[논문]원자력발전소 주제어실 화재 시 공조모드가 배연성능 및 거주성에 미치는 영향 분석

김범규; 임혁순; 이영승; 김명수

doi:10.7731/kifse.2016.30.5.074

원자력발전소 주제어실 화재 시 공조모드가 배연성능 및 거주성에 미치는 영향 분석
Effect of the HVAC Conditions on the Smoke Ventilation Performance and Habitability for a Main Control Room Fire in Nuclear Power Plant 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.30 no.5, 2016년, pp.74 - 81

김범규 (한국수력원자력 중앙연구원) , 임혁순 (한국수력원자력 중앙연구원) , 이영승 (한국수력원자력 중앙연구원) , 김명수 (한국수력원자력 중앙연구원)

초록
AI-Helper

본 연구의 목적은 원자력발전소 주제어실 화재시 운전원의 거주성을 평가하는 것이다. 운전원의 거주성 분석을 위해 FDS v.6.0을 사용하였으며 이를 통해 주제어실 화재 시 배연성능과 운전원의 거주성에 있어 도출되는 문제점을 확인하였다. 본 연구에서는 공조환기설비의 운전조건을 핵심변수로 지정하고 그에 따라 3가지 시나리오로 분류하였다. 수치해석결과, Case 1(공조설비 작동시)의 경우가 연기온도, 복사열, 광학밀도 및 연기층높이에 의한 영향이 가장 심각한 것으로 나타났다. 이에 반해, Case 2(공조설비 미작동시)와 Case 3(공조설비 미작동시 풍량 1.5배 증가 시)는 Case 1보다 더 안전한 것으로 나타났다. 약 820초경 연기온도를 확인한 결과, Case 1이 Case 2와 Case 3보다 약 63% 정도 더 높게 나타났다. 복사열에 의한 영향도 Case 1에서 가장 높게 나타나, Case 2 및 Case 3와는 최대 약 68% 이상의 차이를 보였다. 분석결과를 통해, 주제어실의 공조환기설비는 배연성능에 큰 영향을 미쳐 운전원 거주안전을 지키기 위한 주요 인자인 것을 확인하였다. 다만, 급기구와 배연구가 천정부에 동시에 설치되어 있어 Case 2와 Case 3의 경우 연기층높이에 있어 불연속적 패턴을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study evaluated the habitability of operators for main control room fires in nuclear power plants. Fire modeling (FDS v.6.0) was utilized for a fire safety assessment so that it could determine the performance of the smoke ventilation and operator habitability with the main control room. For this study, it categorized fire scenarios into three cases depending on the conditions in the HVAC system. As a result of fire modelling, it showed that Case 1 (with HVAC) would give rise to the worst situation associated with the absolute temperature, radiative heat flux, optical density, and smoke layer height as deliberating the habitability and smoke ventilation. On the other hand, it showed that Cases 2 (w/o HVAC) and 3 can maintain much safer situations than Case 1. In the case of temperature at 820 s, Cases 2 and 3 were up to approximately 63% greater than Case 1 in the wake of ignition. In addition, the influence of radiative heat flux of Case 1 was even larger than Cases 2 and 3. That is, the radiative heat fluxes of Cases 2 and 3 were approximately 68% higher than Case 1. Furthermore, when it comes to considering the optical density, Case 1 was approximately 93% greater than Cases 2 and 3. Accordingly, it expected that the HVAC system can influence a the performance on the smoke ventilation that can be sustainable for operator habitability. On the other hand, it revealed an inconsecutive pattern for the smoke layer height of Cases 2 and 3 because supply vents and exhaust vents were installed within the same surface.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. The process of fire modelling.
표 Table 1. The Critical Values for Maintaining the Habitability⁽¹⁾
그림 Figure 2. A domain for the fire modelling.
그림 Figure 3. A fire growth rate for fire source⁽²⁾
표 Table 2. The Thermal Properties for Walls and Cabinets
표 Table 3. The Thermal Properties for Walls and Cabinets⁽¹⁾
표 Table 4. The Input Values on the Each Parameters⁽¹⁾
표 Table 5. The Validation for Input Parameters
그림 Figure 4. A characteristic of temperature depending on the fire growth with fire scenarios (Cases).
그림 Figure 5. A variation of heat flux depending on the fire growth with fire scenarios (Cases).
그림 Figure 6. A characteristic of optical density depending on the fire growth with fire scenarios (Cases).
그림 Figure 7. A descending behavior of smoke layer height with fire scenarios (Cases).

