안전밸브 등의 설치대상 및 설치기준
설치대상
안전밸브 등(안전밸브, 파열판 등 압력방출장치를 말한다)을 설치하여야 할 대상 은 다음과 같다.(가) 압력용기(다만, 안지름이 150 mm 이하인 압력용기는 제외한다. 관형 열교환기 는 관(Tube)의 파열로 인한 압력상승이 동체의 설계압력 또는 최고허용압력을 초과할 우려가 있는 경우에 한한다)
(나) 정변위(Positive displacement) 압축기(다만, 다단 압축기인 경우에는 압축기의 각단에 설치한다)
(다) 정변위 펌프(토출측의 막힘으로 인한 압력상승이 관련기기의 설계 압력을 구조 적으로 초과할 수 있도록 제작된 펌프류에 한한다)
(라) 배관(배관내의 액체가 2개 밸브 등에 의해 차단되어 대기온도에서 액체의 열팽 창에 의하여 구조적으로 배관 파열이 우려되는 배관에 한한다)
(마) 기타 이상화학 반응, 밸브의 막힘 등의 이상상태로 인한 압력상승으로 당해 설 비의 설계압력을 구조적으로 초과할 우려가 있는 용기 등에 설치한다.
(1)의 규정에 의한 적용대상 용기 등을 연결하는 배관 사이에 체크밸브, 자동제어 밸브, 수동제어밸브 등과 같은 차단밸브가 없는 경우에는 하나의 용기 등으로 간 주하여 안전밸브 등을 설치할 수 있다.
안전밸브 등은 <부록 1> “안전밸브 등의 선정 흐름도”를 참조하여 선정한다.
파열판 설치기준
파열판을 설치하여야 하는 기준은 다음과 같다.
(가) 반응폭주 등 급격한 압력상승의 우려가 있는 경우.
(나) 독성물질의 누출로 인하여 주위 작업환경을 오염시킬 우려가 있는 경우. 다만, 안전밸브를 설치하고 후단에 배출물질을 처리할 수 있는 설비가 설치된 경우는 파열판을 설치하지 아니할 수 있다.
(다) 운전 중 안전밸브에 이상물질이 누적되어 안전밸브의 기능을 저하시킬 우려가 있는 경우(이 경우는 보호기기의 노즐에 파열판을 설치하여야 함)
(라) 유체의 부식성이 강하여 안전밸브 재질의 선정에 문제가 있는 경우.
반응기, 저장탱크 등과 같이 대량의 독성물질이 지속적으로 외부로 유출될 수 있 는 구조로 된 경우에는 파열판과 안전밸브를 직렬로 설치하고, 파열판과 안전밸브 사이에는 누출을 탐지할 수 있는 압력지시계 또는 경보장치를 설치하여야 하며,세부적인 사항은 별도의 관련 기술지침을 따른다.
설정압력
안전밸브 등의 설정압력은 보호하려는 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이 하이어야 한다.(<표 1> 및 <부록 2> 참조) 다만, 다음의 경우와 같이 배출용량이 커서 2 개 이상의 안전밸브 등을 설치하는 경우에는 그러하지 아니하다.
<표 1>안전밸브의 설정압력 축적압력
원 인 |
하나의 안전밸브 설치시 |
여러개의 안전밸브 설치시 |
|||||
| 설정압력 | 축적압력 | 설정압력 | 축적압력 | ||||
화재시가 아닌 경우 첫번째 나머지 |
밸브 밸브 |
100% 이하 - |
110% 이하 - |
100% 105% |
이하 이하 |
116% 116% |
이하 이하 |
| 화재시인 경우 첫번째 나머지 |
밸브 밸브 |
100% 이하 - |
121% 이하 - |
100% 110% |
이하 이하 |
121% 121% |
이하 이하 |
주) 모든 수치는 설계압력 또는 최고허용압력에 대한 % 임.
(가) 외부 화재가 아닌 다른 압력상승 요인에 대비하여 둘 이상의 안전밸브 등을 설 치할 경우에는 하나의 안전밸브 등은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이하로 설정하여야 하고 다른 것은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력의 105% 이하에 설정할 수 있다.
(나) 외부 화재에 대비하여 둘 이상의 안전밸브 등을 설치할 경우에는 하나의 안전 밸브 등은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이하로 설정하여야 하고 다 른 것은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력의 110% 이하로 설정할 수 있 다.
(2)의 규정에 의하여 파열판과 안전밸브를 직렬로 설치하는 경우 안전밸브의 설 정압력 및 파열판의 파열압력은 다음과 같이 한다.
(가) 안전밸브 전단에 파열판을 설치하는 경우 파열판의 파열압력은 안전밸브의 설 정압력 이하에서 파열되도록 한다.
안전밸브 등의 설정압력은 실제 설치위치에서의 운전온도 또는 배압에 대한 영향 이 반영된 것으로 분출시험설비에서는 다음 사항들을 고려하여 보정된 압력을 적 용하여야한다.
(가) 안전밸브의 실제 설치 위치에서의 운전온도가 110 ℃ 이상인 경우 또는 운전온 도가 영하 60 ℃이하인 경우에는 온도 차이에 따른 분출시험압력을 보정하여야 한다.
(나) KOSHA GUIDE D-48 에서 정의된 일반형 안전밸브는 설정압력과 중첩배압의 차이를 산출하여 분출시험압력을 보정하여야 한다.
축적압력
안전밸브의 축적압력은 다음과 같아야 한다(<표 1> 및 <부록 2> 참조)
설치 목적이 화재로부터의 보호가 아닌 경우
(가) 안전밸브를 1개 설치하는 경우에는 안전밸브의 축적압력은 설계압력 또는 최고 허용압력의 110% 이하이어야 한다.
(나) 안전밸브를 2개 이상 설치하는 경우에는 안전밸브의 축적압력은 설계압력 또는 최고허용압력의 116% 이하로 하여야 한다.
설치 목적이 화재로부터의 보호인 경우에는 안전밸브의 수량에 관계없이 설계압 력 또는 최고허용압력의 121% 이하이어야 한다.
소요 분출량
과압발생 원인은 출구 차단, 냉각 또는 환류 중단, 흡수제 공급 중단, 비응축성 가 스의 축적, 휘발성 물질 유입, 과충전, 자동제어밸브의 고장, 비정상적인 열 또는 증기유입, 내부폭발 또는 과도적 압력상승, 화학반응, 유압팽창, 외부화재, 열교환 기 고장, 유틸리티 고장 등이며 원인별 압력방출 지침은 <표 2>과 같다.
<표 2> 과압 원인별 압력방출 지침
| 번 호 | 과압 원인 | 절 | 액체 압력방출 지침* | 증기 압력방출 지침* |
| 1 | 출구 차단 | §5.1 | 최대 유입량 | 최대 유입량 + 생성량 |
2 |
냉각 또는 환류 중단 | §5.2 |
- | 물질/에너지 수지 계산 |
| 1) 응축기 냉각수 중단 | - | 증기 유입량 – 증기 유출량 | ||
| 2) 탑정 환류 중단 | - | 증기 유입량 – 증기 유출량 | ||
| 3) 측류 환류 중단 | - | 제거되는 열량 만큼에 의 한 증발량 | ||
| 3 | 흡수제 공급 중단 | §5.3 | - | 정상적으로는 불필요 |
| 4 | 비응축성 가스의 축적 | §5.4 | - | 탑조류에서는 냉각 중단, 다른 용기에서는 출구 차단 에 해당하는 증기량 배출 |
5 |
휘발성 물질 유입 | §5.5 |
- | 압력방출장치 이외의 과압 보호책이 필요함 |
| 1) 고온 오일에 물 유입 | - | |||
| 2) 고온 오일에 경질 탄화수소 유입 |
- | |||
| 6 | 과충전 | §5.6 | 최대 유입량 | 7 |
7 |
자동제어 실패 | §5.7 |
제어밸브의 위치, 개수, 고장모드에 따라 사례별로 계산 |
|
| 1) 인입 제어밸브 | 최대 유입량 – 정상 유출량 | |||
| 2) 출구 제어밸브 | 최대 유입량 – 정상 유출량 | |||
| 3) Fail-stationary 밸브 |
고장 시 보수적으로 완전 개방 또는 완전 폐쇄 가정 | |||
8 |
비정상적인 열 또는 증기의 유입 |
§5.8 |
- | - |
| 1) 비정상적인 열 입력 | - | 증기 발생량 – 정상 유출량 | ||
| 2) 부주의한 밸브 개방 |
- | 증기 유입량 – 정상 유출량 | ||
| 3) 체크 밸브 고장 | - | 역류 상황 및 역류량 선정 | ||
<표 2> 과압 원인별 압력방출 지침(계속)
| 번 호 | 과압 원인 | 절 | 액체 압력방출 지침* | 증기 압력방출 지침* |
9 |
내부 폭발 또는 과도한 압력 상승 | §5.9 |
압력방출장치는 응답속도가 느려 과압 보호 불가 능하므로 과압 상황을 막는 다른 대책이 필요 |
|
| 1) 내부 폭발 | ||||
| 2) 과도한 압력 상승 |
||||
| 10 | 화학반응 | §5.10 | - | 폭주반응에서 발생되는 증 기/가스의 추정량이며, 2상 효과에 대한 고려가 필요 |
| 11 | 유압 팽창 | §5.11 | 온도 상승에 따른 부피 팽창량 | - |
| 12 | 외부 화재 | §5.12 | - | 내부 유체의 종류에 따라 (2)식 또는 (7)식으로 산출 |
13 |
열교환기 고장 | §5.13 |
||
| 1) 다관형 열교환기 | 튜브 단면적의 두 배의 크기를 갖는 구멍을 통한 유체 유량 |
|||
| 2) 이중관 열교환기 | 보통 불필요 | |||
| 3) 판형 열교환기 | 다관형 열교환기의 튜브 단면적에 해당하는 구멍을 통한 유체 유량 | |||
| 14 | 유틸리티 고장 | §5.14 | 피해 범위 및 고장 수준에 따른 분석이 필요 | |
* 모든 압력방출량은 분출 조건에서 계산하며, 분출 압력이 운전 압력보다 높을 때는 압 력방출 부하가 줄어들 수 있음.
