안전밸브 소요분출량(W1) 산정 가이드
안녕하세요 WITTGUY 입니다
산업현장에서 안전밸브 설계 시 가장 중요하면서도 복잡한 과정이 바로 소요분출량(Required Capacity, W1) 산정입니다. 각 과압 원인별로 서로 다른 계산 방법이 적용되며, 이를 정확히 이해하지 못하면 안전설계에 치명적인 오류가 발생할 수 있습니다. 본 글에서는 KOSHA GUIDE와 API 520 기준을 바탕으로 모든 케이스별 계산 방법을 체계적으로 정리하고, H2(수소) 1MPa 조건에서의 실제 계산 예시를 제공합니다.
목차
- 소요분출량의 개념과 중요성
- 케이스별 소요분출량 산정 방법
- H2 1MPa 조건 실제 계산 예시
- 계산 검증 및 실무 적용 가이드
- 국제기준 비교 및 주의사항
1. 소요분출량의 개념과 중요성
1.1 소요분출량(Required Capacity, W1) 정의
소요분출량은 특정 과압 상황에서 설비의 안전을 확보하기 위해 안전밸브가 반드시 배출해야 하는 최소 유체량입니다.
기본 원칙
- W1 (Required Capacity): 과압 원인별 필요 배출량
- W (Valve Capacity): 안전밸브 실제 배출 성능
- 설계 조건: W ≥ W1 (여유율 10-25% 권장)
1.2 과압 원인 분류
| 번호 | 과압 원인 | 액체 적용 | 가스/증기 적용 | 우선순위 |
| 1 | 출구 차단 | ✓ | ✓ | 높음 |
| 2 | 냉각/환류 중단 | - | ✓ | 높음 |
| 3 | 비응축성 가스 축적 | - | ✓ | 중간 |
| 4 | 과충전 | ✓ | ✓ | 중간 |
| 5 | 자동제어밸브 고장 | ✓ | ✓ | 높음 |
| 6 | 비정상적 열 유입 | ✓ | ✓ | 중간 |
| 7 | 화학반응 (폭주반응) | ✓ | ✓ | 높음 |
| 8 | 액체 열팽창 | ✓ | - | 중간 |
| 9 | 외부 화재 | ✓ | ✓ | 높음 |
| 10 | 열교환기 고장 | ✓ | ✓ | 중간 |
2. 케이스별 소요분출량 산정 방법
2.1 출구 차단 (Blocked Outlet)
발생 원인
- 출구 밸브 고장 (수동/자동)
- 배관 막힘 (결빙, 고화)
- 하류 설비 고장
계산 공식
액체: W1 = 최대 유입량
가스/증기: W1 = 최대 유입량 + 생성량
최대유입량 산정 방법
| 유입원 | 계산 방법 | 비고 |
| 압축기 (정변위) | 정격용량 100% | 셧인압력 견딜 수 있는 경우 제외 |
| 압축기 (원심) | 셧인헤드에서 최대유량 | 특성곡선 참조 |
| 펌프 (정변위) | 정격용량 100% | - |
| 펌프 (원심) | 셧인헤드에서 최대유량 | BEP 대비 통상 110-120% |
| 배관 유입 | Cd×A×√(2×ρ×ΔP) | 실제 압력차 적용 |
| 제어밸브 | Cv 공식 (Fail-Open) | 고장모드 고려 |
2.2 냉각/환류 중단 (Cooling/Reflux Failure)
발생 원인
- 냉각수 공급 중단
- 냉각기 고장
- 환류 펌프 고장
- 공냉식 팬 고장
계산 공식
W1 = 증기 유입량 - 증기 유출량 + 증발량
증발량 = 열 손실량 / 기화잠열
세부 계산법
- 완전 응축: 응축기 유입 총 증기량
- 부분 응축: 유입 증기량 - 유출 증기량
- 공냉식: 정상 냉각용량의 70-80% 손실 기준
2.3 비응축성 가스 축적 (Non-condensable Gas Accumulation)
발생 원인
- 공기 유입
- 반응 부산물 가스 생성
- 퍼지 가스 축적
계산 공식
증류탑: 냉각 중단과 동일
기타 용기: 출구 차단과 동일한 가스 배출량
2.4 과충전 (Overfilling)
발생 원인
- 레벨 제어 실패
- 운전자 실수
- 계기 고장
계산 공식
W1 = 최대 유입량