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한, 수계산을 수행하여 화재모델링 결과와의 확인하고자 하였다. Case 1에 대한 복사열유속 및 광학밀도를 계산하였다⁽⁴⁾.
본 연구는 화재 시 신형 주제어실 공조환기설비의 작동 모드에 따른 연기거동의 특성변화를 확인하고자 함에 주 목적이 있다. 이에 따라 본 논문에서는 화재시 주제어실의 공조환기 조건이 연기특성에 미치는 영향을 화재모델링을 통해 평가하여 운전원의 거주성에 미치는 영향을 분석하고 도출된 결과를 고찰하였다.
본 연구는 화재 시 신형 주제어실 공조환기설비의 작동 모드에 따른 연기거동의 특성변화를 확인하고자 함에 주 목적이 있다. 이에 따라 본 논문에서는 화재시 주제어실의 공조환기 조건이 연기특성에 미치는 영향을 화재모델링을 통해 평가하여 운전원의 거주성에 미치는 영향을 분석하고 도출된 결과를 고찰하였다. 화재모델링에 사용된 평가 도구는 FDS v.

가설 설정

출입문은 2개가 설치되어 있으며, 크기는 각각 1.2 m × 0.9 m이며 닫혀있는 상태로 가정했다.

제안 방법

각 문에 대한 누설면적산출을 위해 식(3)을 적용하였으며, 현장에 설치된 방화문(외여닫이문)에 해당하는 누설틈새길이, 누설틈새둘레 및 표준 문틈새길이를 적용하여 식(4)를 통해 총 누설틈새면적을 Table 2와 같이 산출하였다. 또한 2개의 각 Domain을 Pressure Zone으로 설정하고 산출된 누설틈새면적 값을 각 출입문에 반영하였다.
또한, 실규모의 주제어실을 모사하기 위해 사전 현장조사 및 설계문서 검토가 이루어졌으며, 이를 바탕으로 공간구조, 케비닛 등 주요기기의 기하학적구조와 치수, 디퓨져(Diffuser), 제연/방화댐퍼 및 방화문의 구조와 치수를 확인하여 모델링에 반영하였다. 또한, 모델링 입력변수에 대한 신뢰도 확인을 위해 미 원자력 규제위원회(NRC)에서 수행한 입력변수 검증범위와 비교하였다⁽¹⁾. 미 원자력 규제위원회에서는 화재시 운전원 거주한계조건을 3가지로 보고 있는데 운전원의 시야 확보 및 수동소화를 위한 최소광학밀도를 3m⁻¹, 거주한계온도를 95 ^oC, 복사열유속을 1 kW/m²로 규정하고 있다.
다만, 모든 Case에서는 보수적인 상황을 가정하기 위해 자동식 가스계 소화설비 및 수동식 소화기 작동은 무시하였다. 또한, 실규모의 주제어실을 모사하기 위해 사전 현장조사 및 설계문서 검토가 이루어졌으며, 이를 바탕으로 공간구조, 케비닛 등 주요기기의 기하학적구조와 치수, 디퓨져(Diffuser), 제연/방화댐퍼 및 방화문의 구조와 치수를 확인하여 모델링에 반영하였다. 또한, 모델링 입력변수에 대한 신뢰도 확인을 위해 미 원자력 규제위원회(NRC)에서 수행한 입력변수 검증범위와 비교하였다⁽¹⁾.
이에 모델링 해석결과에는 Table 1에 보이는 주제어실 운전원 거주한계조건과 비교하여 평가하였다. 또한, 연감지기가 정상적으로 작동할 경우인 Case 1에서의 광학밀도, 거주한계온도 및 복사열유속에 대해 수계산을 수행하여 도출된 결과를 모델링 결과와 비교하고 모델링 결과에 대한 신뢰성을 확보코자 두 결과에 대한 일치성을 평가하였다⁽¹⁾.
이에 따라 본 연구에서는 현 주제어실에 적용되고 있는 공조환기설비의 운전절차를 조사하여 이를 고정변수로 하였다. 모델링을 위해 먼저 원자력발전소 주제어실의 구조, HVAC 및 누설틈새에 대한 입력파일을 작성하였으며 그에 대한 화염, 환기 및 거리 등의 등가비에 대한 입력변수 허용범위를 확인하였으며 감지기 오작동 및 배연장치 작동상황을 시나리오로 구성하여 화재모델링을 수행하였다. 단, 보수적인 화재상황으로 가정하기 위해 주제어실 및 하 부층(Raised floor)에 존재하는 소화기 및 가스계 소화설비의 작동은 무시하였다.
운전원의 위치는 화재 발생위치와 가장 가까운 위치인 SS console로 설정하였다. 연기감지기는 관련 기술문서를 참조하여 현장과 동일한 타입으로 적용하였다. 연기감지기는 챔버형으로써 작동감도는 약 4.
이 중 환기설비의 종류 및 특성은 연기특성 변화에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 원인이 된다. 이에 따라 본 연구에서는 현 주제어실에 적용되고 있는 공조환기설비의 운전절차를 조사하여 이를 고정변수로 하였다. 모델링을 위해 먼저 원자력발전소 주제어실의 구조, HVAC 및 누설틈새에 대한 입력파일을 작성하였으며 그에 대한 화염, 환기 및 거리 등의 등가비에 대한 입력변수 허용범위를 확인하였으며 감지기 오작동 및 배연장치 작동상황을 시나리오로 구성하여 화재모델링을 수행하였다.
화재모델링에 적용된 입력변수의 신뢰성을 검증하기 위해, NUREG-6850에서 제공하고 있는 입력변수 검증범위와의 일치여부를 평가함으로써 모델의 적용가능범위를 확인하였다⁽³⁾. 검증내용은 Table 5에 나타난 바와 같으며, 평가결과 6가지 항목 중 5가지가 일치함을 보였다.