출구 차단(Closed outlets)
압력용기 등의 출구가 모두 차단되었을 때의 압력이 최고허용압력(MAWP)을 넘 을 수 있으며 압력방출장치를 통한 배출이 필요하다. 소요분출량은 액체의 경우 최대 유입량, 스팀 또는 증기의 경우 최대 유입량과 분출 조건에서의 생성량을 합 한 양이다.
분출량은 분출 조건에서 결정되므로 용기 압력 상승에 따라 유입량이 감소할 경우 소요 분출량도 상당히 줄어들 수 있다.
여러 개의 출구 쪽 밸브 중 하나가 차단되었을 경우 정상적으로 개방되어 있던 수 동 또는 원격조작 밸브는 계속 작동하는 것으로 가정하는 것이 허용되나, 여러 밸 브에 동시에 영향을 끼칠 수 있는 공통원인고장(예: 제어계, 전기설비 등)에 대한검토가 필요하다.
정변위 펌프는 그 최대 용량을 소요분출량으로 정하지만, 원심 펌프의 경우 펌프 자체나 후단의 배관, 장치 등이 최대 폐쇄(Shut-in) 압력을 견디도록 설계된 경우 에는 압력방출 등의 보호가 필요하지 않다.
정변위 압축기는 그 최대 용량을 소요분출량으로 정한다. 다단 압축기의 경우 각 단 사이에 차단밸브가 없더라도 냉각 실패나 후단에 위치한 단의 고장에 대비하여 각 단 기준의 출구차단을 고려한 압력방출장치가 필요하다.
응축기로 유입되는 냉각수 또는 환류액의 공급 중단
공정 유체를 냉각 또는 응축하는 설비가 고장 나거나 증류공정에서 펌프 등의 고 장으로 환류가 중단될 경우 소요분출량은 분출조건에서 시스템에 대한 물질 및 에 너지 수지로 결정한다.
냉각 중단 시에 대한 상세한 수지 계산이 어려우면 다음과 같은 단순화된 기준으 로 소요분출량을 산출한다.
(가) 완전 응축인 경우 응축기로 유입되는 총 증기 유량
(나) 부분 응축인 경우 유입 증기 유량에서 유출 증기 유량을 뺀 양
(다) 공냉식 냉각기의 팬(Fan)이 고장 난 경우 정상 냉각 용량의 70％ ～ 80% 에 해 당하는 양
환류액 공급 중단 시 환류 순환의 종류에 따라 다음을 고려하여 소요분출량을 산 정한다.
(가) 탑정 순환(Overhead circuit)의 경우 응축기 범람(Flooding)을 야기하므로 완전 냉각 중단과 동등하게 취급하나 증기 조성의 변화를 감안함
(나) 펌프어라운드 순환(Pump around circuit)의 경우 제거되는 열량 만큼에 의한 증발량
(다) 측류 순환(Sidestream circuit)의 경우 제거되는 열량 만큼에 의한 증발량
흡수제 공급 중단
일반적으로 흡수탑에서 탄화수소 화합물을 흡수제로 처리할 때 흡수제 공급 중단 에 따른 압력 방출은 필요하지 않다.
그러나 산성 가스 흡수탑에서 25% 이상의 증기 유량을 제거할 때 흡수제 공급이 중단되면 후단 장치에서 압력 상승을 야기할 수 있으므로 과압 해소가 필요할 수 있다. 이때, 소요분출량은 후단 장치, 배관, 계기 등의 특성을 고려하여 결정한다.
비응축성 가스의 축적
정상운전 상태에서 비응축성 가스는 공정흐름과 함께 유출되므로 축적되지 않으 나, 증류탑에서 응축기를 블랭킷(Blanketing)할 정도로 축적되면 냉각 중단(§5.2)에 준하는 소요분출량이 필요하고 다른 용기에서는 출구 차단(§5.1)에 준하는 가스 배 출이 필요하다.
휘발성 물질 유입
고온의 오일에 물이 유입되면 급격한 상변화로 인해 과압이 발생할 수 있으나 대 부분의 경우 함수량을 알 수 없으므로 소요 분출량을 산출하는 인정된 방법은 없 다.
물은 거의 순간적으로 증발할 뿐만 아니라 부피 팽창비가 너무 커서, 압력방출장 치의 효용성이 의문시되므로, 적절한 설계, 시공 및 운전을 통해 다음과 같이 물 유입 가능성을 제거하는 방법이 최선이다.
(가) 물 체류를 최소화하기 위하여 대기(Stand-by) 중인 설비를 통해 고온오일 최소 순환 유지
(나) 물이 고일 수 있는 포켓 방지 (다) 스팀 응축 트랩 설치
(라) 응축 방지용 열보온(Heat tracing) 설치
(마) 고온 공정배관의 물 연결부에 2중 차단밸브 및 블리드(Bleed)밸브 설치 (바) 물이 오염된 공급 원료의 경우 열원을 차단하는 인터록 설치
(사) 점진적 온도상승을 허용하는 시운전 및 가동 절차
경질 탄화수소는 물보다는 부피 팽창비가 상대적으로 작지만 오일 등에 유입될 경 우는 물과 같은 보호대책이 필요하다.
과충전
유입 유체 측 압력이 용기의 설계 압력을 초과할 수 있을 경우 최대 유입량을 소 요분출량으로 삼는 압력방출장치가 필요하다.
과충전에 대한 과압 보호책으로 관리 대책을 사용할 수 있다.
자동제어밸브의 고장
일반사항
(가) 용기 또는 시스템의 인입 배관 또는 출구 배관에서 사용되는 자동제어밸브는 전송신호나 구동 매체, 센서, 제어기 등의 다양한 요인에 의해 고장 날 수 있다.
(나) 제어밸브의 설치 위치, 개수 및 고장모드(Fail-Open, Fail-Close, Fail-Stationary)에 따라 각 과압 시나리오별로 소요분출량을 산정해야 한다.
(다) 정상운전 시의 최소 유량을 처리하는 제어밸브는 과압의 원인으로 간주되지 않 을 수 있다.
인입 배관에 설치된 제어밸브 고장
(가) 하나의 인입 제어밸브가 완전 개방, 나머지 다른 밸브는 정상유량의 작동위치 에 있다고 가정한 경우에는 최대 예상 유입량과 정상 유출량의 차이를 소요분 출량으로 정한다.
(나) 최초 인입밸브를 열리게 한 동일한 고장으로 하나 또는 그 이상의 출구밸브가 닫히거나 여러 인입밸브가 개방된다면 최대 예상 유입량과 잔여 개방된 출구밸 브의 정상유량과 차이를 소요분출량으로 정한다.
(다) 유량을 추가하기 위하여 바이패스 밸브를 개방 또는 부주의로 바이패스 밸브를 개방할 경우는 총 유량(제어밸브 완전개방 및 바이패스밸브 정상위치)을 압력 방출 시나리오에 고려해야 한다.
(라) 고압 용기에서 액위손실이 발생한 경우에는 증기가 저압시스템으로 유입되는 것을 고려해야 한다. 유입증기부피가 저압시스템 부피보다 크거나 증기공급원 이 무제한이면 심각한 과압이 빠르게 발생할 수 있다. 이 경우 액체제어밸브를 통한 전체증기흐름을 처리하기 위해 저압시스템의 릴리프장치 크기를 조정해야 할 수 있다. 그러나, 공정시스템이 압력차가 상당하고 고압설비의 증기부피가 저압시스템 부피보다 적은 환경에서는 추가 압력은 경우에 따라 과압없이 흡수 될 수 있다.
출구 배관에 설치된 제어밸브의 고장
(가) 단독으로 설치된 제어밸브가 고장 나거나 공통원인 등에 의해 여러 제어밸브가 동시에 닫힌 경우는 출구 차단(§5.1)에 해당되며, 이때의 소요분출량은 최대 유 입량으로 정한다.
(나) 여러 제어밸브 중 하나의 밸브만 고장이 발생한 경우는 최대 유입량과 나머지 밸브의 정상작동으로 인한 유출량의 차이가 소요분출량이 된다.
Fail-stationary 밸브의 고장
고장 시 최종 제어 위치에서 정지되는 밸브로서, 고장 시점에서의 위치를 정확히 예측할 수 없으므로 완전 개방 또는 완전 폐쇄를 가정하여 보수적으로 소요분출량 을 정해야 한다.
