[논문]국내 원자력발전소의 공기 압축기실에서 윤활유 화재의 위험성 분석을 위한 FDS의 활용

한호식; 황철홍; 백경록; 이상규

doi:10.14346/jkosos.2016.31.2.1

[국내논문] 국내 원자력발전소의 공기 압축기실에서 윤활유 화재의 위험성 분석을 위한 FDS의 활용
Application of FDS for the Hazard Analysis of Lubricating Oil Fires in the Air Compressor Room of Domestic Nuclear Power Plant 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.31 no.2, 2016년, pp.1 - 9

한호식 (대전대학교 소방방재학과) , 황철홍 (대전대학교 소방방재학과) , 백경록 (한국원자력안전기술원 계통평가실) , 이상규 (한국원자력안전기술원 계통평가실)

Abstract ▼ AI-Helper

The standard procedure of fire modeling was reviewed to minimize the user dependence, based on the NUREG-1934 and 1824 reports. The hazard analysis of lubricating oil fires in the air compressor room of domestic nuclear power plant (NPP) was also performed using a representative fire model, FDS (Fire Dynamics Simulator). The area ($A_f$) and location of fire source were considered as major parameters for the realistic fire scenarios. As a result, the maximum probability to exceed the thermal damage criteria of IEEE-383 unqualified electrical cables was predicted as approximately 70% with $A_f=1m^2$. It was also found that for qualified electrical cables, the maximum probabilities of exceeding the criteria were 2% and 90% with $A_f=2$ and $4m^2$, respectively. It was concluded that all electrical cables should be replaced with IEEE-383 qualified cables and the dike to restrict as $A_f{\leq}2m^2$ should be installed at the same time, in order to assure the thermal stability of electrical cables for lubricating oil fires in the air compressor room of domestic NPP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 배경 하에 본 연구에서는 대표적인 화재모델인 FDS(Fire Dynamics Simulator)¹⁶⁾를 이용하여 국내 특정 원전에 위치한 공기 압축기실을 대상으로 윤활유 화재로 인한 전기 케이블의 손상 여부 및 안전성 확보방안을 제시하였다. 우선, NUREG-1934 및 NUREG-1824를 근거로 체계적인 화재모델링 절차 및 개념을 고찰하고, 이 절차에 따라 공기 압축기실에 대한 화재 위험성에 대한 정량적 평가를 수행하였다.
화재모델링의 목적으로서, 국내 특정 지역의 가동 원전인 공기 압축기실을 대상으로 천장 근처에 위치한 전기 케이블의 열적 손상 가능성이 평가되었다. 공기 압축기실의 경우, 윤활유 교체작업 및 운전과정에서 윤활유 누설로 인한 유류화재의 발생이 가정될 수 있다.

가설 설정

화재 위험성 평가를 위한 주요 변수로서, 화원의 면적(A_f)과 화원의 위치가 고려되었다. A_f=1 m²과 2 m²의 경우, 4개의 압축기 각각에서 화재 발생이 가정되었으며, A_f=4 m²과 8 m²의 경우에는 SA 압축기에서만 화재가 발생되는 것으로 가정되었다. 화원면적 A_f=8 m²의 화재는 평균 화염길이(L_f)는 천장 높이(H)의 약 70%로서, 부력에 의해 주기적으로 진동하는 순간적 화염의 최대 높이가 천장 근처의 전기 케이블에 직접 접촉될 수 있다.
각 화재시나리오에 대한 화재성장곡선을 도출하기 위하여, 윤활유의 화재성장속도(fire growth rate)는NFPA-72B¹⁹⁾를 근거로 t²에 의한 ultrafast로 최성기에 도달한 후에, 일정한 열발생률의 구간과 성장기와 동일한 속도의 쇠퇴기를 갖는다고 가정하였다. 적용된 윤활유에 대한 점근적 직경의 질량감소율(asymptotic diameter mass loss rate, m# ″_∞)은 0.
9%의 불확실도를 갖게 된다. 본 연구에서는 #의 입력 불확실도를 15%로 가정하였으며, 민감도 분석 결과가 반영된 각 시나리오의 최대 표면온도와 열유속 조건에 최종적으로 모델 불확실도가 고려되었다.
화재시나리오는 각 압축기에 포함된 윤활유(C₁₄H₃₀, n-Tetradecane) 40 L의 유출 및 누설과 마찰에 의한 전기 스파크 및 자기착화에 의한 화재의 발생으로 가정되었다. 공기 압축기실에는 소형 전기 케비닛 및 분전반만이 설치되어 있어 전기 화재의 발생 가능성은 배제되었다.

