안전밸브 소요분출량 계산 완전 정리

 

안전밸브 소요분출량 계산 완전 정리 | KGS FP111 외부화재 기준 실무 가이드

KGS FP111 §2.6.1.6.4에 따른 안전밸브(PSV) 소요분출량은 외부화재 시 노출 표면적, 분출 결정압력, 벽면 온도를 대입하여 산출하며, 설정압력의 121% 축적압력이 핵심 기준입니다.

---

3줄 핵심 요약

1. 외부화재 시 소요분출량(W)은 KGS FP111 §2.6.1.6.4 공식에 분자량(M), 분출결정압력(P₁), 벽면온도(Tw), 가스온도(T₁), 노출표면적(Aw)을 대입하여 계산합니다.
2. 분출량 결정압력은 설정압력의 121%에 대기압을 더한 절대압력을 사용하며, 이는 화재 시 허용 축적압력의 상한 기준입니다.
3. 탄소강 용기의 벽면 온도는 규정상 865 K(592°C)를 사용하며, 노출 표면적은 지면으로부터 수직 7.6 m 이하 구간만 적용합니다.

---

안녕하세요 WITTGUY 입니다.

고압가스 설비의 안전밸브(PSV, Pressure Safety Valve) 용량 산정은 설비 안전 설계의 핵심 과정입니다. 특히 외부화재(External Fire) 시나리오는 다양한 분출 원인 중에서도 별도의 계산 공식이 요구되는 특수 케이스로, KGS FP111 §2.6.1.6.4에 명확한 산출 기준이 규정되어 있습니다.

본 포스팅에서는 안전밸브 소요분출량 계산의 근거 규정과 공식 구조, 변수별 산출 방법을 현장 실무자가 바로 활용할 수 있도록 단계별로 정리하였습니다. 계산 과정에서 실무자들이 자주 범하는 오류 포인트도 함께 정리하였으니 설계 검토 시 참고하시기 바랍니다.

---

목차

1. 적용 규정 및 개요
2. 소요분출량 계산식 구조 이해
3. 핵심 변수 해설 및 산출 방법
4. 계산 과정 단계별 상세 정리
5. 최종 결과 및 실무 적용

---

1. 적용 규정 및 개요

안전밸브 소요분출량 계산은 고압가스 안전관리법과 KGS FP111 2021(고압가스 특정제조의 시설·기술·검사·감리·정밀안전검진 기준)을 근거로 수행합니다. 외부화재에 의한 기체·증기 분출 시나리오는 §2.6.1.6.4에 별도 공식이 규정되어 있으며, 고압가스 설비가 외부 화염에 노출되었을 때 안전밸브를 통해 배출해야 할 최소 분출량을 결정하는 데 사용합니다.

항목	내용
적용 법규	고압가스 안전관리법 / KGS FP111 2021
적용 조항	§2.6.1.6.4 — 기체·증기, 외부화재 노출 시
분출결정압력 기준	§2.6.1.5 (2) — 화재 시 최고허용압력 × 121% 이하
노출 면적 기준	지면으로부터 수직높이 7.6 m 이하 표면적(Aw)
국제기준 특례	§2.6.1.9 — API, ASME, ISO 공인기준 적용 시 인정

 

핵심 정리: KGS FP111의 외부화재 소요분출량 계산은 API 520/521, ASME Sec. VIII과 유사한 개념을 국내 SI 단위계로 변환 적용한 것입니다. §2.6.1.9에 의해 국제기준 적용도 인정되므로, 프로젝트 요건에 따라 선택적으로 적용할 수 있습니다.

---

2. 소요분출량 계산식 구조 이해

KGS FP111 §2.6.1.6.4에서 규정하는 소요분출량(W) 계산식은 다음과 같습니다.