비정상적인 열 또는 증기 유입
비정상적인 공정 열 입력
(가) 재비기 또는 다른 가열 장치에서 정상 설계값을 초과하는 열 입력에 따른 과압 을 해소하기 위한 소요분출량은 최대 증기(비응축성 가스 포함) 발생량에서 정 상적인 증기의 유출량을 뺀 값으로 산출한다.
(나) 열 입력량은 시스템 구성 성분의 거동을 고려하여 보수적으로 산정한다.
① 연료 제어밸브가 완전히 개방될 경우의 유량 적용
② 다관형 열교환기의 튜브는 오염이 없는 깨끗한 상태로 가정
③ 버너 등은 설계용량보다 초과된 용량(보통 125%)으로 적용
부주의로 인한 밸브 개방
(가) 고압설비 등과 보호 용기를 연결하는 배관 상에 밸브가 설치되고 부주의로 열 릴 경우에는 완전하게 개방된 상태에서 유입될 수 있는 양을 배출할 수 있는 압 력방출설비가 필요하다.
(나) 용기 출구 측 밸브가 열린 상태인 경우는 열린 밸브를 통해 유출될 수 있는 양 을 유입되는 양으로부터 차감할 수 있다.
(다) 부주의로 인한 밸브 개방을 방지할 수 있는 관리적 대책이 실시되고 있으면 압 력방출설비를 설치하지 않을 수 있다.
체크밸브 고장
역류에 대한 상황은 3가지로 아래의 각 호와 같으며, 각 상황 별로 역류량 추정 기법이 제안되어 있지만, 소요분출량 산정을 위한 역류 상황 및 기법 선정은 사용 자가 결정해야 한다.
(가) 완전 고장 : 완전 개방 상태에서의 고착 또는 내부품 소실로 인한 역류 (나) 심한 누설 : 밸브 시트 훼손 등으로 인한 상당한 역류
(다) 정상 누설 : 밸브 마모 등으로 인한 경미한 역류
내부 폭발 또는 과도한 압력 상승
내부 폭발
(가) 증기와 공기 혼합물의 점화로 일어나는 내부 폭발은 밀리초(Milliseconds) 단위 내의 응답이 요구되므로 응답속도가 느린 압력방출설비 대신 폭발방산 패널 등 으로 과압을 해소해야 한다.
(나) 폭굉에 대해서는 폭발 릴리프/봉쇄/억제 시스템 사용이 불가능하므로 불활성가 스 퍼지와 관리 대책으로 폭발 혼합물 형성을 방지해야 한다.
과도한 압력 상승
(가) 액체로 채워진 시스템에서 밸브의 급격한 폐쇄 등으로 인한 수격 작용에 따라 유압 충격파가 발생하고 시스템의 압력은 정상 운전압력보다 크게 상승할 수 있다. 이런 경우에는 밸브가 급격하게 폐쇄되지 않도록 그 속도를 제한하여 충 격파를 방지해야 한다.
(나) 압축성 유체를 담고 있는 배관에서 발생하는 스팀해머 역시 밸브가 급격하게 폐쇄되지 않도록 하는 방법을 사용한다.
(다) 증기 기포가 차가운 응축수에 의해서 빠르게 파괴되면서 발생하는 응축수 유도 해머(Condensate-induced hammer)는 스팀 트랩, 드레인 등의 설계 및 운전을 통해 해머 현상이 일어나지 않도록 하여야 한다.
화학반응
반응기의 교반 또는 냉각 중단, 잘못된 반응물 주입, 외부 화재 등의 공정 교란으 로 인한 폭주반응(Runaway reaction)의 반응속도는 알려진 경우가 거의 없으므로
벤치 규모의 시험을 통해 다음과 같은 반응시스템의 특성을 파악한다.
(가) 완화계(Tempered system) : 대개 비응축성 가스가 발생하지 않는 액상 반응계 로서 액체 비등에 의해 온도가 천천히 증가
(나) 가스계(Gassy system) : 액상 분해반응 또는 기상 반응에 의해 비응축성 가스가 발생하며 온도가 급격하게 증가
(다) 혼합계(Hybrid system): 부반응에 따른 온도 상승 속도가 액체 비등에 의해 완 화되지만 비응축성 가스도 생성됨
압력방출장치를 사용하여 과압을 보호를 해야 하지만, 불가능한 경우에는 장치의 과도한 응력을 제어하기 위해 자동 차단 시스템, 압력 감축(Depressuring) 등의 다 른 방법을 적용한다.
액체부피 팽창(Hydraulic expansion)
액체로 채워진 배관 또는 용기가 주위로부터의 열전달, 화재, 태양열 복사, 가열 코 일 등에 의해 가열될 때 온도 상승에 따른 액체 부피 증가로 인해 팽창이 일어나 파열 위험이 있다. 유입열량 산정 등 세부내용은 열팽창 안전밸브의 기술지침 (D-13)을 참조한다.
과압 보호를 위한 액체의 소요분출량이 적으므로 열 릴리프(Thermal relief) 장치 로는 주로 DN 20 × DN 25 (NPS 3/4 × NPS 1)를 사용하지만, 이보다 큰 릴리프 장치를 필요로 하는 큰 배관이나 용기의 경우 다음 식으로 소요분출량을 산정한 다.
(1)
여기서,
= 부피 유량, ㎥/hr
= 부피팽창계수, 1/℃
= 총 열전달 속도, kcal/hr
= 비중 (물 15.6℃ 기준)
= 유체의 비열, kcal/kg·℃
외부 화재(External fire)
일반사항
(가) 저장탱크나 공정 장치 등의 용기가 외부 화재에 노출되면 액체 내용물의 비등 이나 분해 반응에 의한 증기 생성, 유체의 팽창 등에 의해 과압이 발생한다.
(나) 용기 벽면의 과열에 따른 재료 강도의 저하로 인해 압력방출장치의 설정압력 미만에서도 파열이 일어날 수 있다.
(다) 개방 액면화재(Open pool fire), 제한된 공간의 화재(Confined pool fire), 제트화 재(Jet fire)의 3가지 화재의 유형에 대한 소요분출량 산정 및 보호방법이 다르 다.
개방 액면화재
(가) 액체를 취급하는 용기 등에 대한 소요분출량
여기서,
= 소요분출량, kg/hr
= 총 입열량, kcal/hr
= 증발 잠열, kcal/kg
여기서,
= 환경인자(Environmental factor)
= 내부 액체에 접촉하고 있는 용기 등의 벽 면적, ㎡
적절한 배유설비는 다음 조건을 충족하는 배유·배수 계획이 수립된 경우를 의 미한다.
㉠ 방유제, 트렌치(Trenches) 등을 기준으로 화재관리구역(Fire zone)을 구 분하고 화재발생지역에서의 인화성·가연성 물질의 최대 누출량과 소방용 수 전량을 비위험구역으로 안전하게 이송할 수 있어야 한다.
㉡ 지면은 트렌치 등의 위치를 고려하여 최소 1:100이상의 경사가 유지될 수 있어야 하며 배유·배수되는 물질이 정체될 수 있는 웅덩이가 없어야 한다.
㉢ 중간저유지(Remote impoundment)를 설치한 경우에는 가장 가까운 공정 설비와 최소 15 m 이상 이격되도록 설치해야하며 화재발생지역 밖에서 모든 제반설비가 조작이 가능해야 한다.
㉣ 저장탱크로 부터의 누출 확산을 차단하는 목적으로 방유제를 설치하는 경우에는 KOSHA GUIDE D-8 에 적합해야 한다.
㉤ 최종 배유·배수 처리설비에서 인화성·가연성 물질의 증기가 체류할 수 있는 경우에는 KOSHA GUIDE D-35 에 적합한 안전설비가 설치되어야 한다.
② 환경인자(F) 값
㉮ 단열재의 전열계수를 기준으로 한 F값은 <표 3>에 수록되어 있다.
㉯ 단열재의 열전도도와 두께가 주어진 경우 식 (5)를 이용하여 F를 계산한 다.
= 단열재의 두께, mm
= 용기 등에서 취급 및 저장하는 유체의 분출 시의 온도, ℃
<표 3> 환경인자
| 장치 유형 | 환경인자(F) | |
| 단열되지 않은 용기 | 1.0 | |
용기에 설치된 단열재의 열전달 계수 [kcal/hr·㎡·℃] |
19.5 | 0.3 |
| 9.8 | 0.15 | |
| 4.9 | 0.075 | |
| 3.3 | 0.05 | |
| 2.4 | 0.0376 | |
| 2.0 | 0.03 | |
| 1.6 | 0.026 | |
| 살수 설비를 갖춘 단열되지 않은 용기 | 1.0 | |
| 감압 설비를 갖춘 용기 | 1.0 | |
| 용기 등을 흙 등으로 덮은 용기 | 0.03 | |
| 지표면 아래의 저장 용기 | 0.0 | |
㉰ 복층 단열재의 경우 식 (6)을 이용하여 F를 계산한다.
= 번째 단열재 층의 열전도도, kcal․㎜/hr·㎡·℃ <부록 3> 참조
= 번째 단열재 층의 두께, mm
단, 용기 등에 설치된 보온재는 화재가 진행되는 동안(최소 2시간 이상) 90 0℃에서도 효과적으로 열을 차단할 수 있어야 한다. 특히, 정상운전조건에서 는 뛰어난 보온 특성을 갖지만 특별처리 및 사전시험을 거치지 않은 경우
- 16 -
260℃ 이하에서 녹거나, 증발하거나 손상될 수 있는 단열재를 사용하는 경우 에는 주의하여야 한다. 아울러, 보온재는 최소 2시간 이상 동안 소화수의 높 은 압력에 의해 용기 등에서 분리되어서는 안 되며 화염의 직접 접촉에 견 딜 수 있어야 한다. 또한 보온재의 보호덮개도 소화수의 압력과 화염의 온도 에 견딜 수 있어야 한다. 일반적으로 스테인레스강은 보온재의 덮개로 적합 하지만 알루미늄은 그렇지 않다.
