력용기 외벽으로부터 2″(0.05 m)되는 지점에서 파열된 경우 누출량은?

운전조건 :

․ 파열되었을 때의 취급량 : 용량의 ½ 정도

․ 취급 온도 : 70 ℉/21 ℃

․ 취급 압력 : 105 psia/7.39 ㎏f/㎠ (포화상태)

염소의 물성 : <계산 사례 1> 참조

계산 :

1. 평형 또는 비평형 포화 액체 여부 결정

- 누출되는 지점이 압력용기 외면으로 0.05 m 이므로 비평형 포화액체

2. 누출량 계산 : 상기 식(7) 및 (8) 사용

- D = 38 ㎜ = 0.038 m, A = πD^2/4 = π(0.038)^2/4 = 1.134 × 10^-3 ㎡, ΔHV = 60.6 ㎉/㎏, ρG = 21.6 ㎏/㎥, ρL = 1,405 ㎏/㎥, K = 427 m․㎏/㎉, gc = 9.8 ㎏․m/㎏f․sec^2, T1 = 21 ℃ = 294 K, CPL = 0.24 ㎉/㎏․℃, P1 = 7.39 ㎏f/㎠ = 7.39 × 10^4 ㎏f/㎡, Pa = 1.033 ㎏f/㎠ = 1.033 × 10^4 ㎏f/㎡, CD = 0.84(표 1로부터), LP = 0.05 m, Le = 0.1 m

Q = 15 ㎏/sec

 

 

3.4 과냉각 액체가 누출되는 경우(<계산 사례 4> 참조)

 

<계산 사례 4> 압력용기로부터 과냉각 액체 누출

과제 : 높이가 12 ft(3.7 m)이고 지름이 8½ ft(2.6 m)인 염소저장용 압력용기의 바닥에 설치된 1½″(38 ㎜) 배관이 압력용기 외벽으로부터 6″(0.15 m)되는 지점에서 파열된 경우 누출량은?

운전조건 :

․ 파열되었을 때의 취급량 : 용량의 ½ 정도

․ 취급 온도 : 70 ℉/21 ℃

․ 취급 압력 : 120 psia/8.45 ㎏f/㎠(포화증기압은 105 psia/7.39 ㎏f/㎠)

염소의 물성 : <계산 사례 1> 참조

계산 :

1. 평형 또는 비평형 포화 액체 여부 결정

- 누출되는 지점이 압력용기 외면으로 0.15 m 이므로 평형 포화 액체(따라서 Qs는 식(6) 사용)

2. 누출량 계산 : 상기 식(9) 및 (6) 사용

- D = 38 ㎜ = 0.038 m, A = πD^2/4 = π(0.038)^2/4 = 1.134 × 10^-3 ㎡, ΔHV = 60.6 ㎉/㎏, ρG = 21.6 ㎏/㎥, ρL = 1,405 ㎏/㎥, K = 427 m․㎏/㎉, gc = 9.8 ㎏․m/㎏f․sec^2, T1 = 21 ℃ = 294 K, CPL = 0.24 ㎉/㎏․℃, P1 = 8.45 ㎏f/㎠ = 8.45 × 10^4 ㎏f/㎡, Pv = 7.39 ㎏f/㎠ = 7.39 × 10^4 ㎏f/㎡, CD = 0.84(표 1로부터), g = 9.8 m/sec^2, h = 3.7 m × ½ = 1.85 m

Q = 21.6 ㎏/sec

 

KOSHA GUIDE P - 92 - 2012 누출원 모델링에 관한 기술지침