이 글의 목적은 고압가스 수소 배관에서 발생할 수 있는 누출을 조기에 검지하기 위해 누출검지 시스템을 어떻게 설계·구성하고, 어떤 수소 검지센서를 선택·배치해야 하는지 실무 관점에서 정리하여, 수소충전소·실험실·플랜트 등 현장에서 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 왜 수소 배관에 누출검지 시스템이 필수인지
1-1. 수소의 특성과 누출 위험
수소는 상온·대기압에서 무색·무취·무미인 기체이며, 공기보다 약 14배 가벼운 기체이다. 누출 시 하부에 고이는 LPG·프로판과 달리 빠르게 상승하여 상부 공간, 천장, 배관·케이블 덕트 상부 등에 축적되기 쉽다.
또한 수소의 가연한계(폭발한계)는 공기 중 약 4~75 vol% 범위로 매우 넓다. 같은 조건에서 천연가스 등 다른 연료가스보다 점화되기 쉬운 환경이 형성되므로, 낮은 농도에서부터 누출을 빠르게 감지하고 통보·차단하는 시스템이 필수이다.
주의 : 수소는 냄새가 없고 인간의 감각으로는 거의 인지할 수 없으므로, “냄새로 알 수 있다”는 가정 하에 운전하는 것은 매우 위험하다.
1-2. 수소 배관 누출검지와 법·기술기준의 관계
고압가스 관련 법령과 각종 기술기준에서는 수소와 같은 가연성 고압가스를 저장·사용·제조하는 설비에 대하여 다음과 같은 사항을 요구하거나 권고하는 경우가 많다.
- 실내 수소 배관 및 장치 주변에 가스누출검지기 설치
- 검지 농도에 따른 경보 발령 및 공급 차단, 환기 설비 연동
- 방폭구역(Zone 1, Zone 2 등)에서 방폭형 검지기 사용
- 정기적인 기능시험 및 교정으로 검지 성능 유지
따라서 수소 배관 누출검지 시스템은 단순한 “경보기”가 아니라, 법적 요구와 안전 설계 철학을 반영한 통합 안전계장(SIS)의 일부로 이해하고 설계하는 것이 바람직하다.
2. 수소 배관 누출검지 시스템의 전체 구성
수소 배관 누출검지 시스템은 크게 감지, 판단·제어, 경보·인터록 세 단계로 나눌 수 있다.
2-1. 주요 구성요소
| 구성요소 | 역할 | 비고 |
|---|---|---|
| 수소 가스 검지센서 | 수소 농도(공기 중 vol% 또는 LEL%)를 실시간 측정하여 신호 출력 | 촉매연소식, 반도체식, 열전도식, 광학식 등 선택 |
| 가스 검지 제어반(컨트롤러) | 센서 신호 수집, 알람 레벨 비교, 릴레이 출력 및 시스템 상태 표시 | 다채널(멀티 채널) 구성 가능 |
| 경보 설비 | 부저, 경광등 등 시각·청각 경보 발령 | 작업자 위치·소음 환경 고려 배치 |
| 비상 차단·인터록 설비 | 수소 공급 밸브 차단, 압축기 정지, 충전기 정지, 펌프 정지 등 | ESD(비상정지) 시스템과 연동 |
| 환기 설비 | 누출 발생 시 강제 환기 가동으로 농도 저감 | 1단계 알람과 연동하는 경우가 많음 |
| 감시·기록 시스템 | 농도 추이 저장, 알람 이력 관리, 유지보수 계획 수립에 활용 | SCADA, DCS, SMS 등과 연계 |
2-2. 수소 누출검지 시스템의 기본 동작 개념
수소 배관 주변에 설치된 검지센서는 수소 농도를 연속 측정하고, 설정된 알람 레벨에 따라 제어반에 신호를 전달한다. 제어반은 알람 레벨을 비교하여 1단계 경보, 2단계 경보, 비상 정지 등의 출력을 순차적으로 발생시킨다.
- 정상 상태 : 농도가 배경 수준(0%에 근접)으로 유지되며, 시스템은 대기 상태
- 1단계 알람(예: 10% LEL 수준) : 시각·청각 경보 + 환기 설비 자동 기동
- 2단계 알람(예: 25% LEL 수준) : 수소 공급 차단, 관련 설비 정지, 인원 대피
주의 : 알람 설정값은 적용 설비, 위험성평가 결과, 현지 규정에 따라 조정해야 하며, 임의로 너무 높게 설정하면 누출 대응이 지연될 수 있다.
3. 수소 검지센서 기술 종류와 선택 기준
수소 누출검지에는 여러 종류의 센서 기술이 사용되며, 각각 장단점이 있다. 배관 주변, 옥내·옥외, 온도·습도 환경, 예상 농도 범위 등에 따라 적합한 센서를 선택해야 한다.
