Part 50. 압력이 올라가면 어떻게 할 것인가 - PSV Design

1. 정상적으로 운전하던 공장에서 압력이 계속 상승한다면?

맥주에서 알코올을 제거하는 공정의 상세설계가 진행되고 있습니다.

 

앞선 공정설계 단계에서는 맥주의 유량과 물질수지를 계산하고, 열교환기와 펌프를 선정했습니다. 상세설계에서는 P&ID를 확정하고, 배관 구경과 압력손실을 계산하며, 각종 밸브의 사양을 결정하고 있습니다.

 

그런데 설계 검토회의에서 한 가지 질문이 나옵니다.

 

"만약 냉각수가 공급되지 않아 증기가 계속 발생한다면 어떻게 할 것인가?"

 

공정 내부에서 증기가 발생하거나 외부에서 열이 유입되면 설비 내부 압력이 상승할 수 있습니다. 배출배관이 막히거나 밸브가 잘못 조작되는 경우에도 압력이 비정상적으로 높아질 수 있습니다.

 

압력이 설비가 견딜 수 있는 수준을 초과하면 어떻게 될까요?

 

탱크나 배관의 변형, 플랜지 누출, 가스 방출은 물론이고, 최악의 경우 압력용기가 파손될 수 있습니다. 특히 인화성 또는 독성 물질을 취급하는 공장에서는 인명과 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

 

따라서 엔지니어는 정상 운전 조건만 설계해서는 안 됩니다. 정상적인 제어 시스템이 제대로 작동하지 않는 상황에서도 설비가 안전하도록 보호 대책을 마련해야 합니다.

 

이때 중요한 역할을 하는 장치가 바로 PSV(Pressure Safety Valve)입니다.

 

PSV는 설정된 압력에 도달하면 자동으로 열려 유체를 방출하고, 설비 내부의 압력이 허용 범위를 초과하지 않도록 보호하는 장치입니다.

 

이번 글에서는 PSV를 단순히 장비 목록에 추가하는 데서 그치지 않고, 어떤 상황에서 필요한지 판단하고, 얼마나 많은 유체를 방출해야 하는지 계산하며, 적절한 밸브를 선정하는 과정을 살펴보겠습니다.

 

 

2. PSV란 무엇인가?

 

PSV는 압력용기, 배관 및 공정설비를 과압으로부터 보호하기 위한 압력방출장치입니다.

 

일반적인 스프링식 PSV는 내부 압력이 설정 압력에 도달하면 유체의 압력이 스프링의 힘을 이기면서 밸브가 열립니다. 이후 유체가 외부로 방출되면서 압력이 낮아지면 밸브는 다시 닫힙니다.

 

이 과정은 외부 전원이나 작업자의 수동 조작 없이 이루어집니다.

 

PSV를 이해하려면 정상 운전 중 사용하는 Control Valve와의 차이를 알아야 합니다.

 

구분	Control Valve	PSV
주요 목적	유량·압력·온도 등의 제어	과압으로부터 설비 보호
작동 방식	제어기 신호 또는 구동 방식에 따라 개도 조절	설정 압력 등 작동 조건에 따라 자동 개방
주요 설계 기준	정상 및 제어 운전 조건	비정상 상황에서 요구되는 방출량과 허용 압력
일반적인 운전 상태	공정 제어에 따라 지속적으로 작동	정상 상태에서는 닫혀 있다가 보호 조건에서 작동
대표적인 설계 참고 기준	제어밸브 제조사 자료 및 적용 설계 기준	API 520, API 521, ASME 등 해당 설비에 적용되는 기준

 

앞선 Part 49에서 다룬 Control Valve는 원하는 유량을 제어하기 위해 Cv를 계산했습니다. 반면 PSV는 비정상 상황에서 필요한 방출량을 처리할 수 있도록 용량을 산정해야 합니다.

 

두 장치 모두 유체의 흐름을 다루지만, 설계 목적은 명확하게 다릅니다.

