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표제지 2

요약문 5

목차 8

Ⅰ. 서론 17

1. 연구배경 17

2. 기존의 연구 18

1) 국내·외 미분무 적용 규제요건 및 기술기준 18

2) 미분무 소화성능에 관한 연구 19

3. 연구목적 및 내용 20

1) 원전 미분무 적용 규제요건 및 기술기준 검토 20

2) 미분무 소화효과 분석 21

3) 원전환경에서 미분무 소화설비 적용을 위한 방안 도출 21

Ⅱ. 이론적 배경 22

1. 원자력발전소 화재방호 22

1) 화재 위험도 평가 23

2) 비상디젤발전기실 화재방호 26

3) 미분무 소화설비 국내·외 규제요건 및 기술기준 32

2. 미분무 소화설비 39

1) 미분무 정의 및 소개 39

2) 미분무 목적 및 특성 40

3) 타 소화설비와의 차이점 45

3. 원전 화재 모델링 46

1) 화재 모델링 목적 설정(1단계) 48

2) 화재시나리오 분석(2단계) 48

3) 화재모델 선정(3단계) 49

4) 화재발생 조건 예측(4단계) 50

5) 민감도 및 불학실도 분석(5단계) 51

6) 보고서 작성(6단계) 51

Ⅲ. 성능시험 및 분석 53

1. 미분무 소화설비 성능시험 53

1) IMO 1165에 따른 성능시험 53

2) 화재시험 결과 65

2. 화원 열방출율 시험 70

1) 시험정보 70

2) 열유속값을 활용한 열방출율 산출 결과 72

3. 성능시험 결과 및 분석 73

1) 미분무 소화설비 성능시험 73

2) 화원 열방출율 시험 73

Ⅳ. 화재 시뮬레이션 및 분석 74

1. 화재 시뮬레이션(FDS)의 개요 74

2. 화재 시뮬레이션 조건 및 분석 78

3. 격자 민감도 분석 80

1) 격자 크기 선정의 중요성 80

2) 특성화재직경(Characteristic fire diameter) 80

3) 격자 민감도 분석(Grid sensitivity analysis) 83

4. 시뮬레이션 모델 90

1) 시간당 입자 수(Particles per second) 93

2) 소화계수(extinction coefficient) 98

5. 시뮬레이션 결과 및 분석 103

1) 노즐높이에 따른 소화시간 103

2) 액적크기에 따른 소화시간 109

3) 유량에 따른 소화시간 115

4) 분사각도에 따른 소화시간 121

5) 노즐높이에 따른 단위 면적당 물 공급률(AMPUA) 123

6) 노즐높이에 따른 액적 분사 특성 125

Ⅴ. 결론 130

1. 원전 적용시 미분무 국내 규제요건 및 기술기준 131

2. 원전 적용시 미분무 소화성능 최적화 132

3. 향후 적용시 추가연구 및 고려사항 134

참고문헌 135

ABSTRACT 143

부록 147

표목차 11

Table 2.1. Fire hazard analysis and safety shutdown analysis in nuclear power plant 24

Table 2.2. Fire suppression system of nuclear power plants in Korea 29

Table 2.3. Comparison of the regulations and standards for international and domestic water mist... 33

Table 2.4. Standards of IMO/ISO water mist fire extinguishing system for each fire protection... 38

Table 2.5. Fire extinguishing mechanisms of water mist system 42

Table 2.6. Comparison of water mist system with other main types of fire suppression technologies 45

Table 3.1. Fire scenario of International Maritime Organization 57

Table 3.2. Performance test result based on IMO/FM standards 66

Table 4.1. Input values of fuel(diesel) for fire simulation in the present study 79

Table 4.2. Summary of numerical conditions for grid sensitivity analysis 85

Table 4.3. Material properties of structure 90

Table 4.4. Fuel properties of diesel oil 91

Table 4.5. Nozzle characteristics of water mist systems in the fire test 92

그림 목차 12

Fig 2.1. Methodology for performance based approach of NFPA 805 31

Fig 2.2. Domestic fire safety regulation for water mist system 34

Fig 2.3. Domestic regulations and standards for water mist system 35

Fig 2.4. Overseas regulations and standards for water mist system 36

Fig 2.5. Comparison of performance evaluation process in domestic and overseas 39

