압력방폭 개요 및 운영

퍼지 및 가압(Purge and pressurization)은 압축 공기 또는 불활성 가스를 사용하여 인클로저에 보관된 전자 장비에 해를 끼치는 가스, 먼지 또는 이 둘의 조합과 같은 유해 물질을 제거하고 방지하는 보호 방법이다.

 

 

 

압력방폭(Pressurization, Ex p) 개요 및 운영

압력방폭의 개념

압력방폭은 폭발3요소 중 연료를 제어하는 방식이다.

압력방폭 박스(Enclosure) 내부에 보호기체를 넣어놓고 주변기압보다 높은 압력으로 설정하면, 박스내부의 기체만이 박스외부로 나갈수 있을뿐 박스외부의 폭발성 혼합기체는 박스내부로 들어올 수 없게 된다. 그러면 박스 내부에 발화원이 스파크를 생성해도 박스내부에는 연료가 없으니 폭발이 일어나지 않는다.

이 원리로 방폭을 구현하는 것이 압력방폭(Ex p)이다.

 

<그림 1> 압력방폭 구조의 원리

 

 

압력방폭 표준(Pressurization Standards)

NFPA 496은 Class/Division classifications의 표준이며 IEC 60079-2는 Zones의 표준이다. 하지만 이는 퍼지 및 가압 표준일 뿐이며 퍼즐의 일부분에 불과하다. Enclosure 및 내부 장비의 배선, 온도, 재질도 고려해야 한다. 예를 들어 Enclosure를 오가는 배선은 Purge 시스템의 일부가 아니므로 보호해야 한다. Area classification에 따라 사용할 수 있는 항목과 준수해야 하는 표준이 결정된다.

미국 계측기 협회(ISA)의 SP12 위원회는 1966년에 "ISA 12.4 - 위험 지역 분류 감소를 위한 계측기 퍼지"라는 제목의 첫 번째 설계 표준을 제정했다.

1967년, 화학 분위기에서의 전기 장비에 관한 NFPA 기술 위원회는 "NFPA 496 - 전기 장비용 퍼지 및 압력방폭 인클로저"라는 제목의 권장 관행(recommended practices)을 제정했다. 그 이후로 NFPA는 인클로저 환기 및 희석에 대한 권장 사항을 추가하여 문서를 확장했다. 
NFPA 문서는 Enclosure 및 압력방폭 시스템의 설계, 표시 및 성능에 대한 미국 표준이다. ISA 문서는 보호 Enclosure 및 압력방폭 시스템의 구성, 설치 및 테스트를 다룬다.

 

 

압력방폭의 장비 구성

압력방폭을 구현하기 위해서는 몇가지 장비가 필요하다.

 

1. 압력방폭용 박스(Enclosure)

먼저, 압력방폭용 박스(Enclosure)가 있어야 한다. 이 박스내부에 각종 일반(비방폭) 장비들이 설치되며, 외부충격이나 내부의 정압(과압,overpressure)을 충분히 견딜수 있을 정도의 물리적인 단단함도 가져야 한다.

IP등급기준으로 최소 40이상(북미지역 기준은 Type 4이상), 하지만 IP등급을 가진 박스라고 해서 무조건 적합하지 않을 수 있다.

IP등급의 기본개념은 외부침입으로부터의 보호를 위해 sealing 등이 설계된 반면, 압력방폭용 박스는 내부의 압력을 유지하고 기체의 누출을 막을수 있게 설계되어야 하기 때문이다. 단단함에 있어서도 정상작동상태의 압력(최소 200pa)의 1.5배의 압력에 2분이상 박스의 뒤틀림 없이 견뎌야 한다. 또 내부에 원활한 공기의 흐름이 이루어지도록 설계되어야 한다.

 

2. 퍼징(purging) 시스템
다음으로 필요한 것은 압력방폭에 있어 핵심인 퍼징(purging) 시스템이다. 퍼징이란 보호기체를 박스내부에 지속적으로 공급하여 박스 내부의 있을 수 있는 폭발성 혼합기체를 밖으로 배출하는 작업을 말한다. 이때 투입되는 보호기체(protective gas)로는 통상 압축된 공기가 많이 사용되고, 박스내부에 폭발성 혼합기체가 남아있을 확률이 있을 경우에는 질소(nitrogen)나 아르곤(argon)같은 다른 불활성기체(inert gas)를 사용하기도 한다. 이 보호기체를 박스내부로 공급할 기류발생장치(pressurising equipment, fan 이나 blower), 발생되는 기류를 박스에 전달하는 배관류(Pressure valve, Air inlet unit, Air outlet), 배관과 박스를 연결하는 피팅류(fitting) 등도 퍼징 시스템이라 하겠다. 보호기체를 박스내부로 공급되는 supply tubing, 기체를 박스밖으로 내보내는 Vent, 박스내부 압력의 모니터링을 위한 reference tubing 등은 보호기체가 원활하게 흐를 수 있도록 설계되어야 한다.