 

또한 PSV와 PRV(Pressure Relief Valve)는 현장에서 혼용되기도 합니다. 엄밀한 용어 구분은 적용 코드와 장치 유형에 따라 달라질 수 있으며, 실제 설계에서는 해당 프로젝트의 용어 정의와 밸브 사양을 확인해야 합니다.

 

 

3. PSV 설계의 시작은 밸브 선정이 아니라 과압 시나리오 검토다

 

PSV 설계에서 가장 먼저 해야 할 일은 밸브의 크기를 결정하는 것이 아닙니다.

 

어떤 상황에서 압력이 상승하며, 그때 얼마나 많은 유체를 방출해야 하는지 파악하는 것이 우선입니다.

 

설비에 과압이 발생할 수 있는 원인은 다양합니다.

 

3.1. 출구 배관 막힘: Blocked Outlet

펌프나 압축기가 유체를 계속 공급하는데 하류 배관이 막히면 압력이 상승할 수 있습니다.

 

예를 들어 펌프가 액체를 이송하는 동안 토출 밸브가 닫히면 펌프 토출 측 압력이 상승할 수 있습니다. 이때 펌프의 최대 발생 압력과 설비의 압력 등급을 검토해야 합니다.

 

단, 펌프의 종류와 운전 조건에 따라 압력 상승의 양상은 달라집니다. 따라서 모든 펌프에 동일한 과압 시나리오를 적용해서는 안 됩니다.

 

3.2. 제어밸브 고장: Control Valve Failure

압력조절밸브가 고장 나거나 잘못된 신호를 받아 완전히 열리면 고압 측 유체가 저압 측 설비로 유입될 수 있습니다.

 

예를 들어 10 barg의 압력으로 공급되는 가스가 4 barg 설계압력의 설비로 유입되는 상황을 생각해 볼 수 있습니다.

 

하류 설비가 상류 압력을 견디지 못한다면 과압 보호가 필요합니다. 이 경우에는 제어밸브의 고장 위치, 상류 공급 압력, 최대 유입 유량 및 하류 설비의 허용 압력을 함께 검토해야 합니다.

 

3.3. 열 유입: External Fire 또는 냉각 상실

압력용기 외부에서 화재가 발생하면 용기 내부 유체에 열이 전달되어 기화량이 증가할 수 있습니다.

 

또한 냉각기나 응축기의 냉각 기능이 상실되면 정상적으로 응축되어야 할 증기가 기체 상태로 남아 압력이 상승할 수 있습니다.

 

다만 외부 화재와 냉각 상실은 서로 다른 시나리오입니다. 각각의 열 유입량, 기화량, 방출 조건을 별도로 평가해야 합니다.

 

3.4. 열팽창: Thermal Expansion

액체가 밸브 사이에 갇힌 상태에서 온도가 상승하면 부피가 증가합니다.

 

액체가 들어 있는 배관 구간이 양쪽 밸브로 차단되고 외부에서 열이 유입되는 상황이 대표적입니다. 액체는 기체보다 압축성이 낮기 때문에 작은 부피 변화에도 압력이 급격히 상승할 수 있습니다.

 

이때는 일반적인 대용량 PSV가 아니라 Thermal Relief Valve(TRV)와 같은 적절한 열팽창 보호 장치가 필요할 수 있습니다.

 

3.5. 과압 시나리오 검토표

 

과압 원인	주요 검토 사항
Blocked Outlet	최대 유입 유량, 상류 압력, 차단 위치
Control Valve Failure	고장 시 밸브 개도, 상류 압력, 최대 유입량
Cooling Failure	응축기 성능 상실 시 증기 발생량
External Fire	화재 노출 조건, 열 유입량, 기화량
Thermal Expansion	차단된 액체의 체적 변화와 열 유입
Utility Failure	전원, 냉각수, 계장공기 등 유틸리티 상실의 영향

 

이처럼 과압 시나리오를 검토하는 과정은 HAZOP 및 공정 위험성 평가와 밀접하게 연결됩니다.

 

실제 프로젝트에서는 시나리오별로 보호 대상 설비, 원인, 결과, 방출 유량, 적용 기준 및 보호 장치를 정리합니다. 여러 시나리오 중 어떤 조건이 PSV의 요구 용량을 결정하는지 확인하는 것이 중요합니다.

