LPG 저장설비에 부착된 압력방출밸브 방출관으로부터 분출된 가스의 확산에 대해 검토하였다. 통상 방출관은 안전한 장소인 수직 상방향으로 분출되도록 설치되어야 하며, 방출된 가스가 착화되더라도 저장탱크, 장치, 배관에 화염이 닿지 않도록 설치되어야 한다[1][2]. 그러나 우리나라에서는 방출구를 통한 분출방향에 대한 기준이 없이 다양한 방출구 형태가 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 4가지 방출방향 즉 수직상방, 수직하방, 수평 2, 수직 4방향에 대해서 고려하였다. 방출구로부터 분출된 가스의 확산 시뮬레이션은 상용소프트웨어인 FLACS를 사용하였다. 이를 통해 수직하방, 수평 2, 수직 4방향으로 분출하도록 방출구를 설치하는 것은 지면에서의 착화를 방지하는 데 불리한 것으로 나타났다. 따라서 안전밸브로부터 분출된 가스를 방출구를 통해 안전하게 분출하기 위해서는 수직상방으로 분출되는 것이 최선임을 알 수 있었다.
LPG 저장설비에 부착된 압력방출밸브 방출관으로부터 분출된 가스의 확산에 대해 검토하였다. 통상 방출관은 안전한 장소인 수직 상방향으로 분출되도록 설치되어야 하며, 방출된 가스가 착화되더라도 저장탱크, 장치, 배관에 화염이 닿지 않도록 설치되어야 한다[1][2]. 그러나 우리나라에서는 방출구를 통한 분출방향에 대한 기준이 없이 다양한 방출구 형태가 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 4가지 방출방향 즉 수직상방, 수직하방, 수평 2, 수직 4방향에 대해서 고려하였다. 방출구로부터 분출된 가스의 확산 시뮬레이션은 상용소프트웨어인 FLACS를 사용하였다. 이를 통해 수직하방, 수평 2, 수직 4방향으로 분출하도록 방출구를 설치하는 것은 지면에서의 착화를 방지하는 데 불리한 것으로 나타났다. 따라서 안전밸브로부터 분출된 가스를 방출구를 통해 안전하게 분출하기 위해서는 수직상방으로 분출되는 것이 최선임을 알 수 있었다.
The dispersion of gas discharged from the vent pipes of pressure relief valves attached LPG (Liquefied Petroleum Gas) storage tank was studied. In general, vent pipes should be positioned so that they discharge vertically upwards in a safe place, and installed so that, in the event of ignition of di...
The dispersion of gas discharged from the vent pipes of pressure relief valves attached LPG (Liquefied Petroleum Gas) storage tank was studied. In general, vent pipes should be positioned so that they discharge vertically upwards in a safe place, and installed so that, in the event of ignition of discharged gas, flame impingement on any vessel, equipment or piping is avoided[1][2]. In Korea, on the other hand, there are various type of the end of vent pipes because there is no rule for discharge directions from the vent pipes. In this paper, we took 4 types of vent directions from the pipes in to account, such as vertically upward, vertically downward, vertically 4-way and horizontally 2-way direction. A software package, FLACS, was adopted to simulate gas dispersion from the vent pipes. We found that vertically downward, vertically 4-way and horizontally 2-way discharge from vent pipes were undesirable to avoid ignition on near ground. Therefore, it was obvious that vertically upward opening of a vent pipe is the best option to discharge in a safe place.
The dispersion of gas discharged from the vent pipes of pressure relief valves attached LPG (Liquefied Petroleum Gas) storage tank was studied. In general, vent pipes should be positioned so that they discharge vertically upwards in a safe place, and installed so that, in the event of ignition of discharged gas, flame impingement on any vessel, equipment or piping is avoided[1][2]. In Korea, on the other hand, there are various type of the end of vent pipes because there is no rule for discharge directions from the vent pipes. In this paper, we took 4 types of vent directions from the pipes in to account, such as vertically upward, vertically downward, vertically 4-way and horizontally 2-way direction. A software package, FLACS, was adopted to simulate gas dispersion from the vent pipes. We found that vertically downward, vertically 4-way and horizontally 2-way discharge from vent pipes were undesirable to avoid ignition on near ground. Therefore, it was obvious that vertically upward opening of a vent pipe is the best option to discharge in a safe place.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 안전밸브를 통한 분출에 따른 확산효과에 대한 시뮬레이션을 통해 주변 지역에 미치는 영향을 분석 한 후 그 결과를 토대로 주변 착화물과의 이격거리, 방출구의 방향 등에 대해 안전하게 설치될 수 있는 기준을 제안하고 자 한다.
