공직파(6) : 공정안전 - PSV Load Summary

저번 글에서는 공정안전을 소개하는 글을 작성했습니다. 공정설계 직무 파헤치기(공직파)에서는 공정안전 업무가 몇 가지 존재합니다. 공정안전 글에서도 해당 링크를 첨부하오니, 스터디에 활용하시기 바랍니다.

 

 

공정설계(Process Engineering) 업무를 수행하다 보면 압력안전밸브(PSV, Pressure Safety Valve)는 가장 중요한 안전설비 중 하나로 자리합니다. 특히 화학 플랜트, 정유·가스 플랜트, 반도체·배터리 공정 등 압력을 다루는 모든 산업에서는 PSV의 설치 기준과 PSV Load Summary 작성이 필수적입니다.

 

이번 글에서는 PSV란 무엇인지, 설치 기준, 필요한 계산 업무, 대표 Case, 국내외 기준의 관점 차이까지 체계적으로 정리해 드리겠습니다.

 

이미지 출처 : ©위키피디아

 

1. PSV란 무엇인가?

PSV(Pressure Safety Valve)는 설비 내부 압력이 허용 가능한 제한값을 초과할 때 자동으로 열려 압력을 배출하는 안전장치입니다.

주요 목적은 다음과 같습니다.

• 설비의 폭발 방지
• 압력 상승에 따른 기기 손상 예방
• 인명·환경 보호

PSV는 보통 Vessel 상단, Heater Outlet, Compressor Discharge, Heat Exchanger Tube Side 등에 설치되며, 설정압력(Set Pressure)과 필요 배출량(Relief Load)에 따라 사이즈가 결정됩니다. 이때 Relief Load 계산의 모든 근거와 결론을 정리한 문서가 바로 PSV Load Summary입니다.

 

2. PSV의 종류

PSV는 작동 방식과 압력 조건에 따라 Conventional, Balanced Bellows, Pilot Operated Type, 그리고 별도 기능 장치인 Rupture Disc로 분류됩니다.

 

① Conventional Type

가장 기본적인 PSV 타입으로, 스프링력에 의해 디스크를 유지하고 있다가 Set Pressure에 도달하면 개방됩니다.

 

특징

• 구조가 단순하고 비용이 저렴합니다.
• Back Pressure에 민감합니다.

적용

• 일반 장비 보호
• Back Pressure가 낮고 일정한 공정
• 일반적으로 Back Pressure가 Set Pressure의 10% 이하 기준에서 Conventional Type을 사용합니다.

 

② Balanced Bellows Type

벨로우즈 구조를 통해 Back Pressure 영향을 상쇄하는 PSV입니다.

 

특징

• Back Pressure 영향을 최소화하여 설정압 유지가 안정적입니다.
• Corrosive 또는 Toxic Service에도 적용 가능

적용

• Flare Header Back Pressure가 높은 공정
• Offshore, Refinery 등 변동 압력이 큰 시스템
• 일반적으로 Back Pressure가 Set Pressure의 30~50% 수준일 때 사용합니다.

 

③ Pilot Operated Type

파일럿 밸브가 메인 밸브를 제어하는 형태의 PSV입니다.

 

특징

• 매우 높은 압력에서도 정확한 Set Pressure 유지
• Back Pressure 영향이 거의 없음
• 대용량에도 적합
• 일반적으로 Back Pressure가 Set Pressure의 50~70% 수준일 때 사용합니다.

단점

• 구조가 복잡하고 가격이 높습니다.
• 파일럿 라인 오염에 취약\

 

④ Rupture Disc (파열판)

PSV 보조 또는 대체 장치로 사용되며, 특정 압력에 도달하면 디스크가 파괴되어 개방됩니다.

 

특징

• Zero Leakage
• 매우 빠른 개방 응답
• Toxic Fluid에서 PSV 오염을 방지

적용

• Pilot PSV 앞단 설치
• Polymerizing 또는 Corrosive Fluid
• Cryogenic 서비스
• 파열판은 Back Pressure 적용 범위가 따로 없습니다.

 

3. PSV를 설치하는 기준

PSV 설치 기준은 국제 규격(API 520/521), 국내 산업안전기준(KOSHA), 고압가스 안전기준(KGS), 그리고 프로젝트별 Client Spec에 의해 결정됩니다. 일반적으로 다음과 같은 경우 PSV 설치가 요구됩니다.