 

 

4. Set Pressure와 Design Pressure는 어떻게 다른가?

 

과압 시나리오를 정리했다면 다음 단계는 보호 대상 설비의 압력 기준을 확인하는 것입니다.

 

이때 자주 등장하는 용어가 Design Pressure, MAWP, Set Pressure입니다.

 

4.1. Design Pressure

Design Pressure는 설비를 설계할 때 사용하는 압력 기준입니다.

 

설비의 운전 압력뿐만 아니라 운전 변동, 온도 조건, 적용 코드 및 설계 철학을 고려해 결정합니다.

 

Design Pressure가 높다고 해서 모든 상황에서 해당 압력까지 운전해도 된다는 의미는 아닙니다. 실제 허용 조건은 설비의 설계 사양과 관련 코드에 따라 결정됩니다.

 

4.2. MAWP: Maximum Allowable Working Pressure

MAWP는 설비가 정해진 조건에서 허용할 수 있는 최대 사용 압력입니다.

 

압력용기의 재료, 두께, 구조, 온도 및 적용 코드 등을 고려하여 결정됩니다.

 

Design Pressure와 MAWP는 서로 관련되어 있지만 동일한 개념은 아닙니다. 실제 압력용기에서는 제작 및 검사 결과를 반영한 MAWP가 설계 압력과 다를 수 있습니다.

 

4.3. Set Pressure

Set Pressure는 압력방출장치가 작동하도록 설정하는 압력입니다.

 

예를 들어 보호 대상 압력용기의 MAWP가 10 barg이고, 단일 PSV의 설정 압력을 10 barg로 정했다고 가정하겠습니다.

 

이 경우 밸브는 해당 설정 조건에 도달하면 개방하도록 설계됩니다. 그러나 실제 밸브가 정격 방출 용량을 발휘하는 과정에서 압력이 설정 압력보다 더 상승할 수 있습니다.

 

이 압력 상승을 이해하려면 Overpressure와 Accumulation을 구분해야 합니다.

 

4.4. Overpressure와 Accumulation

Overpressure는 PSV의 Set Pressure를 초과한 압력 상승분입니다.

 

Accumulation은 보호 대상 설비의 MAWP를 초과한 압력 상승분입니다.

 

PSV의 Set Pressure가 MAWP와 같을 때 두 값은 동일한 기준으로 표현될 수 있습니다. 하지만 Set Pressure가 MAWP와 다르면 두 개념을 혼동해서는 안 됩니다.

 

다음은 개념을 이해하기 위한 예시입니다.

 

• 보호 대상 용기의 MAWP: 10 barg
• PSV Set Pressure: 10 barg
• 가정한 허용 Overpressure: 10%
• 해당 조건에서의 Relieving Pressure: 11 barg(gauge)

이 예시는 특정 조건에서의 압력 관계를 설명하기 위한 것입니다. 실제 허용 Overpressure는 보호 대상 설비의 적용 코드, 과압 원인, 장치 구성 및 프로젝트 기준에 따라 결정해야 합니다. 외부 화재나 복수 방출장치 등 다른 조건에서는 허용 누적 압력이 달라질 수 있습니다.

 

또한 가스·증기 PSV의 용량 계산에서는 절대압력(Absolute Pressure)을 사용하는 경우가 일반적입니다. 위 예시의 11 barg를 그대로 절대압력으로 입력해서는 안 되며, 현장 대기압을 반영하여 변환해야 합니다.

 

 

5. Required Capacity: 얼마나 많은 유체를 방출해야 하는가?

 

PSV의 설정 압력을 정했다고 해서 설계가 끝나는 것은 아닙니다.

 

이제 비정상 상황에서 설비로 유입되거나 내부에서 발생하는 유체를 얼마나 방출해야 하는지 계산해야 합니다.

 

이때 필요한 방출량을 Required Capacity라고 합니다.

 

예를 들어 맥주 탈알코올 공정의 증발기에서 냉각 기능이 상실되었다고 가정해 보겠습니다. 증기가 정상적으로 응축되지 않고 계속 발생한다면 내부 압력이 상승할 수 있습니다.

