과학기술의 발전에 따라 연구실의 규모 역시 매년 증가하고 있다. 또한 연구실에서는 많은 종류의 고압가스를 취급(저장·사용)하기 때문에 가스누출로 인한 폭발성가스분위기(explosive gas atmosphere)가 형성될 경우 점화원에 의한 화재·폭발이 발생할 수 있다. 이에, 연구실에서 주로 사용하는 수소(H2)를 기준으로 비폭발위험장소(non-hazardous area) 설계·운영방안에 대해 설명하고자 한다.

연구실에서 사용하는 고압가스는 일반적으로 용기에서 금속플렉시블 호스(metal flexible hose)를 거쳐 조정기(regulator) 감압 후 실험장비에 공급된다. 이때, 조정기 전단은 고압부, 후단은 9.9bar 이하의 저압부이며, 실제 시험장비에 공급되는 압력은 일반적으로 2~5bar 정도이다. 이러한 고압가스 공급설비의 주요 구성품에는 고압가스용기, CGA(Compressed Gas Association 미국고압가스협회 규격) connector, metal flexible hose, filter, valve, tube, regulator, pressure gauge, check valve, flame arrester, safety valve 등이 있다.

가스누출 시나리오 조건은 KGS GC101(가스시설의 폭발위험장소 종류 구분 및 범위 산정에 관한 기준)에 따라 누출등급은 2차 누출, 누출단면적은 50mm 이하 소구경 연결부(최소값 0.025mm2), 운전압력은 3~150bar, 환기속도는 보수적으로 0.05 m/s, 환기 유효성(빈도)은 미흡(Poor)으로 설정했다.

폭발위험장소를 산정한 결과, 3bar에서는 고희석 등급, 9.9bar 이상에서는 중희석 등급으로 저압 및 고압 case 모두 2종으로 구분되었다. 희석등급이 고희석인 경우에도 환기 유효성이 미흡(Pool)에 해당하면 폭발위험장소로 구분되며, 고속 제트 누출인 경우에는 최소 1m의 폭발위험장소 범위가 산정된다는 것을 확인하였다. 이는 누출 특성값이 적어 가연성가스의 농도가 빨리 감소하고 고희석등급으로써 누출 종료 이후 폭발성가스분위기가 거의 지속되지 않는다 할지라도, 환기가 불연속적인 경우에는 2종으로 구분된다는 것을 의미한다. 즉, 비폭발위험장소가 되기 위해서는 환기 유효성을 우수(Good) 또는 양호(Fair)로 유지하고, 누출 특성값을 최소화하여 고희석의 환경을 만들어야 한다는 것이다.

참고로, ‘고압가스용 실린더캐비닛’ 내부는 법적으로 항시 음압이 유지돼야 함에 따라 강제환기가 이루어지고 있고, Pneumatic Valve, Valve shutter 등 다양한 안전장치를 통해 가스 누출 예방이 가능하기 때문에 환기 유효성을 우수(Good)로 구분할 수 있다. 따라서, 연구실 내에서 ‘고압가스용 실린더캐비닛(1Bottle: 500mm ×550mm×1,850mm)’을 통해 수소를 취급할 경우, 누출단면적 0.025 mm2, 운전압력 9.9~150bar 조건에서는 환기속도를 0.05~0.75 m/s 이상으로 유지한다면, 실린더캐비닛 내부를 비폭발위험장소로 적용할 수 있다.

대부분 연구실에서는 밀폐된 환경에서 고압가스 용기를 사용하고 있기 때문에, 고압가스가 일시적으로 소량 누출된다 해도 환기가 불충분할 경우 폭발성가스분위기가 형성될 수 있다. 또한, 연구실 내에는 반응기에서 발생하는 반응열, 비방폭 전기설비 등 다양한 점화원이 있기에 언제든 화재·폭발이 발생할 수 있다. 따라서, 연구실 내 가연성가스 누출에 의한 화재·폭발 사고를 근원적으로 예방하기 위하여, 설계단계부터 가스의 물리·화학적 특성, 연구실의 환기상태, 점화원, 장비의 운전조건 등 종합적인 검토가 이루어져야 할 것으로 판단된다.