육상 및 해상에서 일어나는 화재를 진압하기 위한 가스계 소화설비 중 이산화탄소 소화설비는 우수한 성능 및 높은 경제성으로 인하여 널리 사용되고 있지만, 고농도 이산화탄소로 인한 질식사고가 빈번히 발생하여 안전문제가 항상 지적되어 왔다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 선박 내 압축기실의 이산화탄소 소화설비 화재 진압 특성을 예측하고, 이산화탄소 소화설비로 인한 질식사고를 방지하기 위한 2중 안전 제어기법을 제시하여, 이산화탄소 소화설비의 안전을 도모하였다. 수치해석 결과로는 4가지 시나리오를 선정하여, 화재발생 후 이산화탄소 소화설비 작동으로 인한 열발생률 변화, 온도변화, 이산화탄소 농도변화, 산소 농도변화 및 화재진압 특성을 고찰하였으며, 방호구역 내 환기팬 용량이 충분하지 않은 경우의 위험성 및 적절한 환기시스템의 필요성을 제시하였다.
육상 및 해상에서 일어나는 화재를 진압하기 위한 가스계 소화설비 중 이산화탄소 소화설비는 우수한 성능 및 높은 경제성으로 인하여 널리 사용되고 있지만, 고농도 이산화탄소로 인한 질식사고가 빈번히 발생하여 안전문제가 항상 지적되어 왔다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 선박 내 압축기실의 이산화탄소 소화설비 화재 진압 특성을 예측하고, 이산화탄소 소화설비로 인한 질식사고를 방지하기 위한 2중 안전 제어기법을 제시하여, 이산화탄소 소화설비의 안전을 도모하였다. 수치해석 결과로는 4가지 시나리오를 선정하여, 화재발생 후 이산화탄소 소화설비 작동으로 인한 열발생률 변화, 온도변화, 이산화탄소 농도변화, 산소 농도변화 및 화재진압 특성을 고찰하였으며, 방호구역 내 환기팬 용량이 충분하지 않은 경우의 위험성 및 적절한 환기시스템의 필요성을 제시하였다.
Carbon dioxide extinguishing systems are broadly used for onshore and offshore fire accidents because of excellent performance and low cost. However, there is risk with carbon dioxide systems, which have caused many injuries and deaths by suffocation associated with industrial and marine fire protec...
Carbon dioxide extinguishing systems are broadly used for onshore and offshore fire accidents because of excellent performance and low cost. However, there is risk with carbon dioxide systems, which have caused many injuries and deaths by suffocation associated with industrial and marine fire protection applications. In this study, a numerical analysis was performed to predict the fire suppression characteristics of a carbon dioxide system in the compressor room of ships. A double protection safety system is suggested to prevent suffocation accidents from carbon dioxide extinguishing systems. Four scenarios were selected to study the variation of the heat release rate, maximum temperature, a $CO_2$ and $O_2$ mole fraction, and fire suppression characteristics with the carbon dioxide system. The importance of proper design is suggested for a ventilation system in the compressor room of ships.
Carbon dioxide extinguishing systems are broadly used for onshore and offshore fire accidents because of excellent performance and low cost. However, there is risk with carbon dioxide systems, which have caused many injuries and deaths by suffocation associated with industrial and marine fire protection applications. In this study, a numerical analysis was performed to predict the fire suppression characteristics of a carbon dioxide system in the compressor room of ships. A double protection safety system is suggested to prevent suffocation accidents from carbon dioxide extinguishing systems. Four scenarios were selected to study the variation of the heat release rate, maximum temperature, a $CO_2$ and $O_2$ mole fraction, and fire suppression characteristics with the carbon dioxide system. The importance of proper design is suggested for a ventilation system in the compressor room of ships.
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문제 정의
육상 및 선박엔진에서의 이산화탄소 소화설비에 대한 실험 및 수치해석 기존연구(3-5)와는 다르게, 본 연구에서는 선박 내 압축기실(6)에서의 CO2 소화설비를 이용한 소화시뮬레이션을 수행하고, 화재 진압 특성을 수치적으로 예측하기 위하여 Fire Dynamic Simulator(FDS)를 사용하여 전산시뮬레이션을 수행하였으며, CO2 소화설비에 의한 질식사고를 예방하기 위한 CO2 소화설비 제어기법을 제시한다.