 

PSV는 해당 시나리오에서 발생하는 증기를 충분히 방출할 수 있어야 합니다.

 

Required Capacity는 일반적으로 질량 유량 또는 체적 유량으로 표현합니다. 어떤 단위를 사용할지는 유체의 상태와 설계 계산 방식에 따라 달라집니다.

 

5.1. Gas or Vapor Service

Gas 혹은 Vapor의 경우 다음과 같은 조건을 검토합니다.

 

• 과압 시나리오에서의 최대 발생량 또는 유입량
• Relieving Pressure 및 Relieving Temperature
• 분자량, 비열비, 압축성 계수 등 유체 물성
• 임계 유동 여부
• 배출 측 압력과 배압

Gas 혹은 Vapor는 압력 변화에 따라 밀도와 체적 유량이 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 정상 운전 유량만으로 PSV 용량을 결정해서는 안 됩니다.

 

5.2. Liquid Service

액체의 경우에는 액체가 유입되는 최대 유량, 열팽창, 펌프의 최대 공급 조건 등 과압 원인에 따라 요구 방출량을 산정합니다.

 

액체는 기체와 물성 및 유동 특성이 다르므로 가스·증기용 사이징 식을 그대로 적용할 수 없습니다.

 

또한 액체가 기화할 가능성이 있는 조건이나 플래싱이 발생하는 조건에서는 별도의 검토가 필요합니다.

 

5.3. 방출량 산정의 핵심

중요한 것은 단순히 설비의 크기나 정상 유량으로 방출량을 추정하는 것이 아닙니다.

 

각 과압 시나리오에서 설비로 유입되는 유체와 내부에서 생성되는 유체의 양을 평가하고, 해당 시나리오를 처리할 수 있는 방출 용량을 산정해야 합니다.

 

복수의 시나리오가 존재한다면 각 시나리오의 요구 용량을 비교해 설계 기준을 결정합니다. 단, 여러 시나리오가 동시에 발생할 수 있는지, 공통 원인 고장이 있는지, 다른 보호 장치가 실제로 유효한지 등도 검토해야 합니다.

 

6. PSV Sizing: 필요한 방출 용량을 만족하는 밸브 선정

 

Required Capacity가 결정되면 다음은 실제 PSV의 오리피스 면적과 밸브 형식을 선정하는 단계입니다.

 

이 과정을 PSV Sizing이라고 합니다.

 

PSV Sizing은 단순히 배관과 같은 크기의 밸브를 선택하는 작업이 아닙니다. 밸브 내부의 유효 유로 면적이 필요한 방출량을 처리할 수 있는지 확인하는 계산 과정입니다.

 

6.1. Gas or Vapor PSV

Gas 혹은 Vapor PSV의 사이징에는 유체의 압축성, 온도, 분자량, 비열비, 압축성 계수, 방출 압력 및 밸브의 방출 계수 등이 영향을 미칩니다.

 

일반적인 가스·증기용 사이징에서는 임계 유동(Choked Flow) 여부를 검토해야 합니다. 임계 유동이 발생하면 하류 압력이 더 낮아져도 상류 조건에 의해 제한된 질량 유량이 형성될 수 있습니다.

 

따라서 가스·증기용 PSV의 계산은 액체용 계산과 구분해야 하며, 유체 상태와 적용 범위에 적합한 식을 사용해야 합니다.

 

6.2. Liquid PSV

Liquid PSV는 액체의 밀도, 점도, 압력차, 방출 계수 및 배압 등의 영향을 받습니다.

 

기체와 달리 액체의 압축성은 일반적으로 작지만, 플래싱이나 2상 유동이 발생하면 계산이 복잡해질 수 있습니다.

 

따라서 유체가 방출 과정에서 기화할 가능성이 있는지 먼저 검토해야 합니다.

 

6.3. Required Area와 Selected Area

계산으로 산정한 Required Area는 요구 방출 용량을 만족하기 위해 필요한 최소 유효 면적입니다.