제안 방법

2장에서 언급하였듯이, 경험적 상관식을 기반으로 유도된 거듭제곱 의존도(NUREG-1824)는 화재 위험성을 크게 과소평가할 수 있기 때문에17), 본 연구에서는 반복 계산을 통해 #의 변화에 따른 거듭제곱 의존도를 도출하였다.
FDS 결과의 모델 불확실도 및 민감도 분석을 반영하기 이전에, 1차 결과에 대한 분석을 수행하였다. Fig.
FDS의 입력인자 중에서 수치 해에 가장 큰 영향을 미치는 #의 불확실도에 대한 민감도 분석이 수행되었다.
2(b)에서와 같이 연결 유무에 따라 총 5개의 케이블 그룹으로 분류되었다. 각 케이블의 용도별 분류는 현실적으로 어렵기 때문에, 본 연구에서는 IEEE-383 인증 및 비인증 전기 케이블의 열적 손상조건을 모두 고려하였다. 전기 케이블의 열적 손상기준은 NUREG/CR- 4679¹⁸⁾를 근거로 IEEE-383 인증(한계 표면온도 및 열유속: 370℃, 10kW/m²) 및 비인증(한계 표면온도 및 열유속: 218℃, 5kW/m²) 케이블에 대하여 각각 적용되었다.
원전 화재모델링의 수행 기준안으로 인식되고 있는 NUREG-1934와 NUREG-1824를 근거로 체계적인 화재모델링 절차를 고찰하였다. 또한 대표적인 화재모델인 FDS를 이용하여 국내 특정 지역의 가동 원전인 공기압축기실을 대상으로 천장 근처에 위치한 전기 케이블의 열적 손상 확률 및 안정성 확보 방안이 제시되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
를 이용하여 국내 특정 원전에 위치한 공기 압축기실을 대상으로 윤활유 화재로 인한 전기 케이블의 손상 여부 및 안전성 확보방안을 제시하였다. 우선, NUREG-1934 및 NUREG-1824를 근거로 체계적인 화재모델링 절차 및 개념을 고찰하고, 이 절차에 따라 공기 압축기실에 대한 화재 위험성에 대한 정량적 평가를 수행하였다. 궁극적으로 본 연구결과는 화재모델링의 수행 및 분석절차의 관점에서 국내 엔지니어에게 최소한의 가이드라인을 제공할 수 있으며, 화재모델링 결과의 객관적 평가를 위한 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
원전 화재모델링의 수행 기준안으로 인식되고 있는 NUREG-1934와 NUREG-1824를 근거로 체계적인 화재모델링 절차를 고찰하였다. 또한 대표적인 화재모델인 FDS를 이용하여 국내 특정 지역의 가동 원전인 공기압축기실을 대상으로 천장 근처에 위치한 전기 케이블의 열적 손상 확률 및 안정성 확보 방안이 제시되었다.
케이블의 열적 안정성을 평가하기 위하여, 각 케이블의 길이 방향으로 2 m 간격의 표면온도 및 열유속이 출력되었다. Table 3은 본 연구에서 고려된 윤활유의 연소물성 및 관련 정보를 제시한 것이며, Table 4는 구조물들이 갖는 재질에 대한 열적 물성을 나타낸 것이다.

대상 데이터

그 결과 최소 #(A_f=1 m²)을 기준으로 공기압축기실의 경우, 약 8백만 개에서 3천만 개 이상의 매우 많은 격자수가 요구된다. 이에 본 연구에서는 격자 크기가 0.30, 0.20 및 0.15 m로 변화될 때 주요 물리량의 민감도 분석을 통해 최종 0.20 m 크기의 격자(총 격자수 약 48만 개)가 고려되었다.
그 결과 케이블의 열적 안정성은 절대적으로 확보될 수 없다 판단되었기에, 최대 화원 크기로 결정되었다. 이에 본 연구에서는 총 10개의 화재시나리오가 선정되었다.

이론/모형

2)²²⁾가 선택되었다. Large eddy simulation(LES) 기법이 적용된 FDS의 최신 버전에는 아격자 유동 및 연소모델로서 Deardorff 모델과 EDC (eddy dissipation concept) 모델이 각각 적용되었다. FDS의 수치기법 및 모델에 대한 보다 상세한 내용은 참고문헌에서 확인될 수 있다^16,22)
각 케이블의 용도별 분류는 현실적으로 어렵기 때문에, 본 연구에서는 IEEE-383 인증 및 비인증 전기 케이블의 열적 손상조건을 모두 고려하였다. 전기 케이블의 열적 손상기준은 NUREG/CR- 4679¹⁸⁾를 근거로 IEEE-383 인증(한계 표면온도 및 열유속: 370℃, 10kW/m²) 및 비인증(한계 표면온도 및 열유속: 218℃, 5kW/m²) 케이블에 대하여 각각 적용되었다. 구획 내부에는 공기 압축기 및 전기 케이블 이외에 다수의 설비가 설치되어 있다.
화원으로 설정된 공기 압축기의 위치에 따라 복잡하게 배치된 전기 케이블의 열적 손상 여부를 판단하기 위하여, 시간에 따라 3차원 공간에서의 화재해석이 가능한 대표적 field 모델인 FDS(Fire Dynamics Simulator, version 6.1.2)²²⁾가 선택되었다. Large eddy simulation(LES) 기법이 적용된 FDS의 최신 버전에는 아격자 유동 및 연소모델로서 Deardorff 모델과 EDC (eddy dissipation concept) 모델이 각각 적용되었다.