 

 

• W : 소요 분출량 (kg/hr)
• M : 유체 분자량 (g/mol)
• P₁ : 분출량 결정압력 (kPaa)
• Tw : 용기 벽면 온도 (K)
• T₁ : 분출 시 가스 온도 (K)
• Aw : 화재 노출 표면적 (m²)
• 0.277 : SI 단위 환산 계수 (KGS FP111 고유 상수)

항(Term)	물리적 의미
√(M × P₁)	분자량과 압력이 클수록 단위면적당 열흡수량 증가 → 분출량 증가
[(Tw−T₁)/(2T₁)]^1.25	벽면 온도와 가스 온도 차이가 클수록 열전달 증가 → 분출량 증가. 지수 1.25는 대류 열전달의 비선형성을 반영한 경험 지수
Aw	화염 노출 면적이 넓을수록 흡수 열량 증가 → 분출량 비례 증가

 

실무 핵심: 이 공식은 화재 시 용기가 흡수하는 열량에 의해 기화·팽창하는 유체를 안전밸브가 안전하게 배출하기 위한 최소 용량을 산출하는 것입니다. 안전밸브 선정 시 이 값(W) 이상의 분출 용량을 갖는 제품을 선택해야 합니다.

---

3. 핵심 변수 해설 및 산출 방법

기호	변수명	의미 및 설명	단위	KGS 규정 근거
W	소요 분출량	화재 시 안전밸브를 통해 배출해야 할 최소 시간당 질량	kg/hr	§2.6.1.6.4 결과값
M	분자량	유체의 분자량. 분자량이 클수록 분출량 증가	g/mol	§2.6.1.6.4 입력값
P₁	분출결정압력	설정압력×1.21 + 101.325 kPa. 화재 시 축적압력	kPaa	§2.6.1.5 (2)
Tw	용기 벽면 온도	화재 시 외벽 최대 온도. 탄소강 권장값 865 K	K	§2.6.1.6.4
T₁	분출 시 가스 온도	T₁ = (P₁/Pn) × Tn. 분출 압력 대응 가스 절대온도 추정	K	§2.6.1.6.4
Aw	노출 표면적	화재 시 노출 용기 표면적. 지면 7.6 m 이하만 적용	m²	§2.6.1.6.4

3-1. 분출량 결정압력(P₁) 산출 — §2.6.1.5 (2)

P₁ = 설정압력(kPag) × 1.21 + 101.325 [kPaa]

 

화재 시 허용 축적압력은 최고허용압력의 121% 이하로 규정되어 있으며, 이를 절대압력으로 환산하여 계산에 적용합니다. 21%의 초과압력(Overpressure)이 정상 운전(10%) 대비 더 큰 이유는 화재라는 비상 시나리오의 특수성 때문입니다.

분출 원인 시나리오	최대 허용 축적압력	비고
정상 분출 (단일 밸브)	최고허용압력 × 110%	10% 초과압력
정상 분출 (다중 밸브)	최고허용압력 × 116%	16% 초과압력
외부 화재	최고허용압력 × 121%	21% 초과압력 ← 본 계산 적용

3-2. 분출 시 가스 온도(T₁) 산출

T₁ = (P₁ / Pn) × Tn [K]

 

정상운전 조건의 압력과 온도를 기준으로, 분출 결정압력까지 상승했을 때의 가스 온도를 이상기체 비례 관계로 추정합니다. 규정에서 인정하는 단순화된 근사식입니다.

3-3. 노출 표면적(Aw) 적용 기준

화재 노출 표면적은 지면으로부터 수직높이 7.6 m까지 노출되는 표면적만 적용합니다. API 521에서도 동일하게 25 ft(약 7.6 m)를 적용하는 국제 공통 기준입니다.

구분	적용 기준
적용 높이 범위	지면으로부터 수직 7.6 m 이하 구간
적용 대상 면적	화염에 노출되는 용기 외표면 (단열재 없는 경우)
단열재 적용 시	인정 기준 충족 시 Aw 저감 가능 (별도 확인 필요)
용기 형태	원통형, 구형 등 형상에 따라 면적 계산 방법 상이

---

4. 계산 과정 단계별 상세 정리

아래는 수증기(H₂O, M=18, k=1.33)를 유체로 하는 설계 조건에 대한 단계별 계산 예시입니다.

