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문제 정의
- 화재 시 특정 온도에 도달하는 시간은 초기온도에 따라 크게 달라지기 때문에 초기 온도가 낮을 때는 반응속도가 너무 느리게 되어 조기감지가 어렵다. 따라서 단순히 연기농도 및 온도의 최대값만으로 화재를 판단 하는 것은 화재 조기감지 및 비화재보 최소화를 달성하기에 적합하지 않으므로본 연구에서는 연기 및 온도의 절대값보다는 반응이 빠르고 주변환경, 특히 계절별 영향을 받지 않는 연기농도 및 온도 상승률을 기준으로 화재조기 감지 알고리즘을 개발하였다.
- 본 논문에서는 너셀 환경 특성을 분석하고 화재를 조기에 감지하는 방법을 제안한다. 너셀 내부의 조도, 연기농도, 온도에 대하여 분석을 수행 하여 분석된 환경 특성을 바탕으로 조기감지 알고리즘을 제안한다.
- 본 논문에서는 풍력발전시스템 너셀 내부의 환경특성을 기반으로 한 화재조기감지 방법을 제안하였다. 너셀 내부 환경을 분석한 결과 조도는 값이 클 뿐만 아니라 변화가 심해 화재감지를 위한 변수로는 적합하지 않아 온도와 연기농도 상승률 만을 변수로 하는 화재조기감지 알고리즘을 개발하였다.
제안 방법
- Aloys9와 Lee10은 너셀 내부에 산소농도를 줄이고 불활성 기체의 농도를 높임으로써 화재 방지 및 진압하는 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 너셀 내부를 완전히 밀폐시켜야 하며, 너셀 내부에 작업을 하기 위해서는 진입 전에 산소농도를 다시 높이기 위하여 환기가 필요하다.
- 본 논문에서는 풍력발전시스템 너셀 내부의 환경특성을 기반으로 한 화재조기감지 방법을 제안하였다. 너셀 내부 환경을 분석한 결과 조도는 값이 클 뿐만 아니라 변화가 심해 화재감지를 위한 변수로는 적합하지 않아 온도와 연기농도 상승률 만을 변수로 하는 화재조기감지 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘의 성능을 모형환경에서 실제 실험으로 평가한 결과 화재 초기에 너셀 내부온도가 낮은 상황에서도 조기에 화재감지가 가능함을 확인하였다.
- 본 논문에서는 너셀 환경 특성을 분석하고 화재를 조기에 감지하는 방법을 제안한다. 너셀 내부의 조도, 연기농도, 온도에 대하여 분석을 수행 하여 분석된 환경 특성을 바탕으로 조기감지 알고리즘을 제안한다. 이 방법은 너셀 내부의 환경특성을 최대한 고려한 것으로서 화재감지 신뢰성이 높아 조기감지가 가능하고 비화재보의 가능성을 낮출 수 있다.
- 너셀 환경 데이터 분석 결과 조도는 비화재 시에도 값이 크고, 변화가 심하여 화재 변수로 이용하기에는 신뢰성이 부족한 것으로 분석되었다. 따라서 조도를 제외한 연기 및 온도를 화재감지 환경변수로 설정하여 센서를 선정하였다.
- 또한 예비 실험 결과 화재시 연기상승속도는 최소 3%/(foot∙s), 온도상승속도는 2℃/s정도였다. 비화재보를 최소화하기 위해 화재 발생 기준 연기농도 상승률 및 온도상승률 값을 각각 최소 상승률 보다는 약간 높은 4%/(foot∙s) 및 3℃/s로 설정하였다. 이 기준 값은 비화재 시 너셀 내부의 온도 및 연기 농도 상승속도 최대값보다는 3배 이상 크며 화재 시의 최소 연기 농도 및 온도상승률 보다 큰 값이다.
- 내부에 화재발생장치들을 설치하고 외부에 컨트롤 박스와 연결하였다. 화재 감지용 센서는 빠른 시간 안에 조기화재감지가 가능해야 하므로 화원과의 거리가 0.3m 이내인 근거리와 1m 이상되는 원거리로 설정하였다. 컨트롤 박스 및 센서들은 마이크로컨트롤러 ATmega128을 통해 컴퓨터로 연결을 하여 프로그램을 구동하면 화재발생장치들을 제어할 수 있고 각 센서의 데이터를 수신하여 측정하고 저장할 수 있다.
대상 데이터
- 너셀 화재 시뮬레이션을 위해 가로 0.85m, 세로 1.4m, 높이 0.9m의 시뮬레이터를 제작하였다. Fig.