2에 시뮬레이션을 위해 사용한 형상을 나타내었다. 안전밸브로부터 분출되는 가스에 대한 확산시뮬레이션의 목적은 안전밸브로부터 분출된 가스의 공기 중 확산거동을 모사하여 안전하게 분출가스를 공기 중으로 확산시킬 수 있는 방출구 형태를 찾고 주변의 착화물이 될 수 있는 건물 또는 공정장치들과의 이격거리를 정하기 위함이다.
가설 설정
안전밸브의 입구 관지름을 호칭지름 50A로 동일한 조건에서 방출구 형태만 변화하여 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 이때 방출구 높이는 가스기술기준[3]에 따라 최소 높이인 지면으로부터 5m로 가정하였다.
제안 방법
국내에 설치된 방출관 끝의 대표적 형상인 상방, 하방, 수평양방, 수직상하방의 4가지에 대해 분출시 확산모델링을 실시하였다. Fig.
위 결론에 따라 다음과 같이 LPG용 안전밸브 방출구 설치기준을 제안하였는데 이 수평거리는 안전밸브 입구 호칭지름에 따른 시뮬레이션 결과에 약 30%정도의 안전율을 적용하였다. 다만, 수직분출 구조는 눈, 비등의 유입에 따른 부식으로 밸브시트의 고착으로 비상시 안전밸브가 작동되지 않을 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해 외국[5]과 마찬가지로 레인캡과 하부 드레인밸브를 설치하도록 다음과 같이 기술기준 개정안을 제안하였다.
방출구 형태별로 안전밸브 분출시 공기 중으로 안전하게 방출되는 지를 검토하였다. 안전밸브의 입구 관지름을 호칭지름 50A로 동일한 조건에서 방출구 형태만 변화하여 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
시뮬레이션에 사용된 주요 경계조건은 온도 = 20℃, 대기압력 = 1atm, 누출형태 = JET, 누출 입력변수 = 유량(Table 1의 방출유량)으로 설정하였다. 방출된 가스는 바람의 방향, 속도에 영향을 받으나 보수성을 주기위해 무시하였다.
따라서 안전밸브의 분출구경에 따라 이격해야하는 거리가 달라진다. 안전밸브 구경에 따른 필요 이격거리를 찾기위해 여기서는 현장에서 많이 사용되는 안전밸브 입구 호칭지름이 다른 4종(호칭지름 15A, 25A, 40A, 50A)에 대해 착화범위에 드는 범위를 시뮬레이션을 통해 관찰하였다. 안전밸브의 세부적인 사양은 Table 1에 나타낸 바와 같다.
방출구 형태별로 안전밸브 분출시 공기 중으로 안전하게 방출되는 지를 검토하였다. 안전밸브의 입구 관지름을 호칭지름 50A로 동일한 조건에서 방출구 형태만 변화하여 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 이때 방출구 높이는 가스기술기준[3]에 따라 최소 높이인 지면으로부터 5m로 가정하였다.
본 시뮬레이션 결과, LPG용 안전밸브의 방출구의 방출방향은 수직상방향이 가장 안전에 유리하며, 수직상방향으로 분출하더라도 분출된 가스운으로 인해 가연범위가 형성되므로 건물, 설비는 수평거리를 유지해야 함을 알 수 있었다. 위 결론에 따라 다음과 같이 LPG용 안전밸브 방출구 설치기준을 제안하였는데 이 수평거리는 안전밸브 입구 호칭지름에 따른 시뮬레이션 결과에 약 30%정도의 안전율을 적용하였다. 다만, 수직분출 구조는 눈, 비등의 유입에 따른 부식으로 밸브시트의 고착으로 비상시 안전밸브가 작동되지 않을 가능성이 있으므로 이를 방지하기 위해 외국[5]과 마찬가지로 레인캡과 하부 드레인밸브를 설치하도록 다음과 같이 기술기준 개정안을 제안하였다.
대상 데이터
시뮬레이션에 사용한 가스는 프로판이다. 시뮬레이션을 위한 안전밸브 사양 및 이에 따른 출구 분출 유량을 계산한 결과를 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
방출구 형태에 따른 가스분출시 확산영향 시뮬레이션은 상용 CFD 소프트웨어인 FLACS ver. 9.0을 사용하였다[4].
성능/효과
결과적으로 4가지 분출구 형태의 분출시 착화 가능성을 시뮬레이션을 통해 검토한 결과 상방향 분출이 가장 안전하다는 결론을 얻었다.
