[논문]도시가스의 폭발 특성에 관한 연구

최재욱; 목연수; 박승호

문제 정의

지 그러나 가스의 취급 미비로 인한 사고는 인명피해와 함께 재산의 손실을 초래하기 때문에 가스폭발에 대한 위험성을 평가하기 위한 주요 특성으로서는 폭발하한계(lower explosive limit), 최대폭발압력(maximum explosion pressure), 폭발압력상승속도(rate of explosion pressure rise), 최소착화에너지(minimum i卽ition energy) 등이 있으며:少 이러한 가스폭발의 연구사례로는 Yusuke and Takashi5* 가 액화천연가스의 확산모델에 있어서 유체역활 모델의 유효성에 관한 연구와 Haneda 등®의 고전압 영역에 대한 메탄의 점화한계에 관한 연구가 있으며, 국내에서는 Bae 등71이 농도불균일계 LPG-공기혼합 계에 대한 폭발특성을 연구한 바 있으나, 천연가스형 도시가스의 실제적인 위험성을 평가할 수 있는 특성치에 관한 연구자료는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실제 산업현장, 일반 음식점 및 가정에서 사용되고 있는 연료인 도시가스의 폭발특성을 파악하기 위하여 부산지역에 공급되고 있는 도시가스를 사용하여 최대폭발압력, 최대폭발압력 상승속도 폭발범 위 및 폭발한계 산소농도를 측정하였으며, 가스누출에 의한 화재 . 폭발 사고의 예방을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 실제 산업현장, 일반 음식점 및 가정에서 사용되고 있는 연료인 도시가스의 폭발특성을 파악하기 위하여 부산지역에 공급되고 있는 도시가스를 사용하여 최대폭발압력, 최대폭발압력 상승속도 폭발범 위 및 폭발한계 산소농도를 측정하였으며, 가스누출에 의한 화재 . 폭발 사고의 예방을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