성능/효과

Table 1은 NUREG-1824에서 인용된 V&V의 결과로서, 주요 물리량에 대한 FDS 예측성능을 정성적으로 분류한 결과이다. GREEN은 FDS가 해당 물리량을 실험 불확실도 범위 내에서 적절히 예측될 수 있음을 의미하며, YELLOW는 해당 물리량의 예측은 가능하지만, 실험 불확실도 범위를 넘어서 큰 상대오차를 가져올 수 있음을 나타낸다. 전기 케이블의 열적 손상기준에 해당되는 대상물체의 온도(표면온도)와 열유속은 YELLOW 등급에 해당됨을 고려할 때, 화재로 인한 전기 케이블의 안전성 평가에 대한 FDS의 수행 및 분석 결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 상당한 주의가 요구됨을 인지할 수 있다.
천장 근처의 케이블은 서로 다른 높이 및 불규칙한 분포를 갖기 때문에, 위치가 변경된 화원과의 직선거리에 따라 최대 표면온도 및 열 유속의 다른 값들을 보여주고 있다. 결과적으로 IA 압축기 C에서 화재 발생 시 가장 낮은 수직 높이 및 짧은 직선거리를 갖는 cable 1에서 높은 표면온도 및 열 유속이 예측된다. 정량적으로 최대 표면온도 및 열유속은 각각 138℃와 3.
또한 인증 케이블이 적용된 경우, A_f가 2 m²의 경우, 2%의 손상 확률을 보였으며, 4 m² 이상의 경우 100%에 근접한 손상 가능성을 예측하였다. 결론적으로 공기 압축기실에서 윤활유 화재로 인한 전기 케이블의 열적 안정성을 확보하기 위해서는 반드시 인증 케이블로 교체되어야 하며, 동시에 보수적인 관점에서 유류 화원의 면적이 2 m² 이하가 되도록 제방이 설치되어야 한다.
결론적으로, IEEE-383 비인증 및 인증 전기 케이블이 혼재되어 있는 공기 압축기실에서 윤활유 화재로 인한 케이블의 열적 안정성을 확보하기 위해서는 반드시 인증 케이블로 교체되어야 하며, 동시에 유류 화원의 면적이 2 m² 이하가 되도록 제방이 설치되어야 함을 예측할 수 있다. 추가로 화재모델링을 이용한 위험도 분석의 신뢰성을 보다 강화시키기 위해서는 국내에서도 다양한 화재조건의 실규모 실증실험을 통해NUREG-1824에 제시되어 있는 V&V 결과의 지속적인 보완이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
그 결과 모든 화재시나리오조건이 V&V에서 고려된 실험조건의 범위에 포함되었음을 알 수 있다.
화원면적 A_f=8 m²의 화재는 평균 화염길이(L_f)는 천장 높이(H)의 약 70%로서, 부력에 의해 주기적으로 진동하는 순간적 화염의 최대 높이가 천장 근처의 전기 케이블에 직접 접촉될 수 있다. 그 결과 케이블의 열적 안정성은 절대적으로 확보될 수 없다 판단되었기에, 최대 화원 크기로 결정되었다. 이에 본 연구에서는 총 10개의 화재시나리오가 선정되었다.
일반적으로 표면온도보다 높은 열적 손상 확률을 보이는 열유속의 경우에, A_f=1 m²을 갖는 IA 압축기 C에서 화재 발생 시 약 70%의 손상 확률을 갖으며, A_f=2 m²의 일부 조건(IA 압축기 C)에서는 100%의 손상 확률을 나타내고 있다. 또한 A_f가 증가된 4, 8 m²의 조건에서는 모두 100%의 손상 확률을 보이고 있다. 즉, 비인증 케이블이 사용된 경우에, A_f=1 m²의 조건에서도 케이블의 열적 손상이 발생될 높은 가능성이 있음을 짐작 할 수 있다.
의 조건에서도 IEEE-383 비인증 케이블은 높은 열적 손상 가능성을 갖는다. 또한 인증 케이블이 적용된 경우, A_f가 2 m²의 경우, 2%의 손상 확률을 보였으며, 4 m² 이상의 경우 100%에 근접한 손상 가능성을 예측하였다. 결론적으로 공기 압축기실에서 윤활유 화재로 인한 전기 케이블의 열적 안정성을 확보하기 위해서는 반드시 인증 케이블로 교체되어야 하며, 동시에 보수적인 관점에서 유류 화원의 면적이 2 m² 이하가 되도록 제방이 설치되어야 한다.
8은 인증 케이블에 대하여 열유속 손상기준이 초과될 확률을 도시한 결과이다. 표면온도 370℃의 기준을 초과할 확률은 모든 화재시나리오에 대하여 0%로 예측되어, 본 논문에는 제시되지 않았다. 그림에서 열유속 10 kW/m²의 기준이 초과될 확률은 A_f=2 m²을갖는 IA 압축기 C의 경우에 2%이며, SA 압축기 A_f=4, 8 m²의 경우에는 각각 90%와 99%로 예측되었다.