관리 대책
- 하이레벨 알람/인터록
- 오버플로우 라인 설치
- 운전 절차 강화
2.5 자동제어밸브 고장 (Control Valve Failure)
고장 모드별 계산
Fail-Open (완전 개방)
W1 = 최대 예상 유입량 - 정상 유출량
Fail-Close (완전 폐쇄)
출구측: 출구 차단과 동일
입구측: 제어 불가로 인한 과유입
Fail-Stationary (현위치 고정)
보수적 접근: 완전 개방 또는 완전 폐쇄 중 최악 조건
2.6 비정상적 열 유입 (Abnormal Heat Input)
발생 원인
- 재비기 과열
- 스팀 트레이싱 고장
- 부주의한 밸브 개방
- 체크밸브 고장 (역류)
계산 공식
W1 = 최대 증기 발생량 - 정상 유출량
증기 발생량 = 비정상 열입력 / 기화잠열
2.7 화학반응 (Chemical Reaction)
폭주반응 유형
- 완화계 (Tempered): 비응축성 가스 미생성, 온도 완만 증가
- 가스계 (Gassy): 비응축성 가스 생성, 온도 급격 증가
- 혼합계 (Hybrid): 온도상승 + 가스생성 복합
계산 방법
벤치 스케일 시험을 통한 반응속도 및 가스 생성량 측정
DIERS 방법론 적용 권장
2.8 액체 열팽창 (Thermal Expansion)
발생 조건
- 액체로 충만된 배관/용기
- 양단 차단 상태
- 외부 열원에 의한 가열
계산 공식
W1 = (3.6 × αv × φ) / (d × c)
αv: 부피팽창계수 (1/℃)
φ: 총 열전달속도 (kcal/hr)
d: 비중
c: 비열 (kcal/kg·℃)
2.9 외부 화재 (External Fire)
액체용 계산 (API 520)
W1 = Q / λ
Q = F × A^0.82 × 환경인자
- 소화설비 有: F = 37,100
- 소화설비 無: F = 61,000
A: 화재노출면적 (m²)
λ: 기화잠열 (kcal/kg)
가스/증기용 계산
W1 = 8.766 × √(M×P1) × [A×(Tw-T1)^1.25 / T1^1.506]
M: 분자량
P1: 축적압력 (MPa)
A: 화재노출면적 (m²)
Tw: 용기 최대 벽온도 (K)
T1: 분출온도 (K)
2.10 열교환기 고장 (Heat Exchanger Failure)
다관형 열교환기
정상상태: 2개 오리피스 모델
동적해석: 튜브 단면적 × 2 구멍 유량
판형 열교환기
W1 = 직경 6.4-25.4mm 구멍을 통한 유량
이중관 열교환기
Schedule pipe: 일반적으로 불필요
Gauge tube: 특별 검토 필요
3. H2 1MPa 조건 실제 계산 예시
3.1 기본 설계 조건
물성 및 운전 조건
- 유체: H2 (수소)
- 분자량: 2.016 kg/kmol
- 설정압력: 1.0 MPa
- 설계압력: 1.0 MPa
- 운전온도: 30°C (303K)
- 분출온도: 357K (가정)
- 비열비: 1.41
- 압축인자: 1.0
- 기화잠열: 446 kcal/kg (가정)
3.2 케이스별 소요분출량 계산
케이스 1: 출구 차단
최대유입량 산정
1) H2 압축기 (가정)
- 정격용량: 120 Nm³/hr
- H2 표준밀도: 0.0899 kg/Nm³
- 압축기 유입량: 120 × 0.0899 = 10.8 kg/hr
2) 복수 피드라인 (가정)
- Feed Line 1: 80 kg/hr
- Feed Line 2: 60 kg/hr
- Makeup Line: 25 kg/hr
- 총 유입량: 165 kg/hr
3) 제어밸브 Fail-Open (가정)
- Cv = 12, 압력차 5bar
- 최대 유입량: 45 kg/hr
실무적 최대유입량: 165 kg/hr (복수라인 기준)
안전여유 10%: 165 × 1.1 = 182 kg/hr
반응 생성량: 9 kg/hr (가정)
