[논문]압력 변화에 따른 도시가스의 폭발특성에 관한 연구

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이인식 (부경대학교 안전공학과) , 최재욱 (부경대학교 안전공학과) , 목연수 (부경대학교 안전공학과) , 전세호 (부경대학교 안전공학과) , 박성태 (경동도시가스) , 정두균 (한국소방안전협회 연구실)

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3) 폭발 위험성을 평가하기 위한 주요 특성으로서는 폭발하한계(lower explosive limit), 최대폭발압력(maximum explosion pressure), 폭발압력상승속도(rate of explosion pressure rise) 등이 있으며, 이러한 가스 폭발의 연구 사례로는 Kakutkina 등%의 밀폐용기의 가스 폭발에 관한 평가방법과 Haneda 등 $의 고전압 영역에 대한 메탄의 점화한계에 관한 연구 , 최재욱 등s의 도시가스의 폭발 특성에 관한 연구가 있으나 초기압력 변화에 따른 연구자료는 거의 없는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 산업 현장, 음식점 및 가정에서 널리 사용되고 있는 도시가스의 폭발 특성을 파악하기 위하여 초기압력 변화에 따른 도시가스의 폭발 특성치를 구하고 폭발 시 압력에 대한 위험 성인폭발압력 및 폭발압력상승 속도 등을 평가하여 가스 누출에 의한 화재. 폭발사고의 예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 산업 현장, 음식점 및 가정에서 널리 사용되고 있는 도시가스의 폭발 특성을 파악하기 위하여 초기압력 변화에 따른 도시가스의 폭발 특성치를 구하고 폭발 시 압력에 대한 위험 성인폭발압력 및 폭발압력상승 속도 등을 평가하여 가스 누출에 의한 화재. 폭발사고의 예방을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

가스 폭발의 경우 온도와 습도에 따라서 폭발의 상태가 다르므로 $ 실험의 재현성을 좋게 하기 위하여 온도 20+2℃, 습도 50±5%의 항온항습실에서 실험을 행하였다. 가스의 농도 변화에 대한 실험을 행하기 위한 가스 혼합조에 주입하는 산소, 질소는 순도 99%의 것을 사용하였으며, 실험은 다음의 순서에 의해 진행하였다.
도시가스 폭발하한과 상한은 같은 농도에서 3회 이상 실험하여 1회라도 폭발할 때를 폭발로 판정하였으며, 최소. 최대농도를 폭발하 한계와 상한계로 나타내었다.
그림 3는 도시가스의 산소 농도 변화와 초기 압력의 변화에 따른 폭발한계 특성치를 나타낸 것으로서 산소농도 21%에서의 초기압력 변화에 따른 도시가스의 폭발한계는 0, 0.5, 1.0, 1.5kg而2에서 각각 4.9~15%, 4.9-15.5%, 4.8~16%, 4.7~16.5%를 구하였으며, 산소농도 18%, 15%, 13% 등에서 나타난 바와 같이 폭발하한계의 변화는 산소농도가 감소함에 따라서 조금씩 증가하였으나 폭발상 한계에 있어서는 산소농도가 감소할수록 급격하게 감소하여 산소농도 12%에서 5.2%의 한계산소농도를 구하였다.

그 중에서도 도시가스는 단위 질량 당 발열량이 크고 가격이 저렴하기 때문에 사용량이 매년 증가하는 추세를 나타내고 있다." 특히 도시가스가 Naphtha를 분해하여 제조하는 부탄형 중심에서 청정연료인 천연가스(LNG)로 교체됨에 따라 화재. 폭발의 위험성이 적어 짐으로써 수요가 급증하고 있다.
본 실험에서 사용된 도시가스는 (주)경동도시가스에서 채취한 제품을 사용하였으며, 그 성분은 Table 1. 에 나타내었다.
가스의 농도 변화에 대한 실험을 행하기 위한 가스 혼합조에 주입하는 산소, 질소는 순도 99%의 것을 사용하였으며, 실험은 다음의 순서에 의해 진행하였다.
본 연구에 사용한 실험장치는 전파법을 개량한 장치로써 그림 1과 같으며, 주요 구성도는 가스혼합 탱크, 폭발통부, 에너지 공급부, 폭발 압력 측정 장치 및 진공펌프 등으로 구성되어 있다.

1) 산소 농도 21%에서 초기 압력 변화 (0, 0.5, 1.0, 1.5kgt/cm²)에 따른 도시가스의 폭발한계 범위는 각각 4.9~15%, 4.9-15.5%, 4.8~16%, 4.7~16.5%로 나타났다.
2) 초기 압력 변화에 따른 도시가스의 폭발 압력은 도시가스 농도 9%에서 각각 6.3, 9.4, 12.7, 16, 7kgf/cm²의 최고폭발 압력을 구하였다.
3) 산소 농도가 감소함에 따라 폭발하한 농도는 거의 변화가 없으나, 폭발 상한 농도는 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 폭발한계산소 농도는 12%를 구하였다.

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