- 전기화재는 PVC전선 2.5x10-4m3을 가스버너로 발화시켜 실험하였으며 윤활유 화재는 윤활유를 묻힌 0.04m x 0.04m의 종이를 가스버너로 점화시켜 실험하였다.
- 조도센서는 CDS 센서로 GL5549 모델을 사용하였고 연기센서는 이온화식 센서로 DS-SD-003 모델을, 그리고 온도센서는 삼선식 PT100Ω을 사용하였다. 조도센서는 I2C 통신으로, 연기와 온도센서는 RS485 통신으로 너셀 내부의 로고박스에 저장되고, 매 20분마다 CDMA 통신으로 지상에 설치된 모니터링 서버로 수신되어 저장된다.
이론/모형
- 화재감지를 위한 연기농도 센서로는 DS-SD003모델을 사용하였다. 이 연기센서는 이온화식 연기감지기로서 공기에 포함된 연기에 의한 이온 전류 변화를 검출하여 동작하게 된다.
성능/효과
- 12와 13은 원거리 화재실험 결과의 대표적인 경우를 나타낸다. 9초 경과 후에 온도상승률이 기준값에 도달하여 경고가 발령되었으며, 14초 정도에서 연기농도 상승률이 기준값에 도달하여 화재를 감지하였다. 화재 발생 감지시의 온도상승률은 4.
- 너셀 내부 환경을 분석한 결과 조도는 값이 클 뿐만 아니라 변화가 심해 화재감지를 위한 변수로는 적합하지 않아 온도와 연기농도 상승률 만을 변수로 하는 화재조기감지 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘의 성능을 모형환경에서 실제 실험으로 평가한 결과 화재 초기에 너셀 내부온도가 낮은 상황에서도 조기에 화재감지가 가능함을 확인하였다.
- 대부분의 경우 온도상승률이 먼저 기준값에 도달하여 경보를 알렸고, 그 이후에 연기농도상승률이 기준 값에 도달하여 화재로 판단되었다. 근거리 실험 결과 평균 경보 시간 및 최대경보시간은 3초 정도로 거의 동일하였으며 평균 화재 감지시간은 6초, 최대 감지시간은 8초였다. 원거리의 경우는 평균 경보시간 9초, 최대 경보시간은 13초 이었으며 평균 화재 감지시간은 14초, 최대 감지시간은 18초였다.
- 전기 화재 시와는 달리 화재경보는 온도뿐만 아니라 연기농도에 의해서도 발령되었으며 그 비율은 비슷하였다. 근거리 실험 결과 평균 경보 시간은 5초, 최대 경보시간은 7초이었으며, 평균 화재 감지시간은 4초 최대감지시간은 5초 이었다. 원거리의 경우는 평균 경보시간 10초, 최대 경보시간은 13초 이었으며 평균 화재 감지 시간은 10초, 최대 감지시간은 11초 이었다.
- 너셀 환경 데이터 분석 결과 조도는 비화재 시에도 값이 크고, 변화가 심하여 화재 변수로 이용하기에는 신뢰성이 부족한 것으로 분석되었다. 따라서 조도를 제외한 연기 및 온도를 화재감지 환경변수로 설정하여 센서를 선정하였다.
- 너셀 환경 분석 결과 연기는 최고농도 6%/foot, 온도는 47.7℃로 나타났다. 그러나 너셀 내부의 연기농도 및 온도는 너셀 주변의 환경, 특히 온도의경우 계절에 따라 차이가 클 뿐만 아니라 풍력발전기 가동 유무에 따라서도 큰 차이를 보인다.
- 너셀 환경 분석 결과 최대 연기농도상승률은 0.0038%/(foot∙s)이고, 최대 온도상승률은 0.97℃/s인 것으로 분석되었다. 또한 예비 실험 결과 화재시 연기상승속도는 최소 3%/(foot∙s), 온도상승속도는 2℃/s정도였다.
- 또한 여름철보다 겨울철의 상승률이 높게 나타났는데, 이는 겨울철에는 밤에 기온이 급격히 떨어지고 낮에는 햇빛으로 온도가 급격히 올라가 일교차가 여름보다 크기 때문이다. 또한 너셀 내부의 발전기나 증속기 등에서 열이 발생하기 때문에 운전시에는 겨울철에도 너셀 내부는 20도 이상을 유지하는 것으로 분석되었다.
- 97℃/s인 것으로 분석되었다. 또한 예비 실험 결과 화재시 연기상승속도는 최소 3%/(foot∙s), 온도상승속도는 2℃/s정도였다. 비화재보를 최소화하기 위해 화재 발생 기준 연기농도 상승률 및 온도상승률 값을 각각 최소 상승률 보다는 약간 높은 4%/(foot∙s) 및 3℃/s로 설정하였다.
