공직파(8) : PSV Outlet Sizing과 Back Pressure의 중요성 – 안전한 배출라인 설계의 핵심 요소

압력안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)는 공정 설비의 초과 압력을 해소하여 사고를 예방하는 핵심 안전장치입니다. 많은 분들이 PSV의 유량 산정(Load Summary)까지는 고려하지만, 실제 압력을 안전하게 외부로 배출하기 위한 Outlet Sizing(배출 라인 설계)까지 충분히 검토하지 않는 경우가 종종 있습니다.

 

그러나 PSV Outlet 라인이 적절하게 설계되지 않으면 PSV가 기대한 만큼 개방되지 않거나, 배관 진동 및 소음, 역류, 밸브 손상 등의 문제가 발생하여 최종적으로는 공정 안전에 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 이때 중요한 개념이 바로 Back Pressure(배압)입니다.

 

이번 글에서는 PSV Outlet Sizing의 주요 고려 요소와 Back Pressure의 정의와 계산 방식, 그리고 이를 안전하게 설계하는 방법을 깊이 있게 알아보겠습니다.

 

PSV Load Summary에 대한 글은 아래 링크를 확인하세요.

 

 

 

1. PSV Outlet Sizing이 중요한 이유

PSV가 정상적으로 동작하기 위해서는 다음과 같은 조건이 확보되어야 합니다.

고려 요소	설명
압력 손실 최소화	과도한 압력 손실은 PSV 개도량을 줄여 설계 유량이 나오지 않음
배관 진동 방지	고속 유출 유체 → 심각한 진동 및 소음 발생
방출 위치의 안전	화재·폭발 위험물 배출 시 안전한 처리가 중요
Back Pressure 관리	PSV의 안정적 작동 유지 필수 조건

특히 Back Pressure 관리 실패는 PSV 성능을 직접적으로 저하시킵니다.

 

따라서, PSV Outlet sizing은 산업안전기준(예: ASME, API 520/521)에서 매우 중요한 항목으로 강조되고 있습니다.

 

 

2. Back Pressure의 정의

Back Pressure(배압)이란 PSV로부터 배출되는 유체가 배관을 통과하며 생성되는 밸브 후단의 압력을 의미합니다. PSV가 개방될 때 이 배압은 밸브 스프링과 디스크에 추가적인 힘을 가하게 되어 개방 성능에 영향을 미칩니다.

 

Back Pressure는 크게 두 가지로 나뉩니다.

구분	정의	발생 시점	영향
Superimposed Back Pressure	공정 운전 조건에서 PSV가 열리기 전에 이미 존재하는 배압	Normal / Emergency 상태	설정 압력(Set Pressure)에 직접 영향
Built-up Back Pressure	PSV 개방 후 유량 배출에 의해 추가 발생하는 배압	PSV 작동 중	PSV 개도량을 감소시킬 위험

→ 즉, Superimposed는 “미리 존재하는 압력”, Built-up은 “열리면서 생기는 압력”입니다.

둘을 합친 값이 Total Back Pressure이며 PSV 설계 기준에 결정적입니다.

 

 

3. Back Pressure 허용 기준

Back Pressure는 PSV 유형에 따라 허용 한도가 다릅니다.

PSV Type	Superimposed	Built-up	Total Back Pressure 허용
Conventional	제한 있음	매우 낮게 관리 필요	Set Pressure의 10% 이하 (일반 기준)
Balanced Bellows	상대적으로 높은 허용	Bellows가 배압 영향을 보정	30~50%까지 가능 (API 기준 적용)
Pilot Operated	가장 높은 허용 범위	고압 시스템에 사용	설계 방식에 따라 달라짐

💡 참고: 국제 기준(API 520/521)에서 세부 기준을 확인해야 하며, 가스/액체 여부에 따라 허용치가 달라질 수 있습니다.

 

 

4. Built-up Back Pressure 계산 방식

Built-up Back Pressure = PSV Outlet 배관 내 압력 손실
압력 손실 계산 시 아래 요소가 포함됩니다.

