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- h : 대류열전달계수. [10W/m2K at free convection]
제안 방법
- Table 4에는 케이블 물성치가 다른 12종의 케이블 내부온도(자켓온도), 케이블 표면온도, 표면열속, 화재구역 공간온도, 공간압력을 분석한 값을 기록하였다. 이 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 케이블 내부온도는 경계조건 및 케이블 배열에 따라 특이한 경향을 보였다.
- 일반적으로 화재모델에 의해 화원을 정하는 방법의 하나로서 화재구역 내부에 화원을 설치한다. 그러나 PENLIGHT 실험장치의 경우 가열장치의 내부 표면이 모두 열원이 되므로 FDS 입력조건인 SURF_ID(6)를 사용하여 열원의 위치를 결정하였다. 따라서 INERT 또는 금속판을 설치한 경계조건에 따라 3 종류의 케이블 배열에 미치는 입열에너지의 차이가 발생할 것으로 예상하였다.
- 화재시나리오는 케이블 배치 상태에 따라 트레이(cable tray)에 설치한 경우, 전선관(conduit)에 매립된 경우, 독립설치(air drop)된 경우의 3가지 조건에 대하여 화원 열속을 일정하게 유지한 상태에서 케이블 내부온도인 자켓온도를 분석하였다. 또한 THIEF 모델은 외곽 경계조건을 초기값(default)인 INERT 상태를 적용하였으나 본 연구에서는 방화지역 내부화재를 기준하여 외곽 경계에 금속판이 설치된 것을 기준으로 분석하여 경계조건을 비교하였다.
- 상기 입력조건을 이용하여 PENLIGHT 화재구역을 직사각형으로 등가한 다음 경계구역에 대한 비교를 하였다. 즉, NIST에서 수행한 THIEF 모델에서는 경계면을 inert 상태로 처리하였으나 본 연구에서는 실제 방화구역의 내화벽체를 고려하여 금속판이 설치된 경우를 가정하여 그 결과를 상호 비교하였다.
- 원전 케이블의 오동작을 분석하기 위한 목적으로 NRC는 미국 표준기술원(NIST)과 공동으로 원전의 대표 케이블을 선정한 다음 다수의 화재실험을 실시하였다. 이 실험은 실제 화재에서의 케이블 반응, 즉 CAROLFIRE(Cable Response to Live Fire)라는 과제로 2006년 착수되었으며 NIST는 화재실험 결과를 이용하여 케이블 내부온도를 분석할 수 있는 화재모델인 THIEF를 개발하였다.
- 원전 케이블의 오동작을 분석하기 위한 목적으로 NRC는 미국 표준기술원(NIST)과 공동으로 원전의 대표 케이블을 선정한 다음 다수의 화재실험을 실시하였다. 이 실험은 실제 화재에서의 케이블 반응, 즉 CAROLFIRE(Cable Response to Live Fire)라는 과제로 2006년 착수되었으며 NIST는 화재실험 결과를 이용하여 케이블 내부온도를 분석할 수 있는 화재모델인 THIEF를 개발하였다. THIEF는 FDS의 내부 프로그램으로 이용되며 케이블 내부 자켓온도를 분석할 수 있는 알고리즘을 갖고 있다.
- 원전 케이블에 대한 화재실증실험은 1980년대 이후 미국의 연구소 및 화재실험기관을 중심으로 수행되었다. 이들 실험은 케이블의 용도, 규격, 절연물 재질, 설치상태 등을 기준으로 다수의 실험을 실시하여 케이블의 전기적 기능상실 메커니즘과 한계치를 제시하였다. 미국 원전 규제기관인 NRC는 이러한 화재실험 결과와 엔지니어링 경험치를 기준으로 열경화성 케이블과 열가소성 케이블의 전기적 기능상실 온도 및 열속 임계치를 아래의 Table 1과 같이 제시하였다.
- THIEF 모델을 이용하기 위해서는 케이블 단위중량, 케이블 직경, 온도측정 지점, 자켓 두께, 케이블 위치가 결정되어야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 화재실증실험과 동일한 상태를 모사하기 위하여 국내 케이블의 화재모델 입력조건을 아래와 같이 적용하였다.