③ 내부 액체와 접촉하고 있는 용기 등의 벽 면적() 계산
㉮ 화재 시에는 지표면으로부터 최소 7.5m 수직높이까지 화재의 영향을 받 는 것으로 가정하여 용기 등의 내부액체 접촉면적()을 계산하여야 한 다. 다만, 구형 용기의 경우 7.5m와 최대 수평지름까지의 높이 중 더 큰 수치를 적용하여 계산한다.
㉯ 환기가 제한적인 스커트 지지대로 보호되는 용기 헤드부위는 젖은 면적 계산에서 제외한다.
(나) 가스, 증기 및 초임계유체를 담은 용기에 대한 소요분출량
여기서,
= 소요분출량, kg/hr
= 분자량
= 인입측 분출압력(Upstream relieving pressure), MPa(abs)
= 화재 시 노출되는 용기 등의 면적, ㎡
= 용기 등의 최대 벽면 온도, K (탄소강의 경우 866 K)
= 인입측 분출압력에서 가스 온도((P1/Pn) x Tn), K 여기서,
Pn = 정상 운전압력, MPa(abs)
Tn = 정상 운전온도, K
① 식 (7)에서 용기는 단열되어 있지 않고, 그 벽 온도는 파열 응력 온도에 도달하 지 않으며, 유체 온도는 일정하다고 가정한다. 위에서 언급한 기준을 충족하는 단열재 설치 시 압력방출량을 감소시킬 수 있다.
② 이 가정을 적용하기 곤란한 경우 동적 모델링을 통해 소요분출량을 산출하는 방법을 적용할 수 있다.
제한된 공간의 액면화재
(가) 구조물 내부 또는 둑으로 둘러싸인 지역에서 화재 발생 시 밀폐로 인한 예열 및 재복사 때문에 일반적으로 개방 공간에서의 화재보다 더 높은 화염 온도와 더 큰 열플럭스를 보이지만, 화재의 유형(환기지배 또는 연료지배) 및 규모에 따라 그 효과가 달라진다.
① 환기(Ventilation-controlled)에 의한 화재의 경우 가용 공기량이 열방출 속도 를 지배하여 화재 규모가 제한적이다.
② 연료(Fuel-controlled)에 의한 화재의 경우 연료량이 열방출 속도를 지배하며 화재 규모에 따라
㉮ 중소 규모 화재 시 밀폐효과가 중간 수준이라 개방 액면화재와 비슷한 거 동을 보이므로 식 (2) ∼ (4)으로 열입력량 및 소요분출량을 계산한다.
㉯ 대규모 화재의 경우 식 (3), (4)는 열입력량을 과소평가하게 되므로 더 엄 밀한 방법을 사용할 필요가 있다.
(다) 액면화재의 유형과 규모는 사용자가 결정해야 한다.
제트화재
(가) 제트화재는 용기 표면을 국소적으로 과열시켜 용기 내부 압력이 압력방출장치 의 설정압력에 도달하기 전에 금속 벽을 파열시킬 수 있으므로 통상적인 압력 방출장치는 효과적인 보호 수단이 될 수 없다.
(나) 그렇기 때문에 압력방출장치를 대신하여 화재 누출원의 격리, 감압시스템, 외부 단열 등의 관리 및 완화책 등을 고려하여야 한다.
열교환기 고장
다관형(Shell-and-tube) 열교환기
(가) 내부 고장은 핀홀(Pinhole)에서 완전 튜브파열에 이르는 다양한 양상을 띌 수 있는데, 보호책 선정(시나리오 압력이상으로 저압측 설계압력를 선정하거나 압 력방출장치 설치)을 위한 설계기준을 결정하기 위해서는 튜브 진동, 재질, 피로 (Fatigue) 등을 포함한 상세한 역학적 분석이 필요하다.
(나) 정상상태 접근법에 의한 소요분출량 결정
① 튜브 파손은 하나의 튜브에서 급격한 파손
② 튜브 파손은 튜브시트 뒷면에서 발생한 것으로 가정
③ 고압유체는 튜브시트에 남아 있는 튜브 스터브와 튜브의 다른 긴 단면을 통해 흐르는 것으로 가정
④ 튜브 스터브 유량과 긴 배관 유량 합산
(다) (나) 방법 대신에 두 개의 오리피스로 단순화 된 가정을 사용하여 소요분출량 산정할 수 있다. 이는 (나)의 긴 개방튜브 및 튜브 스터브보다 더 큰 릴리프 유 량을 생성하기 때문임.
(라) 동적 접근법은 전체 구멍 튜브파열보다 더 작은 설계기준이 적절하다는 것을 결정하기 위해서 상세한 분석이 요구된다.
(마) 파열된 튜브 개구부를 통과하는 유량을 계산할 때 플래싱(Flashing)되지 않는 액체는 비압축성 흐름식, 증기 또는 가스는 압축성 흐름식을 각각 사용하며, 압 력 강하에 따라 플래싱이 일어나는 경우에는 균일평형모델(Homogeneous equilibrium model, HEM)을 사용한 2상 흐름식을 사용한다.
(바) 열교환기 양측 사이의 설계압력 차가 7,000 kPa 이상, 특히 저압 측에 액체가 가득 차있고 고압 측에 파열을 통한 플래싱 가스 또는 유체가 포함된 경우에는 동적 접근법을 사용하는 것이 필요하다.
이중관(Double-pipe) 열교환기
(가) 내관으로 Schedule pipe를 쓸 경우 다른 배관 이상의 파열 가능성이 없으므로 압력방출장치를 설치할 필요가 없다.
(나) 내관으로 Gauge tube를 쓸 경우 용접 고장 등이 발생할 수 있으므로 특정 사례
별로 공학적 판단이 필요하다.
판형(Plate-and-frame) 열교환기
(가) 내부의 판 보다는 외부가스켓의 누출 가능성이 더 높으나, 부식 등에 의해 내부 판에서 누출이 발생하고 그러한 압력이 저압측의 최대허용압력(MAWP)을 초 과할 수 있는 경우에는 저압 측에 압력방출장치를 설치한다.
(나) 다관형 열교환기에서 단일 튜브 파열에 해당하는 구멍 크기(예 : 직경 6.4 ～
25.4 mm)를 갖는 누출공을 가정하여 계산한 유량을 소요분출량으로 정한다.
유틸리티 고장
유틸리티 고장 시 피해 범위(공장 전체 또는 국소 장치) 및 고장 수준(완전 상실 또는 부분 상실)을 면밀히 분석하여 소요분출량을 결정해야 한다.
<표 4>는 각 유틸리티 별로 고장 시 영향을 받을 수 있는 장치들의 부분적인 목 록을 나타낸 것이다.
<표 4> 유틸리티 고장 시 영향을 받는 장치
| 유틸리티 | 영향을 받는 장치 |
전력 |
냉각수/냉매, 보일러 공급수, 급냉수, 환류액 등을 순환시키는 펌프 |
| 공냉식 열교환기, 냉각탑, 연소용 공기를 공급하는 팬(Fans) | |
| 공정 증기, 계기용 공기, 진공, 냉동을 위한 압축기 | |
| 계장 | |
| 모터 구동 밸브 | |
냉각수/냉매 |
공정 또는 유틸리티 설비의 응축기 |
| 공정 유체, 윤활유, 밀봉 오일용 냉각기 | |
| 회전 또는 왕복 장치의 재킷 | |
게기용 공기 |
전송기, 제어기 |
| 공정 조절 밸브 | |
| 경보 및 차단 시스템 | |
스팀 |
펌프, 압축기, 송풍기, 연소공기 팬, 발전기 용 터빈 구동기 |
| 왕복 펌프 | |
| 직접 주입 스팀을 사용하는 장치 | |
| 이젝터 | |
| 스팀/열매 | 열교환기(예: 리보일러) |
연료 |
보일러 |
| 재가열기(리보일러) | |
| 펌프 또는 발전기 용 엔진 구동기 | |
| 압축기 | |
| 가스 터빈 | |
불활성가스 |
밀봉(seals) |
| 촉매 반응기 | |
| 계기, 장치의 퍼지 |
화재시의 영향범위
화재시에는 최소한 지표면으로부터 수직 높이 7.5 m까지 화재의 영향을 받는 것으 로 가정하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절의 Aw)을 계산하여야 한다. 다만, 타원형 또는 구형 용기인 경우에는 지표면으로부터 최대 수평 직경까지의 높이 또 는 7.5 m 이내의 높이 중 큰 수치를 적용하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절 의 Aw )을 계산하여야 한다.
화재시에는 점화원 중심으로부터 230 ㎡ ～ 460 ㎡이내의 면적이 화재의 영향을 받는 것으로 간주하여 소요 분출량을 계산하여야 한다.
