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이재호(Jaiho Lee),김병준(Byeongjun Kim),신원규(Weon-Gyu Shin),문영섭(Young-Seop Moon),이상규(Sang-Kyu Lee) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.추계
경제개발협력기구(OECD) 산하 원자력기구(Nuclear Energy Agency, NEA)는 국제 공동 연구로 원전 화재 안전성 향상을 위한 PRISME(Propagation d’un incendie pour des scénarios multi-locaux élémentaires) 프로젝트를 착수(2006년)하여, 현재 3단계를 수행하고 있다. PRISME 3단계(2017년~2022년)는 1) 격실 내 연기의 성층화 및 확산 캠페인, 2) 전기 캐비닛 화재 전파 캠페인, 3) 케이블 화재 전파 캠페인으로 구성된다. 본 연구에서는 PRISME-3 케이블 화재 전파 캠페인의 실험조건에 대해서 화재 역학 시뮬레이터(FDS)를 이용하여 화재 모델링 분석을 수행하였다. 연구의 목적은 다양한 케이블 화재시나리오에 대한 실험 결과를 기반으로 화재 모델링의 불확실도를 평가하고, 화재 모델링 입력변수로써 다양한 케이블 화재모델 적용이 시뮬레이션 분석 결과에 미치는 영향을 평가하는 것이다. PRISME-3 케이블 화재 실험은 열방출률을 측정하기 위한 개방 조건과 다중 격실 내 환기 조건에 따른 케이블 화재 전파 현상을 분석하기 위한 밀폐된 격실 공간 조건에서 수행되었다. 본 연구에서 적용한 화재 모델링 시나리오는 1) 개방 조건에서 수직 방향 5단 케이블 트레이 화재, 2) 밀폐 격실 조건에서 격실 안쪽 벽에 설치된 수직 5단 케이블 트레이 화재, 3) 밀폐 격실 조건에서 복도 안쪽 벽에 설치된 수직 3단 케이블 트레이 화재이다. 시뮬레이션 입력변수로써 케이블 화재의 열방출률 성장곡선은 단순 모델(Simple model) 또는 NUREG/CR-7010에서 제시한 FLASH-CAT 모델로 가정하였다. 주요 결과로서, 개방 조건의 경우 케이블 연소에 필요한 산소가 충분하게 공급되므로 화재가 빠르게 성장하였고, 수정(Modified) FLASH-CAT 모델이 실험 결과를 가장 잘 예측하였다. 밀폐 격실 내 환기가 원활한 경우에는 단순 모델과 FLASH-CAT 모델이 실험 결과를 잘 예측하였다. 그러나, 밀폐 격실 내 환기 부족 조건에서는 케이블 연소에 필요한 산소의 농도가 낮아지므로, 시뮬레이션에서 화재는 실험에서와 같이 성장하지 못하였다. 이런 경우, FDS 시뮬레이션에서 소멸모델(Extinction model)을 적용하면 낮은 산소농도에도 화재가 더 크게 성장하여, 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 잘 일치하였다.
스프링클러 분무 특성이 케이블 트레이 화재진압 시간에 미치는 영향에 대한 수치해석
이재호(Jaiho Lee),김병준(Byeongjun Kim),신원규(Weon-Gyu Shin),문영섭(Young-Seop Moon),이상규(Sang-Kyu Lee) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2022 No.춘계
본 연구에서는 FDS(버전 6.7.5)를 이용하여 스프링클러 분무 특성이 케이블 트레이 화재진압 시간에 미치는 영향을 분석하였다. 케이블 트레이 화재 시나리오는 국외 원전 터빈 건물에서 발생한 실제 화재 사고를 참조하여 작성되었다. 화재는 케이블 라우팅(Routing)이 최소곡률반경(Minimum bend radius)을 초과한 부분에서 발생하였다. 화재 조사에 따르면 부적합한(nonconforming) 케이블 라우팅으로 취약해진 케이블 일부가 케이블 트레이에 지락(Short to ground)되어 아크(Arc)가 발생하였고, 이로 인하여 케이블이 자기 점화되어 화재가 발생하였다. 점화된 케이블 화재는 수평 방향으로 놓인 케이블 트레이 양옆으로 확산하였고, 화재가 진행되면서 열가소성 케이블의 용융 잔여물이 아래 방향으로 흘러내려 아래 놓인 케이블 트레이까지 화재가 전파되었다. 화재조사 자료에 의하면 케이블 트레이 화재는 약 20분간 지속되었고, 상단 케이블 트레이 상부에 있는 스프링클러가 작동하면서 화재는 약 1분 이내에 소화된 것으로 추정되었다. 본 연구에서는 케이블 트레이 화재로 인하여 스프링클러가 작동온도에 도달하면 소화수가 분사되어 화재가 진압되는 과정을 시뮬레이션으로 재현하였으며, 스프링클러 분무 특성을 결정하는 시뮬레이션 입력변수 변화에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 소화계수(Extinguishing coefficient), 단위 초당 액적 수(Droplets per second), 중간체적 직경(Median volumetric diameter), 입경 분포 함수(Drop size distribution function) 계수, 분무 각, 분무 속도와 같은 입력변수가 민감도 분석에 고려되었다. 민감도 분석에서 화재진압 시간은 소화계수 및 스프링클러 위치변화에 대해 멱함수(Power function)로 표현되었다. 시뮬레이션 입력변수 변화가 화재진압 시간에 미치는 영향분석은 스프링클러에 의해 진압된 화재 사고를 시뮬레이션으로 재현하는데 기초자료로 사용될 수 있을 것이다.