대상 데이터

이에 따라 본 논문에서는 화재시 주제어실의 공조환기 조건이 연기특성에 미치는 영향을 화재모델링을 통해 평가하여 운전원의 거주성에 미치는 영향을 분석하고 도출된 결과를 고찰하였다. 화재모델링에 사용된 평가 도구는 FDS v.6.0이며^(6-8), 평가대상 주제어실은 신형 주제어실로 선정하였다.

데이터처리

미 원자력 규제위원회에서는 화재시 운전원 거주한계조건을 3가지로 보고 있는데 운전원의 시야 확보 및 수동소화를 위한 최소광학밀도를 3m⁻¹, 거주한계온도를 95 ^oC, 복사열유속을 1 kW/m²로 규정하고 있다. 이에 모델링 해석결과에는 Table 1에 보이는 주제어실 운전원 거주한계조건과 비교하여 평가하였다. 또한, 연감지기가 정상적으로 작동할 경우인 Case 1에서의 광학밀도, 거주한계온도 및 복사열유속에 대해 수계산을 수행하여 도출된 결과를 모델링 결과와 비교하고 모델링 결과에 대한 신뢰성을 확보코자 두 결과에 대한 일치성을 평가하였다⁽¹⁾.

이론/모형

또한, 시간증분(Time marching step)은 식(2)를 통해 0.0625초로 계산되었으며, 해석영역에 대한 수치해석법은 화원 및 급, 배기구에서의 난류성분 및 해석시간(iteration time)단축, 발산(Divergence)의 최소화를 고려하여 대와류 수치모사법(LES (default) : Large Eddy Simulation)으로 하였다^(1,6).
화재모델링에 적용된 격자크기를 설정하기 위해 화재특성직경(D^*: Fire Characteristic Diameter)을 식(1)을 적용하였다. D^*/δx가 커질수록 해석결과는 더욱 정확해지며,경험적으로 이 값은 5~10의 범위에 있을 경우 연기거동에 대한 해석시 시간대비 정확한 결과를 얻을 수 있다^(1,6).