항목	기호	값	단위
유체	—	수증기(H₂O)	—
분자량	M	18	g/mol
비열비	k	1.33	—
설정압력	P	700	kPag
정상운전압력	Pn	651.325	kPaa
정상운전온도	Tn	303.15	K (30°C)
용기 벽면 온도	Tw	865.0	K (탄소강 기준)
노출 표면적	Aw	1.3300	m²

 

단계	항목	계산식	결과값	단위	근거 조항
1	분출결정압력(P₁)	700 × 1.21 + 101.325	948.325	kPaa	§2.6.1.5 (2)
2	분출 시 가스온도(T₁)	(948.325 / 651.325) × 303.15	441.17	K	§2.6.1.6.4
3	온도항 분자	865.0 − 441.17	423.83	K	식 계산
4	온도항 분모	2 × 441.17	882.34	K	식 계산
5	온도항 비율	423.83 / 882.34	0.4860	—	식 계산
6	온도항^1.25	0.4860^1.25	0.4023	—	식 계산
7	√(M × P₁)	√(18 × 948.325)	130.67	—	식 계산
8	소요분출량(W)	0.277 × 130.67 × 0.4023 × 1.33	11.043	kg/hr	§2.6.1.6.4

 

실무 핵심: 온도항 [(Tw−T₁)/(2T₁)]^1.25 은 중간 계산에서 오류가 가장 많이 발생하는 구간입니다. Tw와 T₁ 모두 반드시 절대온도(K, 켈빈)로 입력해야 하며, 섭씨(°C)를 그대로 사용하면 계산 결과가 크게 달라집니다.

---

5. 최종 결과 및 실무 적용

항목	결과
소요 분출량(W)	11.043 kg/hr
적용 계산식	W = 0.277 × √(M×P₁) × [(Tw−T₁)/(2T₁)]^1.25 × Aw
근거 규정	KGS FP111 2021 §2.6.1.6.4 (기체·증기, 외부화재 노출)
축적압력 근거	KGS FP111 §2.6.1.5 (2) — 화재 시 최고허용압력의 121%

 

안전밸브 선정 시에는 위에서 계산된 소요분출량(W = 11.043 kg/hr) 이상의 분출 용량(Relieving Capacity)을 갖는 제품을 선택해야 합니다. 실제 안전밸브의 분출 용량은 제조사 성적서 또는 인증된 용량 계산을 통해 확인합니다.

 

실무에서 자주 틀리는 포인트

구분	올바른 적용	잘못된 적용 (오류)
P₁ 산출	설정압력(kPag) × 1.21 + 101.325 → kPaa	게이지압력에 직접 1.21 적용 후 사용
T₁, Tw 단위	반드시 절대온도 K(켈빈) 사용	섭씨(°C)를 그대로 대입
Aw 범위	지면 수직 7.6 m 이하 면적만 적용	용기 전체 표면적을 Aw로 사용
분출결정압력	화재 시나리오 → 최고허용압력 × 121%	정상 분출 기준 10% 초과압력 적용
단위 혼용	전 과정 SI 단위(kPaa, K, m², kg/hr) 통일	kPag / kPaa 혼용으로 환산 오류

---

FAQ

Q1. 외부화재 시나리오에서 초과압력을 21%로 적용하는 이유는 무엇입니까?

👉 핵심 요약: 화재는 비상 시나리오이므로 정상 분출(10%)보다 더 큰 21% 초과압력이 허용됩니다.

화재(External Fire)는 단기간에 대량의 열이 유입되는 비상 시나리오입니다. 정상 공정 과압 시나리오에서는 최고허용압력의 110% 이내가 적용되지만, 화재 시에는 단일 안전밸브 기준으로도 121%까지 허용됩니다. 이는 API 521 및 ASME Sec. VIII에서도 동일하게 적용되는 국제 공통 기준입니다.