안전밸브 등의 배출용량
안전밸브 등의 배출용량은 5장에서 산출한 각각의 소요 분출량 중에서 가장 큰 수 치를 당해 안전밸브 등의 배출용량으로 하여야 한다.
설치대상
안전밸브 등(안전밸브, 파열판 등 압력방출장치를 말한다)을 설치하여야 할 대상 은 다음과 같다.(가) 압력용기(다만, 안지름이 150 mm 이하인 압력용기는 제외한다. 관형 열교환기 는 관(Tube)의 파열로 인한 압력상승이 동체의 설계압력 또는 최고허용압력을 초과할 우려가 있는 경우에 한한다)
(나) 정변위(Positive displacement) 압축기(다만, 다단 압축기인 경우에는 압축기의 각단에 설치한다)
(다) 정변위 펌프(토출측의 막힘으로 인한 압력상승이 관련기기의 설계 압력을 구조 적으로 초과할 수 있도록 제작된 펌프류에 한한다)
(라) 배관(배관내의 액체가 2개 밸브 등에 의해 차단되어 대기온도에서 액체의 열팽 창에 의하여 구조적으로 배관 파열이 우려되는 배관에 한한다)
(마) 기타 이상화학 반응, 밸브의 막힘 등의 이상상태로 인한 압력상승으로 당해 설 비의 설계압력을 구조적으로 초과할 우려가 있는 용기 등에 설치한다.
(1)의 규정에 의한 적용대상 용기 등을 연결하는 배관 사이에 체크밸브, 자동제어 밸브, 수동제어밸브 등과 같은 차단밸브가 없는 경우에는 하나의 용기 등으로 간 주하여 안전밸브 등을 설치할 수 있다.
안전밸브 등은 <부록 1> “안전밸브 등의 선정 흐름도”를 참조하여 선정한다.
파열판 설치기준
파열판을 설치하여야 하는 기준은 다음과 같다.
(가) 반응폭주 등 급격한 압력상승의 우려가 있는 경우.
(나) 독성물질의 누출로 인하여 주위 작업환경을 오염시킬 우려가 있는 경우. 다만, 안전밸브를 설치하고 후단에 배출물질을 처리할 수 있는 설비가 설치된 경우는 파열판을 설치하지 아니할 수 있다.
(다) 운전 중 안전밸브에 이상물질이 누적되어 안전밸브의 기능을 저하시킬 우려가 있는 경우(이 경우는 보호기기의 노즐에 파열판을 설치하여야 함)
(라) 유체의 부식성이 강하여 안전밸브 재질의 선정에 문제가 있는 경우.
반응기, 저장탱크 등과 같이 대량의 독성물질이 지속적으로 외부로 유출될 수 있 는 구조로 된 경우에는 파열판과 안전밸브를 직렬로 설치하고, 파열판과 안전밸브 사이에는 누출을 탐지할 수 있는 압력지시계 또는 경보장치를 설치하여야 하며,세부적인 사항은 별도의 관련 기술지침을 따른다.
설정압력
안전밸브 등의 설정압력은 보호하려는 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이 하이어야 한다.(<표 1> 및 <부록 2> 참조) 다만, 다음의 경우와 같이 배출용량이 커서 2 개 이상의 안전밸브 등을 설치하는 경우에는 그러하지 아니하다.
<표 1>안전밸브의 설정압력 축적압력
원 인 |
하나의 안전밸브 설치시 |
여러개의 안전밸브 설치시 |
|||||
| 설정압력 | 축적압력 | 설정압력 | 축적압력 | ||||
화재시가 아닌 경우 첫번째 나머지 |
밸브 밸브 |
100% 이하 - |
110% 이하 - |
100% 105% |
이하 이하 |
116% 116% |
이하 이하 |
| 화재시인 경우 첫번째 나머지 |
밸브 밸브 |
100% 이하 - |
121% 이하 - |
100% 110% |
이하 이하 |
121% 121% |
이하 이하 |
(가) 외부 화재가 아닌 다른 압력상승 요인에 대비하여 둘 이상의 안전밸브 등을 설 치할 경우에는 하나의 안전밸브 등은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이하로 설정하여야 하고 다른 것은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력의 105% 이하에 설정할 수 있다.
(나) 외부 화재에 대비하여 둘 이상의 안전밸브 등을 설치할 경우에는 하나의 안전 밸브 등은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력 이하로 설정하여야 하고 다 른 것은 용기 등의 설계압력 또는 최고허용압력의 110% 이하로 설정할 수 있 다.
(2)의 규정에 의하여 파열판과 안전밸브를 직렬로 설치하는 경우 안전밸브의 설 정압력 및 파열판의 파열압력은 다음과 같이 한다.
(가) 안전밸브 전단에 파열판을 설치하는 경우 파열판의 파열압력은 안전밸브의 설 정압력 이하에서 파열되도록 한다.
안전밸브 등의 설정압력은 실제 설치위치에서의 운전온도 또는 배압에 대한 영향 이 반영된 것으로 분출시험설비에서는 다음 사항들을 고려하여 보정된 압력을 적 용하여야한다.
(가) 안전밸브의 실제 설치 위치에서의 운전온도가 110 ℃ 이상인 경우 또는 운전온 도가 영하 60 ℃이하인 경우에는 온도 차이에 따른 분출시험압력을 보정하여야 한다.
(나) KOSHA GUIDE D-48 에서 정의된 일반형 안전밸브는 설정압력과 중첩배압의 차이를 산출하여 분출시험압력을 보정하여야 한다.
축적압력
안전밸브의 축적압력은 다음과 같아야 한다(<표 1> 및 <부록 2> 참조)
설치 목적이 화재로부터의 보호가 아닌 경우
(가) 안전밸브를 1개 설치하는 경우에는 안전밸브의 축적압력은 설계압력 또는 최고 허용압력의 110% 이하이어야 한다.
(나) 안전밸브를 2개 이상 설치하는 경우에는 안전밸브의 축적압력은 설계압력 또는 최고허용압력의 116% 이하로 하여야 한다.
설치 목적이 화재로부터의 보호인 경우에는 안전밸브의 수량에 관계없이 설계압 력 또는 최고허용압력의 121% 이하이어야 한다.
소요 분출량
과압발생 원인은 출구 차단, 냉각 또는 환류 중단, 흡수제 공급 중단, 비응축성 가 스의 축적, 휘발성 물질 유입, 과충전, 자동제어밸브의 고장, 비정상적인 열 또는 증기유입, 내부폭발 또는 과도적 압력상승, 화학반응, 유압팽창, 외부화재, 열교환 기 고장, 유틸리티 고장 등이며 원인별 압력방출 지침은 <표 2>과 같다.
<표 2> 과압 원인별 압력방출 지침
| 번 호 | 과압 원인 | 절 | 액체 압력방출 지침* | 증기 압력방출 지침* |
| 1 | 출구 차단 | §5.1 | 최대 유입량 | 최대 유입량 + 생성량 |
2 |
냉각 또는 환류 중단 | §5.2 |
- | 물질/에너지 수지 계산 |
| 1) 응축기 냉각수 중단 | - | 증기 유입량 – 증기 유출량 | ||
| 2) 탑정 환류 중단 | - | 증기 유입량 – 증기 유출량 | ||
| 3) 측류 환류 중단 | - | 제거되는 열량 만큼에 의 한 증발량 | ||
| 3 | 흡수제 공급 중단 | §5.3 | - | 정상적으로는 불필요 |
| 4 | 비응축성 가스의 축적 | §5.4 | - | 탑조류에서는 냉각 중단, 다른 용기에서는 출구 차단 에 해당하는 증기량 배출 |
5 |
휘발성 물질 유입 | §5.5 |
- | 압력방출장치 이외의 과압 보호책이 필요함 |
| 1) 고온 오일에 물 유입 | - | |||
| 2) 고온 오일에 경질 탄화수소 유입 |
- | |||
| 6 | 과충전 | §5.6 | 최대 유입량 | 7 |
7 |
자동제어 실패 | §5.7 |
제어밸브의 위치, 개수, 고장모드에 따라 사례별로 계산 |
|
| 1) 인입 제어밸브 | 최대 유입량 – 정상 유출량 | |||
| 2) 출구 제어밸브 | 최대 유입량 – 정상 유출량 | |||
| 3) Fail-stationary 밸브 |
고장 시 보수적으로 완전 개방 또는 완전 폐쇄 가정 | |||
8 |
비정상적인 열 또는 증기의 유입 |
§5.8 |
- | - |
| 1) 비정상적인 열 입력 | - | 증기 발생량 – 정상 유출량 | ||
| 2) 부주의한 밸브 개방 |
- | 증기 유입량 – 정상 유출량 | ||
| 3) 체크 밸브 고장 | - | 역류 상황 및 역류량 선정 | ||
<표 2> 과압 원인별 압력방출 지침(계속)
| 번 호 | 과압 원인 | 절 | 액체 압력방출 지침* | 증기 압력방출 지침* |
9 |
내부 폭발 또는 과도한 압력 상승 | §5.9 |
압력방출장치는 응답속도가 느려 과압 보호 불가 능하므로 과압 상황을 막는 다른 대책이 필요 |
|
| 1) 내부 폭발 | ||||
| 2) 과도한 압력 상승 |
||||
| 10 | 화학반응 | §5.10 | - | 폭주반응에서 발생되는 증 기/가스의 추정량이며, 2상 효과에 대한 고려가 필요 |
| 11 | 유압 팽창 | §5.11 | 온도 상승에 따른 부피 팽창량 | - |
| 12 | 외부 화재 | §5.12 | - | 내부 유체의 종류에 따라 (2)식 또는 (7)식으로 산출 |
13 |
열교환기 고장 | §5.13 |
||
| 1) 다관형 열교환기 | 튜브 단면적의 두 배의 크기를 갖는 구멍을 통한 유체 유량 |
|||
| 2) 이중관 열교환기 | 보통 불필요 | |||
| 3) 판형 열교환기 | 다관형 열교환기의 튜브 단면적에 해당하는 구멍을 통한 유체 유량 | |||
| 14 | 유틸리티 고장 | §5.14 | 피해 범위 및 고장 수준에 따른 분석이 필요 | |
출구 차단(Closed outlets)
압력용기 등의 출구가 모두 차단되었을 때의 압력이 최고허용압력(MAWP)을 넘 을 수 있으며 압력방출장치를 통한 배출이 필요하다. 소요분출량은 액체의 경우 최대 유입량, 스팀 또는 증기의 경우 최대 유입량과 분출 조건에서의 생성량을 합 한 양이다.