 

이후 제조사가 제공하는 표준 오리피스 면적과 정격 방출 용량을 확인하고, 요구 조건을 만족하는 모델을 선정합니다.

 

개념적으로는 다음 관계를 만족해야 합니다.

 

선정한 PSV의 적용 조건에서 확인된 정격 방출 용량은 요구 방출 용량 이상이어야 합니다.

 

밸브의 오리피스 크기가 크다고 해서 모든 조건에서 최적의 설계가 되는 것은 아닙니다. 정상 운전 압력과 설정 압력의 관계, 밸브의 개방 및 재폐쇄 특성, 배관 압력손실, 배압 등을 함께 고려해야 합니다.

 

 

7. PSV Inlet과 Outlet 배관도 설계해야 한다

 

PSV 자체의 용량이 충분하더라도 설치 배관이 적절하지 않으면 보호 기능을 제대로 발휘하지 못할 수 있습니다.

 

따라서 PSV 설계는 밸브 선정에서 끝나지 않습니다.

 

7.1. Inlet Line: 밸브 입구 배관

PSV 입구 배관의 압력손실은 밸브의 작동과 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

특히 스프링식 PSV에서는 입구 배관 압력손실이 커지면 밸브가 열리는 과정에서 불안정한 작동이나 채터링(Chattering)이 발생할 가능성이 있습니다.

 

따라서 입구 배관의 길이, 구경, 엘보와 피팅, 차단밸브 구성 등을 검토해야 합니다.

 

허용 입구 압력손실은 밸브 유형과 적용 기준에 따라 달라지므로, 모든 PSV에 동일한 허용치를 적용해서는 안 됩니다.

 

7.2. Outlet Line: 밸브 출구 배관

PSV에서 방출된 유체는 대기로 직접 배출되거나 플레어 시스템, 회수 시스템 등으로 이송될 수 있습니다.

 

출구 배관에서 발생하는 압력손실은 밸브 출구의 배압을 증가시킬 수 있습니다. 배압은 PSV의 개방 특성과 방출 용량에 영향을 미칠 수 있으므로 반드시 검토해야 합니다.

 

배출 유체가 독성, 인화성 또는 고온 유체라면 안전한 배출 위치와 후처리 방법도 중요합니다.

 

7.3. 배압(Backpressure)

배압은 PSV 출구 측에 형성되는 압력입니다.

 

배압은 방출 시스템에 이미 존재하는 중첩 배압(Superimposed Backpressure)과 방출 유량 때문에 발생하는 누적 배압(Built-up Backpressure)으로 구분할 수 있습니다.

 

배압이 밸브 성능에 미치는 영향은 밸브의 구조와 작동 방식에 따라 다릅니다. 따라서 일반적인 스프링식 밸브와 벨로즈형 또는 파일럿 작동식 밸브의 적용성을 구분해 검토해야 합니다.

 

이 과정에서 PSV의 방출 용량뿐 아니라 배출배관의 압력손실, 플레어 헤더의 압력, 방출 유체의 상태 변화 등을 함께 검토해야 합니다.

 

 

8. PSV Design에서 엔지니어가 확인해야 할 주요 문서

 

실제 상세설계 단계에서는 PSV 계산 결과가 여러 설계 문서와 일치해야 합니다.

 

대표적인 문서는 다음과 같습니다.

 

문서	주요 확인 사항
P&ID	PSV 설치 위치, 보호 대상, 연결 배관, 배출 경로
Equipment Datasheet	설비 설계 압력, MAWP, 설계 온도
PSV Datasheet	Set Pressure, 유체 조건, 요구 용량, 선정 오리피스
PSV Sizing Calculation	과압 시나리오, 요구 방출량, 계산 조건 및 결과
Line List	배관 구경, 설계 압력·온도, 유체 정보
Hydraulic Calculation	PSV 입구·출구 배관 압력손실 및 배압 검토
Flare System Design	플레어 헤더의 배압, 동시 방출 및 처리 용량
Cause & Effect	과압 관련 계장 인터록 및 보조 보호 기능

 

여기서 중요한 점은 PSV가 P&ID에 표시되었다고 해서 설계가 완료된 것이 아니라는 사실입니다.