3-1. 주요 기술 종류 비교
| 센서 종류 | 원리 | 장점 | 단점·주의사항 | 적용 예 |
|---|---|---|---|---|
| 촉매연소식(카탈리틱) | 촉매 표면에서 수소를 산화시켜 발생하는 열 변화로 농도 측정 | LEL 기준 측정에 적합, 산업 현장에서 널리 사용 | 산소 필요, 고농도 수소 및 독성가스에 의한 중독 가능, 정기 교정 필요 | 실내 배관, 압축기 주변, 밸브 매니폴드 |
| 반도체식(MOS 등) | 반도체 표면의 전기전도도 변화를 이용하여 수소 농도 검출 | 저비용, 구조 단순, 소형화 용이 | 온도·습도 영향, 다른 가연성 가스에 대한 응답(선택성 낮을 수 있음) | 소규모 설비, 실험실, 보조 감시 |
| 열전도식(TCD) | 수소와 공기의 열전도도 차이를 이용하여 농도 측정 | 수소에 민감, 비교적 안정적 | 온도·유량 조건 관리 필요, 시스템 구성 다소 복잡 | 분석용, 특수 배관 구간 |
| 광학식(적외선/레이저 등) | 광 흡수 또는 산란 특성을 이용해 수소 농도 비접촉 측정 | 응답속도 빠름, 고정밀, 일부는 광경로 전체를 감시 가능 | 초기 비용 높음, 설치·정렬 관리 필요 | 대형 플랜트, 수소 충전소 캐노피 상부, 라인형(Open-path) 감시 |
| 광섬유형 센서 | 광섬유 코팅 재료가 수소와 반응하여 광학 특성 변화 | 전기 스파크 위험 거의 없음, 방폭성 우수 | 기술·제품 다양성 제한, 초기 설계 난이도 | 방폭 요구 높은 구역, 터널형 배관 덕트 |
3-2. 센서 선택 시 고려할 주요 항목
- 측정 범위 : 수소는 통상 0~2 vol% 또는 0~4 vol% 범위(0~100% LEL)에서 제어 목적을 만족하므로, 해당 범위를 커버하는 센서를 선택한다.
- 응답 시간(T90) : 누출 초기 대응을 위해 가능한 한 짧은 응답 시간을 가진 센서를 선택한다.
- 정확도와 안정성 : ISO 기반 성능 시험 요구사항 등을 만족하는 제품 여부를 확인한다.
- 방폭 등급 : Zone 1, Zone 2, Gas group(예: IIC) 수준에 적합한 Ex d, Ex ia 등의 방폭 인증 여부를 확인한다.
- 환경 조건 : 온도·습도·진동·부식성 가스 등 현장 환경에 장기간 견딜 수 있는 구조인지 검토한다.
- 유지관리 용이성 : 교정 가스 투입, 센서 카트리지 교체, 예비품 수급 등을 고려하여 유지보수가 쉬운 형식을 선택한다.
4. 수소 배관 누출검지 설계 기준과 센서 배치
4-1. 설계 프로세스 개요
- 대상 배관 시스템 범위 정의(압력, 직경, 배관 경로, 실내·실외 구분)
- 위험성평가(HAZID, HAZOP 등)를 통해 주요 누출 시나리오 도출
- 누출 가능성이 높은 포인트(플랜지, 밸브, 레귤레이터, 용접부 등) 식별
- 배관 주변 공간 형상 및 환기 조건 분석(상부 빈 공간, 벽·구획, 자연/강제 환기)
- 센서 기술 종류 및 방폭 등급 결정
- 센서 수량 및 설치 위치 결정(수평 간격, 높이, 접근성 고려)
- 알람 레벨, 제어 로직, 인터록(차단·정지·환기) 정의
- 도면·시방서 작성 후 시공, 시운전 및 성능 검증
4-2. 센서 설치 위치 원칙
수소는 가벼워서 위로 상승하므로, 누출검지 센서는 다음 원칙에 따라 상부 공간을 중심으로 배치하는 것이 일반적이다.
- 실내 배관 상부, 천장 또는 트러스 하단에 설치하여 누설된 수소가 모이는 위치를 감시한다.
- 플랜지, 밸브군, 조인트 등 누출 가능성이 높은 지점 바로 위쪽에 설치한다.
- 케이블 덕트·트레이 상부, 장치 상단 빈 공간 등 수소가 포집될 수 있는 포켓(pocket) 부위를 우선적으로 감시한다.
- 바닥 또는 피트(pit)에 수소가 고일 가능성이 거의 없더라도, 수직 기류·기류 방해요소를 고려해 필요시 중간 높이에도 보조 센서를 배치한다.