Fig 2.6. Flow chart of the fire modeling in nuclear power plant 47

Fig 3.1. Hot surfaces in engine room by international maritime organization 54

Fig 3.2. Location of the fire source on the emergency diesel generator 55

Fig 3.3. Schematic drawing for the fire test building 59

Fig 3.4. Photo of the fire test building entrance and inside 59

Fig 3.5. Schematic drawing of engine mock-up as IMO standard 60

Fig 3.6. Engine model 3D design as IMO standards 61

Fig 3.7. Actual engine model as IMO standards 61

Fig 3.8. Layout diagram of spray nozzle on fire suppression test 62

Fig 3.9. Process of the water mist fire suppression test 63

Fig 3.10. Fire test scenario diagram and ignition on engine upper spray 64

Fig 3.11. Fire test scenario diagram and ignition for engine lower spray 64

Fig 3.12. Fire test scenario diagram and ignition for spill fire 65

Fig 3.13. Photo of actual fire test. (a) fire test room, (b) test mock-up, (c) low press, spray... 67

Fig 3.14. Photo of actual fire test. (a) 0.7 m × 0.3 m fire tray using heptane, (b) flowing... 68

Fig 3.15. Photo of actual nozzle performance test. (a) water mist nozzle (Top), (b) water mist... 69

Fig 3.16 Schematic drawing for actual fire test as IMO standards 71

Fig 3.17. Test scene and spray pattern to check heat flux and heat release rate 71

Fig 3.18. Fire test result on HRR and re-ignition 72

Fig 4.1. General fire-extinguishing mechanisms in the presence of water mist spray 76

Fig 4.2. Flow chart of the numerical procedure in FDS for the present study 77

Fig 4.3. Computational domain for predicting of fire characteristics in open and... 79

Fig 4.4. Comparison of flame surface prediction accuracy based on grid size... 82

Fig 4.5. Segmentation of computational domains for application of multiple meshes 84

Fig 4.6. Variation of heat release rate based on different cell size between time 50 to... 87

Fig 4.7. Suppression time based on different cell size between time 50 to 150 s 87

Fig 4.8. Variation of heat flux based on different cell size between time 50 to 150 s 88

Fig 4.9. Suppression time based on different cell size between time 50 to 150 s 88

Fig 4.10. Variation of ceiling temperature based on different cell size between time... 89

Fig 4.11. Suppression time based on different cell size between time 50 to 150 s 89

Fig 4.12. Photo of the fire test area in the building 90

Fig 4.13. Photo of the FDS model geometry and grid xz plate 91

Fig 4.14. Photo of the FDS model grid xz plate 92

Fig 4.15. Nozzle figure of the water mist nozzle used in fire test 93

Fig 4.16. Variation Heat release rate variation according to different particles per... 95

Fig 4.17. Comparison of the average heat release rate at the condition of... 95

Fig 4.18. Heat flux variation according to different particles per second as a... 96

Fig 4.19. Comparison of the average heat flux at the condition of different... 96

Fig 4.20. Ceiling temperature variation according to different particles per second as a... 97

Fig 4.21. Comparison of the average ceiling temperature at the condition of... 97

Fig 4.22. HRR reduction based on extinction coefficient 99

Fig 4.23. Variation of heat release rate after water mist application for different... 100

Fig 4.24. Comparison of suppression time as extinction coefficient 0.3, 0.7, 1.0, 5.0,... 100

Fig 4.25. Variation of heat flux after water mist application for different extinction... 101

Fig 4.26. Variation of ceiling temperature after water mist application for different... 102

Fig 4.27. Comparison of suppression time as extinction coefficient 0.3, 0.7, 1.0, 5.0,... 102

Fig 4.28. Heat release rate effect according to different nozzle height 104

Fig 4.29. Comparison of suppression time as nozzle height based on heat release rate... 104

Fig 4.30. Heat flux effect according to different nozzle height 106

Fig 4.31. Comparison of the suppression time as nozzle height based on heat flux... 106

Fig 4.32. Ceiling temperature effect according to different nozzle height 107

Fig 4.33. Comparison of the suppression time as nozzle height based on ceiling... 108

Fig 4.34. Effect of droplet size on heat release rate at nozzle height 10.0 m 110