가설 설정
5 m 두께의 차단벽을 두었다. 방호구역 내부에는 외기를 공급하는 단면적 1.5 × 1.5 m2의 팬 환기구와 2개의 1 × 1m2 개구부롤 통해 환기가 이루어지도록 하였으며, 3개의 압축기 중 중앙 압축기로 유입되는 프로판가스 관에서 단면적 0.25 ×0.25 m2의 누출로 인한 화재발생을 가정하였다.
더욱 큰 위험성은 이산화탄소의 직접적인 흡입에 따른 인체의 영향이다. Table 2는 2000년 미국환경보호국 보고서에서 제시하고 있는 이산화탄소 흡입에 따른 위험성을 나타내고 있으며, 본 연구에서는 이산화탄소 농도 2% 미만을 안전 영역으로 가정하고 선박 압축기실의 이산화탄소 소화설비에 의한 화재 진압 후 안전농도 달성 여부를 조사하였다.
더욱 큰 위험성은 이산화탄소의 직접적인 흡입에 따른 인체의 영향이다. Table 2는 2000년 미국환경보호국 보고서에서 제시하고 있는 이산화탄소 흡입에 따른 위험성을 나타내고 있으며, 본 연구에서는 이산화탄소 농도 2% 미만을 안전 영역으로 가정하고 선박 압축기실의 이산화탄소 소화설비에 의한 화재 진압 후 안전농도 달성 여부를 조사하였다.
제안 방법
본 연구에서는 기존 시스템에 적용하여 자동모드에서 화재감지기가 화재를 감지하더라도 재실자를 감지하여 이산화탄소의 무분별한 분사를 차단하는 것에 그치지 않고 이산화탄소가 분사된 이후에도 후속적인 화재진압이나 화재현장 복구 시 잔존하는 이산화탄소로 인해 현장요원들이 질식사고나 부상을 방지할 수 있도록 하는 기법을 제공한다.
본 연구에서는 선박 내 압축기실의 이산화탄소 소화설비 화재 진압 특성을 예측하기 위하여, 미국 NIST에서 개발한 화재해석 CFD 프로그램 FDS를 이용하여 4가지 시나리오에 대한 수치해석을 수행하였으며, 이산화탄소 소화 설비 작동으로 인한 질식사고 방지를 위하여 2중 안전 제어기법을 제시하였다. 수치해석 결과에 대하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
94 kg으로 설정하였고, 동일한 분사량을 갖는 4개의 이산화탄소 노즐을 통해 1분 동안 모두 분사되도록 하였다. 이산화탄소 소화약제 분사 시점에 따른 화재진압 양상을 분석하기 위해, Table 1과 같이 화재발생 후 25초, 60초 및 95초 분사시작 시나리오를 설정하여 FDS 해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구의 수치해석은 미국 NIST에서 개발한 화재해석 CFD 프로그램 FDS ver 6.1.2 SNV 20564를 사용하였으며, 대상화재 모델은 Moon 등(6)이 화재위험성을 해석한 LNG선 압축기실(Compressor Room)의 크기를 기초로 하여 가로 23 m, 세로 14.5 m, 높이 5.5 m로 설정하고, 가로 16 m 위치에 압축기와 모터를 분리시켜 주는 0.5 m 두께의 차단벽을 두었다. 방호구역 내부에는 외기를 공급하는 단면적 1.
이론/모형
화재 발생으로 이산화탄소 소화설비가 분사될 경우, 외기를 공급하는 환기팬의 작동은 자동으로 멈추고, 2개의 개구부에 대한 자동 차단은 없는 경우로 가정하여 계산을 수행하였으며, 이산화탄소 분사 종료와 함께 외기 공급 환기팬의 작동을 통해 구획실의 환기를 도모하였다. 화재진압을 위해 필요한 이산화탄소 소화약제량은 2015년 NFSC 106(이산화탄소 소화설비의 화재안전기준)(7)에 따라 1005.94 kg으로 설정하였고, 동일한 분사량을 갖는 4개의 이산화탄소 노즐을 통해 1분 동안 모두 분사되도록 하였다. 이산화탄소 소화약제 분사 시점에 따른 화재진압 양상을 분석하기 위해, Table 1과 같이 화재발생 후 25초, 60초 및 95초 분사시작 시나리오를 설정하여 FDS 해석을 수행하였다.