분출량은 분출 조건에서 결정되므로 용기 압력 상승에 따라 유입량이 감소할 경우 소요 분출량도 상당히 줄어들 수 있다.
여러 개의 출구 쪽 밸브 중 하나가 차단되었을 경우 정상적으로 개방되어 있던 수 동 또는 원격조작 밸브는 계속 작동하는 것으로 가정하는 것이 허용되나, 여러 밸 브에 동시에 영향을 끼칠 수 있는 공통원인고장(예: 제어계, 전기설비 등)에 대한검토가 필요하다.
정변위 펌프는 그 최대 용량을 소요분출량으로 정하지만, 원심 펌프의 경우 펌프 자체나 후단의 배관, 장치 등이 최대 폐쇄(Shut-in) 압력을 견디도록 설계된 경우 에는 압력방출 등의 보호가 필요하지 않다.
정변위 압축기는 그 최대 용량을 소요분출량으로 정한다. 다단 압축기의 경우 각 단 사이에 차단밸브가 없더라도 냉각 실패나 후단에 위치한 단의 고장에 대비하여 각 단 기준의 출구차단을 고려한 압력방출장치가 필요하다.
응축기로 유입되는 냉각수 또는 환류액의 공급 중단
공정 유체를 냉각 또는 응축하는 설비가 고장 나거나 증류공정에서 펌프 등의 고 장으로 환류가 중단될 경우 소요분출량은 분출조건에서 시스템에 대한 물질 및 에 너지 수지로 결정한다.
냉각 중단 시에 대한 상세한 수지 계산이 어려우면 다음과 같은 단순화된 기준으 로 소요분출량을 산출한다.
(가) 완전 응축인 경우 응축기로 유입되는 총 증기 유량
(나) 부분 응축인 경우 유입 증기 유량에서 유출 증기 유량을 뺀 양
(다) 공냉식 냉각기의 팬(Fan)이 고장 난 경우 정상 냉각 용량의 70％ ～ 80% 에 해 당하는 양
환류액 공급 중단 시 환류 순환의 종류에 따라 다음을 고려하여 소요분출량을 산 정한다.
(가) 탑정 순환(Overhead circuit)의 경우 응축기 범람(Flooding)을 야기하므로 완전 냉각 중단과 동등하게 취급하나 증기 조성의 변화를 감안함
(나) 펌프어라운드 순환(Pump around circuit)의 경우 제거되는 열량 만큼에 의한 증발량
(다) 측류 순환(Sidestream circuit)의 경우 제거되는 열량 만큼에 의한 증발량
흡수제 공급 중단
일반적으로 흡수탑에서 탄화수소 화합물을 흡수제로 처리할 때 흡수제 공급 중단 에 따른 압력 방출은 필요하지 않다.
그러나 산성 가스 흡수탑에서 25% 이상의 증기 유량을 제거할 때 흡수제 공급이 중단되면 후단 장치에서 압력 상승을 야기할 수 있으므로 과압 해소가 필요할 수 있다. 이때, 소요분출량은 후단 장치, 배관, 계기 등의 특성을 고려하여 결정한다.
비응축성 가스의 축적
정상운전 상태에서 비응축성 가스는 공정흐름과 함께 유출되므로 축적되지 않으 나, 증류탑에서 응축기를 블랭킷(Blanketing)할 정도로 축적되면 냉각 중단(§5.2)에 준하는 소요분출량이 필요하고 다른 용기에서는 출구 차단(§5.1)에 준하는 가스 배 출이 필요하다.
휘발성 물질 유입
고온의 오일에 물이 유입되면 급격한 상변화로 인해 과압이 발생할 수 있으나 대 부분의 경우 함수량을 알 수 없으므로 소요 분출량을 산출하는 인정된 방법은 없 다.
물은 거의 순간적으로 증발할 뿐만 아니라 부피 팽창비가 너무 커서, 압력방출장 치의 효용성이 의문시되므로, 적절한 설계, 시공 및 운전을 통해 다음과 같이 물 유입 가능성을 제거하는 방법이 최선이다.
(가) 물 체류를 최소화하기 위하여 대기(Stand-by) 중인 설비를 통해 고온오일 최소 순환 유지
(나) 물이 고일 수 있는 포켓 방지 (다) 스팀 응축 트랩 설치
(라) 응축 방지용 열보온(Heat tracing) 설치
(마) 고온 공정배관의 물 연결부에 2중 차단밸브 및 블리드(Bleed)밸브 설치 (바) 물이 오염된 공급 원료의 경우 열원을 차단하는 인터록 설치
(사) 점진적 온도상승을 허용하는 시운전 및 가동 절차
경질 탄화수소는 물보다는 부피 팽창비가 상대적으로 작지만 오일 등에 유입될 경 우는 물과 같은 보호대책이 필요하다.
과충전
유입 유체 측 압력이 용기의 설계 압력을 초과할 수 있을 경우 최대 유입량을 소 요분출량으로 삼는 압력방출장치가 필요하다.
과충전에 대한 과압 보호책으로 관리 대책을 사용할 수 있다.
자동제어밸브의 고장
일반사항
(가) 용기 또는 시스템의 인입 배관 또는 출구 배관에서 사용되는 자동제어밸브는 전송신호나 구동 매체, 센서, 제어기 등의 다양한 요인에 의해 고장 날 수 있다.
(나) 제어밸브의 설치 위치, 개수 및 고장모드(Fail-Open, Fail-Close, Fail-Stationary)에 따라 각 과압 시나리오별로 소요분출량을 산정해야 한다.
(다) 정상운전 시의 최소 유량을 처리하는 제어밸브는 과압의 원인으로 간주되지 않 을 수 있다.
인입 배관에 설치된 제어밸브 고장
(가) 하나의 인입 제어밸브가 완전 개방, 나머지 다른 밸브는 정상유량의 작동위치 에 있다고 가정한 경우에는 최대 예상 유입량과 정상 유출량의 차이를 소요분 출량으로 정한다.
(나) 최초 인입밸브를 열리게 한 동일한 고장으로 하나 또는 그 이상의 출구밸브가 닫히거나 여러 인입밸브가 개방된다면 최대 예상 유입량과 잔여 개방된 출구밸 브의 정상유량과 차이를 소요분출량으로 정한다.
(다) 유량을 추가하기 위하여 바이패스 밸브를 개방 또는 부주의로 바이패스 밸브를 개방할 경우는 총 유량(제어밸브 완전개방 및 바이패스밸브 정상위치)을 압력 방출 시나리오에 고려해야 한다.
(라) 고압 용기에서 액위손실이 발생한 경우에는 증기가 저압시스템으로 유입되는 것을 고려해야 한다. 유입증기부피가 저압시스템 부피보다 크거나 증기공급원 이 무제한이면 심각한 과압이 빠르게 발생할 수 있다. 이 경우 액체제어밸브를 통한 전체증기흐름을 처리하기 위해 저압시스템의 릴리프장치 크기를 조정해야 할 수 있다. 그러나, 공정시스템이 압력차가 상당하고 고압설비의 증기부피가 저압시스템 부피보다 적은 환경에서는 추가 압력은 경우에 따라 과압없이 흡수 될 수 있다.
출구 배관에 설치된 제어밸브의 고장
(가) 단독으로 설치된 제어밸브가 고장 나거나 공통원인 등에 의해 여러 제어밸브가 동시에 닫힌 경우는 출구 차단(§5.1)에 해당되며, 이때의 소요분출량은 최대 유 입량으로 정한다.
(나) 여러 제어밸브 중 하나의 밸브만 고장이 발생한 경우는 최대 유입량과 나머지 밸브의 정상작동으로 인한 유출량의 차이가 소요분출량이 된다.
Fail-stationary 밸브의 고장
고장 시 최종 제어 위치에서 정지되는 밸브로서, 고장 시점에서의 위치를 정확히 예측할 수 없으므로 완전 개방 또는 완전 폐쇄를 가정하여 보수적으로 소요분출량 을 정해야 한다.
비정상적인 열 또는 증기 유입
비정상적인 공정 열 입력
(가) 재비기 또는 다른 가열 장치에서 정상 설계값을 초과하는 열 입력에 따른 과압 을 해소하기 위한 소요분출량은 최대 증기(비응축성 가스 포함) 발생량에서 정 상적인 증기의 유출량을 뺀 값으로 산출한다.
