무시할 수 있는 정도(NE)의 개념

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 무시할 수 있는 정도(NE)의 개념에 대한 내용이다.

 

 

 

무시할 수 있는 정도(NE)의 개념 

 

 가스가 누출될 때 폭발하한계의 50%에 도달되는 부피를 구하는 방법을 가벼운 가스인 메탄과 무거운 가스인 프로판에 대해 PHAST 시뮬레이션을 통해 LFL 농도의 50%에 해당되는 체적을 구해서 그 부피가 어느 정도인지를 파악하는 것이 중요하다.

 

단순모델체적의 제안

RR630 보고서는 <그림 1>과 같이 가스가 누출될 때의 농도가 변하는 기본적인 개념을 보여준다. 누출원에서 멀어질수록 농도는 낮아지고, 누출방향에 따라 일정한 패턴을 보여주며, Vz는 폭발하한계(LFL)의 25%에 해당되는 가상체적을 나타낸다.

 

<그림 1> Schematic drawing showing the concentration when gases is released.

 

<그림 1>의 개념을 도입하여 <그림 2>와 같이 단순모델체적(simplified model volume, VSM)을 제안하였다. 단순모델체적(VSD)은 고가의 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)의 모델링 대신 PHAST 프로그램을 통해 폭발하한계의 50%에 도달되는 거리(L)와 부피의 최대 폭(D)을 구해서 원통형 용기의 체적을 구하는 방법이다. 즉, LFL의 50%에 도달되는 거리를 원통형 용기의 길이로 가정하고 LFL의 50%에 해당되는 최대 폭을 원통형용기의 지름으로 가정해서 원통형 용기의 체적을 LFL의 50%에 해당되는 체적으로 가정하는 것이므로 이 체적은 실제보다 보수적인 값이 된다. PHAST 시물레이션을 통해 구한 농도의 범위를 체적으로 단순히 환산한 단순모델체적(VSD)과 무시할 수 있는 체적인 0.1 ㎥을 비교해서 연료가스가 어느 정도의 내부압력일 때 무시될 수 있는 수준인가를 검토하였다.

 

 

<그림 2> Schematic drawing showing the concept of simplified model volume(VSM) which is calculated as the volume of a cylindrical vessel.

 

 

 

무시할 수 있는 정도(NE)의 예시(메탄, 프로판 경우)

<표 1>은 메탄 및 프로판이 누출될 때 누출면적 및 내부압력에 따라 PHAST 프로그램에 의한 누출률, 누출 특성, LFL 농도 및 LFL의 50% 농도에 도달되는 거리를 보여준다.

 메탄가스의 경우 누출면적이 0.25 ㎟일 때 LFL의 50%에 도달되는 거리는 압력이 0.5 barG일 경우에는 122.4 ㎜이며, 압력이 0.9 barG일 경우는 134.0 ㎜이며, 압력이 5 barG일 경우에는 233.6 ㎜, 압력이 10 barG일 경우에는 314.5 ㎜로 파악되었다. 그리고 프로판가스의 경우는 누출면적이 0.25 ㎟일 경우 압력이 0.5 barG일 때 메탄가스보다 LFL의 50%에 도달되는 거리가 약 38.3% 크게 나타났고, 내부압력이 증가될수록 편차는 감소되어 내부압력이 10 barG일 때는 편차가 11.0%로 감소되었다. 또한 누출면적이 클수록 메탄과 프로판 가스의 LFL의 50%에 도달되는 거리의 편차는 감소되었다. 메탄가스의 누출 특성(X)은 누출면적이 0.25 ㎟이고 압력이 10 barG일 경우에 0.0129 ㎥/s로 파악되었고, 이는 저속의 확산의 하한값에 해당되는 누출 특성인 0.053 ㎥/s보다 훨씬 작은 값이며, 그것의 약 24.4% 정도이다.

 

<표 1> Distance of 50% concentration of LFL and LFL in case of the release of methane and propane by PHAST simulation and percentage difference between the distances of 50% of LFL for methane and propane

 

 

<표 2>는 PHAST 시뮬레이션 결과를 보여주는 LFL의 50%에 도달되는 가스운의 단순모델체적(VSM)과 LFL의 50%에 도달되는 거리(L)과 LFL의 50%에 도달되는 최대 폭(D)의 비를 구한 것이다.