 

설비의 설계 압력과 PSV의 설정 압력이 일치하는지, 과압 시나리오가 누락되지 않았는지, 계산된 방출량이 적절한지, 선정한 밸브가 실제 설치 조건에서도 요구 성능을 만족하는지 확인해야 합니다.

 

또한 PSV는 보호 계층 중 하나입니다. 공정 제어, 알람, 인터록, 비상정지 시스템 및 설비의 기계적 설계와 함께 검토해야 하며, 다른 보호 장치가 있다는 이유만으로 PSV를 생략할 수 있는지는 별도의 위험성 평가와 적용 기준에 따라 판단해야 합니다.

 

 

9. PSV Design의 핵심은 밸브가 아니라 시나리오다

 

PSV 설계는 압력이 높아지면 자동으로 열리는 밸브를 설치하는 단순한 작업이 아닙니다.

 

어떤 상황에서 압력이 상승하는지 분석하고, 해당 상황에서 필요한 방출량을 계산하며, 적절한 밸브를 선정하고, 입구와 출구 배관까지 검토하는 일련의 엔지니어링 과정입니다.

 

이 과정에서 엔지니어는 다음 질문에 답할 수 있어야 합니다.

 

• 첫째, 어떤 고장이나 비정상 상황이 과압을 유발하는가?
• 둘째, 보호 대상 설비의 압력 한계와 PSV 설정 압력은 적절한가?
• 셋째, 각 시나리오에서 필요한 방출량은 얼마인가?
• 넷째, 선정한 PSV는 해당 유체와 방출 조건에서 요구 용량을 만족하는가?
• 다섯째, 배관 압력손실과 배압을 고려해도 안전하게 작동할 수 있는가?

이 질문에 답할 수 있어야 PSV 설계가 완성됩니다.

 

이번 Part 50에서는 PSV의 기본 원리와 과압 시나리오, 압력 기준, 방출 용량 및 밸브 선정의 전체 흐름을 살펴봤습니다. 실제 프로젝트에서는 이 과정에 더해 상세한 사이징 계산, 제조사 자료 검토, 배출계통 분석 및 관련 법규 확인이 필요합니다.

 

다음 단계의 상세설계에서는 계장과 제어 시스템을 검토하거나, 배관 및 설비의 기계적 건전성을 확인하면서 각 설계 결과가 서로 일치하는지 확인하게 됩니다.

 

Beer to Zero Project 역시 공정의 개념을 정하는 단계에서 출발해 계산과 설계 문서로 구체화하고, 이제는 비정상 상황에서도 설비가 안전하도록 보호 체계를 갖추는 단계로 나아가고 있습니다.

 

정상 운전을 설계하는 것이 공정을 만드는 일이라면, 비정상 상황에서도 안전하도록 설계하는 것은 그 공정을 지키는 일입니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 5. Detailed Engineering — 공정을 실제 플랜트로 바꾸다

 

• Part 44. PFD 다음에는 무엇을 해야 하는가 - P&ID
• Part 45. 장비 하나를 설계하려면 무엇이 필요한가 - Equipment Datasheet
• Part 46. 배관은 몇 인치로 해야 하는가 - Pipe Sizing
• Part 47. 배관에서 압력은 얼마나 떨어지는가 - Hydraulic Calculation
• Part 48. 밸브는 어떻게 선정하는가 - Valve Selection
• Part 49. Control Valve의 크기는 어떻게 결정하는가 - Cv Sizing
• Part 50. 압력이 올라가면 어떻게 할 것인가 - PSV Design
• Part 51. 계기는 무엇을 측정해야 하는가 - Instrumentation
• Part 52. 공장은 어떻게 자동으로 움직이는가 - Control Philosophy
• Part 53. 전기는 얼마나 필요한가 - Electrical Load
• Part 54. 장비를 실제 공간에 배치하다 - Plot Plan & Layout
• Part 55. 배관을 실제 공간에 연결하다 - Piping Layout
• Part 56. 모든 설계가 서로 연결되어 있는가 - Interdisciplinary Design Review