[논문]압축공기에너지저장 시설에서 발생 가능한 압축공기 유출 및 화재 시나리오 분석

윤용균; 주은혜

doi:10.7474/tus.2015.25.6.568

압축공기에너지저장 시설에서 발생 가능한 압축공기 유출 및 화재 시나리오 분석
Analyses of Scenarios Based on a Leakage of Highly Compressed Air and Fire Anticipated in CAES (Compressed Air Energy Storage) Facility 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.25 no.6, 2015년, pp.568 - 576

초록
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본 연구에서는 압축공기에너지저장 설비를 운영함에 있어 위험성이 크다고 분석된 '내조시스템 파손에 따른 압축공기 유출'과 '접근갱도 내 화재 발생' 리스크를 대상으로 시나리오를 작성하여 분석을 실시하였다. Bernoulli 방정식과 운동량 방정식을 결합하여 압축공기 분출에 따른 충격력을 계산하기 위한 식을 유도하였다. 이 식을 바탕으로 시나리오를 작성하여 충격력을 계산한 결과 충격력은 균열 직경의 제곱 및 압축공기의 압력에 비례하는 것으로 나타났다. 계절의 변화 및 화원의 위치에 따른 연기 확산 거동을 분석하기 위하여 4가지의 화재 시나리오를 작성하였다. 저장 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우는 10 m 떨어진 지점에서 화재가 발생한 경우보다 연기가 호흡한계선까지 하강하는 데 소요되는 시간이 더 짧은 것으로 나타났는데 이는 연기 파선단 전파로 인해 발생한 것으로 예측된다. 갱내로의 공기 유동 방향에 따라 연기의 확산 거동이 달라지기 때문에 겨울에 화재가 발생한 경우는 여름에 발생한 경우보다 연기의 확산속도가 빠르고 더 멀리까지 연기가 퍼지는 것으로 나타났다. 피난 시뮬레이션 해석 결과 여름과 겨울 화재에서의 피난요구시간(RSET)은 각기 262, 670 s로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, scenarios based on the leakage of highly compressed air and fire occurrence turned out to be high risks in an operation stage of CAES facility were constructed and estimated. By combining Bernoulli equation with momentum equation, an expression to calculate an impact force of a jet flow of compressed air was derived. An impact force was found to be proportional to the square of diameter of fracture and the pressure of compressed air. Four types of fire scenarios were composed to evaluate an effects that seasonal change and location of fire source have on the spread behavior of smoke. Smoke from the fire ignited in the vicinity of CAES opening descended more quickly below the limit line of breathing than one from the fire occurred 10 m away from CAES opening, which is expected to occur due to a propagation of wave front of smoke. It was shown that a rate of smoke spread of the winter fire is faster than one of the summer fire and smoke from the winter fire spreads farther than one of the summer fire, which are dependent on the direction of air flow into access opening. Evacuation simulation indicated that the required safe evacuation time(RSET) of the summer and winter fires are 262, 670 s each.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Yoon 등(2015)의 연구에서는 저장 공동과 연결된 수평갱도만을 해석 대상으로 하였지만, 본 연구에서는 화재가 발생한 경우 운영요원이 보행하여 갱도 밖으로 탈출하는 피난대책을 검토하기 위해서 전 갱도를 대상으로 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 압축공기에너지저장 공동에서 발생 가능성이 높고 발생하는 경우 인명 사상의 우려가 높은 내조시스템 파열에 따른 압축공기 유출과 화재 발생 리스크에 대해서 시나리오를 작성한 후 분석을 실시하였다. 얻어진 결과는 다음과 같다.

