안전밸브 등의 벤트 주변의 폭발위험장소 구분

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  안전밸브 등의 벤트 주변의 폭발위험장소 구분에 대한 내용이다.

 

 

 

안전밸브 등의 벤트 주변의 폭발위험장소 구분

안전밸브 또는 벤트에서 위험물질(인화성 가스, 인화성 증기 또는 가연성 증기)이 배출될 때 벤트 주변에 대한 폭발위험장소를 구분하는 것이 매우 중요하다. 

폭발위험장소의 범위

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에서는 벤트(안전밸브 벤트 포함) 주변의 폭발위험장소 구분에 대해 구체적인 기준을 제시하지 않는다. 다만, IEC 60079-10-1:2015의 Table B.1에서  안전밸브(압력방출밸브)에서의 누출면적을 안전밸브 오리피스 면적의 10%로 권고하고 있다. 이것은 안전밸브의 완전 개방을 전제하는 것이 아닌 밸브 부품의 고장과 같은 다양한 누설을 전제로 하고 있으며, 특이한 경우에는 이보다 더 큰 면적을 가질 수 있다고 제시하고 있다.

또한 이 규격의 부속서 E.3(사례연구)에서는 “안전릴리프밸브 통기구의 경우, 제조자의 데이터 시트에 있는 각각의 압력 설정점의 가스 유량 또는 B.7.1.2.1, B.7.1.2.2 또는 다른 방법으로 추산된 가스 유량”을 기준으로 누출률을 구하도록 되어 있다. 즉, 누출률은 안전밸브 제조자의 안전밸브 설정점의 가스 유량(배출용량), 오리피스 면적의 10%를 누출면적으로 고려하여 계산식을 통한 계산된 가스 유량, 기타 다른 방식으로 추산된 가스 유량을 말한다. 여기서, B.7.1.2.1, B.7.1.2.2 조항은 해당 규격(IEC 60079-10-1:2015, KS C IEC 60079-10-1:2015)에 없기 때문에 B.7.2.3.2(아음속 가스의 누출률) 및 B.7.2.3.3(음속 가스의 누출률)을 오기한 것으로 판단된다.

 

 

 누출면적을 오리피스 면적의 10%로 고려하여 계산할 경우의 안전밸브 통기구의 누출률은 정상운전 중 안전밸브에서의 누설을 전제로 하는 것이므로 실제 안전밸브가 작동될 경우의 배출용량보다 훨씬 작은 값이다. 따라서 실제 안전밸브가 작동되는 상황에서는 맞지 않고 안전밸브 전단에 파열판을 설치한 경우에는 파열판의 파열과 안전밸브의 누설이 동시에 일어나야 적용할 수 있으므로 이런 상황에서는 적절하지 않다.

 또한 실제 안전밸브의 소요 배출용량을 누출률로 고려하여 이 규격을 적용할 경우에는 폭발위험장소가 매우 넓게 계산되므로 적절하지 않다. 이와 더불어 안전밸브는 동시에 여러 개가 작동될 수 있으므로 단일 안전밸브 기준으로 범위를 결정하는 이 규격은 더욱 맞지 않다. 예를 들어 동일 화재영향범위에 있는 모든 설비에 부착된 안전밸브에서 동시에 내부물질이 배출되어 하나의 벤트를 통해 배출될 수 있다. 따라서 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 적용하여 안전밸브의 벤트 주변에 대해 폭발위험장소를 구분하는 데는 한계가 있다.

기타 다른 방식으로 산정하는 방법은 구체적으로 제시되지 않지만, 일반적으로 적용할 수 있는 방법은 전산유체역학(CFD) 모델링과 같은 방법이므로 쉽게 적용하기 어렵다.