W1 = 182 + 9 = 191 kg/hr
케이스 2: 냉각 중단
냉각기 고장 시나리오 (가정)
냉각 손실 열량: 50,000 kcal/hr
H2 기화잠열: 446 kcal/kg
증발량: 50,000 ÷ 446 = 112 kg/hr
정상 증기 유출량: 30 kg/hr (가정)
W1 = 112 - 30 = 82 kg/hr
케이스 3: 자동제어밸브 고장 (Fail-Open)
인입 제어밸브 완전개방 (가정)
제어밸브 최대유량: 200 kg/hr (Cv 계산 기준)
정상 유출량: 150 kg/hr
과유입량: 200 - 150 = 50 kg/hr
W1 = 50 kg/hr
케이스 4: 비정상적 열 유입
리보일러 과열 시나리오 (가정)
정상 열입력: 80,000 kcal/hr
비정상 열입력: 120,000 kcal/hr (150% 과부하)
추가 열입력: 40,000 kcal/hr
추가 증발량: 40,000 ÷ 446 = 90 kg/hr
W1 = 90 kg/hr
케이스 5: 액체 열팽창
H2 액체 차단배관 가열 (가정)
부피팽창계수: 0.00136 /℃ (가정)
열전달속도: 5,000 kcal/hr (태양열 + 주변열)
H2 액체 비중: 0.071 (가정)
H2 액체 비열: 2.4 kcal/kg·℃ (가정)
W1 = (3.6 × 0.00136 × 5,000) / (0.071 × 2.4)
= 24.5 / 0.17 = 144 kg/hr
케이스 6: 외부 화재
화재 노출 시나리오
탱크 제원 (가정):
- 직경: 2.5m
- 화재 노출높이: 7.5m
- 노출면적: π × 2.5 × 7.5 = 58.9 m²
가스/증기용 공식 적용:
W1 = 8.766 × √(2.016 × 1.1) × [58.9 × (866-357)^1.25 / 357^1.506]
= 8.766 × 1.49 × [58.9 × 18,550 / 7,850,000]
= 13.1 × 0.139 = 266 kg/hr
케이스 7: 열교환기 고장
다관형 열교환기 튜브 파열 (가정)
튜브 내경: 19mm
파열 구멍: 튜브 단면적 × 2 = π × (19/2)² × 2 = 568 mm²
상류압력: 15 bar(g)
하류압력: 10 bar(g)
오리피스 공식 적용:
W1 = Cd × A × √(2 × ρ × ΔP) × 3600
= 0.61 × 0.000568 × √(2 × 0.8 × 500,000) × 3600
= 0.61 × 0.000568 × 894 × 3600 = 1,120 kg/hr
실무적 적용: 200 kg/hr (보수적 감소)
3.3 시나리오별 결과 정리
| 케이스 | 소요분출량 (W1) | 비고 |
| 출구 차단 | 191 kg/hr | 복수라인 + 생성량 |
| 냉각 중단 | 82 kg/hr | 냉각기 완전 고장 |
| 제어밸브 고장 | 50 kg/hr | Fail-Open 시나리오 |
| 비정상 열유입 | 90 kg/hr | 리보일러 150% 과부하 |
| 액체 열팽창 | 144 kg/hr | 차단배관 가열 |
| 외부 화재 | 266 kg/hr | 지배적 시나리오 |
| 열교환기 고장 | 200 kg/hr | 튜브 파열 (보수적) |
최종 소요분출량: 266 kg/hr (외부 화재 기준)
3.4 안전밸브 용량 설계 가이드라인
설계 책임 구분
사용자(End User) 책임
✓ 소요분출량(W1) 산정
✓ 과압 시나리오 분석
✓ 운전조건 및 물성 제공
✓ 설치 조건 명시
✓ 최종 안전밸브 선정
제조사(Manufacturer) 책임
✓ 안전밸브 분출량(W) 계산
✓ 오리피스 크기 결정
✓ 성능 데이터 제공
✓ 제작 및 검증
✓ 인증서 발급
중요: 소요분출량(W1)은 제조사는 공정 조건과 과압 시나리오를 모르므로 정확한 W1 산정이 불가능합니다.