가설 설정

여기서 D : 플러그에 발생한 균열을 원형으로 가정하는 경우 균열의 직경이다. 균열의 형상은 원형 이외의 형상을 띨 수도 있지만 운동량 변화를 계산함에 있어서는 균열의 형상 보다는 단면적의 크기가 주요 변수이기 때문에 본 연구에서는 편의상 균열의 형태를 원형으로 가정하였다.
그러나 상대적 중요성이 가장 큰 것으로 나타난 ‘내조시스템 파손에 따른 관리공동 내 고압 압축공기 유출’ 리스크에 대한 시나리오 분석을 실시하지 않았고, 화재 시나리오를 작성함에 있어서도 공기의 유입 또는 유출이 갱도의 전단면을 통해 이루어지는 것으로 가정하여 자연통기시스템의 개념과 맞지 않는 것으로 판단된다.
수평갱도를 모사한 부분에서 수직선으로 구분된 좌측 부분이 저장 공동이고 우측에 나타낸 부분은 지상까지 연결된 접근갱도를 나타낸다. 승용차 화재를 가정하여 차량이 연소할 때 발생되는 열방출률(heat release rate)은 5,000 kW로 하였다(NFPA, 2014, Yoon et al., 2015). 최대열방출률에 도달하는 데 걸리는 시간은 600 s이지만 전 갱도에서의 연기 거동을 해석하기 위해서 화재 해석 시간은 1,500 s로 하였다.
시나리오 1-1에서는 여름에 갱도 윗부분으로 공기가 유입되고 아랫부분으로 공기가 유출되는 것으로 가정하여 해석하였다. Fig.
시나리오는 크게 여름과 겨울에 화재가 발생하는 것으로 구분하였다. 시나리오 1-1은 여름에 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우를 가정하고, 시나리오 1-2는 여름에 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 것을 가정하였다. 시나리오 2-1은 겨울에 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우를, 시나리오 2-2는 겨울에 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 것을 가정하였다(Table 1 참조).
시나리오 1-1은 여름에 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우를 가정하고, 시나리오 1-2는 여름에 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 것을 가정하였다. 시나리오 2-1은 겨울에 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우를, 시나리오 2-2는 겨울에 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 것을 가정하였다(Table 1 참조).
압축공기에너지저장 관리공동 내 화재 발생에 따른 연기 확산 거동을 분석하기 위하여 화재 시나리오를 구성하였다. 압축공기에너지저장 공동을 주기적으로 관찰하는 운영요원이 탄 소형 차량에 엔진과열 또는 기타의 원인으로 인해 화재가 발생한 것을 가정하였다. 화재가 공동 벽면과 인접하여 발생한 경우와 어느 정도 이격하여 발생한 경우에 연기의 유동 양상이 달라진다.
저장 공동 내 한 점을 1, 저장 공동 플러그에 발생한 균열의 끝단을 2라 하고 저장 공동에서 유출된 분류가 지점 1과 지점 2를 연결하는 유선을 따라 외기로 유출된다고 가정하면 지점 2에서 분류의 속도는 (1)식의 Bernoulli 방정식을 이용하여 구할 수 있다. 이때 분류는 비점성･비압축성･정상류라 가정한다(Munson et al.
: 각기 기준면으로부터 지점 1, 2의 높이를 나타낸다. 저장 공동의 체적은 매우 크기 때문에 균열을 통해 누출되는 압축공기의 양이 대단히 적다고 가정할 수 있어 V₁ = 0이 되고, 지점 2에서 유체는 대기와 접하기 때문에 P₂ = 0으로 가정할 수 있다. 또한 유선이 평행하다고 가정하면 z₁ = z₂가 된다.

제안 방법

유출된 압축공기가 사람이나 시설물을 충격하는 경우 유출 면적의 직경과 압축공기 저장압력의 크기가 충격력에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 접근갱도에서 화재가 발생하는 경우, 화원의 위치와 계절에 따른 공기 유동 방향이 연기 확산에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 ‘접근갱도 내 화재 발생’과 상대적 중요성이 가장 큰 것으로 나타난 ‘내조시스템 파열에 따른 고압 압축공기 유출’을 대상으로 시나리오를 작성하였다.
시나리오는 크게 여름과 겨울에 화재가 발생하는 것으로 구분하였다. 시나리오 1-1은 여름에 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우를 가정하고, 시나리오 1-2는 여름에 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 것을 가정하였다.
압축공기에너지저장 공동의 운영압력은 대략 5∼8 MPa이기 때문에 운영압력이 각기 5, 8 MPa일 때를 시나리오로 구성하여 균열 직경의 변화에 따른 충격력의 변화를 평가하였다.
압축공기에너지저장 관리공동 내 화재 발생에 따른 연기 확산 거동을 분석하기 위하여 화재 시나리오를 구성하였다. 압축공기에너지저장 공동을 주기적으로 관찰하는 운영요원이 탄 소형 차량에 엔진과열 또는 기타의 원인으로 인해 화재가 발생한 것을 가정하였다.
본 연구에서는 ‘접근갱도 내 화재 발생’과 상대적 중요성이 가장 큰 것으로 나타난 ‘내조시스템 파열에 따른 고압 압축공기 유출’을 대상으로 시나리오를 작성하였다. 유출된 압축공기가 사람이나 시설물을 충격하는 경우 유출 면적의 직경과 압축공기 저장압력의 크기가 충격력에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 접근갱도에서 화재가 발생하는 경우, 화원의 위치와 계절에 따른 공기 유동 방향이 연기 확산에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 한국지질자원연구원에서 개념 설계를 수행한 고압압축공기에너지저장 공동과 연결된 접근갱도를 해석 대상으로 하였다. 접근갱도는 크게 3부분으로 구성되어 있으며 각각의 길이는 갱도 입구에서 -41.

