통기밸브(breather valve) 개요

인화성 액체를 저장ㆍ취급하는 대기압 탱크에 통기관 또는 통기 밸브를 설치하도록 규정하고 있어 이에 대해 살펴보고자 한다.

 

 

 

통기밸브(Breather valve) 개요

 

관련 법규

산업안전보건기준에 관한 규칙 제268조(통기설비) 

① 사업주는 인화성 액체를 저장ㆍ취급하는 대기압 탱크에는 통기관 또는 통기밸브(Breather valve) 등(이하 “통기설비”라 한다)을 설치하여야 한다.

② 제1항에 따른 통기설비는 정상 운전 시에 대기압 탱크 내부가 진공 또는 가압되지 않도록 충분한 용량의 것을 사용하여야 하며, 철저하게 유지ㆍ보수를 하여야 한다.

 

 

Breather Valve 구조

다음 그림은 일반적인 Pressure Vacuum Relief Valve의 구조이다.

<그림 1> BV Weight Loaded Type Breather Valve (Source : PROSAVE Catalogue)

 

 

통기설비의 종류

통기설비는 대기압 근처의 낮은 압력으로 운전하는 저장탱크에서 내부 압력이 대기압 또는 설정압력에 도달하면 내부 공기가 외부로, 외부 공기가 내부로 유입될 수 있도록 한다. 그것은 탱크의 정상 운전을 위해 설치한 통기관, 통기밸브, 비상통기설비, Liquid seals 등이 있다.

 

통기관은 탱크가 진공 또는 가압 상태가 되지 않도록 대기로 개방된 배관을 말한다.

 

통기밸브는 다음 <그림 1>과 같이 평상시에 닫힌 상태로 있다가 탱크의 압력이 미리 설정된 압력에 도달하면 밸브가 열린다. 이것이 탱크 내부의 가스·증기 등을 외부로 방출하거나 또는 탱크 내부로 외부 공기를 흡입하는 밸브이다.

통기밸브는 압력과 진공 2가지를 모두 경감할 수 있다는 점에서 안전밸브와 차이가 있다.

 

탱크안의 압력이 상승할 경우	탱크안에 진공압력이 올라갈 경우
아래 그림에서 처럼 내부 압력이 설계치 보다 높게 작용할 경우 실링 시트가 상부로 올라가며 내부의 압력(공기, 증기)가 외부로 배출된다.  (실링시트 스프링<내부압력) 내부 압력이 스프링 시트 텐션보다 낮아지면 실링 시트는 다시 재 위치로 복귀한다. (Closed 상태 유지) 진공 통풍구 쪽으로는 아래 그림의 화살표 방향으로 누르고 있기 때문에 반대로 열리지 않는 상태를 유지한다.	대기압 통풍구는 내부로 힘이 작용하기 때문에 스프링 텐션에 의해 실링 시트가 Closed 상태를 유지한다.  진공 통풍구의 실링 시트는 내부 진공에 의해 상부로 들려 올려지고 외부(ATM)의 공기라 내부로 유입된다.  내부 공기가 유입되어 진공이 의도한 압력 (예시 1.013bar a.) 범위 내로 들어오면 진공 통풍구의 실링 시트가 안착되어 더 이상 외기 공기가 유입되지 않는다. (Normal 상태 유지

그림 Source : Inside Insights

 

<그림 1> 통기밸브와 작동원리

 

비상(긴급)통기설비는 탱크 주변의 화재로 인해 일시에 발생되는 많은 양의 가스·증기 등을 방출할 수 있는 비상압력방출 맨홀뚜껑, 비상압력방출 해치(Gauge hatch) 등이 있다.

 

비상압력방출 맨홀뚜껑 또는 비상압력방출 해치는 평상시에는 닫힌 상태이다. 그러다가 탱크의 압력이 설정압력에 도달되었을 때 자동으로 열리면서 많은 양의 가스·증기 등을 방출하도록 탱크에 설치된 장치를 말한다.

 

Liquid seals은 Dip pipe의 깊이에 따라 작동압력을 조절할 수 있다. 따라서 통기밸브 보다 낮은 대기압 근처의 압력에서도 정확히 작동할 수 있는 장점이 있다. 그러나 항상 물, 기름 등의 액체가 채워져 있어야 하고, 응고 또는 액체의 비중, 깊이가 변하면 작동압력이 변한다는 단점이 있다. 따라서 동결방지 조치 및 액면 제어장치가 필요하다.

 

 

적용 온도의 중요성

인화점이 38 ℃ 미만이거나 인화점 이상으로 운전되는 물질에는 통기밸브를 설치하는 것을 권장한다. 일반적으로 통기량은 탱크에서 저장, 취급하는 유체의 이동에 의한 통기량에 온도 변화로 인한 통기량을 가산한다.