그러므로 폭발한계산소농도를 관리할 때 추산식에 의해 구해진 값을 사용할 수도 있으나, 본 실험의 결과에 의하면 더 낮은 농도에서 한계산소농도가 나타나므로 실험에 의해 구해진 값을 사용하여 폭발 예방대책을 강구하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. Fig. 4의 추산값은 Zabetakis가 제시한 폭발 한계치啲로부터 도시가스 성분의 각각의 값을 찾아서 Le Chatelier 식에 대입하여 하한계 4.58%와 상한계 14.52%의 폭발범위를 구하고 그 값으로부터 추산 식을 이용하여 폭발한계산소농도 10.75%를 구하였다.
도시가스농도의 변화에 따른 실험은 폭발하한, 상한 및 최대폭발압력을 나타내는 농도 부근에서는 도시가스 농도를 0.25%씩 변화시켜 실험하였으며, 폭발범위에서는 농도를 1%씩 변화시켜 실험을 행하였다. 또한 폭발하한과 상한은 같은 농도에서 10 회 이상 실험하여 1회라도 폭발할 때의 최소 .
방전제한저항은 착화지연 시간의 역할을 하는 것으로 저항의 크기에 따라 방전 전극을 통해 방전되는 착화지연시간이 달라진다. 방전 전극 2차측에는 무유도저항 2개를 장착하고, 고주파 진동을 제어하기 위한 500Q의 무유도저항과 전류검출용의 무유도저항(50Q)을 접지선에 연결하여 사용하였다. 폭발에너지 측정 .
취급시설 설비 시에 내압능력과 방폭설비의 산정기준이 된다. 본 실험에서는 폭발통내의 전극간극을 5mm, 방전 전압을 23kV로 설정하여 실험을 행하였으며, 각 산소농도에 있어서 최대폭발압력 및 폭발하한농도(lower explosive limit)와 폭발상한농도(upper explosive limit) 에서의 폭발압력을 측정하여 Table 2에 나타내었다.
25%이며 어떤 산소농도에서 폭발상한계와 하한계가 일치하는 임계점을 구하였으며, 그 이하의 산소농도에서는 폭발이 일어나지 않았다. 이 임계점에서의 산소농도를 폭발한계산소농도라 하며, 본 실험에서는 산소농도 10% 에서 폭발한계산소농도를 구하였다.
질소주입구로 이용하였다. 진공 부는 진공펌프와 압력용기로 구성되어 있으며, 압력 용기는 진공펌프의 작동시에 폭발통의 급격한 압력 저하를 방지하기 위하여 폭발통과 진공펌프 사이에 설치하여 압력저하의 속도를 완하할 수 있도록 구성하였다. 에너지 공급부는 점화원의 역할을 하는 부분으로서 용량방전형 콘덴서, 가스봉입형 고전압 스위치, 방전제한저항, 무유도저항 등으로 구성되어있다.
이때 산소를 먼저 주입하고, 질소는 주입부의 밸브를 급격히 열어 폭발통내부로 질소가 빠르게 유입되면서 내부에 난류를 형성 시켜 시료가 잘 혼합될 수 있도록 한다. 폭발시험을 위하여 점화플러그에 전원을 연결한 후 점화 스위치를 ON시켜 폭발유무를 관찰하고, 폭발시 오실로스코프 상에 나타난 파형을 컴퓨터(program : wavestar)로 읽어 들여 저장한 다음 프로그램에 의해 계산한다.
저장부는 오실로스코프 (TOS 380, Tektronix), 엠플리파이어(DA- 16A, Tokyo Sokki Kenkyigo) 및 컴퓨터로 구성되어 있다. 폭발의 경우 폭발통에 부착된 압력센서의 신호를 증폭기를 통해 증폭시켜 오실로스코프상에 파형이 나타나도록 하고, 이것을 컴퓨터로 읽어 들여서 수치화 하여 프로그램을 통하여 폭발압력 및 최대폭발압력 상승속도를 계산할 수 있도록 구성하였다.
저장 부로 구성되어 있다. 폭발통부에는 폭발통과 압력측정 센서로 구성되어 있으며, 폭발통은 원통형으로 폭이 105mm, 지름이 100m血로서 용기의 체적이 0.825 C 이며, 용기의 앞면과 뒷면에는 11mm 두께의 강화유리를 부착하여 용기내부의 폭발 유무를 육안으로 확인할 수 있도록 하였고, 그 외의 부분은 두께 6 mm의 Stainless steel로 제작하였다. 용기에는 가스주입 시 농도를 확인할 수 있도록 디지털 압력계g- 200-102G, Copal Electronics CO.
최대농도를 폭발하한계와 상한계로 하였다. 폭발한계산소농도를 측정하기 위하여 순도가 높은 산소와 질소를 미리 혼합한 18%, 15%, 12%, 10%의 혼합가스 ((주)덕양가人 순도 : 99.8%)를 사용하여 폭발범위를 측정하였으며, 폭발이 발생하는 최저농도를 폭발한계산소농도로 하였다.

