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가연성 가스 방출률(Flammable Gas Release Rate) 산정 방법

Analyst 읽는 시간 약 13분

PSM에서 가연성 가스 누출사고를 평가할 때 중요한 입력값 중 하나가 **가연성 가스 방출률(Flammable Gas Release Rate)**입니다.

이 값은 단순히 “배관에서 가스가 샌다”는 수준이 아니라, 단위시간당 얼마나 많은 가스가 누출되는가를 의미합니다.

방출률은 이후 다음 평가에 직접 사용됩니다.

누출량 산정 → 가스 확산 → LEL 도달거리 → Flash Fire → Jet Fire → VCE → Hazardous Area Classification

따라서 방출률을 잘못 산정하면 사고영향거리와 위험지역 범위도 크게 달라질 수 있습니다.


1. Flammable Gas Release Rate란?

가연성 가스 방출률은 일정 시간 동안 누출구를 통해 외부로 방출되는 가스의 질량 또는 부피를 의미합니다.

대표적으로 다음 단위를 사용합니다.

구분단위 예시
질량유량kg/s
질량유량kg/h
체적유량m³/s
표준체적유량Nm³/h

사고영향평가에서는 일반적으로 **질량유량(kg/s)**이 많이 사용됩니다.


2. 먼저 가스인지 액체인지 구분

Release Rate 계산 전에 누출하는 유체의 상태를 확인해야 합니다.

유체 상태대표적인 계산방식
Gas압축성 유동
LiquidOrifice 유동
Two Phase2상 방출모델
Liquefied GasFlashing 가능
Superheated LiquidFlashing 평가 필요

예를 들어 LPG는 Vessel 내부에서는 액체일 수 있지만 누출 후 압력이 낮아지면서 일부가 즉시 기화할 수 있습니다.

따라서 단순 Gas Equation만 적용하면 안 될 수 있습니다.


3. 방출률에 영향을 주는 주요 변수

가스 누출률은 다음 변수에 영향을 받습니다.

변수영향
내부압력높을수록 방출률 증가
외부압력낮을수록 압력차 증가
누출구 면적클수록 방출량 증가
가스온도밀도와 음속 영향
분자량가스특성 영향
비열비 γ압축성 유동 영향
방출계수 Cd실제 유동 보정
배관형상마찰·압력손실 영향

따라서 누출률은 단순히 압력차만 가지고 결정할 수 없습니다.


4. 누출구 크기(Hole Size) 결정

사고영향평가에서는 먼저 누출공의 크기를 가정해야 합니다.

대표적인 Leak Size는 다음과 같이 구분할 수 있습니다.

구분개념
Pin Hole매우 작은 누출
Small Leak소규모 누출
Medium Leak중간 크기
Large Leak대규모 누출
Full Bore Rupture배관 완전파단

예를 들어 직경 10 mm의 원형 구멍이면 면적은 다음과 같습니다.

A = πd² / 4

따라서,

A = π × (0.01)² ÷ 4

≈ 7.85 × 10⁻⁵ m²

입니다.


5. 방출계수(Discharge Coefficient)

실제 유체는 이상적으로 방출되지 않습니다.

누출구의 형상과 마찰 때문에 이론값보다 유량이 줄어들 수 있습니다.

이를 보정하기 위해 **방출계수(Cd, Discharge Coefficient)**를 사용합니다.

개념적으로,

Actual Release Rate = Cd × Ideal Release Rate

형태로 적용합니다.

Cd 값은 누출구의 형상과 적용기준에 따라 결정해야 합니다.


6. 가스 누출은 Choked Flow 여부를 먼저 확인

압축성 가스가 고압에서 저압으로 누출될 때는 **초크유동(Choked Flow)**이 발생할 수 있습니다.

초크유동은 압력차를 계속 증가시켜도 누출구에서 유속이 더 이상 증가하지 않는 상태입니다.

쉽게 말하면,

고압 Gas → 작은 Hole → 음속 수준 유동 → 최대 질량유량 제한

으로 이해할 수 있습니다.


7. Critical Pressure Ratio

초크유동 여부는 내부압력과 외부압력의 비를 이용하여 판단할 수 있습니다.

대표적인 임계압력비 개념은 다음과 같습니다.

P₂ / P₁ ≤ [2 / (γ + 1)]^(γ / (γ – 1))

여기서,

기호의미
P₁상류 절대압력
P₂하류 절대압력
γ비열비 Cp/Cv

공기의 γ가 약 1.4라면 임계압력비는 대략 0.53 정도입니다.