주의 : 수소는 위로 상승하지만, 실내 구조나 국부적인 기류에 의해 특정 코너나 덕트 내부에 고일 수 있으므로, 단순히 “천장에 몇 개” 설치하는 방식으로 설계해서는 안 된다.
4-3. 센서 간격 및 커버리지 고려
센서 간 수평 간격은 설비 규모, 천장 높이, 환기 조건에 따라 결정한다. 일반적으로 실내 수소 설비의 경우 다음과 같은 기준을 참고할 수 있다.
- 소규모 실험실·장치실 : 5 m 이내 간격으로 주요 누출원 인근을 커버
- 중·대형 플랜트 배관 랙 : 경로를 따라 5~10 m 정도 간격으로 설치하되, 밸브 스테이션·조인트 밀집 구간에는 별도 센서를 추가
- 캐노피형 수소충전소 : 지붕 하부에 라인형(광학식) 센서 또는 다수의 포인트 센서를 조합
배관이 여러 층으로 설치된 랙 구조인 경우, 상단 레벨을 우선적으로 감시하되, 하부 장치에서의 누출에 의해 상단으로 유입되는 경로를 고려하여 센서 배치를 검토한다.
4-4. 알람 설정값(LEL 기준) 예시
수소의 LEL(하한 폭발한계)은 약 4 vol%이다. 누출검지 시스템은 폭발 위험에 도달하기 훨씬 전의 농도에서 경보와 차단을 수행하도록 설계한다.
| 레벨 | 수소 농도 기준 | LEL 기준 | 주요 조치 |
|---|---|---|---|
| 1단계 알람 | 약 0.4 vol% 수소 | LEL의 10% 수준 | 부저·경광등 작동, 운전원 통보, 강제환기 설비 자동 기동 |
| 2단계 알람 | 약 1.0 vol% 수소 | LEL의 25% 수준 | 수소 공급 차단 밸브 폐쇄, 압축기·펌프 정지, 인원 대피 |
이 값들은 일반적인 설계 예시이며, 실제 적용 시에는 법적 요구사항, 설계 기준, 위험성평가 결과를 반영하여 결정해야 한다.
5. 수소 배관 누출검지 시스템 설계 체크리스트
실제 프로젝트에서 누락이 잦은 항목을 중심으로 체크리스트를 구성하면, 설계 품질을 일정 수준 이상으로 유지하는 데 도움이 된다.
| 항목 | 점검 내용 | 확인 여부 |
|---|---|---|
| 적용 범위 정의 | 수소 배관 구간, 압력·온도 범위, 사용 장소(실내/실외)를 명확히 정의하였는가 | □ |
| 위험성평가 | HAZID/HAZOP 등을 통해 주요 누출 시나리오와 위험 등급을 도출하였는가 | □ |
| 센서 기술 선정 | 촉매연소식·광학식 등 기술 선택 근거와 방폭 등급을 검토하였는가 | □ |
| 센서 배치 계획 | 누출원 주변, 천장/덕트 상부 등 수소 축적 위치를 충분히 커버하는가 | □ |
| 알람 레벨 설정 | 1·2단계 알람, 인터록 작동 조건이 명확하게 정의되어 있는가 | □ |
| 인터록 설비 연계 | 수소 공급 차단, 압축기 정지, 환기 설비 기동 등이 제어로직에 반영되었는가 | □ |
| 전원·통신 이중화 | 비상 전원, 통신 이중화 등 시스템 신뢰성을 확보하였는가 | □ |
| 유지보수 계획 | 정기 점검·교정 주기, 예비 센서 재고, 기록 관리 절차를 수립하였는가 | □ |
6. 수소 배관 누출검지 시스템의 유지보수와 정기 점검
6-1. 유지관리 기본 원칙
가스누출검지 시스템은 설치 시점에만 성능을 검증하고 방치하면 빠르게 신뢰성을 잃는다. 수소 센서는 온도, 습도, 오염가스, 진동 등 다양한 요인에 의해 감도가 변화할 수 있으므로, 다음과 같은 원칙으로 유지관리를 수행해야 한다.
