플레어량 (FLARE LOAD)과 화재면적 기준

플레어량(Flare Load)은 플레어스텍의 용량을 결정하는데 결정적인 영향을 미친다. 플레어량을 결정하는 방법과 2020년에 KOSHA GUIDE의 화재 면적 기준이 개정되었으며 이 내용에 대해 알아보겠습니다.     

 1  용어정의

• “플레어시스템 (Flare system)”이라 함은 안전밸브 등에서 배출되는 물질을 모아 플레어스택에서 소각시켜 대기 중으로 방출하는데 필요한 일체의 설비를 말하며 플레어헤더, 녹아웃드럼, 액체 밀봉드럼 및 플레어스택 등과 같은 설비를
포함한다.

• “플레어량 (Flare load)”이라 함은 냉각수공급 중단, 전원공급 중단, 또는 외부화재 등과 같은 요인에 의하여 안전밸브 등이 동시에 작동되어 배출될 수 있는 분출용량의 합계 중 가장 큰 수치를 말한다.

 

• “플레어스택 (Flare stack)”이라 함은 플레어시스템 중 스택형식의 소각탑으로서 스택지지대, 플레어팁, 파이롯버너 및 점화장치 등으로 구성된 설비 일체를 말한다.

Flare System *https://ars.els-cdn.com/

 2  플레어량 (FLARE LOAD)

화학설비에서 과압의 CASE가 형성되면 안전밸브 (PSV)가 동작하여 플레어스텍으로 화학물질이 배출됩니다. 외부 화재가 발생하면 화학설비에 저장되어 있는 인화성물질이 끓어 올라 압력이 상승하게 됩니다. 화재 발생 위치 근처에 있는 설비를 적용하며 KOSHA GUIDE 및 API 521 CODE에서는 화재 구역의 범위를 230～460㎡으로 정하고 있다. 정전 등으로 인하여 전원이 차단되면 CW공급이 불가능한 상황에 의해 화학설비의 제열이 불량하여 화학설비인 반응기 또는 열교환기의 온도 상승에 따른 압력 또한 증가될 것이다. 또한 정전 발생시 증류 타워의 경우 Bottom Reboiler에 Steam 차단이 되지 않을 경우 증류, 정제 타워의 온도가 계속 상승하여 플레어 로드에 영향을 미친다. 정전 상황이 아니더라도 CW Pump 고장 등으로 인한 CW공급이 불가한 상황이 발생하여도 반응기 및 열교환기의 제열이 불가능해지므로 내압이 상승하게 된다. 마지막으로 차단 (BLOCK) CASE를 고려해 보아야 한다. 컴프레셔, 펌프 후단의 유체흐름을 차단하는 경우 과압에 의한 안전밸브가 동작될 것이다. 

안전밸브를 설계할 때 일반적으로 외부화재, 전원차단, 냉각수 공급 중단, 차단 네가지 CASE를 STUDY해야 한다. 네가지 CASE중 가장 큰 값으로 계산되는 Governing case로 PSV를 설계, 제작하게 됩니다.  

PSM 및 SMS에서는 FLARE LOAD를 체계적으로 관리하도록 규정하고 있습니다. 아래의 예시를 참조하시기 바랍니다.

 단위 공장별 플레어량 산출내역 

 

 총 플레어량 산출내역 

 

Optimizing Pressure Relief Systems *https://www.chemengonline.com/

 2  안전밸브 소요 배출량

 안전밸브 소요 배출량 

총 증기발생량 산정	화재에 노출 시 장치 내부 압력 감소를 위한 필요 증기배출량은 다음 3가지 증기 발생량을 합하여 산출한다. (가) 화재 열 입력에 따른 액체 증발로 인한 증기 발생량 (나) 감압 중 밀도 변화에 따른 증기량 (다) 감압 시 액체 플래싱으로 인한 증기 발생량
화재 열 입력으로 인한 증기 유량	화재 열 입력 계산 ① 화재 구역은 230 ㎡ ～ 460 ㎡의 지표면적으로 한정한다. ② 증기 발생을 감소하기 위한 방법으로 단열재 추가 또는 단열재 두께 증가를 고려할 수 있다. ③ 화재가 발생한 경우에는 설비 또는 시스템으로 유입 또는 유출이 전혀 발생하 지 않고 내부 열원 또한 중단되는 것으로 가정한다. 소요 배출량 계산 감압 기간 내내 화재가 지속된다고 가정하여 각 용기 별 소요배출량을 구한 후, 증기와 액체의 물성이 다른 용기마다 동일한 계속을 반복한다.
밀도 변화 및 액체 플래싱으로 인한 증기 유량	증기 유량 계산을 위해서는 화재 구역 내 장치와 화재구역 밖이라도 이에 직접 연결된 설비에서 체류하고 있는 액체 체류량(Inventory)과 증기의 부피가 필요하다. 이 양들을 추정하기 위해 다음과 같은 가정을 도입한다. ① 분리탑의 액체 체류량은 탑 하부의 체류량, 트레이의 체류량(Holdup) 및 트레 이 인출량(Draw-off)을 모두 합한 양을 사용한다. 다만, 그 설계값을 알면 그 값을 그대로 사용할 수 있다.  ② 축적기(Accumulator)의 경우 정상 운전 액위까지의 체류량을 사용한다. ③ 다관형 열교환기의 경우, 튜브 번들의 부피는 동체 전체 부피의 1/3이다. ④ 응축기와 증발기는 전체 부피의 20%는 액체, 80%는 기체로 채워져 있다.
액체 플래싱으로 인한 소요 배출량	포화상태에 있는 시스템의 감압을 위해서는 온도 강하가 수반되어야 하므로 동적 에너지 수지를 통해 온도 변화에 대응하는 플래시량을 구할 수 있다. 이 과정은 ① 혼합물의 비점 영역에 따라 두 가지로 구분된다. - 순수 화합물 또는 좁은 비점 영역을 갖는 탄화수소 혼합물의 플래시 증기 유량 ② 넓은 비점 영역을 갖는 탄화수소 혼합물의 경우 - 액체 증발에 따른 조성 및 물 성 변화가 크다.  - 단열 플래시 계산  - 화재 효과에 대한 보정