대상 데이터

가스 폭발의 경우 온도와 습도에 따라서 폭발의 상태가 다르므로 실험의 재현성을 좋게 하기 위하여 온도 20±2℃, 습도 60±5%의 항온항습실에서 실험을 행하였다 가스의 농도 변화에 대한 실험을 행하기 위한 폭발통에 주입하는 산질소는 순도 99 %의 것을 사용하였으며, 폭발통 내부는 진공펌프를 사용하여 상부에 설치된 압력계의 수치가 -1.000kg/ cn?까지 진공으로 만든다. 농도의 설정은 두 가지 이상 혼합되어 있는 기체 혼합물의 경우 각 물질의 혼합조성비는 압력이나 부피에 의존하게 되며, 혼합기체 속에 들어있는 각 물질의 몰수의 합은 전체 혼합기체의 몰수가 되며, 각각의 몰수는 각 성분 기체의 농도를 나타낸다.
본 실험에 사용된 도시가스는 부산도시가스(주) 에서 샘플을 채취한 것으로 우리나라의 도시가스공급현황은 평택기지와 인천기지에서 각 지역 도시가스 배관망을 통해 전국으로 공급하기 때문에 전 지역에 공급되는 도시가스의 물성은 동일하며, 물성치를 Table 1에 나타내었다.8)
본 연구에 사용한 실험장치는 전파법을 개량한 장치로써 Fig. 1과 같다. 주요 구성부로는 폭발통부, 진공부, 에너지 공급부, 폭발압력 측정 .
폭발에너지 측정 . 저장부는 오실로스코프 (TOS 380, Tektronix), 엠플리파이어(DA- 16A, Tokyo Sokki Kenkyigo) 및 컴퓨터로 구성되어 있다. 폭발의 경우 폭발통에 부착된 압력센서의 신호를 증폭기를 통해 증폭시켜 오실로스코프상에 파형이 나타나도록 하고, 이것을 컴퓨터로 읽어 들여서 수치화 하여 프로그램을 통하여 폭발압력 및 최대폭발압력 상승속도를 계산할 수 있도록 구성하였다.
또한, 용기에 3개의 가스 주입 밸브를 설치하여, 이들을 진공흡입구, 도시가스 주입구, 산소 . 질소주입구로 이용하였다. 진공 부는 진공펌프와 압력용기로 구성되어 있으며, 압력 용기는 진공펌프의 작동시에 폭발통의 급격한 압력 저하를 방지하기 위하여 폭발통과 진공펌프 사이에 설치하여 압력저하의 속도를 완하할 수 있도록 구성하였다.
특히 도시가스가 Naphtha를 분해하여 제조하는 부탄형 중심에서 청정연료인 천연가스(LNG)로 교체됨에 따라 화재 . 폭발의 위험성이 적은 이점 때문에 수요가 급증하고 있다.

성능/효과

1) 산소농도 21%에서 폭발범위는 하한계 5.0%, 상한계 15.3%를 구하였다.
2) 산소농도가 감소함에 따라 폭발하한농도는 거의 변화가 없으나, 폭발상한농도는 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 폭발한계산소농도 10%를 구하였다.
3) 폭발한계산소농도는 실험으로 구한 값이 추산식에 의한 값보다 약간 낮게 나타났다.
4) 화학양론농도 부근에서의 최대폭발압력은 5.72 kgCcm² 측정되었다.
5) 최대폭발압력상승속도는 12%의 산소농도에서 16O.12kg0cm² . sec로 측정되었다.
이는 산소농도가 감소함에 따라 최저폭발압력은 거의 변화가 없는 반면, 최대폭발압력은 급격히 감소하는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 산소농도의 감소에 따라 최대폭발압력이 급격하게 감소하다가 산소농도 10%에서는 최저폭발압력과 최대폭발압력이 만나는 임계점을 찾을 수 있었으며, 산소농도변화에 따른 폭발범위와 동일한 형태를 나타냄을 알 수 있다. 이 임계점 이하에서는 폭발이 일어나지 않으며, 최대폭발압력의 급격한 감소 현상은 가연성 기체인 도시가스와 산소분자의 유효충돌수에 기인된 것으로 생각된다.
5는 산소농도 21%에서 도시가스의 농도변화에 따른 폭발압력을 나타낸 것으로서, 폭발이 일어날 수 있는 최저한계의 농도인 폭발 하한농도에서는 폭발압력이 1.26kgecn?으로 나타났으며, 도시가스의 농도가 증가함에 따라 폭발압력이 증가하였고, 12% 의 농도에서 5.72kgfcm²의 최대폭발압력을 나타내었다. 그러나 12% 이상의 농도에서는 점차적으로감소하여 폭발상한농도에서 는 3.

후속연구

75%로서 추산식에 의한 경우보다 실험에 의한 값이 낮게 나타났다. 그러므로 폭발한계산소농도를 관리할 때 추산식에 의해 구해진 값을 사용할 수도 있으나, 본 실험의 결과에 의하면 더 낮은 농도에서 한계산소농도가 나타나므로 실험에 의해 구해진 값을 사용하여 폭발 예방대책을 강구하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. Fig.

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