KS C IEC 60079-10-1:2015 누출 특성 하한값 미만 적용

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용할 때 발생되는 여러 가지 문제점들에 대한 개선방안을 공유하고자 한다.

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격 적용시 누출 특성 하한값 미만에서의 적용에 대한 제안이다.

 

 

 

누출 특성 하한값 미만에서의 적용

누출 특성 하한값 미만에서의 폭발위험장소의 범위를 결정하는 부분에 대해 다음과 같이 검토하였다.

 

규격 적용시 문제점

KS C IEC 60079-10-1(2015)의 부속서 D의 그림 D.1에는 <그림 1>과 같이 고속의 제트(Jet), 저속의 확산(Diffusive), 무거운 가스(Heavy gas)와 같이 세 종류의 가스에 따라 누출특성(X)을 구한 후에 가스 종류에 해당되는 곡선과 만나는 지점에서 좌측의 폭발위험지역 거리(단위, m)를 결정하도록 되어 있다.

<그림 1>에서 3종류의 가스종류별 특성은 그래프 상으로 각각 하한값(a, b, c 점의 값)을 갖고 있다. 따라서 이 하한값 이하의 누출특성(X)이 계산될 경우에 폭발위험지역의 범위를 얼마로 할 것인가가 명확하지 않은 상태이다.

 

<그림 1> Chart for estimating hazardous area distances.

 

 

검토 예시(도시가스, 프로판가스)

연료용으로 사용되는 도시가스(methane)와 프로판가스(propane)에 대해 <그림 1>에서 나타나는 3개의 누출 특성의 하한값(low limit threshold)에 도달하기 위해서 가스의 누출률이 얼마인지를 파악하였다. 누출형태별로 누출 특성 하한값은 <그림 1>에서 대략 0.026 ㎥/s(heavy gas, 무거운 가스), 0.053 ㎥/s(diffusive, 저속의 확산), 0.220 ㎥/s(jet, 고속의 제트)로 파악된다. 누출률을 구하기 위한 기본적인 데이터는 <표 1>과 같고, 내부압력은 요구되는 누출 특성값에 도달되도록 시행착오법으로 계산하였다.

 

<표 1> Data for the release rates and release characteristic(X) for methane and propane

 

Items	Methane	Propane
Molar mass (kg/kmol)	16	44
Area of leak hole (㎟)	0.25, 2.5	0.25, 2.5
Safety factor (k)	1.0	1.0
LFL (vol%)	5	2.1
Temperature (internal) (℃)	25	25
Discharge coefficient (Cd)	0.75	0.75
Ratio of specific heats()	1.306	1.13
Universal gas constant (J/kmol-K)	8314	8314

 

 

누출 특성이 하한값을 가질 때의 메탄가스와 프로판가스의 누출률과 내부압력을 파악하면 <표 2> 및 <표 3>과 같다.

<표 2>는 누출면적이 0.25 ㎟일 때이고, <표 3>은 누출면적이 2.5 ㎟일 때이다.

 

 <표 2> Low limit threshold of release characteristic(X) and release rate for three gas groups (when the area of leak hole is 0.25 ㎟) 

 

 

여기서 누출면적은 <표 3>에서 제시하는 기준을 적용했으며, 누출면적 0.25 ㎟은 “누출 개구부가 확대되지 않는 조건에서의 최대값” 에 해당되고, 누출면적 2.5 ㎟은 “누출 개구부가 부식 등에 의해 확대될 수 있는 조건에서의 최대값(펌프, 압축기의 고속 구동 부품류의 기밀 부위 제외)”에 해당된다. 메탄가스와 프로판가스 모두 부식성이 없고 누출 개구부가 확대될 가능성이 없으므로 적용할 수 있는 누출면적은 0.25 ㎟이다.

 따라서 <표 2>와 같이 누출면적이 0.25 ㎟일 때 <그림 1>에서 메탄가스는 누출 특성의 하한값인 0.053 ㎥/s에 도달하기 위해서 최소한 내부압력이 55.0 kg/㎠G이어야 하고, 프로판가스는 0.026 ㎥/s의 누출 특성에 도달하기 위해서는 최소한 내부압력이 24.0 kg/㎠G이 되어야 한다.

 <표 3>과 같이 누출면적을 2.5 ㎟로 할 경우에 메탄가스는 가벼운 가스의 확산(diffusive)에 해당되므로 0.053 ㎥/s의 누출 특성에 도달되려면, 최소한 내부압력이 4.5 kg/㎠G이어야 하고, 프로판가스는 무거운 가스이므로 0.026 ㎥/s의 누출 특성에 도달하려면, 최소한 내부압력이 1.5 kg/㎠G이 되어야 한다.

 

 <표 3> Low limit threshold of release characteristic(X) and release rate for three gas groups (when the area of leak hole is 2.5 ㎟)

 

일반적으로 연료로 사용되는 가스 중 도시가스는 대부분 정압기실을 통과하면 1~2 kg/㎠G 이하로 공급되고, 프로판가스는 1 kg/㎠G 이하로 공급되므로 이들의 누출 특성은 모두 <그림 1>의 누출형태별 누출 특성의 하한값 아래에 있다.

 

 

 RR630 보고서는 도시가스가 옥외에서 누출률이 1 g/s일 때 보수적으로 LFL의 50%에 해당되는 체적(0.1 ㎥)으로 제시하고 있고, 과도하게 혼잡 또는 제한되지 않는 장소에서 1 g/s 보다 낮은 누출률을 가질 경우, 비위험장소(NE)로 제시하고 있다. 도시가스와 프로판가스의 누출 특성이 그래프의 하한값 미만일 때의 누출률은 RR630 보고서에서 비위험장소로 제시되는 누출률인 1 g/s보다는 훨씬 작은 값이므로 누출 특성 하한값 미만의 누출률에 대해서는 비위험장소로 구분할 필요가 있다. 따라서 연료용으로 사용되는 저압의 가스는 폭발위험장소의 구분에서 배제하는 것이 타당하다. 다만, 연료가스를 취급하는 배관 등의 설비가 환기가 잘 되지 장소에 설치된 경우라면, 누출된 가스가 축적되지 않도록 자연환기시설 또는 강제환기시설을 설치하는 방법이 더 적절하다.

 

Reference : 1. 조필래, 폭발위험장소 구분을 위한 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격 적용에 관한 연구

                2. 조필래⋅이향직⋅백종배, KS C IEC 60079-10-1 규격의 무시할 수 있는 정도와 누출특성에 관한 연구