즉, 하류압력이 상류압력의 약 절반 이하라면 초크유동이 발생할 가능성이 높습니다.


8. Choked Gas Release Rate 기본식

초크유동에서는 대표적으로 다음과 같은 형태의 식을 사용할 수 있습니다.

ṁ = Cd × A × P₁ × √[(γ / Rspec × T₁) × (2 / (γ + 1))^((γ + 1)/(γ – 1))]

여기서,

기호의미
질량방출률, kg/s
Cd방출계수
A누출구 면적, m²
P₁상류 절대압력, Pa
γ비열비
Rspec가스별 기체상수
T₁상류 절대온도, K

가스별 기체상수는 다음과 같이 계산합니다.

Rspec = R / MW


9. Unchoked Flow 계산

압력차가 충분히 크지 않으면 초크유동이 발생하지 않습니다.

이 경우 하류압력이 유량에 직접 영향을 줍니다.

비초크유동(Unchoked Flow)은 일반적으로 다음 요소를 포함한 압축성 유동식으로 계산합니다.

  • P₁
  • P₂
  • γ
  • 온도
  • 분자량
  • 누출면적
  • Cd

따라서 Gas Release 계산 시 가장 먼저 Choked 또는 Unchoked 여부를 구분하는 것이 좋습니다.


10. 압력은 반드시 절대압력 사용

가스 방출률 계산에서 매우 자주 발생하는 오류입니다.

공정압력이 10 barg라고 해서 식에 10 bar를 그대로 넣으면 안 됩니다.

대기압을 더한 절대압력을 사용해야 합니다.

예를 들어,

10 barg ≈ 11 bara

입니다.

구분사용 여부
Gauge Pressure직접 사용 주의
Absolute Pressure압축성 유동식에 사용

따라서 계산 전에 압력단위를 명확하게 정리해야 합니다.


11. 온도도 절대온도 사용

온도 역시 ℃를 그대로 사용하면 안 됩니다.

기체 유동식에서는 일반적으로 Kelvin을 사용합니다.

예를 들어,

25℃ = 298.15 K

입니다.

온도절대온도
0℃273.15 K
25℃298.15 K
100℃373.15 K

12. 분자량과 기체상수

분자량이 달라지면 가스 밀도와 방출률도 달라집니다.

예를 들어,

가스분자량 대략값
Hydrogen2
Methane16
Propane44
Butane58

같은 압력과 온도에서도 가스 종류에 따라 질량방출률이 달라질 수 있습니다.

따라서 혼합가스라면 평균 분자량을 적절하게 산정해야 합니다.


13. 계산 예시 – 고압 가스 누출

다음 조건의 가스배관을 가정하겠습니다.

항목
가스Methane
상류압력10 barg
절대압력약 11 bara
온도25℃
Hole Diameter10 mm
Cd0.8 가정
γ약 1.3
MW약 16

이 경우 먼저,

  1. 누출구 면적 계산
  2. 절대압력 변환
  3. 임계압력비 확인
  4. Choked 여부 판단
  5. Choked Gas Equation 적용

순서로 계산합니다.

고압 배관에서 대기로 누출되는 경우에는 초크유동이 발생하는 경우가 많습니다.


14. Full Bore Rupture는 단순 Orifice와 다를 수 있다

배관이 완전히 파단되면 단순한 작은 Hole Leak와는 상황이 달라집니다.

다음 요소가 영향을 줍니다.

요소영향
배관 길이압력손실
Upstream Inventory공급량
Valve 위치Isolation 가능
Pipe Diameter초기 방출량
압력감소시간에 따른 방출률 감소
Vessel VolumeBlowdown 특성

따라서 Full Bore Rupture에서는 **시간에 따른 방출률 변화(Transient Release)**까지 평가하는 것이 더 적절할 수 있습니다.


15. 순간 방출률과 총 누출량은 다르다

Release Rate와 Total Release Quantity는 서로 다른 개념입니다.

예를 들어,

  • Release Rate = 2 kg/s
  • ESD Isolation Time = 30 sec

이라고 단순 가정하면,

총 누출량 ≈ 2 × 30 = 60 kg

으로 볼 수 있습니다.

하지만 실제로는 압력이 떨어지면서 Release Rate가 감소할 수 있습니다.

