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서규 박
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1 Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 33, No. 3, pp , June 2018 by The Korean Society of Safety (pissn , eissn ) All right reserved. IEC 기술표준의가스폭발위험범위연구 정용재 이창준 부경대학교안전공학과 ( 접수 / 수정 / 채택 ) A Study on Gas Explosion Hazardous Ranges for International Electrotechnical Commission Technical Standards Jae Yong Jung Chang Jun Lee Department of Safety Engineering, Pukyong National University (Received October 6, 2017 / Revised December 23, 2017 / Accepted May 31, 2018) Abstract : The occupational safety and health act defines how to evaluate the explosion hazardous areas according to KS (Korean Industrial Standards). Current KS have to follow IEC (International Electrotechnical Commission) st edition and there has been no change since And its 2nd edition has been revised in In this study, IEC (IEC st edition) is compared with IEC 2nd edition. Total 112 case studies including four materials (methane, propane, benzene, methanol) are selected to test and explosion hazardous ranges evaluated by IEC 1st and are analyzed according to various leakage s and hole sizes. In order to verify the results calculated by them,, which is one of the most representative consequence analysis programs, is employed. As a result, it can be concluded that there are many differences between IEC 1st and due to the discharge and the ventilation parameters. As comparing with, it is confirmed that IEC 1st provides more conservative values than. Even if IEC provides more conservative for gases, this fails to provide more conservative values for liquids. Therefore, it is worth to note that a large value between the explosion hazardous ranges value calculated by the IEC and should be selected until further investigation and analysis is made. Morevover, the full consideration for IEC have to be needed. Key Words : explosion hazardous range, international electrotechnical commission 서론 우리나라는석유화학공업규모의기준척도로볼수있는에틸렌생산량이 2015 년기준으로미국, 중국, 사우디에이어세계 4 위에이를정도로세계적인화학공업대국이다 1). 그동안화학공업의발전은우리나라경제발전에큰공헌을하여왔으나, 화학공정설비의대형화, 고도화및기타산업분야에서의규모확대로인하여인화성가스및액체등위험물질취급량이크게증대되어화재 폭발사고가발생할수있는잠재적인위험성이매우커지고있다. 인화성물질취급으로인한잠재적인위험성이있는장소에서의전기기계 기구로인한화재 폭발을방지하기위하여산업안전보건법 ( 산업안전보건기준에관한규칙제 230 조 폭발위험장소의구분 ) 에서는인화성가 스및인화성액체를제조 취급 사용하는사업장에서한국산업표준 (KS : Korean Industrial Standard) 에따라폭발위험장소를설정하여안전하게관리하도록규정하고있다 2). 폭발위험장소는인화성가스또는인화성액체의누출에의해화재 폭발을일으킬수있는농도로대기중에존재하거나존재할우려가있는장소를말하며, 한국산업표준에서정하는기술기준에따라인화성물질의누출에의한화재 폭발위험성을예측하고평가하여그결과에따라폭발위험장소를설정하는한편폭발위험범위를계산한다 2,3) 년 7 월 6 일부터산업안전보건법에서한국산업표준 (KS C IEC ) 에따라폭발위험장소를설정하여관리하도록시행하고있으며, 현재의한국산업표준은 2008 년에제정된국제전기기술위원회 (IEC : International Electrotechnical Commission) 기술표준 (IEC Corresponding Author : Chang Jun Lee, Tel : , changjunlee@pknu.ac.kr Department of Safety Engineering, Pukyong National University, 45 Yongso-ro, Nam-gu, Busan 48513, Korea 39