(나) 열 입력량은 시스템 구성 성분의 거동을 고려하여 보수적으로 산정한다.
① 연료 제어밸브가 완전히 개방될 경우의 유량 적용
② 다관형 열교환기의 튜브는 오염이 없는 깨끗한 상태로 가정
③ 버너 등은 설계용량보다 초과된 용량(보통 125%)으로 적용
부주의로 인한 밸브 개방
(가) 고압설비 등과 보호 용기를 연결하는 배관 상에 밸브가 설치되고 부주의로 열 릴 경우에는 완전하게 개방된 상태에서 유입될 수 있는 양을 배출할 수 있는 압 력방출설비가 필요하다.
(나) 용기 출구 측 밸브가 열린 상태인 경우는 열린 밸브를 통해 유출될 수 있는 양 을 유입되는 양으로부터 차감할 수 있다.
(다) 부주의로 인한 밸브 개방을 방지할 수 있는 관리적 대책이 실시되고 있으면 압 력방출설비를 설치하지 않을 수 있다.
체크밸브 고장
역류에 대한 상황은 3가지로 아래의 각 호와 같으며, 각 상황 별로 역류량 추정 기법이 제안되어 있지만, 소요분출량 산정을 위한 역류 상황 및 기법 선정은 사용 자가 결정해야 한다.
(가) 완전 고장 : 완전 개방 상태에서의 고착 또는 내부품 소실로 인한 역류 (나) 심한 누설 : 밸브 시트 훼손 등으로 인한 상당한 역류
(다) 정상 누설 : 밸브 마모 등으로 인한 경미한 역류
내부 폭발 또는 과도한 압력 상승
내부 폭발
(가) 증기와 공기 혼합물의 점화로 일어나는 내부 폭발은 밀리초(Milliseconds) 단위 내의 응답이 요구되므로 응답속도가 느린 압력방출설비 대신 폭발방산 패널 등 으로 과압을 해소해야 한다.
(나) 폭굉에 대해서는 폭발 릴리프/봉쇄/억제 시스템 사용이 불가능하므로 불활성가 스 퍼지와 관리 대책으로 폭발 혼합물 형성을 방지해야 한다.
과도한 압력 상승
(가) 액체로 채워진 시스템에서 밸브의 급격한 폐쇄 등으로 인한 수격 작용에 따라 유압 충격파가 발생하고 시스템의 압력은 정상 운전압력보다 크게 상승할 수 있다. 이런 경우에는 밸브가 급격하게 폐쇄되지 않도록 그 속도를 제한하여 충 격파를 방지해야 한다.
(나) 압축성 유체를 담고 있는 배관에서 발생하는 스팀해머 역시 밸브가 급격하게 폐쇄되지 않도록 하는 방법을 사용한다.
(다) 증기 기포가 차가운 응축수에 의해서 빠르게 파괴되면서 발생하는 응축수 유도 해머(Condensate-induced hammer)는 스팀 트랩, 드레인 등의 설계 및 운전을 통해 해머 현상이 일어나지 않도록 하여야 한다.
화학반응
반응기의 교반 또는 냉각 중단, 잘못된 반응물 주입, 외부 화재 등의 공정 교란으 로 인한 폭주반응(Runaway reaction)의 반응속도는 알려진 경우가 거의 없으므로
벤치 규모의 시험을 통해 다음과 같은 반응시스템의 특성을 파악한다.
(가) 완화계(Tempered system) : 대개 비응축성 가스가 발생하지 않는 액상 반응계 로서 액체 비등에 의해 온도가 천천히 증가
(나) 가스계(Gassy system) : 액상 분해반응 또는 기상 반응에 의해 비응축성 가스가 발생하며 온도가 급격하게 증가
(다) 혼합계(Hybrid system): 부반응에 따른 온도 상승 속도가 액체 비등에 의해 완 화되지만 비응축성 가스도 생성됨
압력방출장치를 사용하여 과압을 보호를 해야 하지만, 불가능한 경우에는 장치의 과도한 응력을 제어하기 위해 자동 차단 시스템, 압력 감축(Depressuring) 등의 다 른 방법을 적용한다.
액체부피 팽창(Hydraulic expansion)
액체로 채워진 배관 또는 용기가 주위로부터의 열전달, 화재, 태양열 복사, 가열 코 일 등에 의해 가열될 때 온도 상승에 따른 액체 부피 증가로 인해 팽창이 일어나 파열 위험이 있다. 유입열량 산정 등 세부내용은 열팽창 안전밸브의 기술지침 (D-13)을 참조한다.
과압 보호를 위한 액체의 소요분출량이 적으므로 열 릴리프(Thermal relief) 장치 로는 주로 DN 20 × DN 25 (NPS 3/4 × NPS 1)를 사용하지만, 이보다 큰 릴리프 장치를 필요로 하는 큰 배관이나 용기의 경우 다음 식으로 소요분출량을 산정한 다.
(1)
여기서,
= 부피 유량, ㎥/hr
= 부피팽창계수, 1/℃
= 총 열전달 속도, kcal/hr
= 비중 (물 15.6℃ 기준)
= 유체의 비열, kcal/kg·℃
외부 화재(External fire)
일반사항
(가) 저장탱크나 공정 장치 등의 용기가 외부 화재에 노출되면 액체 내용물의 비등 이나 분해 반응에 의한 증기 생성, 유체의 팽창 등에 의해 과압이 발생한다.
(나) 용기 벽면의 과열에 따른 재료 강도의 저하로 인해 압력방출장치의 설정압력 미만에서도 파열이 일어날 수 있다.
(다) 개방 액면화재(Open pool fire), 제한된 공간의 화재(Confined pool fire), 제트화 재(Jet fire)의 3가지 화재의 유형에 대한 소요분출량 산정 및 보호방법이 다르 다.
개방 액면화재
(가) 액체를 취급하는 용기 등에 대한 소요분출량
여기서,
= 소요분출량, kg/hr
= 총 입열량, kcal/hr
= 증발 잠열, kcal/kg
여기서,
= 환경인자(Environmental factor)
= 내부 액체에 접촉하고 있는 용기 등의 벽 면적, ㎡
적절한 배유설비는 다음 조건을 충족하는 배유·배수 계획이 수립된 경우를 의 미한다.
㉠ 방유제, 트렌치(Trenches) 등을 기준으로 화재관리구역(Fire zone)을 구 분하고 화재발생지역에서의 인화성·가연성 물질의 최대 누출량과 소방용 수 전량을 비위험구역으로 안전하게 이송할 수 있어야 한다.
㉡ 지면은 트렌치 등의 위치를 고려하여 최소 1:100이상의 경사가 유지될 수 있어야 하며 배유·배수되는 물질이 정체될 수 있는 웅덩이가 없어야 한다.
㉢ 중간저유지(Remote impoundment)를 설치한 경우에는 가장 가까운 공정 설비와 최소 15 m 이상 이격되도록 설치해야하며 화재발생지역 밖에서 모든 제반설비가 조작이 가능해야 한다.
㉣ 저장탱크로 부터의 누출 확산을 차단하는 목적으로 방유제를 설치하는 경우에는 KOSHA GUIDE D-8 에 적합해야 한다.
㉤ 최종 배유·배수 처리설비에서 인화성·가연성 물질의 증기가 체류할 수 있는 경우에는 KOSHA GUIDE D-35 에 적합한 안전설비가 설치되어야 한다.
② 환경인자(F) 값
㉮ 단열재의 전열계수를 기준으로 한 F값은 <표 3>에 수록되어 있다.
㉯ 단열재의 열전도도와 두께가 주어진 경우 식 (5)를 이용하여 F를 계산한 다.
= 단열재의 두께, mm
= 용기 등에서 취급 및 저장하는 유체의 분출 시의 온도, ℃
<표 3> 환경인자
| 장치 유형 | 환경인자(F) | |
| 단열되지 않은 용기 | 1.0 | |
용기에 설치된 단열재의 열전달 계수 [kcal/hr·㎡·℃] |
19.5 | 0.3 |
| 9.8 | 0.15 | |
| 4.9 | 0.075 | |
| 3.3 | 0.05 | |
| 2.4 | 0.0376 | |
| 2.0 | 0.03 | |
| 1.6 | 0.026 | |
| 살수 설비를 갖춘 단열되지 않은 용기 | 1.0 | |
| 감압 설비를 갖춘 용기 | 1.0 | |
| 용기 등을 흙 등으로 덮은 용기 | 0.03 | |
| 지표면 아래의 저장 용기 | 0.0 | |
㉰ 복층 단열재의 경우 식 (6)을 이용하여 F를 계산한다.
= 번째 단열재 층의 열전도도, kcal․㎜/hr·㎡·℃ <부록 3> 참조
= 번째 단열재 층의 두께, mm
단, 용기 등에 설치된 보온재는 화재가 진행되는 동안(최소 2시간 이상) 90 0℃에서도 효과적으로 열을 차단할 수 있어야 한다. 특히, 정상운전조건에서 는 뛰어난 보온 특성을 갖지만 특별처리 및 사전시험을 거치지 않은 경우
- 16 -
260℃ 이하에서 녹거나, 증발하거나 손상될 수 있는 단열재를 사용하는 경우 에는 주의하여야 한다. 아울러, 보온재는 최소 2시간 이상 동안 소화수의 높 은 압력에 의해 용기 등에서 분리되어서는 안 되며 화염의 직접 접촉에 견 딜 수 있어야 한다. 또한 보온재의 보호덮개도 소화수의 압력과 화염의 온도 에 견딜 수 있어야 한다. 일반적으로 스테인레스강은 보온재의 덮개로 적합 하지만 알루미늄은 그렇지 않다.