1. 폐쇄 가능한 압력공간(Closed System)일 경우
   – 운전 중 압력이 증가할 가능성이 높기 때문입니다.
2. 열원(Heating Medium)에 의해 과열될 수 있는 장비
   – Fire Case나 Control Valve Failure 시 온도 상승으로 압력 증가 가능성이 존재합니다.
3. 압축기·펌프 등 기계적 압력 증가 요인이 있는 경우
   – Compressor Blocked Outlet → 압력 급상승 대표 사례.
4. 공정 이상(Utility Failure, Cooling Loss 등) 시 압력 상승 가능성 존재
5. 법적 기준에 의해 의무적으로 설치해야 하는 경우

즉, 기본 원리는 “압력 상승 가능성이 있는 모든 공간은 보호장치가 필요하다”는 것입니다.

 

 

4. PSV Load Summary를 작성하기 위한 업무 순서

PSV Load Summary는 단순한 표가 아니라, 공정안전의 근거가 되는 핵심 기술 문서입니다. 작성 절차는 아래 흐름으로 진행됩니다.

① 보호대상 기기 선정

• Vessel, Column, Reactor, Heat Exchanger 등 보호가 필요한 모든 장비 목록을 선정합니다.

② 시나리오(PSV Case) 정의

• API 기준으로 발생 가능한 모든 Overpressure Case를 설정합니다.
• 각 Case는 장비별로 다르게 적용될 수 있습니다.

③ Relief Load 계산

Case별 필요 배출량을 계산합니다. 일반적으로 다음 파라미터가 포함됩니다.

• Inlet/Outlet Pressure
• Temperatures
• Phase (Gas, Liquid, Two-Phase)
• Heat Input (Fire Case)
• Utility Loss 영향

④ PSV Size 선정

API 520 기준에 따라 Orifice Size 계산을 수행합니다. 일반적으로 Orifice 계산 이후 해당 Data를 제조사에 전달하면, 제조사는 법령 및 제조사 기준의 기성 Orifice를 적용합니다. 

 

⑤ PSV Data Sheet 작성

Set Pressure, Overpressure %, Fluid Property, Required Orifice Size 등을 반영합니다.

 

⑥ PSV Load Summary 테이블 정리

최종적으로 다음 항목을 체계적으로 정리합니다.

• 보호대상 기기(Protected Equipment)
• PSV 번호
• Case 별 Relief Load
• Design Pressure, Set Pressure
• Calculation Basis 및 Reference
• Phase 및 Capacity

⑦ HAZOP 및 Safeguard 검증

• 설정된 PSV Case와 기준이 타당한지 검증합니다.

 

 

5. PSV Case는 어떤 것이 있을까?

PSV Case는 API 521에서 다양한 상황을 정의하고 있으며, 주요 Case는 다음과 같습니다.

 

(1) Fire Case (외부 화재)

• 공정 주변 화재 발생 시 Vessel에 열유입이 증가해 압력이 급상승하는 경우
• 가장 대표적이며 많은 설비에 기본 적용됩니다.
• Pool Fire / Jet Fire 등 화재가 어떤 식으로 형성되는지 고려가 되어야 합니다.
• Load Calculation을 진행 할때는 Scenario에서 Liquid / Vapor에 따라서도 사용하는 계산식과 Parameter가 달라질 수 있습니다.
• 외부화재 Case에서 Environmental Factor, F가 가장 중요합니다.
• Vessel 혹은 Tank의 Insulation 두께에 따라서 분출량 산정이 바뀌며 그에 따른 PSV 크기도 달라질 수 있습니다.

(2) Blocked Outlet Case

• Downstream Line이 막힐 경우 유체가 빠져나가지 못해 압력 증가
• 특히 Pump, Compressor, Reactor에서 중요합니다.
• KOSHA Guide에서는 Reciprocating Pump / Compressor의 경우, PSV 설치가 필수라고 표기되어 있습니다.

(3) Runaway Reaction (반응 폭주)

• 반응기 내부에서 발열 반응이 제어 불가능하게 증가하여 온도와 압력이 급격히 상승하는 현상
• 냉각 실패, 촉매 과다 투입, 반응물 농도 이상 증가 등으로 발생합니다.

(4) Control Valve Failure

• Control Valve Fail Open → 과도한 유입
• Control Valve Fail Close → Blocked Outlet과 유사

(5) Cooling Medium Failure

• Chiller/Sea Water/Cooling Water 상실로 온도 상승
• Reboiler나 Condenser 보호 시 적용됩니다.

(6) Utility Failure (Steam, N2, Instrument Air Loss)

• Utility가 갑자기 나가면서 공정 동작이 비정상적으로 변하는 Case

(7) Thermal Expansion (열팽창)

• Liquid-Full Line이 태양열 등 외부 요인으로 부피가 증가하는 경우
• Thermal Safety Valve(TSV) 설치가 필요합니다.
• 물이 기상으로 상변화가 있을 경우, 약 1600 배 수준의 부피가 증가합니다. 부피 증가는 곧 압력 상승으로 이어지므로, 과압에 의한 TSV 설치가 고려되어야 합니다.