성능/효과

각 시나리오별 온도특성을 확인한 결과, 화재 후 약 58초경부터 뚜렷한 차이를 나타내었다. Figure 4-a)에 보이는 바와 같이 감지기 작동 시에는 각 댐퍼의 폐쇄로 인해 주제어실의 온도가 크게 상승하는 것을 알 수 있다.
93배 이상의 차이를 보이며 거주성이 확보됨을 나타냈다. 넷째, 댐퍼 미작동시가 가장 빠른 연기층 하강속도를 보이며, 댐퍼 작동시에 비해 거주성이 현저히 저하되는 것으로 분석되었다. 다섯째, 댐퍼 미작동시 모델링과 수계산 결과 비교를 통해, 열유속의 경우 약 1,000초경 약 0.
넷째, 댐퍼 미작동시가 가장 빠른 연기층 하강속도를 보이며, 댐퍼 작동시에 비해 거주성이 현저히 저하되는 것으로 분석되었다. 다섯째, 댐퍼 미작동시 모델링과 수계산 결과 비교를 통해, 열유속의 경우 약 1,000초경 약 0.6 kW/m², 모델링 결과는 약 0.56 kW/m²을 보이며 모델링 결과보다 약 6.7% 정도 높게 나타났다. 광학밀도의 경우 약 3.
첫째, 댐퍼가 작동되는 경우 약 830초경 95 ^oC까지 온도가 상승하였으나 댐퍼가 작동되지 않는 경우는 최대온도가 약 38 ^oC 이하로 나타나 댐퍼 미작동시가 약 63% 이상 높게 나타났다. 둘째, 열유속의 경우 약 950초경 댐퍼 미작동시는 약 0.5 kW/m²를 댐퍼작동시는 약 0.18 kW/m²로 나타나 댐퍼 작동시가 댐퍼 미작동시보다 약 64% 낮음을 보였다. 셋째, 가시도의 경우 댐퍼작동 시 약 930초경 약 3m⁻¹에 도달하여 거주성을 확보치 못하였으나 댐퍼작동시의 경우 약 0.
본 연구를 통해 원자력발전소 주제어실 화재 시에는 공조 설비의 작동이 미 작동시보다 주제어실 거주성측면에서 더욱 안전한 것으로 나타났다. 첫째, 댐퍼가 작동되는 경우 약 830초경 95 ^oC까지 온도가 상승하였으나 댐퍼가 작동되지 않는 경우는 최대온도가 약 38 ^oC 이하로 나타나 댐퍼 미작동시가 약 63% 이상 높게 나타났다.
셋째, 가시도의 경우 댐퍼작동 시 약 930초경 약 3m−1에 도달하여 거주성을 확보치 못하였으나 댐퍼작동시의 경우 약 0.2 m−1 이하로 나타나 댐퍼 미작동시와 약 1.93배 이상의 차이를 보이며 거주성이 확보됨을 나타냈다.
시간에 따른 연기층 높이변화를 분석한 결과, 공조설비가 작동되지 않을 경우는 주제어실의 압력이 증가하여 약 330초경에는 호흡한계선인 약 1.8 m 이하로 연기층이 하 강하는 것으로 확인되었다. Figure 7는 운전원 위치로 가정한 SS console 부근에서의 연기층 높이변화를 나타낸 그래프이며, 보이는 바와 같이 Case 1에서 가장 빠른 연기 층 하강속도를 보이며, Case 2와 Case 3에 비해 거주성이 현저히 저하되는 것으로 분석되었다.
본 연구를 통해 원자력발전소 주제어실 화재 시에는 공조 설비의 작동이 미 작동시보다 주제어실 거주성측면에서 더욱 안전한 것으로 나타났다. 첫째, 댐퍼가 작동되는 경우 약 830초경 95 ^oC까지 온도가 상승하였으나 댐퍼가 작동되지 않는 경우는 최대온도가 약 38 ^oC 이하로 나타나 댐퍼 미작동시가 약 63% 이상 높게 나타났다. 둘째, 열유속의 경우 약 950초경 댐퍼 미작동시는 약 0.