이론/모형

균열을 통해 유출된 분류의 속도를 알면 운동량의 변화를 계산하여 분류가 발휘하는 힘을 계산할 수 있다. 운동량의 변화를 평가하기 위하여 Newton의 운동 제2법칙에 Reynolds 수송정리(Reynolds transport theorem)를 적용하면 다음과 같이 표시된다(Munson et al., 2013).
최대열방출률에 도달하는 데 걸리는 시간은 600 s이지만 전 갱도에서의 연기 거동을 해석하기 위해서 화재 해석 시간은 1,500 s로 하였다. 풍속은 Kim 등(2013)이 국내 석회석광산 대단면 갱도에서 측정한 평균 풍속 0.5 m/s를 모든 시나리오에 적용하였다.
접근갱도 내에 특별한 소화설비나 배연설비가 설치되어 있지 않은 상태에서 화재가 발생하는 경우 아주 신속하게 현장을 탈출하여 피난을 하는 것이 중요하다. 피난 시간을 계산하기 위하여 피난 시뮬레이션 프로그램인 Pathfinder를 사용하였다. Pathfinder는 미국 Thunderhead Engineering 사에서 개발하였으며, Java VM V.

성능/효과

1. 내조시스템이 파열되면서 분출된 압축공기가 사람을 포함한 물체를 충격할 경우 충격력의 크기는 균열 직경의 제곱 및 압축공기의 저장압력에 비례하는 것으로 나타났다. 균열의 직경이 1∼10 cm이고 압축공기의 저장압력이 5 MPa인 경우 충격력은 0.
2. 화재 시나리오를 분석한 결과 저장 공동 벽면 인근에서 화재가 발생했을 경우에 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생했을 때보다 호흡한계선까지 연기가 하강하는 데 소요되는 시간이 짧은 것으로 나타났다. 호흡한계선까지 연기가 빨리 하강한다는 것은 대피할 시간이 적다는 것을 뜻하기 때문에 가급적 벽면 가까이에 주차를 하거나 시설물을 설치하지 않는 것이 유리할 것으로 생각된다.
3. 겨울에 화재가 난 경우는 여름에 발생한 경우보다 연기의 확산속도가 빠르고 더 멀리까지 연기가 이동하는 것으로 나타났다. 이는 공기의 유동 방향이 연기의 유동 방향에 영향을 미치기 때문이다.
4. 피난 시뮬레이션을 실시한 결과 저장 공동과 연결된 250 m의 수평갱도를 보행하는 데 소요된 시간은 262.03 s로 나타났다. 또한 갱도 입구까지 도달하는데는 669.
4개의 시나리오를 분석한 결과를 비교해 보면 호흡한계선까지의 연기 하강 시간이 가장 짧아 대피하는 데 가장 불리한 경우는 시나리오 1-1(여름에 저장 공동 벽면 근처에서 화재가 발생한 경우), 하강 시간이 가장 늦어 대피에 유리한 경우는 시나리오 2-2(겨울에 저장 공동 벽면에서 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 경우)로 나타났다.
균열의 직경이 1∼10 cm이고 압축공기의 저장압력이 5 MPa인 경우 충격력은 0.785 ∼78.539 kN, 저장압력이 8 MPa인 경우에는 충격력은 1.256∼125.7 kN으로 계산되어 사람이나 시설물에 큰 피해를 줄 수 있는 것으로 나타났다.
화재 시나리오 분석 결과 수평갱도 끝까지 연기가 도달하는데 가장 빠른 경우 390 s가 소요되는 것으로 나타났기 때문에 초기에 당황하지만 않는다면 대피할 시간은 충분할 것으로 생각된다. 분석 결과에 따르면 여름과 겨울에 화재가 발생할 경우 피난요구시간(RSET)은 각기 262, 670 s로 나타났다.
여름과 겨울을 막론하고 저장 공동 벽면과 인접한 곳에서 화재가 발생하는 경우 10 m 이격된 지점에서 화재가 발생한 경우보다 호흡한계선까지 연기가 하강하는 데 소요되는 시간이 더 짧은 것으로 나타났다. 이는 연기의 확산에서 파선단 전파가 주요한 원인인 것으로 생각된다.
6(c)에는 1,000 s 경과 후 연기의 확산이 표시되어 있다. 중간 경사갱도(갱도 2)를 지나 입구와 연결된 경사갱도(갱도 1)까지 연기가 확산된 것으로 나타났지만 갱도 밖으로 유출되지는 않는 것으로 분석되었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리스크란 무엇인가?	산업화가 증진됨에 따라 태풍, 폭우, 지진, 폭설, 화재, 교통사고, 테러, 전염병 등과 같은 다양한 자연적･인위적･사회적 위협요인도 증가하고 있다. 위협요인 모두가 리스크가 되는 것은 아니며 발생확률이 있고 발생했을 때 인적･물적 피해를 끼치는 경우 그 위협요인을 리스크라 한다(Broder and Tucker, 2012). 여러 위협요인이 미치는 영향을 종합적으로 관리하여 피해를 최소화하기 위한 방법이 위기관리라 할 수 있으며, 위기관리는 예방-대비-대응-복구단계로 이루어져 있다.
	위기관리의 구성은 무엇인가?	위협요인 모두가 리스크가 되는 것은 아니며 발생확률이 있고 발생했을 때 인적･물적 피해를 끼치는 경우 그 위협요인을 리스크라 한다(Broder and Tucker, 2012). 여러 위협요인이 미치는 영향을 종합적으로 관리하여 피해를 최소화하기 위한 방법이 위기관리라 할 수 있으며, 위기관리는 예방-대비-대응-복구단계로 이루어져 있다. 리스크평가는 예방단계에서 수행된다.
	압축공기에너지저장 시스템에서 중요한 것은 무엇인가?	전기 생산에 고압의 압축공기를 사용하는 가스발전과 압축공기에너지저장을 결합하면 상당한 경제적 효과를 발휘할 수 있을 것으로 예측된다. 압축공기에너지저장은 대규모의 시설이고 압축공기 저장압력이 5∼8 MPa에 이르기 때문에 적절한 저장 매체를 선정하는 것이 중요하다. 국내에서는 한국지질자원연구원에서 압축공기에너지저장 시스템과 관련된 연구를 지속적으로 수행하였으며 국내의 경우 지하 암반에 압축공기에너지저장 공동을 설치하는 것이 가장 유리하다는 결과를 제시하였다(KIGAM, 2011).