---

Q2. 탄소강 용기의 벽면 온도(Tw)로 왜 865 K(592°C)를 사용합니까?

👉 핵심 요약: 865 K는 탄소강의 크리프(Creep) 한계 온도로, KGS FP111 §2.6.1.6.4에서 규정하는 설계 기준 온도입니다.

865 K(약 592°C)는 일반 탄소강이 크리프 변형 및 강도 저하가 본격적으로 시작되는 온도입니다. 스테인리스강이나 합금강은 재질 특성에 따라 다른 Tw 값을 적용할 수 있으며, 이 경우 재질별 물성 데이터와 규정 확인이 필요합니다.

---

Q3. KGS FP111 §2.6.1.6.4와 API 521의 계산 결과가 다를 수 있습니까?

👉 핵심 요약: 단위 환산 계수와 세부 공식 구조가 다르므로 결과 차이가 발생할 수 있으며, §2.6.1.9에 따라 API 기준 적용도 인정됩니다.

KGS FP111 §2.6.1.6.4는 SI 단위 기반의 환산 계수 0.277을 사용하는 고유 공식입니다. API 521은 Field 단위 또는 SI 단위를 함께 제공하며 일부 계수가 다릅니다. §2.6.1.9에 따르면 API, ASME, ISO 등 공인 국제기준을 적용한 경우에도 적합한 것으로 인정되므로, 사용 기준을 계산서에 명확히 명기하는 것이 중요합니다.

---

Q4. 단열재가 적용된 용기의 경우 노출 표면적(Aw)은 어떻게 처리합니까?

👉 핵심 요약: 단열재가 인정 기준을 충족하면 Aw를 저감할 수 있으나, 인허가 기관의 판단이 우선합니다.

단열재의 종류·두께·내화 성능이 규정 기준을 충족하는 경우 유효 노출 면적(Aw)을 저감할 수 있습니다. 단, 단열재 손상·탈락 가능성을 고려하여 보수적인 접근이 권장되며, 단열재 인정 여부는 사전에 관할 기관 또는 전문가와 확인하시기 바랍니다.

---

Q5. 소요분출량(W) 계산 결과를 어떻게 안전밸브 선정에 활용합니까?

👉 핵심 요약: 선정하는 안전밸브의 분출 용량이 계산된 W 이상이어야 하며, 인증된 성적서로 확인합니다.

소요분출량(W)은 해당 시나리오에서 안전밸브가 반드시 처리해야 할 최소 분출 질량 유량입니다. 제조사의 분출 용량(Certified Relieving Capacity)이 W 이상인 모델을 선정하며, 동일한 유체·분출결정압력(P₁)·배압(Back Pressure) 조건 하에서 평가된 값이어야 합니다. KGS 또는 국제 인증(API, ASME, PED 등)이 확인된 성적서를 기준으로 검토합니다.

---

출처

한국가스안전공사. (2021). KGS FP111 2021: 고압가스 특정제조의 시설·기술·검사·감리·정밀안전검진 기준 (§2.6.1.4, §2.6.1.5, §2.6.1.6.4, §2.6.1.9). 한국가스안전공사.

산업통상자원부. (2021). 고압가스 안전관리법. 산업통상자원부.

American Petroleum Institute. (2021). API Standard 521: Pressure-relieving and Depressuring Systems (7th ed.). API Publishing Services.

American Society of Mechanical Engineers. (2021). ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VIII: Rules for Construction of Pressure Vessels. ASME.

---

※ 본 블로그의 모든 내용은 신뢰할 수 있는 출처에 기반하고 있으나, 실제 적용 시에는 반드시 전문가와 상의하시기 바랍니다.

---

안전밸브 소요분출량 계산 및 고압가스 설비 안전에 관한 더 자세한 정보는 www.wittguy.kr  을 방문해 주십시오.

WITTGUY 의 라이브러리

 

---

#안전밸브 #PSV #소요분출량계산 #KGSFP111 #고압가스안전관리법 #외부화재 #안전밸브선정 #과압방지 #압력용기안전 #고압가스설비