후속연구

다만, 복사열 특성은 운전원 위치에 따라 다양하게 나타날 것으로 보이며, 이에 대한 별도의 분석이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 댐퍼가 작동되지 않는 경우인 Case 2와 Case 3는 동일 시점에서도 최대온도가 약 38^oC 이하로 나타나 Case 1과 63% 이상의 차이를 나타내며 온도에 의한 운전원의 거주성 상실은 사실상 없는 것으로 평가되었다. 또한, Case 2와 Case 3의 온도특성이 서로 비슷하게 나타났는데, 이는 연기제거설비의 풍량 증대는 연기배출성능에 별 영향을 주지 못하여 나타나는 결과로 보여지며 추후 배출풍량 변경에 따른 상세모델링이 요구된다.
다만, 광학밀도의 경우는 추가적인 시간 경과후의 최대상승분을 고려하여 추세선을 추정한다면 둘 간의 차이는 더욱 감소할 수 있다고 본다. 아울러, 화재시 운전원의 거주환경을 조성하기 위한 안전정지 판넬(Safety Shutdown console)부근에 피난안전구역을 설치하여 사고 시에도 발전소 안전정지운전을 수행할 수 있는 별도의 공간이 필요할 것으로 보여 진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력발전소에 공조설비가 필수적인 이유는 무엇인가?	그러나 공조환기방식은 화재시 화재실과 주변 격실과의 차압을 형성시켜 열 · 연기 확산을 야기할 수 있으며, 신속한 피난 및 진압활동에 장애를 초래할 수 있다. 원자력발전소의 경우 다수의 구획실로 이루어져 있으며, 방사성물질의 확산 및 축적을 방지하고 격실내 온도를 일정 수준으로 유지하기 위해 공조설비가 필수적이다. 특히, 주제어실(Main Control Room)의 경우 운전원이 상시 거주하고 있어 공기의 건전성유지를 위해 공조환기설비의 설치가 필수적이다.
	본 실험에서 각 시나리오별 온도특성을 확인한 결과의 차이를 보인 이유는 무엇인가?	이에 반해, 감지기 오작동 시에는 댐퍼가 개방된 상태로 유지되어 환기설비의 급,배기로 인해 열 · 연기의 온도가 상대적 으로 낮은 수준을 유지하고 있다. 이는, 화재시 주제어실 상부에서 이루어지는 급,배기의 배출 및 희석효과로 그렇지 않은 경우보다 열 · 연기의 온도를 낮추는데 큰 효과를 보이기 때문으로 분석된다. 이로 인해, 댐퍼가 작동되는 Case 1의 경우 약 830초경 95 oC까지 온도가 상승하여 거주성을 확보하지 못했다.
	화재시 공조환기방식은 어떤 단점이 있는가?	이러한 건물은 외벽의 미려 및 실내의 환경수준을 향상시키기 위해 공조환기방식으로 설계된 경우가 많다. 그러나 공조환기방식은 화재시 화재실과 주변 격실과의 차압을 형성시켜 열 · 연기 확산을 야기할 수 있으며, 신속한 피난 및 진압활동에 장애를 초래할 수 있다. 원자력발전소의 경우 다수의 구획실로 이루어져 있으며, 방사성물질의 확산 및 축적을 방지하고 격실내 온도를 일정 수준으로 유지하기 위해 공조설비가 필수적이다.

참고문헌 (10)

EPRI/NRC-REC, NUREG 1934, "Nuclear Power Plant Fire Modelling Analysis Guidelines (NPP Fire MEG)", EPRI 1023259, Final Report (2012).
EPRI/NRC-REC, NUREG/CR- 6850, "Fire PRA Methodology for Nuclear Power Facilities", Vol. 2, Final Report (2005).
SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 4th Edition, Quincy MA (2008).
EPRI/NRC-REC, NUREG 1824, "Validation and Verification of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications", Vol. 7, Fire Dynamics Simulator (2007).
G. D. Lougheed and G. V. Hadjisophocleous, "Investigation of Artrium Exhaust Effectiveness", ASHRAE Transactions, 103 (1997).
"Fire Dynamics Simulator User Guide", NIST Special Publication 1019 (2014).
"Fire Dynamics Simulator Technical Guide", Volume 1: Mathematical Model, NIST Special Publication 1019 (2014).
Richard W. Bukowski and Jason D. Averill Building and fire Research Laboratory National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, "Methods for Predicting Smoke Detector Activation", pp.71, MD 20899, NIST (1998).
SKN 3&4 Specification Issue, "QPS-A-SNK001" (2010).
NIST, "FDS Ver.6" (2015).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증