압력방폭(PRESSURISATION, Ex p)의 개념과 장비 구성

압력방폭은 폭발3요소중 연료를 제어하는 방식(exclusion)입니다. 압력방폭 박스(Enclosure) 내부에 보호기체를 넣어놓고 주변기압보다 높은 압력으로 설정하면, 박스내부의 기체만이 박스외부로 나갈수 있을뿐 박스외부의 폭발성 혼합기체는 박스내부로 들어올 수 없게 됩니다. 그러면 박스 내부에 발화원이 스파크를 생성해도 박스내부에는 연료가 없으니 폭발이 일어나지 않습니다. 이 원리로 방폭을 구현하는 것이 압력방폭(Ex p)입니다.
압력방폭을 구현하기 위해서는 몇가지 장비가 필요합니다. 먼저, 압력방폭용 박스(Enclosure)가 있어야 합니다. 이 박스내부에 각종 일반(비방폭) 장비들이 설치되며, 외부충격이나 내부의 정압(과압,overpressure)을 충분히 견딜수 있을 정도의 물리적인 단단함도 가져야 합니다. IP등급기준으로 최소 40이상(북미지역 기준은 Type 4이상), 하지만 IP등급을 가진 박스라고 해서 무조건 적합하지 않을 수 있습니다. IP등급의 기본개념은 외부침입으로부터의 보호를 위해 sealing 등이 설계된 반면, 압력방폭용 박스는 내부의 압력을 유지하고 기체의 누출을 막을수 있게 설계되어야 하기 때문입니다. 단단함에 있어서도 정상작동상태의 압력(최소 200pa)의 1.5배의 압력에 2분이상 박스의 뒤틀림없이 견뎌야 합니다. 또 내부에 원활한 공기의 흐름이 이루어지도록 설계되어야 합니다.
다음으로 필요한 것은 압력방폭에 있어 핵심인 퍼징(purging) 시스템입니다. 퍼징이란 보호기체를 박스내부에 지속적으로 공급하여 박스 내부의 있을 수 있는 폭발성 혼합기체를 밖으로 배출하는 작업을 말합니다. 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 비활성기체(inert gas, 반응성없는 가스)를 사용하기도 합니다. 이 보호기체를 박스내부로 공급할 기류발생장치(pressurising equipment, 팬이나 blower), 발생되는 기류를 박스에 전달하는 배관류(Pressure valve, Air inlet unit Air outlet), 배관과 박스를 연결하는 피팅류(fitting) 등도 퍼징 시스템이라 하겠습니다. 보호기체를 박스내부로 공급되는 supply tubing, 기체를 박스밖으로 내보내는 Vent, 박스내부 압력의 모니터링을 위한 reference tubing 등은 보호기체가 원활하게 흐를 수 있도록 설계되어야 합니다.
모니터링 시스템도 필요합니다. 박스내부의 압력을 측정하는 압력게이지, 온도센서 그리고 알람과 스위칭 장치도 필요합니다. 많은 경우 박스 외부에 붙박이로 설치되는 이 장비들은 위험지역에 바로 노출되어 있고, 압력방폭 장비가 작동하지 않는 퍼징단계에서도 이 장비들은 동작하기 때문에 압력방폭장비와는 다른 방폭구조가 적용됩니다. 때문에 각각의 규정에 맞게 설치되어야 합니다. 압력방폭 장비가 개별장비가 아닌 주로 전체 시스템으로 판매되는 이유중 하나이고 이때의 방폭관련표시는 Ex d IIC [px] T4 로 표시됩니다. 압력방폭(Ex p)이 아닌 내압방폭(Ex d)로 표시되는데 이는 내압방폭 박스내에 Ex px의 작동시키기 위한 제어장비가 내압방폭 박스내에 들어가 있다는 뜻입니다.

압력방폭 장비(PRESSURISATION, Ex p)의 운영

압력방폭에서의 운영은 박스내부에 폭발성 혼합기체를 어떻게 계속해서 제거하느냐가 관건입니다. 압력방폭 박스가 작동될때는 물론이고 가동하기 전에도 폭발성 혼합기체가 박스내부에 있지 않도록 해야 합니다. 폭발성 기체가 있다면 가동과 동시에 폭발이 일어날 수 있기 때문입니다.
이를 위해 가동전에는 퍼징단계(purging cycle)를 거치는데 대략 박스용량의 5배정도(북미지역은 10배까지)의 부피에 해당하는 기체를 박스에 투입하게 됩니다. (5배의 부피는 처음에는 IEC규정에 명시되어 있다가 개정판에서는 삭제되었습니다) 가스가 아닌 분진이 있는 위험지역(Ex pD)에서는 퍼징단계을 생략하는데, 퍼징작업으로 오히려 가연성 분진이 휘날리게 할 수 있기 때문입니다. 대신 박스내부를 조사하고 먼지가 있는 경우에는 닦아내는 작업을 하게 됩니다.
퍼징작업이 완전하게 진행된 것을 반드시 확인한 후에야 장비내부에 전원을 공급할 수 있습니다. 이때부터는 박스내부에 정압(positive pressure)을 유지하는 것이 중요합니다. 그래야만 박스외부에 있는 폭발성 혼합기체가 박스내부로 들어올 수 없기 때문입니다. 또한, 박스에서 새어나가는 기체만큼 계속 보충이 되고 있다는 의미이기도 합니다.
퍼징 단계에서의 박스내부 압력은 대략 3.5~12 mbar 정도이고, 장비의 작동단계에서의 압력은 0.6~3 mbar 정도를 유지합니다. 발화가능성이 있는 장비가 박스내부에 설치되어 있을 수 있기 때문에 최소 0.5mbar(=50pa)이상은 반드시 유지되어야하고 정압에 도달하기전까지도 전원이 공급되어서는 안됩니다. 만약 어떠한 이유로 정압유지에 실패하면, 알람장치가 가동되어야 합니다. EPL기준으로 Zone 1지역의 압력이 50pa이상 높게 유지하지 못하면 전원공급이 바로 중단되어야 하고, Zone 2지역은 25pa 이하로 떨어질 경우는 알람이 울리도록 설계(Ex pz방폭)되어 있습니다. 압력방폭의 등급별 내용은 아래의 표를 참고하시면 됩니다.
압력방폭 장비의 가동이 멈춘 후에 재가동을 할때에는 반드시 퍼징단계를 다시 거치게 됩니다. 그러나 퍼징은 시간과 비용이 드는 작업이라 최근에는 압력방폭장비에 인터락(interlock bypass function)기능을 설치하기도 합니다. 인터락기능은 유지보수나 문제해결을 위해 연결을 끊지 않은 상태에서도 압력방폭 박스가 열리도록 하는 기능입니다.

압력방폭의 등급별 내용 (IEC 60079.2 기준)

자료출처: pressurized systems Principle, requirements and recommendation (R.STAHL), Enclosure purging and pressurization (Chris Romano), PURGE AND PRESSURIZATION SYSTEMS ENGINEER'S GUIDE (Pepperl+Fuchs)