화재발생에 따른 과압해소(외부화재 Case)를 위한 안전밸브 분출용량계산

얼마전 안전밸브 설계관련 첫번째 단계인 Case Study에 대하여 알아보았고 API STD 521에 17가지로 구분하여 규정하고 있는것을 확인했습니다. 오늘은 Case Study 중 화재발생에 따른 과압발생(외부화재 Case)에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

설비(Equipment)가 화재에 노출되었을 경우 설비안의 액체가 기화되거나 분해반응(Decomposition reaction)*에 따른 Vapor generation으로 과압이 발생합니다. 또한, 화재노출에 따른 설비 외벽의 과열로 재질 강도 저하를 유발합니다. 화재는 Open pool fires와 confined pool fires, jet fires로 구별되고 Pool fires는 대기상에 가연성액체의 액면이 노출된 Pool 또는 흐르는 액체에 착화됐을 때 발생하는 화재를 말하며, Jet fires는 가압상태의 가연성유체가 분출될 때 착화된 화재를 말합니다.  Jet fires의 경우 Heat flux(열유동)는 매우 크고 국부적인 반면에 Pool fires는 Jet fires보다 Heat flux가 낮고 국부적이지 않습니다. Cofined pool fires는 구조물 내부에서 발생하거나 저장탱크 방류둑등의 제한된 공간에서 일어난 화재를 말해며 Open pool fires보다 더 높은 Heat flux를 야기합니다. 화재 열의 강도는 연료, 환기, 방출 속도 등에 따라 크게 달라질 수 있으며 열강도의 대표적인 범위는 아래와 같습니다.

 - Open pool fires: 50kW/㎡ to 150kW/㎡

 - Cofined pool fires: 100kW/㎡ to 250kW/㎡

 - Jet fires: 100kW/㎡ to 400kW/㎡

*분해반응(Decomposition reaction): 높은 온도에서 화합물이 더 작은 크기의 분자로 쪼개지는 반응

API STD 521에서 화재발생에 따른 과압해소를 위한(외부화재 Case) 안전밸브 분출용량 산정 시나리오는 탄화수소(Hydrocarbon)를 취급하는 정유사에서 Open pool fires 발생한 경우를 토대로 하고 있습니다.

그럼, Open pool fires가 발생하였을 경우 안전밸브 분출용량을 계산하는 과정에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 먼저 국내 SMS/PSM 심시기관인 한국가스안전공사와 산업안전보건공단의 Code 및 Guide를 살펴보면(API Code를 바탕으로 작성된 것으로 알고 있습니다) Open pool fires 발생으로 설비 표면을 통해 열전달이 이뤄지고 해당 액체의 증발잠열만큼 기화되어 내부 압력이 상승합니다. 안전밸브는 액체가 기화된 양만큼 설비 외부로 배출 시켜주면 되므로 안전밸브 필요배출용량(소요분출량)을 구하는 식은 아래와 같이 설비 표면적을 통한 총입열량을 분출량 결정압력에서 액체의 증발잠열로 나눠주면 됩니다.

□ 외부화재 발생시 설비안의 취급하는 유체에 액체가 포함되어 있는 경우 필요배출용량 계산식(in 산업안전보건공단 Guide)

□ 외부화재 발생시 설비안의 취급하는 유체에 액체가 포함되어 있는 경우 필요배출용량 계산식(in 한국가스안전공사 Code)

총 입열량을 구하는 식에서 Aw 또는 A로 표기된 설비의 액체 접촉 면적(Wetted Area)은 Open pool fires 발생시 탄화수소(Hydrocarbon)의 화염 높이가 경험적으로 지상에서 7.6m까지만 올라간다고 판단하고 산정한 것입니다. 이 말은 화재에 따른 설비에 입열량을 계산할때 열전단 면적인 Aw 또는 A값을 지상에서부터 7.6m 높이까지만 고려하여 계산한다는 의미입니다.  물론 화염이 더 높이 올라가는 경우도 있지만 이정도만 반영해도 되겠다는 경험적인 값입니다. F Factor는 환경계수로서 단열재가 900℃에서 2시간 이상 견디고 소화활동시 단열재가 수압에 견디는 조건을 만족하면 적용할수 있지만 실제 현장에서는 그 조건을 만족시키기가 매우 어려워 1을 적용하여 계산하고 있습니다

분모에 들어가는 액체의 증발잠열값은 안전밸브 분출량 결정압력에서의 증발잠열입니다. 분출량 결정압력이란 안전밸브 설정압력에 축적압력을 더한값으로 안전밸브에 허용될 수 있는 최대압력을 말하며 이때의 액체의 증발잠열을 적용하면 됩니다.

안전밸브 분출량 결정압력 = 안전밸브 설정압력 + 축적압력

'설정압력' 이란 용기등에 과압이 형성되었을 경우 안전밸브가 작동하도록 하는 분출압력 또는 분출개시압력이며, '축적압력'은 내부에서 유체가 분출될 때 안전밸브에 축적되는 압력으로 안전밸브에 허용될 수 있는 최대압력을 말합니다. 즉, 분출량 결정압력 이상으로 압력이 올라갈 수 없도록 안전밸브를 설계해야 됩니다. 아래 표에서 알수 있듯이 외부화재의 경우 적용하는 축적압력은 설정압력의 21%입니다.

아래 식은 설비안의 유체가 가스 또는 증기상일 경우 화재발생에 따른 안전밸브 필요분출량을 계산하는 식인데 제가 알기로는 현장에서 유체가 가스 또는 증기일 때 외부화재를 적용하는 경우는 잘 보지 못했습니다. 이런 식이 있다는 정도만 참조하시면 되지 않을까 싶습니다. 

□ 외부화재 발생시 설비안의 취급하는 유체가 가스 또는 증기인 경우 필요배출용량 계산식(in 산업안전보건공단 Guide)

□ 외부화재 발생시 설비안의 취급하는 유체가 가스 또는 증기인 경우 필요배출용량 계산식(in 한국가스안전공사 Code)