폭발위험장소 기류 산정(KS C IEC 60079-10-1)

왜 배우는가: 폭발위험장소의 범위는 환기로 가스 농도가 얼마나 빨리 희석되는지에 따라 달라진다. 건물의 바람·온도 조건에 따른 기류를 정확히 계산하지 못하면 전기기기 선정과 장소 구분이 모두 틀어지므로 실무와 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제138회 4교시 3번, 제122회 4교시 3번, 제119회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

폭발위험장소 기류 산정은 가연성 가스 누출 장소에서 환기 유량으로 가스 농도를 희석하는 능력을 정량화하여 위험장소의 범위와 등급을 정하는 계산이다.

핵심 키워드

• 폭발위험장소(Hazardous Area)
• 환기기류(Ventilation Flow)
• 희석(Dilution)
• 유효 개구면적(Effective Opening Area)
• 환기속도(Ventilation Rate)
• 풍력 기류(Wind-driven Flow)
• 부력 기류(Buoyancy-driven Flow)
• 0종·1종·2종 장소

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 가스가 새는 곳 주변의 공기가 얼마나 빨리 바뀌는지를 따져서 가스가 머무는 곳과 금방 흩어지는 곳을 나누는 일이다. 건물 안에서는 창문, 문, 환기구 같은 개구부를 통해 공기가 드나들며 기류가 생긴다. 이 기류가 충분하면 누출 가스가 빨리 묽어지고, 부족하면 가스가 고여 위험장소가 넓어진다.

정식 정의는 KS C IEC 60079-10-1에 따라, 폭발성 가스 분위기가 형성될 수 있는 장소를 누출원의 등급, 환기 상태, 가스의 밀도와 부력 등을 고려하여 0종, 1종, 2종으로 구분하는 절차 가운데 환기 상태를 공기 유량으로 나타내는 부분이다. 환기 상태가 정량화되어야 희석 효과를 판정할 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 희석(Dilution): 신선한 공기가 들어와 누출 가스의 농도를 낮추는 작용이다. 농도를 폭발하한(LEL) 미만으로 유지하는 것이 목표다. 희석 효과는 환기 유량과 누출량의 비로 평가한다.
• 유효 개구면적(Effective Opening Area): 실제 개구 면적을 기류가 통과할 수 있는 면적으로 환산한 값이다. 개구부의 형태와 유출계수를 반영한다. 유입 면적과 유출 면적이 서로 다르면 두 면적을 합성하여 쓴다.
• 풍력 기류(Wind-driven Flow): 바람이 건물 벽면에 만드는 압력차로 생기는 통과 유량이다. 풍속이 빠를수록, 풍압차가 클수록 커진다.
• 부력 기류(Buoyancy-driven Flow): 실내외 온도차로 공기 밀도가 달라져 생기는 압력차에 의한 유량이다. 개구부 사이의 높이차가 클수록 커진다. 외기가 실내보다 따뜻하면 방향이 반대로 바뀔 수 있다.
• 환기속도(Ventilation Rate): 단위 시간당 장소에 공급되는 신선 공기의 유량(㎥/s)이다. 기류 산정의 결과로 얻는 값이다.

풍력과 부력이 함께 작용하면 두 기류가 같은 방향으로 더해지거나 서로 상쇄된다. 따라서 두 값을 무조건 산술 합산하지 않고 개구부 위치와 압력 분포를 함께 보아야 한다. 계산 결과는 환기 상태를 나타내는 등급 판단의 입력이 된다.

전기기기 관점에서 폭발하한(LEL) 미만 농도 유지가 핵심 판정 조건이다. 이 조건을 기류로 확보할 수 없으면 기계식 환기로 대체해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

화학공장과 저장시설에서는 가연성 가스와 증기가 누출될 수 있다. 누출된 가스가 공기와 섞여 폭발범위에 들어가면 전기 스파크, 고온 표면, 정전기 같은 점화원이 있을 때 폭발로 이어진다. 그래서 점화원을 관리하기 위해 먼저 폭발위험장소의 범위를 정해야 한다.