Fig 4.35. Effect of droplet size on heat flux at nozzle height 10.0 m 110

Fig 4.36. Effect of droplet size on ceiling temperature at nozzle height 10.0 m 112

Fig 4.37. Effect of droplet size on oxygen volume fraction at nozzle height 10.0 m 112

Fig 4.38. Effect of droplet size on carbon dioxide volume fraction at nozzle height... 114

Fig 4.39. Effect of droplet size on water vapor volume fraction at nozzle height... 114

Fig 4.40. Effect of flow rate on heat release rate at nozzle height 10.0 m 116

Fig 4.41. Effect of flow rate on heat flux at nozzle height 10.0 m 116

Fig 4.42. Effect of flow rate on ceiling temperature at nozzle height 10.0 m 118

Fig 4.43. Effect of flow rate on oxygen volume fraction at nozzle height 10.0 m 118

Fig 4.44. Effect of flow rate on carbon dioxide volume fraction at nozzle height 10.0 m 120

Fig 4.45. Effect of flow rate on water vapor volume fraction at nozzle height 10.0 m 120

Fig 4.46. Heat release rate variation as different spray angle 30°, 60°, 90° at nozzle... 122

Fig 4.47. Comparison of the suppression time as different spray angle based on heat... 122

Fig 4.48. AMPUA of different nozzle height with fire source 124

Fig 4.49. AMPUA of different nozzle height without fire source 124

Fig 4.50. Droplet spray distribution at a nozzle height 4.0 m with fire source 126

Fig 4.51. Droplet spray distribution at a nozzle height 4.0 m without fire source 126

Fig 4.52. Droplet spray distribution at a nozzle height 6.0 m with fire source 127

Fig 4.53. Droplet spray distribution at a nozzle height 6.0 m without fire source 127

Fig 4.54. Droplet spray distribution at a nozzle height 8.0 m with fire source 128

Fig 4.55. Droplet spray distribution at a nozzle height 8.0 m without fire source 128

Fig 4.56. Droplet spray distribution at a nozzle height 10.0 m with fire source 129

Fig 4.57. Droplet spray distribution at a nozzle height 10.0 m without fire source 129

초록보기

 본 연구에서는 원전환경에서 미분무 소화설비 적용을 위한 최적 방안에 대해 원자력발전소 화재방호 및 기술기준과 미분무 소화설비 성능인증에 관한 국내·외 화재방호 규제요건을 검토하였고, 미분무 원전 적용을 위한 실 화재시험 결과를 바탕으로 화재 시뮬레이션을 통해 미분무 소화효과의 영향인자(노즐높이, 액적크기, 분사유량, 분사각도)를 분석하여 미분무 소화설비의 원전 적용 방안을 연구하였다.

원자력발전소 미분무 소화설비 적용을 위한 국내 화재방호 규제지침은 원안위 규제지침 10.6이 적용되며, 시스템 설계와 성능평가 방법은 전력산업기술기준 FPC 750을, 화재모델링 관련지침은 NUREG-1934 & 1824를 따른다. 또한, 소방청 고시 NFPC 104A(미분무 소화설비의 화재안전 성능기준), NFTC 104A(미분무 소화설비의 화재안전 기술기준) 및 KFI 인증기준(미분무 소화설비 설계도서의 KFI 인증기준)을 따라야 한다. 그러나, 국내에서는 상위 성능시험 요건과 하위기술기준 간의 상호 연계 요건이 명확하게 언급되어 있지 않고, 상호 주기적인 정보교류 및 점검을 위한 기준이 없으며, 방호구역 별 특정대상물에 대한 미분무 소화설비 화재 성능시험 요건 및 승인 절차가 없는 실정이다.

국내 미분무 소화설비 적용을 위해서는 신청자는 각 프로젝트 마다 적용노즐과 소화설비에 대한 방호구역의 특성과 연료, 성능기준을 스스로 결정하여 인증을 득해야 한다.

미분무 소화설비 국내 적용 확대를 위해서는, 하루빨리 국외처럼 각 방호구역 별 특정 대상물의 사용 목적에 따라 화재성능을 일관성 있게 검증할 수 있도록, 관련 기준의 제정 및 개정이 절실한 실정이다. 또한, 규제기관, 한국소방산업기술원, 한국산업 기술기준을 비롯한 산학연관의 분야별 전문가와 위원회 간 긴밀한 연계로, 시험과 인증을 위한 합리적이고 구체적인 규제 지침과 적용 기준을 마련하여야 하며, 최신 요건과 기술 변경 사항을 적기에 반영하여 관리할 수 있는 상호 유기적인 관리체계를 수립할 필요가 있음을 확인하였다.