2 정용재 이창준 ) 내용을그대로반영하여 2012 년 6 월 5 일에공표되었다. 현재는 2015 년 9 월 5 일 IEC 기술표준이개정되어 2 판이발간됨에따라향후한국산업표준도기개정되어발간된 IEC 기술표준 2 판내용과거의동일하게개정되어공표될것으로예상하고있다. 앞서기술한바와같이산업안전보건법령에서한국산업표준에따라폭발위험장소를설정하도록규정함으로서화학공장뿐만아니라인화성가스및인화성액체를취급하는일반제조업사업장의경우에도폭발위험장소설정시한국산업표준의기술기준을준수하여야하는법적인의무가있다. 그러나한국산업표준개정시현재의내용과개정된내용에현저한변화가있어폭발위험범위산정결과에상당한편차가발생할수있다. 이로인해향후인화성물질취급설비신 증설을계획하거나추진중인사업장은물론기존부터설비를운영하던사업장도폭발위험장소설정을재검토해야하며, 그결과에따라설비추가또는변경에따른기술적 재정적부담이발생할수있다. 본연구에서는폭발위험장소설정에관한현재한국산업표준과동일한기술기준인 IEC (2008) 과최신개정된 IEC (2015) 내용을비교 분석하였다. 그리고 와 의폭발위험장소사례연구결과를 Consequence Analysis 전용소프트웨어인 로검증하였다. 이를통해향후예상되는한국산업표준개정에따른대응방안을제시하고자한다. 2.1 누출원과누출등급 2. 연구내용 가스폭발위험장소설정은폭발성가스분위기가생성될우려가있는장소에서전기설비를안전하게사용할수있도록기기의적절한선정과설치를위해환경을분석하고구분하는절차이다 4-5). 가스폭발분위기가생성될우려가있는장소를구분하는첫번째단계는 0 종장소 (Zone 0), 1 종장소 (Zone 1), 2 종장소 (Zone 2) 의개념에따라폭발성가스분위기의생성가능성을평가하는것이다 4-5). IEC 기술표준에서는이를위해폭발위험장소의종류또는범위에영향을주는누출빈도와누출등급, 누출량, 누출속도, 환기등을평가하여가스폭발위험장소를설정한다. IEC 기술표준에서제시하고있는위험장소설정절차를간략하게정리하면 Fig. 1 과같이제시할수있다. 누출원, 누출등급, 환기 ( 희석 ) 등급, 환기유효성평가를통하여폭발위험성을예측하고그결과에따라최종적 Fig. 1. The detailed scheme for evaluating explosion hazardous area. 으로인화성가스또는증기발생가능장소를 0 종장소, 1 종장소, 2 종장소의위험장소와비위험장소로구분한다. 그리고위험장소에해당될경우그위험장소의범위를결정하는것이다 4-5). 2.2 누출량계산 Table 1과 Table 2는 IEC 과최신개정된 IEC 의누출량계산식을보여주고있다. 에서누출량계산식은누출형상과같은개구부의속성과유체의점도를고려하지않은가장보수적인계산식을적용하고있다. 배출계수 (Cd) 는누출량계산식에반영 Table 1. rate formulas taken from IEC 1st Ed 4) Gas Case Non Liquid Formula Table 2. rate formulas taken from IEC 2nd Ed 5) Gas Case Non Liquid Formula 40 J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 3, 2018

3 IEC 기술표준의가스폭발위험범위연구 되지않고 1.0 으로가정하여계산식에반영하였다 4). 이에비해 에서는개구부의특성과액체또는기체의점도를고려하여배출계수를반영하였고, 기체누출량계산식에압축계수 (Z) 도반영하였다 5). 2.3 환기평가 IEC 기술표준에서는폭발위험범위산정에반영되는환기평가사항으로환기 ( 희석 ) 등급과환기유효성을제시하고있다. 의경우환기등급을강환기, 중환기, 약환기로구분하며, 인화성가스또는증기의폭발위험분위기형성범위를나타내는가상체적 (Vz) 값으로환기등급을구분하고있다 4). 가상체적내부는가스농도가안전율에따라폭발하한계 (LFL : Lower Flammable Limit ) 의 0.25 (LFL 25%) 또는 0.5 (LFL 50%), 1.0 (LFL 100%) 을넘는것을의미한다 4). 폭발위험장소의환기량또는환기횟수외에도누출물의물성, 누출형태, 누출장소 ( 옥내 / 옥외 ), 장애물등의요인이폭발위험범위의크기에영향을미칠수있다. 이러한요인들을반영하여 의환기평가에서는누출물질확산으로인한희석개념으로변경되었으며희석등급은고희석, 중희석, 저희석으로구분한다. 5) 희석등급을평가하기위해서누출특성과환기속도를구하여기술표준에서제시하는차트에서수평및수직축에표시되는각각의값에대한교차점을찾아서교차점이각희석등급영역중어느영역에속하는지확인하여구한다 5). 환기유효성은폭발위험분위기의존재나형성에중요한영향을미치며, 환기등급과폭발위험장소종 (Zone) 구분및폭발위험범위계산시고려하여야하는환기유효성등급은우수 (Good) 양호 (Fair) 미흡 (Poor) 으로구분한다 4-5). 분중제조량이가장많은벤젠과원유정제물및석유화학계기초유분을제외한범용유기용제중수입량이가장많은메탄올을연구대상물질로선정하였다 6). 3.2 시나리오선정본연구에서는 IEC 기술표준 과 에따라폭발위험범위를산출하여이를비교 분석하고 로검증하는과정을거치기때문에 IEC 기술표준으로위험범위산정과 시뮬레이션수행시다음과같이일괄적으로적용하였다. 