폭발위험장소 구분기준

왜 배우는가: 폭발위험장소 구분은 전기기기와 방폭기기 선정, 공정안전보고서 작성의 출발점이다. 어느 장소를 0종·1종·2종으로 나누느냐에 따라 설비 비용과 안전 수준이 달라진다. 기술사 시험에서는 구분 원리와 주요 변수를 묻는 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제115회 2교시 4번, 제97회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

폭발위험장소 구분은 인화성 가스·증기·분진이 폭발성 분위기를 형성할 우려가 있는 장소를 존재 빈도와 지속 시간에 따라 0종·1종·2종(Zone 0·1·2)으로 나누는 것이다.

핵심 키워드

• 폭발위험장소(Hazardous Area)
• 누출원(Source of Release)
• 0종 장소(Zone 0)·1종 장소(Zone 1)·2종 장소(Zone 2)
• 환기 정도(Ventilation Degree)
• 가스 방출 등급(Release Grade)
• 폭발하한계(LEL)
• 방폭기기 선정

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 가스가 새는 곳과 그 주변에 폭발할 농도의 혼합기가 얼마나 자주, 얼마나 오래 생기는지를 따져서 위험한 구역의 등급을 매기는 일이다. 등급이 정해지면 그 구역에 들어갈 전기기기와 계장기기의 방폭 성능이 정해진다.

정식 정의는 다음과 같다. 폭발위험장소란 인화성 가스나 증기가 화재·폭발을 일으킬 수 있는 농도로 대기 중에 존재하거나 존재할 우려가 있는 장소를 말한다. 국내 기준에서는 0종, 1종, 2종 장소로 구분한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

누출원은 인화성 물질을 누출할 수 있는 지점이다. 용기, 장치, 배관의 연결부, 밸브, 개구부가 여기에 해당한다. 누출원의 방출 등급은 방출 양상에 따라 구분한다.

위험분위기(explosive atmosphere)는 가연성 가스가 공기와 섞여 폭발 범위 안에 있는 상태다. 공기 중 농도가 폭발하한계(LEL) 이상 이고 폭발상한계(UEL) 이하 일 때 점화원이 있으면 폭발할 수 있다.

환기는 가스 농도를 희석해 위험분위기가 머무는 시간을 줄인다. 환기 상태는 구역 등급에 영향을 미친다.

3. 등장 배경과 필요성

석유화학 공장에서 가스 누출로 인한 대형 폭발 사고가 반복되면서 전기 점화원을 관리하는 기준이 필요해졌다. 전기기기가 가스 분위기에서 불꽃이나 고온 표면을 만들면 바로 폭발로 이어질 수 있기 때문이다.

이 문제를 체계적으로 다루기 위해 국제전기기술위원회(IEC)가 60079 시리즈를 마련했다. 그중 IEC 60079-10-1은 가스 분위기의 구역 구분을, IEC 60079-10-2는 분진 분위기의 구역 구분을 다룬다. 국내에서는 이를 한국산업표준(KS C IEC 60079-10-1)으로 받아들여 적용한다.

구역 구분의 목적은 두 가지다. 첫째, 위험한 장소를 명확히 표시해 작업자의 출입과 작업 허가를 관리한다. 둘째, 그 구역에 맞는 방폭기기를 선정해 점화원을 차단한다. 구역 구분이 잘못되면 과잉 설계로 비용이 늘거나 방폭 성능 부족으로 사고가 난다.

공정안전보고서 작성에서도 구분도가 필수 자료로 요구된다. 「공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정」은 가스 또는 분진 폭발위험장소에 해당되는 경우 한국산업표준에 따라 폭발위험장소 구분도와 방폭기기 선정기준을 작성하도록 정한다.

그래서 이 개념은 설계 단계의 공간 배치, 운전 단계의 누출 관리, 점검 단계의 방폭기기 유지에 모두 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

폭발위험장소 구분은 누출원, 누출 등급, 환기 정도의 세 요소가 결합해 결정된다. 누출이 얼마나 자주 일어나는지, 누출된 가스가 얼마나 빨리 희석되는지를 함께 본다. 이 두 가지가 장소의 종류와 범위를 정한다.

장소 종류는 누출 등급과 환기 정도를 함께 고려해 결정한다.

누출 등급은 누출이 존재하는 시간을 나타낸다. 장소 종류는 누출 등급과 환기 정도 등을 함께 고려해 정한다. 환기는 누출된 가스가 하한계 아래로 희석되는 속도를 나타낸다. 환기 상태는 구분 결과에 영향을 준다.

누출원이 많을수록 장소의 범위가 넓어진다. 따라서 설계 단계에서 누출원 저감이 구분 범위를 줄이는 가장 확실한 방법이다. 설비를 밀폐형으로 바꾸거나 누출 등급이 낮은 기기를 선택하면 된다.

구분 절차는 다음과 같다.

• 취급 물질의 인화성 특성(LFL, 인화점, 증기 밀도)을 파악한다.
• 누출원을 식별하고 방출 양상을 판정한다.
• 환기 정도(고, 중, 저)와 가용성을 평가한다.
• 누출 등급과 환기 정도를 결합해 장소 종류(0종, 1종, 2종)를 정한다.
• 장소별 범위를 산정하고 폭발위험장소 구분도를 작성한다.
• 구분 결과에 따라 방폭기기의 보호 레벨을 선정한다.
• 공정 변경이나 설비 교체 시 구분을 다시 검토한다.

환기량 판단에는 다음 식을 쓴다. 시간당 6회 환기 기준이다.

$Q = \frac{V \times 6}{60}$

여기서 Q는 필요 풍량(㎥/min), V는 실내 체적(㎥)이다. 예를 들어 가로 5m, 세로 4m, 높이 3m인 저장실은 V = 5 \times 4 \times 3 = 60㎥이다. 따라서 Q = 60 \times 6 / 60 = 6㎥/min이다. 시간당 360㎥를 환기하는 값으로, 소규모 저장실의 풍량으로 상식 범위다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 구분은 한국산업표준 KS C IEC 60079-10-1(가스)과 KS C IEC 60079-10-2(분진)을 따른다. 가스는 0종·1종·2종, 분진은 20종·21종·22종으로 나눈다. 국제적으로는 ATEX의 Zone 0·1·2(가스), Zone 20·21·22(분진)와 대응된다. 방폭기기의 기본 조건은 KS C IEC 60079-0(일반 요구사항)이 정한다. 공정안전보고서에서는 「공정안전보고서의 제출·심사·확인 및 이행상태평가 등에 관한 규정」 제24조가 가스 또는 분진 폭발위험장소에 해당되는 경우 폭발위험장소 구분도와 방폭기기 선정기준을 KS에 따라 작성하도록 한다. 전기설비는 2021-01-01부터 한국전기설비규정(KEC)을 적용한다.

표의 값은 기준 자료에서 확인한 값이다. 안전계수 C는 LEL 대비 유지 농도를 정하는 값으로, 값이 클수록 보수적이다. 표준 환경 조건은 방폭기기 선정의 전제이므로 기기 명판과 대조한다.

2017년 11월 KS C IEC 60079-10-1이 개정됐다. 개정 내용은 구분 기준과 환기 판정의 세부 항목에 걸쳐 있다. 설계와 구분도 작성 시에는 현행 개정본을 기준으로 한다.