- 정기 기능시험 : 알람·인터록 작동 여부를 최소 월 1회 이상 확인
- 정기 교정 : 교정가스를 이용해 센서 출력과 실제 농도의 일치 여부를 6~12개월 주기로 교정
- 센서 수명 관리 : 제조사에서 제시하는 센서 수명(예: 3~5년)에 따라 사전 교체 계획 수립
- 환경 점검 : 센서 주변 온도, 습도, 오염, 기계적 손상 여부 확인
6-2. 기능시험·교정 절차 예시
1) 기능시험 - 시험 전 해당 채널의 알람·인터록 영향 범위 파악 - 시험용 수소 혼합 가스(또는 제조사 권장 교정가스)를 센서에 노출 - 설정된 농도에서 1·2단계 알람, 환기·차단 인터록이 정상 동작하는지 확인 - 시험 결과를 점검 기록지에 기록하고, 이상 시 즉시 조치
교정
제로 가스(무수 공기)로 센서 기본값(0점) 확인 후 필요시 조정
표준 농도 교정가스(예: 50% LEL 수소 혼합가스)를 사용하여 span 조정
교정 후 기준 농도에서의 오차가 허용 범위 내인지 검증
교정 결과, 사용한 가스 로트 번호, 유효기간 등 기록6-3. 기록 및 교육
수소 누출검지 시스템의 신뢰성을 유지하기 위해서는 기술적 조치뿐 아니라 운영관리 측면도 중요하다.
- 점검·교정 결과를 설비별로 체계적으로 기록하고, 추세를 분석하여 센서 성능 저하를 조기에 인지한다.
- 운전원·정비원에게 수소 누출 시 행동 요령, 알람 의미, 비상 차단 절차 등을 반복 교육한다.
- 정기적인 모의훈련을 통해 실제 누출 상황에서도 누출검지 시스템의 경보와 인력 대응이 연계되도록 훈련한다.
7. 수소 배관 누출검지 시스템 도입 시 실무 팁
- 초기 설계 단계부터 반영 : 배관 설계가 어느 정도 진행된 후에 검지 시스템을 “붙이는” 방식은 배치 최적화가 어렵다. 기본 설계 단계부터 누출검지와 방폭구역, 환기 계획을 동시에 검토하는 것이 좋다.
- 센서 과소 설치 방지 : 비용 절감을 위해 센서 수량을 과도하게 줄이면, 실제 누출이 발생해도 검지하지 못하는 “블라인드 존”이 생길 수 있다.
- 실제 누출 시나리오 검증 : 설계 완료 후 시뮬레이션 또는 간단한 연기·헬륨 트레이서 테스트 등을 통해 누출 가스의 이동 경로와 센서 응답 위치를 검증하면 신뢰성이 높아진다.
- 표준·가이드라인 참조 : 수소 검지 성능 요구사항과 시험 방법을 정의한 국제표준, 수소 설비용 가이드라인 등을 참고하여 제품과 설계 수준을 검증하는 것이 바람직하다.
FAQ
Q1. 수소 배관 주변에는 최소 몇 개의 가스누출검지기를 설치해야 하는가?
정해진 절대 기준 개수는 없으며, 배관 길이, 플랜지·밸브 밀집 정도, 실내 체적, 환기 조건 등을 종합하여 위험성평가 결과에 따라 결정해야 한다. 일반적으로 실내 배관의 경우 5~10 m 간격으로 주요 누출원 주변을 커버하도록 배치하고, 플랜지 그룹이나 밸브 매니폴드 상부에는 별도의 센서를 추가 설치하는 방식이 많이 사용된다.
Q2. 실외에 설치된 수소 배관에도 누출검지기가 필요한가?
실외에서는 자연 환기로 인해 수소가 빠르게 확산되지만, 구조물 하부, 캐노피 내부, 옥외 장치실 등에는 국부적인 축적이 발생할 수 있다. 사람 출입이 잦거나 점화원이 존재하는 구역, 구조적으로 가스가 머무를 수 있는 구역에는 실외 배관이라도 누출검지기 설치를 검토하는 것이 좋다.
Q3. 수소 검지센서의 교정 주기는 어느 정도로 설정하는 것이 적절한가?
제조사가 추천하는 주기가 가장 우선이며, 일반적으로 6~12개월 주기가 많이 사용된다. 다만 고온·고습·먼지·부식성 가스 등 가혹한 환경에서는 더 짧은 주기가 필요할 수 있다. 초기 1~2년간은 더 짧은 주기로 교정을 실시하여 센서 특성을 파악하고, 이후 위험도와 실적에 따라 주기를 조정하는 방식이 바람직하다.
Q4. 수소 배관 누출검지 시스템과 방폭구역(Zone) 설계는 어떻게 연계해야 하는가?
수소 설비의 방폭구역 분류(Zone 0/1/2) 결과는 검지센서의 방폭 등급과 설치 위치 결정에 직접적인 영향을 준다. 방폭구역이 높은 구역(예: Zone 1)에는 적합한 방폭 인증을 받은 수소 검지센서를 사용해야 하고, 검지 결과에 따라 Zone 경계를 재평가하는 경우도 있다. 따라서 방폭구역 분류, 누출 시나리오, 누출검지 설계를 하나의 패키지로 검토하는 것이 좋다.