1) 누출원 : 2차누출원 2) 누출등급 : 2차누출 3) 대기상태 : kpa (1 atm), 20 ( K) 4) 환기조건 : 개방된옥외공간 ( 환기유효성은 양호 로적용 ) 도시가스중압 (1 MPa미만 ) 이하의사용압력, 액화석유가스저장설비기화기이후가스사용압력, 산업용액체펌프이송압력, 저장탱크수두압을고려하여누출압력을게이지압력으로 0.01, 0.1, 0.3, 0.5 MPa로선정하고누출온도는대기상태와동일한 20 ( K) 로적용하였다. 과 프로그램에서는 2차누출원의누출공크기에대한선정기준을제시하지않으나, 2nd Ed. 에서는 2차누출원의누출공단면적선정기준을 0.025, 0.1, 0.25, 0.5, 1.0, 2.5, 5.0 mm2으로제시하고있으므로이를누출공면적으로일괄적용하였다 5). 이와같이본연구에서는메탄, 프로판, 벤젠, 메탄올에대해 4개의누출압력및 7개의누출공크기별로선정한총 112회의누출시나리오사례연구를통해폭발위험범위를산출하여분석하였다. 2.4 폭발위험범위산정 IEC 기술표준 에서는계산된가상체적을산정한후이를구 (Sphere) 의부피로가정하여그반경을폭발위험범위로계산해야한다. 반면에 에서는폭발위험범위산정차트를제시하고있으며, 기술표준의차트에서폭발위험범위를산정할수있다 5). 3. 연구방법 3.1 대상물질선정본연구에서는대표적인가스연료인도시가스의주성분인메탄과산업용액화석유가스의주성분인프로판을연구대상물질로선정하였고, 환경부주관 2017 년국내화학물질유통량조사결과석유화학계기초유 3.3 배출계수 ( : Coefficient of discharge) 적용 에서는배출계수 (Cd) 가없는보수적인누출량계산식을제시하였으나, 에서는배출계수를반영한누출량계산식을제시하고있으며, 원형형태를가진누출공은 0.95~0.99, 기타원형이아닌누출공은 0.5~0.75 를배출계수로적용하도록개정되었다 4-5). 또한 에서는별도의배출계수적용기준을제시하지않으나적절한수치를직접입력하도록구성되어있으므로, 와 에의한폭발위험범위산출시비원형누출공에대한가장큰값인 0.75 를배출계수로반영하였다. 3.4 액체증발량결정 에서는액체누출시누출량에서증발율을 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 41

4 정용재 이창준 Table 3. Vaporization rates according to various outdoor conditions simulated by Outdoor condition Vaporization rate(%) Stability Wind velocity( m s ) Benzene Methanol F (Stable) 적용하도록하였으나, 구체적인증발율산정기준은제시되지않았다. 그러나 의 ANNEX E. Examples of hazardous area classification 의 Example No.1 과 No.2 에는액체누출량의 2% 를증발율로적용하여누출특성을계산한사례가있다 5). 이에따라액체누출량의 2% 를증발량적용기준으로적정한지확인하고자 시뮬레이션을이용하였고, 벤젠과메탄올에대해증발풀연속누출의시나리오로 7) 대기조건변동에따른증발율을산출하였다. 수행결과, Table 3 과같이벤젠의경우최대 1.28%, 메탄올의경우최대 0.98% 의증발율을나타냈다. 위의결과를바탕으로 액체누출량의 2% 를증발량으로적용하는것은액체누출에대한폭발위험범위를산정하는데있어보수적인접근방법이라고판단되며, 본연구에서는액체누출량의 2% 를증발량으로적용하여누출특성을계산하였다. 4. 폭발위험범위산정결과및분석 4.1 폭발위험범위산정결과 앞서제시한연구방법에따라메탄, 프로판및벤젠, 메탄올에대해폭발위험범위를산정하였다. Table 4 에 Table 4. Explosion hazardous ranges(m) of methane 0.01 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 0.1 NE NE NE NE NE NE NE 0.3 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE(Negligible Extent) : Non-hazardous area 서 Table 7 은각물질별누출공사이즈에따른폭발위험범위산정결과를보여주고있다. 공통적으로누출압력과누출공크기가커질수록폭발위험범위가증가하였고위험범위의크기는비방폭 (NE : Negligible Extent) 구역을포함하여전반적으로,, 순으로나타났다. 그러나일부구간에서는 또는 가가장크게나오기도하였다. Table 4 에서보는바와같이메탄의경우누출압력 0.5 MPa 의누출공크기 5.0 mm에서 위험범위가가장크게나타났다. Table 5 에서확인할수있는것처럼프로판의경우누출압력 0.1 MPa 과 0.3 MPa 의누출공크기 2.5~5.0 mm및누출압력 0.5 MPa 의누출공크기 1.0~5.0 mm에서 가가장큰것으로나타났다. Table 5. Explosion hazardous ranges(m) of propane 0.01 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE 0.1 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE Table 6. Explosion hazardous ranges(m) of benzene NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 3, 2018

IEC 기술표준의가스폭발위험범위연구 Table 7. Explosion hazardous ranges(m) of methanol 0.01 0.4 0.6 0.9 1.1 1.4 1.9 2.4 0.1 0.4 0.7 1.0 1.2 1.5 2.1 2.6 0.3 0.5 0.8 1.1 1.4 1.7 2.3 2.9 0.5 0.5 0.8 1.2 1.5 1.8 2.5 3.