성능/효과
1) 화재 발생 후 이산화탄소 소화설비 작동(화재구역 내부 이산화탄소 분사)으로 인해 화재 열발생률이 감소하다가 0으로 떨어져 화재가 진압되며, 화재구역 내 최대온도는 열발생률 감소와 함께 감소하다가 열발생률이 0으로 떨어진 이후에는 일정 시간동안 온도변화를 나타낸 후 대기온도로 떨어진다.
2) 화재 진압을 위한 이산화탄소 분사로 화재구역의 이산화탄소 평균 몰분율이 급속히 증가하며, 분사가 완료되는 시점에서 최댓값을 나타낸 후, 환기팬의 작동으로 인하여 이산화탄소 농도가 서서히 감소하고, 산소 평균 몰분율은 이산화탄소 농도 증가 시 감소하며, 이산화탄소 농도 감소 시 증가하는 반대 경향을 보여준다.
3) 이산화탄소는 공기보다 무거워서, 환기팬의 용량이 충분하지 못하고 개구부가 선박 압축기실 상부에 위치했을 경우, 실내 환기가 제대로 이루어지지 못해 장시간 동안 위험 농도가 유지될 수 있으므로 적절한 환기시스템 설계가 필요하다. 또한 본 연구에서 제시한 질식사고 방지 2중 안전제어의 이산화탄소 농도측정 시스템 구축 시, 이산화탄소 농도가 높게 나타날 수 있는 위치에 이산화탄소 측정 센서를 설치하고, 안전 농도 2% 기준으로 사람의 출입을 제한할 필요가 있음을 알 수 있었다.
3) 이산화탄소는 공기보다 무거워서, 환기팬의 용량이 충분하지 못하고 개구부가 선박 압축기실 상부에 위치했을 경우, 실내 환기가 제대로 이루어지지 못해 장시간 동안 위험 농도가 유지될 수 있으므로 적절한 환기시스템 설계가 필요하다. 또한 본 연구에서 제시한 질식사고 방지 2중 안전제어의 이산화탄소 농도측정 시스템 구축 시, 이산화탄소 농도가 높게 나타날 수 있는 위치에 이산화탄소 측정 센서를 설치하고, 안전 농도 2% 기준으로 사람의 출입을 제한할 필요가 있음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2 소화설비의 장단점은 무엇인가?
육상 및 해상에서 일어나는 화재를 진압하기 위한 가스계 소화설비 중 이산화탄소 소화설비는 우수한 성능 및 높은 경제성으로 인하여 널리 사용되고 있지만, 고농도 이산화탄소로 인한 질식사고가 빈번히 발생하여 안전문제가 항상 지적되어 왔다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 선박 내 압축기실의 이산화탄소 소화설비 화재 진압 특성을 예측하고, 이산화탄소 소화설비로 인한 질식사고를 방지하기 위한 2중 안전 제어기법을 제시하여, 이산화탄소 소화설비의 안전을 도모하였다.
참고문헌 (8)
J. H. Hwang, G. S. Chung and D. I. Kang, "3D Fire Simulation Manual for a Engineer of the Elementary and Intermediate Level", Dong-hwa Technology, Korea (2008).
International Maritime Organization, "Fire Safety Systems (FSS) Code: International Code for Fire Safety Systems", IMO Publication, UK (2007).
D. S. Kim, J. H. Kwark, D. S. Kang and B. S. Son, "Development of Fire Extinguishing System Suitable for Unmanned Engine Room of a Small Ship", Fire Science and Engineering, Vol. 20, No. 3, pp. 96-100 (2006).
H. K. Jeon, Y. S. Choi and J. T. Park, "The Effects of the Area of Openings on the Performance of a $CO_2$ Extinguishing System - The CFD Simulations of the Oil Surface Fire in a Machine Room -", Fire Science and Engineering, Vol. 22, No. 1, pp. 1-9 (2008).
S. M. Lee, S. W. Moon and S. H. Ryu, "A Study on Verifying the Reliability of $CO_2$ Fire Extinguishing Systems through the Direct Discharge Test", Proceedings of 2012 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 155-158 (2012).
K. Moon, S. R. Song, J. Ballesio, G. Fitzgerald and G. Knight, "Fire Risk Assessment of Gas Turbine Propulsion System for LNG Carriers", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 22, 908-914 (2009).
NFSC 106, "National Fire Safety Code for Carbon dioxide Extinguishing Systems" (2015).
United States Environmental Protection Agency, "Carbon Dioxide as a Fire Suppressant: Examining the Risks", Report EPA430-R-00-002, Air and Radiation (2000).
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