미분무 소화설비 화재성능시험은 비상디젤발전기실의 엔진별, 체적별, 사용 연료 및 연료 사용 압력과 유량별로 진행하는 것이 이상적이나, 이러한 접근은 현실적으로 불가능하다. 이에 국제해사기구 IMO 1165 기준을 바탕으로 화재성능시험을 수행하였고 그 결과 8가지 모든 시나리오에 대한 성능인증 요건을 만족하였다. 또한, 화재 모델링을 분석하고 모델링에 대한 유효성 검증 및 타당성(Verification and Validation, V&V)을 확인하여 모델링에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 화원에 대한 열방출율을 시험을 수행하였다. 4번의 열방출율 시험 결과와 이론계산 값을 비교한 결과 이론값과 시험값의 차이가 없어 시험의 신뢰성이 확보된 것으로 판단된다.

비상디젤발전기실 내부 가연물의 대부분은 연료유와 윤활유인 디젤유를 기준으로 실험에서 측정된 열방출율 데이터를 단위 면적당 열방출율(Heat release rate per unit area, HRRPUA)로 변환한 후, RAMP 기능을 활용하여 시뮬레이션에 구현하였다.

시뮬레이션 결과, 노즐 높이에 따른 소화시간은 노즐높이(4.0, 6.0, 8.0, 10.0 m) 중 노즐 높이가 가장 낮은 경우 가장 빠른 HRR 감소를 나타냈으며, 노즐 높이가 증가할수록 소화시간도 증가하는 경향을 보였다. 노즐 높이 4.0m가 가장 효과적인 소화 성능을 제공함을 보여주고 있으나 현장의 설치조건과 화재소화시간에 대한 법규 및 안전성을 고려하여 최종 선정되어야 한다.

액적크기에 따른 소화효과는 액적크기(50, 100, 200, 400 ㎛) 중 중간 크기(200 ㎛)가 가장 안정적인 온도 감소와 산소농도 억제효과를 보여, 작은 액적보다 소화 시간이 다소 느리지만 환경적 안정성을 제공하는 실용적인 선택으로 평가되었다.

유량에 따른 소화효과는 유량(10, 15, 20 LPM) 중 높은 유량(20 LPM)이 화염의 열 에너지를 가장 빠르게 감소시켰으며, 중간 유량(15 LPM)은 열 에너지, 천장 온도 감소와 산소 농도 억제 모두에서 일정한 성능을 보여 주었다.

분사각도(30°, 60°, 90°)는 전체적인 분사각도에 따른 소화효과에 미치는 영향은 상대적으로 크지 않고 또한, 본 연구에서는 단독 노즐을 상용하여 분사되는 각도에 따른 소화효과를 분석하여 실제 현장에서는 여러 개의 노즐을 설치하므로 노즐간 중첩되는 분사구역을 고려하여 적절히 선택되어야 한다.

노즐높이에 따른 단위 면적당 물 공급율(Accumulated mass per unit area, AMPUA)은 화원이 있는 경우와 없는 경우 모두 거의 동일함을 보여주며 이는 환기 조건이 고려되지 않은 상황에서 외부 영향을 받지 않음을 나타낸다.

본 연구에서는 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO) 선박의 기관실 및 발전기실에서 발생할 수 있는 대표적인 화재시나리오를 기반으로 시뮬레이션을 수행하였으며, 이를 근거로 미분무 소화효과에 대해 분석이 진행되어 도출된 결과가 실재발전소 현장과는 다소 차이가 있을 수 있다. 이와 같은 본 연구의 한계성을 고려하여, 후속 연구에서는 비상디젤발전기실의 실재 환경요건이 모두 반영된 시뮬레이션을 수행하여 좀 더 실질적인 미분무 소화설비의 적용방안에 대해 검토될 예정이다. 특히, 비상디젤 발전기 엔진 중앙부의 구조적 형상이 반영된, 전역 방출방식과 국소방출방식을 조합하여 소화효과를 극대화 할 수 있는 방안의 검토가 요구된다.

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