5 IEC 기술표준의가스폭발위험범위연구 Table 7. Explosion hazardous ranges(m) of methanol NE NE NE NE NE NE NE 0.1 NE NE NE NE NE NE NE 0.3 NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE NE Fig. 2. Comparisons of non hazardous areas between and Table 6 에서벤젠의경우는누출압력 0.01 MPa 을제외한누출압력 0.1, 0.3, 0.5 MPa 에서폭발위험범위가,, 순으로크게나타났다. Table 7 은메탄올에대한결과를보여주고있다. 메탄올에서는누출압력 0.3 MPa 과 0.5 MPa 의누출공크기 5.0 mm에서 수치가 보다근소하게큰것으로나타났다. 4.2 폭발위험범위산정결과분석 Fig. 2 는 Table 4 에서 Table 7 까지나온결과를전부합산하여전체 112 개사례중에서비방폭구역 (Nonhazardous area) 으로산정된비율을나타낸그림이다. 는누출물질의확산범위를계산하여폭발위험범위를보여줄수있으나, 비방폭여부를판단할수는기능이없기때문에 Fig. 2 에서는반영하지않았다. 1st Ed. 에서메탄과프로판에대해서만 25% 의비방폭구역으로산정한반면, 에서는 4 개물질모두 7 5~92.9% 를비방폭구역으로산정하는급격한증가추세를보여주었다. 이는 에비해 에서배출계수 (Cd : 0.75 ) 반영으로최대 25% 의누출량이감소되었고, 특히액체인벤젠과메탄올의경우환기평가시누출량의 2% 만증발량으로반영하였으므로누출량의현저한감소가비방폭구역의증가로이어졌다. Fig. 3 은 Table 4 에서 Table 7 까지나온결과중에서 과 모두폭발위험장소로설정한구간을비교하여 기준으로 와의차이를 Percentage error 로계산하여각각물질의경우최대값과최소값을보여주고있다. 과 사이의상대적인증가감소추세도보여주기위해절대값이아닌 (+) 와 (-) 방 Percentage error(%) = Fig. 3. Maximum and minimum values of percentage errors for explosion hazardous ranges( VS ). 향으로나타냈다. 기체인메탄의경우는 과 의계산결과가거의일치하였지만, 프로판의경우는 을이용하여산정한값이훨씬큰것으로나타났다. 이러한원인은환기평가시동일한환기횟수 (0.03 회 /sec) 를일괄적으로적용한 과달리 에서가스비중에따른희석및확산을반영한것이위험범위가증가한요인으로판단된다. 메탄보다프로판의비중이 2.75 배높은것을고려해볼때가스의비중이높아질수록 과 의차이가더커지는것으로분석할수있다. 또한, 에서는가상체적을구 (Sphere) 로가정하여산출한반경을위험범위로산정하고있는반면 에서는누출특성계산치를반영하여표준에서제시하는차트로부터위험범위를산정하도록하고 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 43

6 정용재 이창준 인할수있으며액체의경우는대체적으로 를이용하여평가한범위가 보다크지만, 을이용하여평가한범위보다는낮게나오는것을확인할수있다. 구체적으로 에내재되어있는모델식을자세히파악할수는없지만 의경우 IEC 기술표준에서는반영하지않는풍속, 대기안정도같은기상조건과표면거칠기등의주변지형까지반영하여확산범위를계산하기때문에편차가발생하는것으로결론낼수있다. 5. 결론 Percentage error(%) = Fig. 4. Maximum and minimum values of percentage errors for explosion hazardous ranges ( VS ). 본연구에서는 IEC 기술표준 과 2015 년에개정된 내용을비교, 분석하였으며메탄, 프로판, 벤젠, 메탄올에대해사례연구를실시하였다. 그리고 를이용하여 IEC 기술표준을검증하였다. Fig. 6 에서확인할수있는것처럼액체인경우에는대체적으로 >> 순으로폭발위험범위를산정함을확인할수있었으며, Fig. 7 에서확인하는것처럼기체인경우대체적으로 >> 순으로폭발위험범위를산정함을확인할수있었다. Percentage error(%) = Fig. 5. Maximum and minimum values of percentage errors for explosion hazardous ranges( VS ). Fig. 6. The results of explosion hazardous ranges for methanol calculated by,, and (at 0.5 MPa). 있기때문에이와같은차이를보이는것으로보인다. 액체인벤젠과메탄올은 의경우대체적으로계산결과가감소하는것으로나타났다. 이는 의경우는액체누출량전부기체로증발한다고반영하여산정한반면, 의경우는누출량의 2% 만증발량으로반영하여위험범위를산정하였기때문이다. Fig. 4 와 Fig. 5 는, 과 와의차이를각각의물질에대해 Percentage error 로계산하였을때나오는최대값과최소값을보여주고있다. 기체의경우는 를이용하여산정한위험범위가 1st Ed. 와 을이용하여평가한범위보다작음을확 Fig. 7. The results of explosion hazardous ranges for propane calculated by,, and (at 0.5 MPa). 44 J. Korean Soc. Saf., Vol. 33, No. 3, 2018