따라서 사고영향평가에서는 다음 두 값을 구분합니다.

항목의미
Release Rate단위시간 누출량
Release Duration누출 지속시간
Release Quantity전체 누출량

16. ESD와 Isolation Time 반영

가스 누출량은 ESD가 얼마나 빨리 작동하는지에 크게 영향을 받습니다.

예를 들어,

Leak 발생 → Gas Detector 감지 → ESD Logic → Isolation Valve Close

순서로 작동한다고 하겠습니다.

전체 격리시간은 다음 요소로 구성될 수 있습니다.

구간시간요소
Detection감지시간
Logic연산시간
Valve Action폐쇄시간
Operator Action필요한 경우
Residual Inventory격리 후 잔존가스

따라서 사고영향평가에서 단순히 Valve Closing Time만 보는 것은 부족할 수 있습니다.


17. 액화가스는 Flashing을 별도로 평가

LPG, Propane, Butane처럼 압력에 의해 액체 상태로 저장되는 물질은 누출 후 압력이 떨어지면서 일부가 즉시 기화할 수 있습니다.

이를 **플래싱(Flashing)**이라고 합니다.

이 경우,

액체 방출 → 압력감소 → 일부 순간기화 → 2상 Jet → 증기운 형성

과 같은 과정이 발생할 수 있습니다.

따라서 액화가스 Release Rate는 단순 Gas Orifice Equation이나 Liquid Equation 하나만으로 충분하지 않을 수 있습니다.


18. Release Rate가 사고결과에 미치는 영향

방출률은 사고결과에 직접적인 영향을 줍니다.

Release Rate 증가가능한 영향
Gas Cloud 증가Flash Fire 범위 증가 가능
Jet Momentum 증가Jet Fire 길이 증가 가능
Fuel Supply 증가열복사 증가 가능
Gas Concentration 증가LEL 거리 증가 가능
Confined Cloud 증가VCE 영향 증가 가능

따라서 Release Rate는 사고영향평가에서 가장 민감한 입력변수 중 하나입니다.


19. PSM에서 Release Rate 산정 시 확인사항

실무에서는 다음 항목을 계산근거로 남기는 것이 좋습니다.

항목확인내용
Fluid어떤 가스인가
Composition혼합조성
Pressure절대압력
Temperature절대온도
Hole Size누출공 크기
Cd방출계수
γ비열비
MW분자량
Flow RegimeChoked / Unchoked
Release Duration누출 지속시간
ESD격리시간
Inventory잔존 재고량

이 자료가 남아 있어야 HAZOP, LOPA, QRA, Hazardous Area 평가 결과를 추적할 수 있습니다.


20. 정리

Flammable Gas Release Rate 산정에서 중요한 것은 단순히 공식을 적용하는 것이 아니라 누출조건을 올바르게 정의하는 것입니다.

검토항목확인내용
유체 상태Gas·Liquid·Two Phase
압력절대압력 사용
온도Kelvin 사용
Hole Size실제 누출 크기
Cd방출계수
Gas Propertyγ·MW
Choked Flow발생 여부
Release Duration누출 지속시간
ESD차단시간
Inventory지속 공급 가능량

실무적인 계산 흐름은 다음과 같습니다.

단계계산절차
누출물질과 조성 확인
Gas·Liquid·Two Phase 구분
운전압력·온도 확인
Hole Size 설정
누출구 면적 계산
압력을 절대압력으로 변환
온도를 Kelvin으로 변환
γ·MW 등 물성값 확인
Choked 여부 판단
Release Rate 계산
ESD·Isolation Time 반영
총 누출량 계산
Flash Fire·Jet Fire·VCE 입력값으로 활용
HAZOP·LOPA·QRA와 연결

특히 주의해야 할 부분은 “운전압력과 Hole Size만 알면 Release Rate가 결정된다”라고 생각하지 않는 것입니다.

같은 10 mm Hole이라도 Methane과 Propane은 결과가 다르고, 5 barg와 50 barg 역시 크게 다릅니다. 또한 Choked Flow인지, 배관이 완전 파단되었는지, ESD가 몇 초 안에 격리하는지에 따라 전체 사고규모가 달라집니다.

따라서 PSM에서는 가연성 가스 방출률을 물성 → 압력·온도 → 누출크기 → 유동상태 → 격리시간 → 총누출량 → 사고영향까지 연결하여 산정하는 것이 중요합니다.

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