약 2초 경과 후 정상상태에 도달하며, 지면에서의 수평방향으로 10m이상 지역까지 폭발범위가 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 착화원이 지면과 가까운 곳에 위치하는 것을 고려할 때 방출된 가스로 인해 사고가 발생할 수 있어 하방향 방출은 안전관리 상 바람직하지 않음을 확인할 수 있었다.
3에 나타내었다. 방출 개시 후 2.5초 이후에 공기 중 확산이 정상상태에 도달하는 것으로 나타났으며, 방출구로부터 12m 높이에서 수평방향으로 반경 1.4 m, 상방향으로 20m(지면으로부터 25m)이상까지 프로판의 최저 착화농도인 2.1%이상의 증기운이 형성됨을 알 수 있었다.
본 시뮬레이션 결과, LPG용 안전밸브의 방출구의 방출방향은 수직상방향이 가장 안전에 유리하며, 수직상방향으로 분출하더라도 분출된 가스운으로 인해 가연범위가 형성되므로 건물, 설비는 수평거리를 유지해야 함을 알 수 있었다. 위 결론에 따라 다음과 같이 LPG용 안전밸브 방출구 설치기준을 제안하였는데 이 수평거리는 안전밸브 입구 호칭지름에 따른 시뮬레이션 결과에 약 30%정도의 안전율을 적용하였다.
2 (b)) 분출시 방출가스의 확산현상을 시뮬레이션 한 결과를 Fig 4에 나타내었다. 약 2초 경과 후 정상상태에 도달하며, 지면에서의 수평방향으로 10m이상 지역까지 폭발범위가 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 착화원이 지면과 가까운 곳에 위치하는 것을 고려할 때 방출된 가스로 인해 사고가 발생할 수 있어 하방향 방출은 안전관리 상 바람직하지 않음을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방출관에 드레인 밸브를 부착토록 하는 이유는?
외국(영국, 미국 등)의 경우 방출구는 방출가스의 분출방향을 상방향으로 규정하고 있으며, 빗물 유입 방지를 위한 캡을 씌우되 흐름이 방해받지 않지 않을 것을 규정하고 있다. 한편, 캡을 씌우더라도 여전히 빗물 유입에 따른 부식으로 안전밸브의 시트가 고착되는 것을 방지하기 위해 방출관에 드레인 밸브를 부착토록 하고 있다.
방출구를 통한 가스의 분출방향에 대한 설치 규정이 없어서 생길 수 있는 위험은?
LPG 저장탱크에 설치되는 안전밸브(과압안전장치) 방출관의 방출구(방출관 끝)는 주위에 화기 등이 없는 안전한 위치로서 지면으로부터 5m 이상의 높이 또는 저장탱크 상부로부터 2m이상의 높이에 설치토록 규정하고 있으나, 방출구를 통한 가스의 분출방향에 대해서는 규정하고 있지 않다. 그러다 보니 국내에 설치되어 있는 방출구는 빗물 유입을 막기 위해 지상을 향하여 설치된 사례가 많으나, 이는 유사시 분출된 가스로 인해 지면 근처 또는 설비주변에 화재 또는 폭발범위가 형성될 수 있어 위험관리 측면에서 바람직하지 않다. 최근 일본 사례를 참조하여 개정된 LPG 소형저장탱크의 설치기준에는 안전밸브 방출구를 상방향으로 분출토록 규정하고 있는 사례는 이러한 위험을 방지하기 위한 기준으로 판단된다.
LPG 저장탱크에 설치되는 안전밸브(과압안전장치) 방출관 방출구의 설치 규정은?
LPG 저장탱크에 설치되는 안전밸브(과압안전장치) 방출관의 방출구(방출관 끝)는 주위에 화기 등이 없는 안전한 위치로서 지면으로부터 5m 이상의 높이 또는 저장탱크 상부로부터 2m이상의 높이에 설치토록 규정하고 있으나, 방출구를 통한 가스의 분출방향에 대해서는 규정하고 있지 않다. 그러다 보니 국내에 설치되어 있는 방출구는 빗물 유입을 막기 위해 지상을 향하여 설치된 사례가 많으나, 이는 유사시 분출된 가스로 인해 지면 근처 또는 설비주변에 화재 또는 폭발범위가 형성될 수 있어 위험관리 측면에서 바람직하지 않다.
참고문헌 (5)
LPGA, LP Gas Code of Practice 1, Bulk LPG Storage at Fixed Installations Part 1 : 2004 - Design, Installation and Operation of Vessels Located Abobe Ground, LP Gas Association, (2004)
NFPA, NFPA 58 : Liquefied Petroleum Gas Code, 2008 Edition, National Fire Protection Association, (2008)
API, API RP 520 : 2003, Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries : Part 2 - Installation, American Petroleum Institute, (2003)
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