- Figure 3은 경계조건의 차이가 있을 경우 케이블 배열에 따른 내부온도 변화를 나타낸 것이다. 전체적으로 케이블의 물성치 조건을 달리하였을 경우 THIEF 모델은 케이블 내부온도를 각각의 열적특성에 따라 분석하였다. 또한 화재구역 내부의 공간에 개방된 조건인 air drop과 cable tray의 경우 외부 조건이 유사하므로 거의 유사한 값을 보였으며 화재구역 외부에 금속판을 설치한 경우 열전달에 의한 영향을 명확히 보여주었다.
- 상기 입력조건을 이용하여 PENLIGHT 화재구역을 직사각형으로 등가한 다음 경계구역에 대한 비교를 하였다. 즉, NIST에서 수행한 THIEF 모델에서는 경계면을 inert 상태로 처리하였으나 본 연구에서는 실제 방화구역의 내화벽체를 고려하여 금속판이 설치된 경우를 가정하여 그 결과를 상호 비교하였다. 또한 상기 화재시나리오에서 격자의 최소값은 0.
- 화재모델링 분석에서 케이블 배치는 실제 화재실험과 동일한 방법에 따라 케이블 표면 및 내부온도 측정을 위한 thermal cable을 설치하고 동일한 electric cable을 인접되게 설치하여 케이블의 온도와 전기적 기능상실 시간을 분석하였다. 한편 THIEF 모델 자체는 케이블의 전기적 기능상실을 직접적으로 보여주지 않는다.
- 그러나 미국의 화재실험과 동일한 실험장치를 확보하지 못한 현 실정을 고려하여 국내 케이블의 열적특성은 THIEF 모델을 사용하여 분석하였다. 화재시나리오는 케이블 배치 상태에 따라 트레이(cable tray)에 설치한 경우, 전선관(conduit)에 매립된 경우, 독립설치(air drop)된 경우의 3가지 조건에 대하여 화원 열속을 일정하게 유지한 상태에서 케이블 내부온도인 자켓온도를 분석하였다. 또한 THIEF 모델은 외곽 경계조건을 초기값(default)인 INERT 상태를 적용하였으나 본 연구에서는 방화지역 내부화재를 기준하여 외곽 경계에 금속판이 설치된 것을 기준으로 분석하여 경계조건을 비교하였다.
이론/모형
- 국내원전 케이블의 경우 화재실험을 수행하여 열적특성을 분석하는 것이 가장 바람직하다. 그러나 미국의 화재실험과 동일한 실험장치를 확보하지 못한 현 실정을 고려하여 국내 케이블의 열적특성은 THIEF 모델을 사용하여 분석하였다. 화재시나리오는 케이블 배치 상태에 따라 트레이(cable tray)에 설치한 경우, 전선관(conduit)에 매립된 경우, 독립설치(air drop)된 경우의 3가지 조건에 대하여 화원 열속을 일정하게 유지한 상태에서 케이블 내부온도인 자켓온도를 분석하였다.
성능/효과
- ○ FDS의 THIEF 모델을 이용할 경우 원전 케이블 규격, 사양, 물성치 조건에 따라 자켓부의 내부온도를 허용된 불확실도 범위에서 분석할 수 있음을 확인하였다.
- 그러나 PENLIGHT 실험장치의 경우 가열장치의 내부 표면이 모두 열원이 되므로 FDS 입력조건인 SURF_ID(6)를 사용하여 열원의 위치를 결정하였다. 따라서 INERT 또는 금속판을 설치한 경계조건에 따라 3 종류의 케이블 배열에 미치는 입열에너지의 차이가 발생할 것으로 예상하였다. PENLIGHT 내부에 케이블이 독립(air drop), 트레이(cable tray), 전선관(conduit)의 형태로 설치된 모습은 Figure 2에 표시하였으며 중앙을 관통하는 두 개의 사각형 막대가 케이블이며 내부의 각 원점은 온도, 열속, 압력 등을 측정하기 위한 변수들의 위치를 의미한다.