후속연구

2장에서도 언급되었듯이, 다양한 실규모 화재실험과 FDS의 비교를 통한 V&V 결과를 직접적으로 반영하기 위해서는, 본 연구에서 고려한 화재조건 및 화재시나리오가 기존 실규모 실험조건의 범위 내에 포함되는지를 확인해야 한다.
우선, NUREG-1934 및 NUREG-1824를 근거로 체계적인 화재모델링 절차 및 개념을 고찰하고, 이 절차에 따라 공기 압축기실에 대한 화재 위험성에 대한 정량적 평가를 수행하였다. 궁극적으로 본 연구결과는 화재모델링의 수행 및 분석절차의 관점에서 국내 엔지니어에게 최소한의 가이드라인을 제공할 수 있으며, 화재모델링 결과의 객관적 평가를 위한 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
추가로 화재모델링을 이용한 위험도 분석의 신뢰성을 보다 강화시키기 위해서는 국내에서도 다양한 화재조건의 실규모 실증실험을 통해NUREG-1824에 제시되어 있는 V&V 결과의 지속적인 보완이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사용자 능력의 높은 의존도를 최소화시키고, 화재모델링 결과의 평가에 대한 객관화가 원전 화재위험성 평가를 위해 요구되는 가장 핵심이라 할 수 있는 이유는 무엇인가?	또한 화재모델이 갖는 불확실도와 수치 및 물리적 입력인자의 불확실도를 고려한 해석결과의 적용방안에 관한 다양한 연구결과가 발표되었다10-12). 그럼에도 불구하고 화재모델링 결과의 적용 타당성 및 정량적 위험성 평가는 고려된 화재 시나리오, 예측 물리량 및 허용되는 화재모델의 정확도 수준에 따라 변화될 수 있다. 특히 사용자의 역량에 따라 예측결과의 타당성 및 해석결과의 신뢰성은 상당한 차이를 갖을 수 있다. 따라서 화재모델링이 본질적으로 갖고 있는 사용자 능력의 높은 의존도를 최소화시키고, 화재모델링 결과의 평가에 대한 객관화가 원전 화재위험성 평가를 위해 요구되는 가장 핵심이라 할 수 있다.
	화재모델링 절차는 어떻게 구성되는가?	1은 NUREG-1934에서 제시된 화재모델링 수행 절차의 흐름도를 나타낸 것이다. 화재모델링 절차는 구체적으로 8단계로 구성될 수 있으며, 포괄적으로 화재모델링의 목적 설정, 화재시나리오의 설정, 화재모델의 선택 및 적합성의 판단으로 구성된 전처리 단계 (I) 과 입력파일의 작성을 포함한 화재모델링의 실행 단계(II), 마지막으로 입력인자의 민감도 분석 및 화재모델의 불확실도 분석, 그리고 문서화 단계 (III)로 재분류될 수 있다.
	화재시나리오는 NFPA 805에서 정의된 바와 같이 어떻게 분류되는가?	화재모델링의 목적 설정에서는 화재로부터 특정 대상물의 안전 또는 손상을 나타내는 기준이 구체적으로 명시되어야 한다. 화재시나리오는 NFPA 805에서 정의된 바와 같이 제한된 화재시나리오(limiting fire scenarios)와 최대 예상시나리오(maximum expected scenario)로 분류된다. 적절한 화재시나리오는 화재 공간, 중요 대상물, 화재의 유형 및 조건, 화원의 종류 및 위치에 따라 크게 변화될 수 있으며, 화재모델링의 목적에 부합하도록 적절하게 설정되어야 한다.

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저자의 다른 논문 :

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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