(8) Ten-Thirteen Rule (10/13 Rule)

• 주로 열교환기에서 해당 Case를 고려합니다.
• 저압측의 설계압력이 고압측 설계압력의 10/13 이상이면 PSV 설치를 고려하지 않아도 된다는 의미입니다.

이러한 Case들을 종합적으로 분석해 설비별 적정 Load를 정리하는 것이 PSV Load Summary의 핵심입니다.

 

 

6. PSV 설치를 제외할 수 있는 경우는?

모든 장비에 PSV를 설치해야 하는 것은 아니며, API는 “Double Jeopardy(이중 위험 동시 발생)”를 금지하고 있습니다.

 

✔ Double Jeopardy란?

둘 이상의 독립적인 비정상 상황이 동시에 발생한다고 가정하지 않는 원칙입니다.

예를 들어,

• Cooling Water Loss + Control Valve Failure
• Compressor Surge + Fire Case
  이 둘을 동시에 가정하지 않는다는 의미입니다.

PSV 설치를 제외할 수 있는 대표 경우

1. Overpressure Scenario가 물리적으로 불가능한 경우
   – Atmosphere Vent로 항상 압력해소가 가능한 탱크
2. 두 개 이상의 독립 사건이 동시에 일어나야만 과압이 되는 경우
   – API에서 Double Jeopardy로 인정하여 PSV 생략 가능
3. 압력을 올릴 수 있는 에너지원이 전혀 없는 경우
   – Gravity Flow Tank, Open System 등
4. 국가 기준(KOSHA·KGS)에서 예외를 허용하는 특수설비
   – 다만 대부분은 안전성을 위해 PSV 설치를 요구합니다.

단, Double Jeopardy는 API에서 명시된 내용이지, 이 내용을 KOSHA 혹은 KGS에서 동시에 인정하지는 않습니다. KOSHA는 100% Double Jeopardy를 인정하지 않으며, KGS는 검사관에 따라 다릅니다. 코에 걸면 코걸이, 귀에 걸면 귀걸이 같은 기준이 따로 없는 경우이기 때문에, 인허가 검사 시, 지적사항을 최소화하기 위해서는 PSV 설치를 고민하는 구간에는 무조건 설치를 권장드립니다.

필자의 경험에서는 Pressure Regulated Valve (PRV)를 2개 직렬 설치했을 때, KGS소속의 A 검사관으로부터 Double Jeopardy를 고려하여 PSV 설치 제외를 인정했으나, 이후 몇 년 뒤 B 검사관으로부터 Double Jeopardy는 인정할 수 없다고 PSV 설치 권고의 공문을 전달받았습니다. 

 

7. KOSHA, KGS 등 PSV 설치 기준을 바라보는 시각

국내에서는 KOSHA, KGS 등이 PSV 설치 기준을 관리하고 있으며 국제 기준(API)과 유사하지만, 다음과 같은 차이가 존재합니다.

 

① KOSHA (산업안전보건기준)

• 화학·정유·반도체 등 일반 산업 플랜트에 적용
• “압력 상승 위험이 존재하는 설비에는 반드시 안전장치를 설치할 것”이라는 기본 원칙
• Fire Case를 특히 엄격하게 적용하는 경향이 있습니다.
• KOSHA는 PSM 제도가 있는데, 여기서 PSV를 매우 깐깐한 기준으로 접근하므로, 설계 시 주의가 필요하겠습니다.

② KGS (고압가스 안전관리 규정)

• 고압가스 저장·충전·운송 시설에 특화
• 압력용기는 대부분 PSV 설치 의무
• 구조등록, 시험기준 등 세부 규정이 API보다 상세함
• Storage Tank는 API보다 더 높은 안전계수를 요구하는 편입니다.

③ API vs 국내기준의 관점 차이 요약

항목	API	KOSHA	KGS
적용범위	국제 표준, 공정 중심	산업안전 전반	고압가스 설비 특화
Double Jeopardy	명확히 구분	부분적으로 수용	대부분 PSV 요구
Fire Case	일반적 적용	강하게 적용	저장탱크에 필수
문서 요구	엔지니어 판단 포함	근거 문서 강조	규정 기반 검증 요구

특히 KGS는 고압가스 설비 특성상 “과보호” 경향이 있어 PSV 설치가 더 엄격한 것이 특징입니다.

 

결론

PSV Load Summary는 플랜트 안전성 확보를 위한 가장 중요한 문서 중 하나이며, 설계 엔지니어가 반드시 정확하게 작성해야 하는 핵심 자료입니다. PSV 종류 선택부터 설치 기준, API 기준 시나리오 검토, Double Jeopardy 적용 여부까지 모든 단계가 정밀하게 연결되어야 최종 PSV 선정이 올바르게 이루어집니다.