참고문헌 (16)

Broder, J.F. and E. Tucker, 2012, Risk analysis and the security survey, Elsevier, Inc., 348p.
DiNenno, P.J., 2005, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, V. 3, SFPE, pp. 362-364
Gorbett, G.E. and J.L. Pharr, 2011, Fire dynamics, Pearson, pp. 227-265.
Hartman, H.L., J.M. Mutmansky, R.V. Ramani, and Y.J. Wang, 1997, Mine ventilation and air conditioning, John Wiley & Sons, Inc., pp. 293-313.
http://magazine.hankyung.com/business/, 한경BUSINESS.
http://mosfnet.blog.me, 기획재정부 경제e야기.
http://www.hani.co.kr, 한겨레.
KIGAM, 2011, Development of underground energy storage system in lined rock cavern, KIGAM, 388p.
KIGAM, 2013, A Study on a risk assessment and disaster scenario analysis with storage of high-pressure materials in underground opening, KIGAM, 105p.
Kim, D.Y., K.H. Jeong, and C.W. Lee, 2013, 대단면 갱내 초저풍속 측정 방법에 관한 연구, 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집, 180-183.
Lee, Y.J., 2006, 위기관리:business continuity, 생능출판사, 438p.
Munson, B.R., T.H. Okiishi, W.W. Huebsch, and A.P. Rothmayer, 2013, Fundamentals of fluid mechanics, John Wiley & Sons, Inc., 101-274.
NFPA, 2014, NFPA 502 : Standard for road tunnels, bridges, and other limited access highways, NFPA, 64p.
Quintiere, J.G., 1998, Principles of fire behavior, Delmar Publishers, pp. 169-195.
Yoon, Y.K., S.M. Seo, and B.H. Choi, 2013, Risk assessment with the development of CAES(Compressed Air Energy Storage) underground storage cavern, Tunnel and Underground Space(J. of KSRM) 25.1, 319-325.
Yoon, Y.K., E.H. Ju, S.M. Seo, and B.H. Choi, 2015, Analysis of fire scenarios and evaluation of risks that might occur in operation stage of CAES storage cavern, Tunnel and Underground Space(J. of KSRM) 25.1, 107-114.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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