 3  플레어량 (FLARE LOAD)의 컨트롤

플레어 로드는 다양한 방법으로 컨트롤 할 수가 있으며, 총 플레어 로드량을 정량적으로 계산되어 화학공장에서 체계적으로 상시 관리되어야 한다. 

(1) 관리적 대책(Administrative controls)
(2) 안전계장시스템(Safety instrumented system, SIS)

(3) 동적 모델링(Dynamic modeling)
(4) 플레어가스 회수시스템(Flare gas recovery system)
(5) 대기 배출(Atmospheric discharge)



 4  외부화재 CASE 산정방법 변경

 KOSHA GUIDE 
2020년 12월 KOSHA GUIDE가 개정되면서 외부화재 CASE의 기준이 되면 면적값이 달라졌습니다. 
2017년 판에서는 화재 범위를 15m~21m 기준으로 적용을 하였으나, 2020년 판에서는 화재면적 기준으로 230㎡ ~ 460㎡로 개정되었다. 이번 개정으로 KOSHA GUIDE와 API 521의 화재 면적 기준이 동일해 졌다. 참고로 KGS 고압가스안전관리법에서는 API 521 기준을 준용한다.

개정 전 (2017년)	개정 후 (2020년)
9. 화재시의 영향범위 (1) 화재시에는 최소한 지표면으로부터 수직 높이 7.5 m까지 화재의 영향을 받는 것으로 가정하여 용기 등의 내부 액체 접촉면적 (8. (2),(바)의 A)을 계산하여야 한다. 다만, 타원형 또는 구형 용기인 경우에는 지표면으로부터 최대 수평 직경까지의 높이 또는 7.5 m 이내의 높이 중 큰 수치를 적용하여 용기 등의 내부 액체 접촉면적 (8. (2),(바)의 Aw)을 계산하여야 한다. (2) 화재시에는 점화원을 중심으로 최소한 수평거리 15 m에서 21 m 이내의 면적이 화재의 영향을 받는 것으로 간주하여 소요 분출량을 계산하여야 한다.	5.15 화재시의 영향범위 (1) 화재시에는 최소한 지표면으로부터 수직 높이 7.5 m까지 화재의 영향을 받는 것으로 가정하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절의 AL)을 계산하여야 한다. 다만, 타원형 또는 구형 용기인 경우에는 지표면으로부터 최대 수평 직경까지의 높이 또는 7.5 m 이내의 높이 중 큰 수치를 적용하여 용기 등의 내부액체 접촉면적(5.12절의 Aw)을 계산하여야 한다. (2) 화재시에는 점화원 중심으로부터 230 ㎡ ~ 460 ㎡이내의 면적이 화재의 영향을 받는 것으로 간주하여 소요 분출량을 계산하여야 한다.

D-59-2020 플래어시스템의 설계·설치 및 운전에 관한 기술지침.pdf

1.37MB

외부화재 CASE *https://lh3.googleusercontent.com/

 API 521 (2020) 

5.3.2 Loads from Pressure Systems The contingencies to be considered in defining relieving requirements are discussed in Section 4. To define the system load, it is not necessary to assume the simultaneous occurrence of two or more unrelated contingencies. For example, an inadvertently closed valve at the same time a utility failure occurs is not typically considered. Therefore, the analysis should focus on individual initiating events and the resultant effects. Particular study is required for cases of failure of major utilities, such as power or cooling medium. Partial failure and total failure of electrical power, steam, cooling medium, heating medium, and instrument air to an entire plant should be considered. There are cases where partial failures result in higher loads than total failures. This type of study, with reference to electrical power failure, commonly results in a design based on the failure of one bus, although loss of an entire distribution center or of the incoming line can govern the design. Interaction of utilities should also be considered. For example, loss of power can lead to loss of instrument air, steam, heating medium, and/or cooling medium. The most common basis for analyzing cooling-medium or heating-medium failure is the failure of the entire supply. Instrument air failure is commonly considered to be a plant-wide failure unless conditions exist that allow the air supply to continue, such as when automatic makeup from an uninterrupted source or when multiple-compressor-source supplies are provided. Failure of the plant power to electronic or electrical instruments may also be considered, although credit can be given for sufficiently reliable backup power supplies (e.g. uninterruptible power supply). To define the combined relieving loads under fire exposure, the probable maximum extent of a fire should be estimated. As a conservative approach, in the absence of any other governing factors, consideration of a fire-impact area is frequently limited to a ground area of 230 m2 to 460 m2 (2500 ft2 to 5000 ft). A more detailed analysis can show a smaller fire-impact area. This detailed analysis includes consideration of the actual layout of facilities, the location of sources of combustibles, the provision of drainage and the effects of natural barriers. Facilities that handle only flammable gases can be assumed to generate more localized fires than those produced when the release of flammable or combustible liquids results in a pool fire.

 

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