 이 규격의 부속서 E.3(사례연구)에서 안전밸브 주변의 폭발위험장소를 결정할 때 이 규격의 <표 E.2>에서 안전밸브 통기구(2개소)에서의 누출률을 명확한 근거없이 0.018 kg/s(=64.8 kg/hr)로 가정하면서 전체유량이 아니라는 사실만을 비고란에 언급하였다. 또한 폭발위험장소의 범위를 통기구 주변 3 m 범위를 2종 장소로 표시하였다. 따라서 이 규격에서 제시되는 안전밸브 통기구 주변의 폭발위험장소의 범위는 명확하지 않다.

 

 

KS C IEC 60079-10-1:2015 규격을 안전밸브 배출구 주변에 적용할 때 예상되는 문제를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 실제 안전밸브 배출용량을 누출률로 고려하여 이 규격을 적용하면 폭발위험장소의 범위가 과도하게 넓게 결정될 수 있다.

둘째, 안전밸브 전단에 파열판이 설치된 경우에는 밸브 고장과 같은 일반적인 누설이 발생되지 않으므로 적용하는 것이 적절하지 않다.

셋째, 실제 안전밸브가 작동되는 경우와 비교할 때 누출면적이 정상운전조건에서의 오리피스 면적의 10%의 누출지름을 통해 계산되므로 배출량이 과도하게 적게 평가된다.

넷째, 하나의 안전밸브 기준으로 평가되므로 실제 외부화재와 같이 여러 개의 안전밸브가 동시에 작동되는 경우와는 맞지 않다.

 

 

폭발위험장소의 종의 결정

 안전밸브 등의 배출구 주변에 대한 종(zone)을 결정하는 문제는 얼마나 빈번히 배출될 수 있느냐가 중요하다.

 KS C IEC 60079-10-1:2015 규격에서는 안전밸브 등의 배출구 주변에 대한 폭발위험장소 선정과 관련하여 다음과 같이 제시하고 있다. B.2.3항(1차 누출등급의 누출원)에서는 “정상작동 중 인화성 물질의 누출이 예상되는 릴리프 밸브, 통기구 및 기타 개구부(openings) 등”을 1종 장소로 선정하고 있다. 또한 B.2.4항(2차 누출등급의 누출원)에서는 “정상작동 중 인화성 물질의 누출이 예상되지 않는 릴리프 밸브, 통기구 및 기타 개구부 등”을 2종 장소로 선정하고 있다.

그리고 부속서 E.3항(폭발위험장소의 구분을 위한 예시 사례 연구)에서는 누출원 종류 중 압력분출 밸브 통기구에 대해 2차 누출원으로 선정하였다. 통상 셧다운 안전장치는 안전 릴리프 밸브가 개방되기 전에 작동시키기 위해 압축기의 보호 시스템에 설치되므로 릴리프 밸브의 통기구는 1차 누출원으로 간주되지 않는다.

 KS C IEC 60079-10-1:2015에서 제시되는 안전밸브 등의 배출구는 정상작동 중에 인화성 물질의 누출이 예상될 경우에는 1종 장소, 그렇지 않은 경우에는 2종 장소로 구분된다. 그러나 이 규격에 따라 누출량을 계산한 후에 환기평가를 실행할 때 안전밸브 배출구에서의 환기상태가 저환기로 나타날 경우에는 결국 1종 장소로 구분되는 문제를 안고 있다.

 

 

안전밸브 벤트 주변의 폭발위험장소 제안

 

다양한 종류의 벤트가 있지만 여기서는 단순히 대기로 배출되는 안전 밸브의 벤트에 대해 검토하고자 한다.

다음 <표 1>은 안전밸브 배출구에서의 폭발위험장소 구분에 대한 각 규격별 주요사항을 요약한 것이다.

 

<표 1> Summary of the application of the standards or codes for relief vents

Standards or codes	Summary of the contents of the hazardous distance for relief vents
KS C IEC 60079-10-1	o The release hole size is suggested as 10% of the orifice area of relief valve. o The direction of vent is not considered. o The result is not reasonable in case of the pop-action of relief valve,
API RP 505	o The hazardous distance is suggested as minimum 3 m of Zone 2 for the relief vent. o This is not provide the solution according to real relief capacity.
NFPA 497	o The hazardous distance is suggested as 4.5 m of Zone 2 for the relief vent of cold LPG equipment. o This is not provide the solution according to real relief capacity.
EI 15	o The hazardous distance is suggested as 3 m of Zone 2 for the relief vent. o This is not provide the solution according to real relief capacity.
IGEM/SR/25	o The hazardous distance is provided as the tables according to release rates(kg/s), vent diameters, the direction of vent and the types of vent. o This can be applied to only methane-rich gas. o The values of the hazardous distance are too large.