예를 들어, 탱크에 유입되는 양이 유출되는 양보다 많은 경우는 탱크 내부의 압력이 올라간다. 반대로 적은 경우는 압력이 낮아진다. 대기온도가 올라가는 오전에는 저장 물질의 온도상승과 상부공간 기체의 온도상승으로 압력이 상승하지만, 대기온도가 낮아지는 늦은 오후부터는 압력이 낮아진다. 또한, 유입되는 유체의 온도가 높은 경우는 저장물질의 온도 상승으로 내부 압력이 상승된다.

 

여기서 인화점을 38 ℃ 미만, 이상, 이하로 구분하는 것은 여름철 최대로 상승할 수 있는 온도를 미국의 100 °F를 번역하는 과정에서 37.78 ℃를 반올림한 온도이다. 따라서 우리나라 각 지방마다 획일적으로 적용하기에는 곤란할 수 있다.

 

우리나라 각 지역별 최대 온도는 인근 기상청의 최대 온도를 확인하여 적용하는 것이 이상적이라 할 수 있다. 그러나 일반적으로 35 ~ 40 ℃를 연평균 온도는 15 ~ 20 ℃를 적용할 수 있다.

 

국소배기장치의 송풍기 용량을 설계할 때 적용하는 공기 비중은 일반적으로 20 ℃에서 공기 비중을 적용하는데 이는 옥내에 설치된 경우는 어느 정도 가능하다고 할 수 있다. 하지만, 겨울철에는 공기 비중이 증가하여 전동기가 기동이나 운전할 때 과부하가 걸릴 가능성이 있다. 그러므로 설치한 지역의 겨울철 최저 온도를 적용하는 것을 적극 권장한다.

 

예를 들어, 겨울철 최저온도를 - 15 ℃를 적용한 경우와 연평균 온도 20 ℃를 적용한 공기 비중과 차이는 1.136 배 차이가 있다. 따라서 전동기 여유율을 일반적으로 10 ~ 15 %를 주어 겨울철에는 과부하 운전을 방지할 수 있다. 

 

특히 비중이 공기보다 큰 누출된 고농도의 염소(분자량 71)를 회수하는 송풍기는 공기의 평균 분자량이 증가해서 누출된 염소의 농도에 따라 전동기 용량 계산에 주의한다.

 

 

통기밸브 설치 시 주의사항

불포화 탄화수소와 같은 중합성 물질, 승화성 물질, 상온에서 고점도 물질을 높은 온도로 저장하는 경우 다음과 같이 한다. 통기설비에서 중합, 승화, 응축, 응고, 오염물질 부착으로 통기관 폐쇄, 통기밸브의 디스크 고착 등 통기설비 오작동으로 저장탱크 내부 압력이 과도하게 상승하면 지붕과 측면을 연결하는 부위가 터지고, 진공이 발생하면 측면이 찌그러져 저장 물질이 유출될 수도 있다. 그러므로 필요시 보온, 트레이싱을 실시한다.

 

특히, 온도가 높은 여름철에는 중합반응에 의한 스케일 형성(응고 현상)이 발생할 수 있어 여름과 밤낮의 온도차가 큰 겨울에는 온도 변화에 따른 부피 변화가 많은 겨울이 오기 전에 정기적으로 자체검사를 실시하여 통기 상태를 잘 유지하여야 한다.

 

통기관 출구는 가스나 증기의 흐름을 방해하지 않고, 유해한 물질이 함유된 경우는 배출된 가스가 급기구를 통해 작업장 내로 다시 유입되지 않도록 한다. 점화원이 없는 등 안전한 곳에 위치하고, 바람에 날린 비닐, 새 등에 의해 막히는 것을 예방할 수 있도록 2~4 메시의 내식성이 있는 금속망을 설치한다.

 

 

통기밸브 용량 계산

통기밸브 용량은 저장탱크에 들어오고, 나가는 물질수지, 에너지 수지(대기 온도 변화에 따른 부피팽창 포함)를 맞추도록 계산하는 것이다. 정상 운전할 때는 탱크 내·외부로 흡입·배기되어야 하는 통기량은 탱크에서 저장.취급하는 유체의 이동에 의한 통기량에 온도 변화로 인한 통기량을 가산한다.

 

정상운전시의 통기설비로서 외부화재로 인해 탱크에서 발생되는 비상 배기량을 방출시킬 수 없는 경우에 다음과 같이 한다. 즉, 비상압력방출 맨홀뚜껑이나 비상압력방출 계기 뚜껑 등의 비상통기설비를 설치와 이상 압력 상승 시 탱크의 지붕이 분리되도록 설치한다. 

 

통기밸브 등의 설계를 위한 배기량 및 흡기량 계산은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조한다.

https://sec-9070.tistory.com/407

배기량 및 흡기량 계산

 

 Reference : KOSHA 화공안전 기술편람