 

 <표 2> Calculation of simplified model volume and length to distance ratio by using PHAST results

물질의 종류, 누출면적의 크기 및 내부압력의 크기에 큰 영향없이 L/D의 비율은 대략 10.2~11.8을 나타내었다. 즉, LFL의 50%의 농도에 도달되는 거리를 측정하면, 그 농도의 최대폭은 길이의 약 1/10 정도이다. 따라서 최대폭을 지름으로 고려하고, 길이를 원통형 용기의 길이로 고려하면 단순모델체적을 구할 수 있다. 0.25 ㎟의 누출면적을 통해 내부압력 1 barG인 메탄이 누출될 경우 단순모델체적은 1.56E-05 ㎥으로 매우 낮은 값을 나타냈다.

 이것은 무시할 수 있는 정도(NE)인 체적인 0.1 ㎥의 약 15,000분의 1배 정도이고, 누출면적이 2.5 ㎟일 경우에도 NE의 약 5,000분의 1배 수준으로 매우 낮다. 따라서 저압의 도시가스 배관에서의 누출은 체류되지 않는 한 폭발위험지역으로 구분할 필요가 없는 것으로 판단되었다. 즉, 옥외 또는 원활한 환기가 가능한 조건에서는 누출되는 도시가스는 <그림 1>과 같은 궤적을 나타내고, 체류되지 않고 확산될 수 있으므로 단순모델체적을 통해 폭발위험장소를 예측할 수 있다. 또한 RR630 보고서에서는 도시가스가 옥외의 과도하게 혼잡 또는 제한되지 않는 장소에서 1 g/s 보다 낮은 누출률로 누출될 경우, 비위험장소(NE)로 제시하였다.

 

 

 <표 3>은 누출률 1 g/s이 되기 위해서 누출율 계산식을 사용하여 누출면적별로 메탄가스와 프로판가스의 내부압력을 구한 것이다. 누출면적을 0.25 ㎟로 적용할 때, 메탄가스의 내부압력은 31 kg/㎠G로 계산되었고, 누출면적이 2.5 ㎟일 때에는 내부압력이 2.18 kg/㎠G로 계산되었다. 또한 프로판가스의 경우도 메탄가스보다는 압력이 다소 낮았지만, 각각 24.7 kg/㎠G, 1.54 kg/㎠G로 계산되었다.

 

 <표 3> Calculation of internal pressure corresponding to release rate 1 g/s

 

일반적으로 연료용 가스로 사용되는 압력은 거의 대부분 1 kg/㎠G 이하이다. 따라서 <표 2>의 결과를 고려할 때 연료용 가스가 누출되어 형성시킬 수 있는 가스운의 부피는 무시할 수 있는 정도의 범위(NE)와 비교할 때 매우 적은 양이므로 폭발위험지역에서 제외시킬 수 있다.

 이것은 KS C IEC 60079-10-1:2015의 적용제외 대상인 저압의 연료가스 중 LPG의 경우 0.01 MPaG 미만인 경우에 적용하는 부분과 비교할 때도 역시 해당 기준은 너무 낮다는 것을 보여준다. 즉, 누출면적을 2.5 ㎟로 적용하는 경우에도 프로판가스의 경우 내부압력이 1.54 kg/㎠G 이하이면 누출률은 1 g/s 이하이고, LFL의 50%에 도달되는 부피는 0.1 ㎥보다 무한히 적은 양이므로 무시할 수 있는 정도의 범위에 해당된다. 다만, 도시가스를 체류될 수 있는 장소에 설치할 경우에는 체류되지 않도록 상부의 지붕 또는 벽면을 개방시켜 자연적으로 환기되도록 하거나 별도의 환기시설을 설치하는 것이 필요하다. 또한 프로판가스의 경우에는 비중이 공기보다 무거워 바닥면 근처에 축적될 수 있으므로 체류방지를 위한 적절한 환기설비가 필요하다.

 

 

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