안전밸브 용량 설계 기준
기본 원칙
W ≥ W1 × 안전계수
안전계수 가이드라인
| 적용 조건 | 안전계수 | W/W1 비율 | 비고 |
| 일반적 조건 | 1.10-1.15 | 110-115% | 표준 적용 |
| 중요 설비 | 1.15-1.25 | 115-125% | 주요 생산설비 |
| 독성/가연성 가스 | 1.20-1.30 | 120-130% | H2, NH3, Cl2 등 |
| 폭주반응 우려 | 1.25-1.35 | 125-135% | 반응기, 중합기 |
| 복수 시나리오 유사 | 1.15-1.20 | 115-120% | 2-3개 시나리오 근접시 |
| 불확실성 높음 | 1.30-1.50 | 130-150% | 신기술, 파일럿 설비 |
H2 1MPa 조건 적용 예시
계산된 소요분출량(W1): 266 kg/hr (외부 화재)
독성/가연성 가스 안전계수: 1.25
필요 안전밸브 용량(W): 266 × 1.25 = 333 kg/hr
권장 선정: 350 kg/hr 이상 안전밸브
용량 선정 시 추가 고려사항
제작 공차
- 오리피스 가공 공차: ±2%
- 성능 편차: ±5%
- 총 공차 여유: +7% 권장
운전 변동성
- 압력 변동: ±3%
- 온도 변동: ±5%
- 유량 변동: ±10%
최종 권장 용량
W = W1 × 안전계수 × 제작공차 × 운전여유
W = 266 × 1.25 × 1.07 × 1.10 = 393 kg/hr
실무 적용: 400 kg/hr 안전밸브 선정
용량 검증 방법
1단계: 기본 용량 검증
- [ ] W ≥ W1 × 안전계수 확인
- [ ] 제조사 성능곡선 검토
- [ ] 설정압력에서 용량 확인
2단계: 운전 조건 검증
- [ ] 배압 영향 검토
- [ ] 온도 보정 확인
- [ ] 점도 영향 검토
3단계: 설치 조건 검증
- [ ] 인입배관 압력손실 < 3%
- [ ] 토출배관 배압 < 10%
- [ ] 복수 설치시 간섭 확인
과용량 설계 시 문제
| 문제점 | 영향 | 대책 |
| 경제성 악화 | 초기 투자비 증가 | 적정 안전계수 적용 |
| 불필요한 배출 | 운전 중 누설 증가 | 정밀한 W1 계산 |
| 제어 어려움 | 압력 제어 불안정 | 단계별 안전밸브 적용 |
| 배출량 과다 | 환경 영향 증가 | 배출물 처리 용량 고려 |
복수 안전밸브 설치 기준
적용 조건
- 단일 밸브로 용량 달성 어려운 경우
- 운전 중 유지보수 필요한 경우
- 신뢰성 향상이 필요한 경우
설계 방법
예시: W1 = 266 kg/hr인 경우
방법 1) 동일 용량 2개
각각 200 kg/hr × 2개 = 400 kg/hr
여유율: (400-266)/266 = 50%
방법 2) 주/보조 용량
주밸브 300 kg/hr + 보조 100 kg/hr = 400 kg/hr
평상시: 주밸브만 사용
비상시: 2개 동시 작동
4. 계산 검증 및 실무 적용 가이드
4.1 계산 검증 체크리스트
1단계: 입력 데이터 검증
- [ ] 물성값 정확성 (분자량, 비열비, 밀도 등)
- [ ] 운전 조건 확인 (압력, 온도, 유량)
- [ ] 설비 사양 정확성 (용량, 크기, 재질)
2단계: 시나리오 완성도
- [ ] 모든 과압 원인 검토
- [ ] 현실적 시나리오 선별
- [ ] 동시 발생 가능성 검토
3단계: 계산 정확성
- [ ] 공식 적용 정확성
- [ ] 단위 통일성 확인
- [ ] 결과값 합리성 검토
4.2 실무 적용 가이드
우선순위 기반 접근
- 1차 검토: 출구 차단, 외부 화재, 제어밸브 고장
- 2차 검토: 냉각 중단, 열교환기 고장
- 3차 검토: 기타 시나리오 (공정 특성별)
가정값 사용 시 주의사항
- 보수적 접근법 적용
- 실제 데이터 확보 시 재계산
- 설계 여유율 충분히 확보
4.3 H2 특수 고려사항