 

 

 현재 대부분의 산업현장에서 대기로 배출되는 안전밸브 주변의 폭발위험장소는 벤트에서 3 m 주변을 2종 장소로 선정하고 있다.

 

일반적으로 인화성 물질을 대기로 배출되는 안전밸브는 다음과 같이 5종류로 구분될 수 있다.

1) 도시가스 및 LPG 등의 독성이 낮은 물질의 배관 또는 소형용기 등에 설치된 소용량 안전밸브(압력조절기 고장, 열팽창 방지, 외부 화재 등을 대비),

2) LPG 등의 독성이 낮은 물질의 탱크 등에 설치된 안전밸브(외부 화재 등 대비),

3) 반응기 등에 설치된 안전밸브 또는 파열판(폭주반응 등 대비: 대량 배출로 인해 배기처리가 곤란한 경우),

4) 소각처리 시 더 독성이 높은 물질이 발생되는 설비의 안전밸브(VCM 등의 물질 취급)

5) 소각처리 등의 배기처리가 곤란한 안전밸브(에틸렌 옥사이드 등과 같이 소각처리 시 폭발위험이 있거나 현실적으로 배기처리가 곤란한 경우)가 대기로 배출되는 경우이다.

 

 위에서 언급한 안전밸브에서 대기로 배출될 때 폭발위험장소의 범위를 다음과 같이 검토하였다.

첫째, 도시가스 및 LPG 등의 독성이 낮은 물질의 배관 또는 소형용기 등에 설치된 입구측 지름이 1인치 이하인 소용량 안전밸브인 경우에는 배출방향이 수직상방일 때 배출구 주변의 1.5 m 범위를 1종 장소로, 3 m 범위를 2종 장소로 선정한다. 만약 배출방향이 수직상방이 아닌 경우에는 PHAST 시뮬레이션 등을 통해 폭발하한계의 50%에 도달되는 범위로 결정한다.

둘째, LPG 등의 독성이 낮은 물질의 탱크 등에 설치된 안전밸브(대부분 외부화재 대비용이며, 외부화재가 발생될 확률이 일반적으로 다소 희박하고, 대형 탱크에는 대부분 water spray 시설이 설치되어 있다.)인 경우에는 PHAST 시뮬레이션 등을 통해 폭발하한계의 50%에 도달되는 범위로 결정한다.

셋째, 폭주반응 대비용 안전밸브 또는 파열판인 경우에는 배출량이 많으므로 PHAST 시뮬레이션 등을 통한 적용이 바람직하다. 이 경우에는 최종 배출구를 통한 배출량을 줄이기 위해 벤트 라인에 knock out drum, 냉각기(Cooler) 등을 설치할 수 있다.

넷째, 소각처리 시 더 독성이 높은 물질이 발생되는 안전밸브인 경우에는 일반적으로 대기로 배출할 때 지면에 도달되는 독성농도(착지농도)를 규제하고 있다. 또한 배출된 물질이 다른 점화원에 의해 점화되는 경우에는 폭발에 의한 피해 및 연소에 의해 생성된 독성물질의 영향을 고려해야 한다. 따라서 이와 같은 물질은 PHAST 시뮬레이션 등을 통해 폭발위험장소를 선정할 것을 제안한다.

마지막으로 소각처리 등의 배기처리가 곤란한 안전밸브는 배출량이 많으므로 연소 시에 증기운 폭발을 유발할 수 있으므로 PHAST 시뮬레이션 등으로 폭발위험장소를 선정할 것을 제안하였다.

 

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