• 배관 길이 & 직경
• 벤드, Tee, Reducer 등의 Fitting 손실계수
• 디퓨저, 소음기 설치 여부
• 유량(Q) 및 유체 특성(밀도, 점도)

공식 예시(단순 배관 압력 손실):

ΔP = f * (L / D) * (ρ * V^2 / 2) + ΣK * (ρ * V^2 / 2)


여기서:
ΔP = 압력손실 (Pa)
f = Darcy 마찰계수 (무차원)
L = 배관 길이 (m)
D = 배관 내경 (m)
ρ = 유체 밀도 (kg/m^3)
V = 평균 유속 (m/s)
ΣK = 모든 국소 손실 계수(밸브, 엘보, 티 등)의 합

예시 해석(간단):

• f*(L/D)*(ρV^2/2) 항은 마찰에 의한 연속 손실(관 길이 비례)
• ΣK*(ρV^2/2) 항은 피팅/밸브 등 국소 손실(각각의 K값 합산)

속도(V) 계산

V = Q / A
= Q / (π * D^2 / 4)


여기서:
Q = 체적유량 (m^3/s)
A = 관의 단면적 (m^2)
D = 관의 내경 (m)

즉, 배관이 길어지거나 직경이 작아질수록 Built-up Back Pressure가 급격히 증가합니다.

 

 

5. Superimposed Back Pressure 계산 방식

Superimposed Pressure는 공정 조건에 따라 미리 존재하는 압력을 반영합니다.

예시:

• 플레어 라인에 연결된 PSV → 정상/비상시 플레어 라인 압력 고려
• 탱크 상부 PSV → 탱크 내부 압력 고려

계산 방식:

P_superimposed = P_downstream_operating

즉, 별도 계산보다 downstream 운영 압력을 정확히 파악하는 것이 더 중요합니다.

 

 

6. PSV Outlet Sizing 시 참고 기준

출구 배관 설계 시 일반적으로 아래 규칙을 적용합니다.

설계 규칙	설명
유속 제한	과도한 소음·진동 방지 목적(Gas 기준 Mach 0.7 이하 권장)
배관 직경 최적화	PSV Orifice보다 너무 작게 설계하면 고압손실 발생
유체 특성 고려	가스, 액체, 이성분 유체별로 sizing methodology 상이
배압 모니터링 설비	Flare header 연결 시 필수 고려
확산장치 설치 검토	Hot hydrocarbon 등 위험물 방출 시

또한 API는 Gas/Steam, Liquid 각각에 대한 별도의 공식을 제공하고 있어 이를 준수해야 합니다.

회사마다 Mach No. 를 적용하는 기준이 다르지만, KGS의 경우, Mach No. 를 0.6을 넘기지 않는 기준으로 보고 있습니다.

 

 

7. PSV Outlet이 Flare System과 연결되는 경우

화학 플랜트나 정유 시설 등에서는 대부분 PSV가 Flare Header로 연결됩니다. 이 경우:

🔹 Flare 시스템의 다른 PSV 개방이 동시에 고려되어야 하며
🔹 Warm-up load, Fire case load 등 Worst case scenario 검토 필요

따라서 PSV Outlet Sizing은 단독 PSV 기준이 아닌 전체 플레어 시스템의 네트워크 해석(Flare Network Study)과 함께 수행되어야 합니다.

 

 

8. 결론 – PSV Outlet은 공정 안전의 마지막 보루

PSV는 열리는 것만이 목적이 아닙니다.

 

개방 후 설계된 유량을 안전하게 방출해야 진정한 기능을 수행합니다.

 

그 핵심이 바로 Back Pressure 관리와 PSV Outlet Sizing입니다.

정리하면,

• Superimposed Back Pressure: PSV 개방 전에 존재하는 배압 → 설정압력에 영향
• Built-up Back Pressure: PSV 개방 후 배출로 인해 발생 → 개도량 저하 위험
• Total Back Pressure 허용 기준을 초과하면 PSV 성능 저하 발생

PSV Outlet 설계는 단순 배관Sizing이 아닌 설비 안전의 마지막 방어막을 지키는 중요한 공정 안전 설계임을 기억해야 합니다.