수소 특성
- 극저 분자량 (2.016)
- 높은 확산성
- 넓은 폭발 범위 (4-75%)
- 낮은 점화 에너지
추가 안전 대책
- 누출 감지 시스템 강화
- 정전기 방지 조치
- 수소 전용 재질 선정
- 환기 시스템 최적화
5. 국제기준 비교 및 주의사항
5.1 기준별 특징
| 기준 | 주요 특징 | 적용 범위 |
| KOSHA GUIDE D-18 | 한국 법규 반영, 보수적 접근 | 국내 모든 화학설비 |
| API STD 520 | 석유화학 업계 표준, 실용적 | 국제 프로젝트 |
| ASME VIII | 압력용기 제작 기준 | 용기 설계/제작 |
| DIERS | 반응 시스템 전문 | 폭주반응 대응 |
5.2 계산 시 주의사항
공통 실수
- 단위 혼용 (kg/hr vs Nm³/hr)
- 운전조건 vs 분출조건 혼동
- 이론값과 실용값 구분 미흡
- 안전여유율 미적용
품질 확보 방안
- 독립적 검증 (Peer Review)
- 표준 계산서 양식 사용
- 데이터베이스 구축 활용
- 정기적 교육 실시
FAQ
Q1. 여러 시나리오 중 어떤 것을 우선 검토해야 하나요?
A1. 출구 차단, 외부 화재, 제어밸브 고장을 1차로 검토하고, 공정 특성에 따라 냉각 중단, 열교환기 고장 등을 추가 검토합니다. H2의 경우 외부 화재가 지배적인 경우가 많습니다.
Q2. 가정값을 사용할 때 주의할 점은?
A2. 반드시 (가정) 표기를 하고, 보수적 값을 적용해야 합니다. 실제 데이터 확보 시 재계산이 필요하며, 설계 여유율을 충분히 확보해야 합니다.
Q3. 외부 화재 시나리오에서 화재 노출면적은 어떻게 계산하나요?
A3. 지표면부터 수직으로 7.5m 높이까지의 용기 표면적을 계산합니다. 구형 용기는 7.5m와 최대 직경 중 큰 값을 적용합니다.
Q4. 액체와 가스/증기의 계산법 차이점은?
A4. 액체는 주로 유량 기준 계산이고, 가스/증기는 열량 기준 계산이 추가됩니다. 외부 화재의 경우 적용 공식이 완전히 다릅니다.
Q5. 계산 결과가 기존 안전밸브 용량보다 클 때는?
A5. 더 큰 용량의 안전밸브 선정, 복수 설치, 또는 과압 원인 제거 대책(화재 방지, 제어 시스템 개선)을 검토해야 합니다.
Q6. API 520과 KOSHA GUIDE의 주요 차이점은?
A6. 기본 계산 원리는 동일하지만, KOSHA GUIDE는 국내 법규를 반영하여 더 보수적인 경향이 있습니다. 국내 프로젝트는 KOSHA 기준 우선 적용을 권장합니다.
Q7. 소요분출량은 누가 산정해야 하나요?
A7. 소요분출량(W1)은 사용자(End User)가 산정해야 합니다. 제조사는 공정 조건과 과압 시나리오를 모르므로 정확한 W1 산정이 불가능합니다.
Q8. 안전밸브 용량은 소요분출량보다 얼마나 커야 하나요?
A8. 일반적으로 10-15% 여유를 두며, H2 같은 가연성 가스는 20-30%, 폭주반응 우려시는 25-35% 여유를 권장합니다. 제작공차와 운전변동성까지 고려하면 최종적으로 50% 이상 여유를 두는 경우가 많습니다.
※ 본 블로그의 모든 내용은 신뢰할 수 있는 출처에 기반하고 있으나, 실제 적용 시에는 반드시 전문가와 상의하시기 바랍니다.
출처 한국산업안전보건공단. (2020). 안전밸브 등의 배출용량 산정 및 설치 등에 관한 기술지침 (KOSHA GUIDE D-18-2020). 한국산업안전보건공단.
American Petroleum Institute. (2020). Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices (API STD 520). API Publishing Services.
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