- 또한 전기 화재보다 화재 감지시간이 비교적 빠른 결과를 보였다. 이것은 유류화재의 경우 연기농도 상승률이 전기화재시보다 빠르기 때문이다.
- 이와 같이 조도의 최고 값이 높은 이유는 너셀은 밀폐된 공간이 아니어서 자연광이 들어오기 때문이다. 또한 태양광이 직접 유입되거나 구름, 블레이드의 그림자 등으로 인하여 조도 변화가 심하여 상승속도의 값도 높은 것으로 분석되었다. 너셀이 왼쪽에 빛이 더 많이 들어오는 구조로 되어있어 조도 값은 왼쪽이 더 크지만 너셀이 바람의 방향에 따라 요 운동을 하므로 너셀 방향에 따른 그림자 혹은 반사 빛으로 인하여 상승속도는 오히려 오른쪽이 더 큰 것으로 분석되었다.
- 화재 발생시에 화재 반응속도에 따라 화원의 크기가 수시로 변하고 불안정한 대류현상이 급격하게 발생하기 때문에 온도 및 연기농도 상승이 일정하지 않고 심하게 변동하는 것이 관측되었다. 실험 결과 화재 발생 2초 후에 온도에 의해 경보를 발령하였으며 시뮬레이터 내부 온도가 비화재 시 너셀 최고온도인 47℃ 정도 임에도 불구하고 5초 정도에 연기농도 상승률이 기준값에 도달하여 화재를 감지하였음을 나타낸다. 화재 발생 감지시의 온도상승률은 14.
- 근거리 실험 결과 평균 경보 시간 및 최대경보시간은 3초 정도로 거의 동일하였으며 평균 화재 감지시간은 6초, 최대 감지시간은 8초였다. 원거리의 경우는 평균 경보시간 9초, 최대 경보시간은 13초 이었으며 평균 화재 감지시간은 14초, 최대 감지시간은 18초였다.
- 16과 17은 원거리 화재 감지 결과 중 대표적인 경우로서, 10초 경에 연기농도에 의해 화재경고를, 12초경에 온도상승률에 의해 화재를 감지하였다. 화재 발생 감지시의 온도상승률과 연기농도 상승률은 각각 4.2℃/s 및 5.6%/(foot∙s)였다.
- 10과 11은 근거리 화재 감지 실험의 대표적인 결과를 나타낸다. 화재 발생시에 화재 반응속도에 따라 화원의 크기가 수시로 변하고 불안정한 대류현상이 급격하게 발생하기 때문에 온도 및 연기농도 상승이 일정하지 않고 심하게 변동하는 것이 관측되었다. 실험 결과 화재 발생 2초 후에 온도에 의해 경보를 발령하였으며 시뮬레이터 내부 온도가 비화재 시 너셀 최고온도인 47℃ 정도 임에도 불구하고 5초 정도에 연기농도 상승률이 기준값에 도달하여 화재를 감지하였음을 나타낸다.
- 화재유형에 따른 분석 결과 전기 화재의 경우는 온도상승이 연기농도상승보다 우세하며 유류화재 시는 연기농도상승이 지배적인 것으로 나타났다. 또한 전기화재보다 유류화제 시의 감지 속도가 비교적 빠른 것으로 분석되었는데 이는 유류화재 시에는 연기발생률이 크기 때문으로 판단된다.
후속연구
- 또한 너셀은 지상에서 대략 40m 이상 공중에 위치하여 운전되고 있으므로 계절에 따른 외부 날씨 조건과 운전 여부에 따라 내부 환경이 일반 환경과는 상이하다. 4,5 따라서 너셀 화재 초기 집압을 위해서는 이와 같은 너셀의 환경특성을 고려한 화재 조기 감지 방법의 연구가 필요하다.
- 이 방법은 너셀 내부의 온도 및 연기농도 변화 특징을 최대한 반영한 것이기 때문에 화재감지신뢰성이 높을 뿐만 아니라 비화재보를 최소화 할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 제안된 조기감지방법을 너셀 내부의 화재다발구역에 화재유형별로 적용함으로써 너셀 내부화재를 조기에 감지하여 진압이 가능 할 것으로 기대된다.
- 제안된 감지방법은 너셀 환경에서는 신뢰성이 있는 감지방법이 될 수 있지만 일반적인 환경에서 보다 신뢰성 있는 화재감지를 위해서는 단정적인 값을 기준으로 화재를 판단하는 것 보다는 온도 및 연기농도에 따른 화재발생 확률을 기준으로 화재를 감지 방법의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
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