③ 내부 액체와 접촉하고 있는 용기 등의 벽 면적() 계산
㉮ 화재 시에는 지표면으로부터 최소 7.5m 수직높이까지 화재의 영향을 받 는 것으로 가정하여 용기 등의 내부액체 접촉면적()을 계산하여야 한 다. 다만, 구형 용기의 경우 7.5m와 최대 수평지름까지의 높이 중 더 큰 수치를 적용하여 계산한다.
㉯ 환기가 제한적인 스커트 지지대로 보호되는 용기 헤드부위는 젖은 면적 계산에서 제외한다.
(나) 가스, 증기 및 초임계유체를 담은 용기에 대한 소요분출량
여기서,
= 소요분출량, kg/hr
= 분자량
= 인입측 분출압력(Upstream relieving pressure), MPa(abs)
= 화재 시 노출되는 용기 등의 면적, ㎡
= 용기 등의 최대 벽면 온도, K (탄소강의 경우 866 K)
= 인입측 분출압력에서 가스 온도((P1/Pn) x Tn), K 여기서,
Pn = 정상 운전압력, MPa(abs)
Tn = 정상 운전온도, K
① 식 (7)에서 용기는 단열되어 있지 않고, 그 벽 온도는 파열 응력 온도에 도달하 지 않으며, 유체 온도는 일정하다고 가정한다. 위에서 언급한 기준을 충족하는 단열재 설치 시 압력방출량을 감소시킬 수 있다.
② 이 가정을 적용하기 곤란한 경우 동적 모델링을 통해 소요분출량을 산출하는 방법을 적용할 수 있다.
제한된 공간의 액면화재
(가) 구조물 내부 또는 둑으로 둘러싸인 지역에서 화재 발생 시 밀폐로 인한 예열 및 재복사 때문에 일반적으로 개방 공간에서의 화재보다 더 높은 화염 온도와 더 큰 열플럭스를 보이지만, 화재의 유형(환기지배 또는 연료지배) 및 규모에 따라 그 효과가 달라진다.
① 환기(Ventilation-controlled)에 의한 화재의 경우 가용 공기량이 열방출 속도 를 지배하여 화재 규모가 제한적이다.
② 연료(Fuel-controlled)에 의한 화재의 경우 연료량이 열방출 속도를 지배하며 화재 규모에 따라
㉮ 중소 규모 화재 시 밀폐효과가 중간 수준이라 개방 액면화재와 비슷한 거 동을 보이므로 식 (2) ∼ (4)으로 열입력량 및 소요분출량을 계산한다.
㉯ 대규모 화재의 경우 식 (3), (4)는 열입력량을 과소평가하게 되므로 더 엄 밀한 방법을 사용할 필요가 있다.
(다) 액면화재의 유형과 규모는 사용자가 결정해야 한다.
제트화재
(가) 제트화재는 용기 표면을 국소적으로 과열시켜 용기 내부 압력이 압력방출장치 의 설정압력에 도달하기 전에 금속 벽을 파열시킬 수 있으므로 통상적인 압력 방출장치는 효과적인 보호 수단이 될 수 없다.
(나) 그렇기 때문에 압력방출장치를 대신하여 화재 누출원의 격리, 감압시스템, 외부 단열 등의 관리 및 완화책 등을 고려하여야 한다.
열교환기 고장
다관형(Shell-and-tube) 열교환기
(가) 내부 고장은 핀홀(Pinhole)에서 완전 튜브파열에 이르는 다양한 양상을 띌 수 있는데, 보호책 선정(시나리오 압력이상으로 저압측 설계압력를 선정하거나 압 력방출장치 설치)을 위한 설계기준을 결정하기 위해서는 튜브 진동, 재질, 피로 (Fatigue) 등을 포함한 상세한 역학적 분석이 필요하다.
(나) 정상상태 접근법에 의한 소요분출량 결정
① 튜브 파손은 하나의 튜브에서 급격한 파손
② 튜브 파손은 튜브시트 뒷면에서 발생한 것으로 가정
③ 고압유체는 튜브시트에 남아 있는 튜브 스터브와 튜브의 다른 긴 단면을 통해 흐르는 것으로 가정
④ 튜브 스터브 유량과 긴 배관 유량 합산
(다) (나) 방법 대신에 두 개의 오리피스로 단순화 된 가정을 사용하여 소요분출량 산정할 수 있다. 이는 (나)의 긴 개방튜브 및 튜브 스터브보다 더 큰 릴리프 유 량을 생성하기 때문임.
(라) 동적 접근법은 전체 구멍 튜브파열보다 더 작은 설계기준이 적절하다는 것을 결정하기 위해서 상세한 분석이 요구된다.
(마) 파열된 튜브 개구부를 통과하는 유량을 계산할 때 플래싱(Flashing)되지 않는 액체는 비압축성 흐름식, 증기 또는 가스는 압축성 흐름식을 각각 사용하며, 압 력 강하에 따라 플래싱이 일어나는 경우에는 균일평형모델(Homogeneous equilibrium model, HEM)을 사용한 2상 흐름식을 사용한다.
(바) 열교환기 양측 사이의 설계압력 차가 7,000 kPa 이상, 특히 저압 측에 액체가 가득 차있고 고압 측에 파열을 통한 플래싱 가스 또는 유체가 포함된 경우에는 동적 접근법을 사용하는 것이 필요하다.
이중관(Double-pipe) 열교환기
(가) 내관으로 Schedule pipe를 쓸 경우 다른 배관 이상의 파열 가능성이 없으므로 압력방출장치를 설치할 필요가 없다.
(나) 내관으로 Gauge tube를 쓸 경우 용접 고장 등이 발생할 수 있으므로 특정 사례
별로 공학적 판단이 필요하다.
판형(Plate-and-frame) 열교환기
(가) 내부의 판 보다는 외부가스켓의 누출 가능성이 더 높으나, 부식 등에 의해 내부 판에서 누출이 발생하고 그러한 압력이 저압측의 최대허용압력(MAWP)을 초 과할 수 있는 경우에는 저압 측에 압력방출장치를 설치한다.
(나) 다관형 열교환기에서 단일 튜브 파열에 해당하는 구멍 크기(예 : 직경 6.4 ～
25.4 mm)를 갖는 누출공을 가정하여 계산한 유량을 소요분출량으로 정한다.
유틸리티 고장
유틸리티 고장 시 피해 범위(공장 전체 또는 국소 장치) 및 고장 수준(완전 상실 또는 부분 상실)을 면밀히 분석하여 소요분출량을 결정해야 한다.
<표 4>는 각 유틸리티 별로 고장 시 영향을 받을 수 있는 장치들의 부분적인 목 록을 나타낸 것이다.
<표 4> 유틸리티 고장 시 영향을 받는 장치
| 유틸리티 | 영향을 받는 장치 |
전력 |
냉각수/냉매, 보일러 공급수, 급냉수, 환류액 등을 순환시키는 펌프 |
| 공냉식 열교환기, 냉각탑, 연소용 공기를 공급하는 팬(Fans) | |
| 공정 증기, 계기용 공기, 진공, 냉동을 위한 압축기 | |
| 계장 | |
| 모터 구동 밸브 | |
냉각수/냉매 |
공정 또는 유틸리티 설비의 응축기 |
| 공정 유체, 윤활유, 밀봉 오일용 냉각기 | |
| 회전 또는 왕복 장치의 재킷 | |
게기용 공기 |
전송기, 제어기 |
| 공정 조절 밸브 | |
| 경보 및 차단 시스템 | |
스팀 |
펌프, 압축기, 송풍기, 연소공기 팬, 발전기 용 터빈 구동기 |
| 왕복 펌프 | |
| 직접 주입 스팀을 사용하는 장치 | |
| 이젝터 | |
| 스팀/열매 | 열교환기(예: 리보일러) |
연료 |
보일러 |
| 재가열기(리보일러) | |
| 펌프 또는 발전기 용 엔진 구동기 | |
| 압축기 | |
| 가스 터빈 | |
불활성가스 |
밀봉(seals) |
| 촉매 반응기 | |
| 계기, 장치의 퍼지 |
화재시의 영향범위
화재시에는 최소한 지표면으로부터 수직 높이 7.5 m까지 화재의 영향을 받는 것으 로 가정하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절의 Aw)을 계산하여야 한다. 다만, 타원형 또는 구형 용기인 경우에는 지표면으로부터 최대 수평 직경까지의 높이 또 는 7.5 m 이내의 높이 중 큰 수치를 적용하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절 의 Aw )을 계산하여야 한다.
화재시에는 점화원 중심으로부터 230 ㎡ ～ 460 ㎡이내의 면적이 화재의 영향을 받는 것으로 간주하여 소요 분출량을 계산하여야 한다.
안전밸브 등의 배출용량
안전밸브 등의 배출용량은 5장에서 산출한 각각의 소요 분출량 중에서 가장 큰 수 치를 당해 안전밸브 등의 배출용량으로 하여야 한다.
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