 

 

3. 모니터링 시스템
모니터링 시스템도 필요합니다. 박스내부의 압력을 측정하는 압력게이지, 온도센서 그리고 알람과 스위칭 장치도 필요하다. 많은 경우 박스 외부에 붙박이로 설치되는 이 장비들은 위험지역에 바로 노출되어 있고, 압력방폭 장비가 작동하지 않는 퍼징단계에서도 이 장비들은 동작하기 때문에 압력방폭장비와는 다른 방폭구조가 적용된다. 때문에 각각의 규정에 맞게 설치되어야 한다.

 

압력방폭 장비가 개별장비가 아닌 주로 전체 시스템으로 판매되는 이유중 하나이고 이때의 방폭관련표시는 Ex d IIC [px] T4 로 표시된다.

압력방폭(Ex p)이 아닌 내압방폭(Ex d)로 표시되는데 이는 내압방폭 박스내에 Ex px의 작동시키기 위한 제어장비가 내압방폭 박스내에 들어가 있다는 뜻이다.

 

 

압력방폭 장비의 운영

압력방폭에서의 운영은 박스내부에 폭발성 혼합기체를 어떻게 계속해서 제거하느냐가 관건이다.

압력방폭 박스가 작동될때는 물론이고 가동하기 전에도 폭발성 혼합기체가 박스내부에 있지 않도록 해야 한다. 폭발성 기체가 있다면 가동과 동시에 폭발이 일어날 수 있기 때문이다.

 

이를 위해 가동전에는 퍼징단계(purging cycle)를 거치는데 대략 박스용량의 5배정도(북미지역은 10배까지)의 부피에 해당하는 기체를 박스에 투입하게 된다. (5배의 부피는 처음에는 IEC규정에 명시되어 있다가 개정판에서는 삭제되었다)

가스가 아닌 분진이 있는 위험지역(Ex pD)에서는 퍼징단계을 생략하는데, 퍼징작업으로 오히려 가연성 분진이 휘날리게 할 수 있기 때문이다. 대신 박스내부를 조사하고 먼지가 있는 경우에는 닦아내는 작업을 하게 된다.
퍼징작업이 완전하게 진행된 것을 반드시 확인한 후에야 장비내부에 전원을 공급할 수 있다.

 

 

이때부터는 박스내부에 양압(positive pressure)을 유지하는 것이 중요하다. 그래야만 박스외부에 있는 폭발성 혼합기체가 박스내부로 들어올 수 없기 때문이다. 또한, 박스에서 새어나가는 기체만큼 계속 보충이 되고 있다는 의미이기도 하다.
퍼징 단계에서의 박스내부 압력은 대략 3.5~12 mbar 정도이고, 장비의 작동단계에서의 압력은 0.6~3 mbar 정도를 유지한다. 발화가능성이 있는 장비가 박스내부에 설치되어 있을 수 있기 때문에 최소 0.5mbar(=50Pa)이상은 반드시 유지되어야하고 정압에 도달하기전까지도 전원이 공급되어서는 안된다. 만약 어떠한 이유로 정압유지에 실패하면, 알람장치가 가동되어야 한다.

EPL기준으로 Zone 1지역의 압력이 50Pa이상 높게 유지하지 못하면 전원공급이 바로 중단되어야 하고, Zone 2지역은 25Pa 이하로 떨어질 경우는 알람이 울리도록 설계(Ex pz방폭)되어 있다.

압력방폭의 등급별 내용은 아래의 표를 참고하면 된다.

 

<표 1> 압력방폭의 등급별 내용 (IEC 60079.2 기준)

압력방폭 구분	EPL기준	최소 과압 (overpressure)	모니터할 내용	과압유지 실패 시
Ex px	Gb	50 Pa	퍼징(Purge flow), 압력 및 시간(pressure and time monitored)	자동 전원OFF
Ex py	Gb	50 Pa	압력(Pressure monitored)	자동 전원OFF
Ex pz	Gc	25 Pa	압력게이지(Pressure indicated)	알람

 

압력방폭 장비의 가동이 멈춘 후에 재가동을 할 때에는 반드시 퍼징단계를 다시 거치게 된다.

그러나 퍼징은 시간과 비용이 드는 작업이라 최근에는 압력방폭장비에 인터락(interlock bypass function)기능을 설치하기도 한다. 인터락기능은 유지보수나 문제해결을 위해 연결을 끊지 않은 상태에서도 압력방폭 박스가 열리도록 하는 기능이다.

 

Reference : 태경 T&C 방폭이야기