- 즉, NIST에서 수행한 THIEF 모델에서는 경계면을 inert 상태로 처리하였으나 본 연구에서는 실제 방화구역의 내화벽체를 고려하여 금속판이 설치된 경우를 가정하여 그 결과를 상호 비교하였다. 또한 상기 화재시나리오에서 격자의 최소값은 0.0075 m로 정하였으며 이에 따라 화재모델의 불확실도는 간접적으로 평가할 수 있는 특성길이 무차원값이 24.17로서 FDS 매뉴얼에서 요구하는 4~16보다 크므로 불확실도는 크게 감소할 것으로 예상된다.
- 전체적으로 케이블의 물성치 조건을 달리하였을 경우 THIEF 모델은 케이블 내부온도를 각각의 열적특성에 따라 분석하였다. 또한 화재구역 내부의 공간에 개방된 조건인 air drop과 cable tray의 경우 외부 조건이 유사하므로 거의 유사한 값을 보였으며 화재구역 외부에 금속판을 설치한 경우 열전달에 의한 영향을 명확히 보여주었다. 반면 화재구역 내부 공간과 단절이 이루어진 conduit의 경우 경계조건에 무관하여 conduit 표면을 통한 전도, 대류, 복사의 영향으로 인해 거의 유사한 내부온도를 보였다.
- Table 4에는 케이블 물성치가 다른 12종의 케이블 내부온도(자켓온도), 케이블 표면온도, 표면열속, 화재구역 공간온도, 공간압력을 분석한 값을 기록하였다. 이 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 케이블 내부온도는 경계조건 및 케이블 배열에 따라 특이한 경향을 보였다. 즉, 화재구역 외곽의 경계부에 금속판을 설치한 경우 air drop과 cable tray의 케이블 내부온도는 금속판을 설치하지 않은 경우에 비하여 약 28~29℃ 낮은 값을 보였으나 conduit의 경우 경계조건에 무관하게 유사한 값을 보였다.
- THIEF는 FDS의 내부 프로그램으로 이용되며 케이블 내부 자켓온도를 분석할 수 있는 알고리즘을 갖고 있다. 이 모델을 이용하여 화재실증실험 결과치와 화재실험 측정치를 비교한 결과 케이블 내부온도를 정량적으로 유효하게 분석할 수 있는 도구로 확인되었으며 그 결과는 NRC에서 발생한 화재실험보고서, NUREG/CR-6931에 제시되었다.
- 이 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 케이블 내부온도는 경계조건 및 케이블 배열에 따라 특이한 경향을 보였다. 즉, 화재구역 외곽의 경계부에 금속판을 설치한 경우 air drop과 cable tray의 케이블 내부온도는 금속판을 설치하지 않은 경우에 비하여 약 28~29℃ 낮은 값을 보였으나 conduit의 경우 경계조건에 무관하게 유사한 값을 보였다. 이러한 경향은 화재구역 내부의 공간온도, 케이블 표면온도와 열속에서 추정할 수 있는 바와 같이 경계구역을 통하여 외부로 약 8% 내외의 열전달 손실에 기인한 것으로 판단되므로 실제 원전 방화지역의 화재로 인한 케이블 내부온도 분석은 경계조건을 반영하여 THIEF 모델을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
- 이들 값은 케이블의 기능상실을 일으킬 수 있는 한계치로서 전기적 기능상실을 판단하는 지표로 사용하기에는 다소 보수적이다. 최근 화재실험 결과는 Table 2에 제시된 바와 같으며 열경화성 케이블의 기능상실 온도가 기존 기준치인 330℃보다 훨씬 높은 것으로 밝혀져 선별 기준치는 상당히 보수적이라는 평가를 내릴 수 있다.
후속연구
- 이러한 열적 영향을 실제 화재실험에 의하지 않고 화재모델을 이용하여 분석할 수 있는 기술은 경제성 및 안전성 측면에서 매우 바람직하다. 특히 국내의 운영원전이 20기에 달하며 건설 및 해외수출을 위한 원전을 대상한 다수의 케이블에 대한 물량을 고려할 때 케이블의 기능상실 요소를 정량적으로 분석할 수 있는 요소기술은 앞으로 더욱 심도있게 개발되어야 할 것이다. 이런 측면에서 본 연구에서는 다음과 같은 소기의 목적을 얻었으며 향후 이러한 기술을 활용할 수 있는 방안을 제시하였다.
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