7 IEC 기술표준의가스폭발위험범위연구 Table 8. Explosion hazardous ranges according to various coefficients of discharge & vaporization rate(at 0.5 MPa, 5.0 mm2 ) Coefficient of discharge Vaporization rate Input Range of Range of Input propane(m) benzene(m) % % % % 과 의계산결과의차이가나는이유로는첫번째, IEC 기술표준 에서는계산된가상체적 (Vz) 을통해폭발위험범위를산출하는반면에 에서는차트를이용하여폭발위험범위를산정하기때문이다. 두번째이유는 에비해 에서배출계수를반영하여최대 25% 의누출량이감소되었고, 특히액체인벤젠과메탄올의경우환기평가시누출량의 2% 만증발량으로반영하였으므로기체누출량의현저한감소가있기때문이다. Table 8 의경우배출계수와증발률변화에따른폭발위험범위의변화를보여주고있으며, 증발률에따라변화가상당히큼을확인할수있다. 세번째는 의경우환기평가시동일한환기횟수를일괄적으로적용하는반면에 의경우는가스비중에따른희석및확산을고려함을들수있다. 그리고 과 의계산결과를검증하기위해 를이용하여계산결과를비교해보았다. 이를통해 의경우는 보다액체와기체모두폭발위험범위를보수적으로산정함을확인할수있었으며, 의경우는기체는 보다보수적인결과를산정하지만, 액체의경우는 가더보수적인결과를산정하는것으로확인하였다. 따라서, 현재가장믿을만한 Consequence Analysis 프로그램인 의결과가가장신뢰하다고한다면, 폭발위험범위를산정할때 의경우는문제가없지만, 2nd Ed. 의경우는액체를다룰때는보다더신중하게접근해야한다고결론을낼수있다. 따라서향후에 IEC 표준이개정되는경우, 의모델식이나배출계수선정기준, 증발율산정방법등에대해보다더많은연구와고찰이필요할것으로보인다. 감사의글 : 이논문은 2017 학년도부경대학교의지원을받아수행된연구임 (PK-C-D ). References 1) Korea Petrochemical Industry Association, Petrochemical Statistics, ) J. P. Yim and C. B. Chung, A Study on Classification of Explosion Hazardous using Lighter Than Air Gases, J. Korean Soc. Saf., Vol 29, No. 2, pp , ) J. P. Yim and C. B. Chung Validity Review on Classification of Explosion Hazardous Area using Hypothetic Volume, J. Korean Soc. Saf., Vol 29, No. 6, pp , ) International Electrotechnical Commission, IEC : Explosive Atmospheres - Part 10-1 : Classification of Areas - Explosive Gas Atmospheres 1st Edition, ) International Electrotechnical Commission, IEC : Explosive Atmospheres - Part 10-1 : Classification of Areas - Explosive Gas Atmospheres 2nd Edition, ) National Institute of Chemical Safety, Chemical Data Reporting Opening System, ) Korea Occupational Safety & Health Agency, KOSHA Guide P : Technical Guidance on Selecting the Worst and Alternative Leaking Scenarios, pp. 2-3, 한국안전학회지, 제 33 권제 3 호, 2018 년 45

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method