2.2 화재 시나리오
HVAC Penetration Room의 화재 가능성은 정비편의시설에 비치되어 있는 화재 취약물질들을 정비인원의 취급 부주위에 의해 화재가 발생하는 것으로 시나리오를 작성하였다. 화재가능성이 있는 캐비닛 2개를 선정하여 모델링 하였다. 하나의 캐비닛에는 윤활류 등의 유류가 있고, 다른 하나에는 임시가연물들이 포함되어있다. NUREG/CR-6850의 Table G-1의 Transient Combustibles(임시가연물)과 NUREG-1805 FDT로 Lubrication Oil의 HRR값을 화원으로 시뮬레이션 하였다. HVAC Penetra-Tion Room은 Containment Vessel Building과 맞닿는 면이 있으며 직사각형의 형태가 아니어서 등가모델을 계산하여 적용하였다(2.3. 가. 참조).
이 격실내의 공조기에 대한 자료가 부족하여 5500CFM (cubic feet per minute)의 흡기 및 배기가 이루어지는 것으로 가정하여 시뮬레이션 하였으며, Fire Damper에 대한 정보 또한 부족하여 흡기 및 배기 덕트의 중심에 위치를 잡고 시뮬레이션 하였다. 그 외의 흡기 배기는 3개의 방화문의 문틈으로 이루어지고 있는 것으로 설정하였다. 문틈새 정보는 NFSC-501A(화재안전기준)를 적용하여 계산하였으며, 문의 정보는 실측하여 계산하였다.
화재 성장곡선은 NUREG/CR-6850 APP. G에 따라 작성하였고, 천장, 바닥, 벽은 모두 콘크리트로 구성되어 있으며 각각 1.5, 1.5, 2 ft의 두께로 설정하였다.
모든 벽, 바닥, 천장은 콘크리트 구조물로 구성 되어 있으며, 케이블의 물성치는 일반적으로 많이 사용하는 물성치를 사용하였다.
Target은 안전성 케이블이 지나가는 전선관과 안전성기기인 덕트 밸브의 최하단을 선정하였다(화원에서 가까운 곳으로 선정).
격실을 등가 모델링하였기 때문에 화원과 Target과의 거리를 실측하여 등가 모델링에 반영하였다.
2.3 분석방법
본 논문은 화재모델링 프로그램으로 CFAST를 선정하였다. 이 프로그램은 짧은 기간에 빠른 결과 값을 낼 수 있으며, 많은 양의 데이터를 해석해 내는 것이 특징이라 하겠다. 또한 실재화재의 경험치 들이 반영되어 결과 값의 신뢰도가 높은 것이 장점이다.
가. 격실은 아래 그림과 같이 직사각형의 형태가 아니므로 등가 모델링을 적용하였다. 등가 모델링로 계산하여 나온 값을 정리하면 가로: 31.73m, 세로: 6.41m, 높이: 5.57m이다. 등가 모델을 적용하면서 불확실성을 줄이기 위해 화원과 Target의 거리, 벽면과 Target의 거리, 천장과 Target의 거리등을 실측하여 적용하였으며, Target의 온도는 Hot Gas Layer의 높이가 가장 큰 영향을 주므로 높이에 따른 체적을 고려하여 모델링하였다.
나. 화재는 Transient Combustion의 화재성장곡선을 NUREG-1934에서 발취한 물성치로 입력하였다. 그 내용은
Table 1과 같다.
Table 1
Fire Growth Curve Material Properties Input Data
Parameter |
Transient |
Lub. Oil |
Source |
Effective Fuel Formula |
C4H7O2.5
|
C14H30
|
Specified |
Peak HRR |
317kW |
872kW |
NUREG/CR-6850(EPRI1011989),App.G |
Time to reach peak HRR |
480s |
514s |
NUREG/CR-6850(EPRI1011989),App.G |
Heat of Combustion |
30,400kJ/kg |
46,000kJ/kg |
SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16 |
CO2 Yield |
2.0kg/kg |
2.64kg/kg |
SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16 |
Soot Yield |
0.038kg/kg |
0.059kg/kg |
SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16 |
CO Yield |
0.014kg/kg |
0.019kg/kg |
SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16 |
Radiative Fraction |
0.4 |
0.34 |
SFPE Handbook,4thed.,Table3-4.16 |
Table 2
Transient Combustion(TC) |
Lubrication Oil(LO) |
|
|
|
|
다. 화원은 임시가연물 저장 케비넷으로 설정하였으며 그 크기는 W: 90cm, D: 71cm, H: 129cm으로 실측하여 입력하였고, 화원의 면적으로는 케비넷의 상판면적을 적용하였다. 아래 사진은 실사 당시의 사진으로 케비넷 내의 화원들을 나타내고 있다.
라. Heat Release Rate(열방출율 이하 HRR) 곡은 NUREG/CR-6850, Table G-2의 평균값을 참조하여 Time to Peack는 11.4분, Steady Burning은 7.1분, Time to Decay는 19분을 사용하여 화재성장곡선을 만들었으며, CFAST의 입력값 Time to 1MW는 아래의 (1)식을 사용하여 구하였다.
위의 식을 사용하여 1MW에 걸리는 시간을 구하고 지속시간과 소멸시간을 계산하면
Table 3과 같다.
Table 3
Fire Growth Curve Input Data
Parameter |
Transient Combustion |
Lubrication Oil |
Time to 1MW(s) |
853 |
732 |
Maximum HRR(kW) |
317 |
872 |
Steady Burning Period(s) |
426 |
426 |
Decay Period(s) |
1140 |
1140 |
Table 4
Calculation of Door Gaps Hight
Description |
Door1 |
Door2 |
Door3 |
source |
Door Width (W)
|
1.3 |
1.03 |
1.94 |
Measurement |
Door Hight (H)
|
2 |
2 |
2 |
Measurement |
Gap Length of Door (L)
|
6.6 |
6.06 |
9.88 |
Measurement |
Gap Length of Standard Door (l)
|
5.6 |
5.6 |
9.2 |
NFSC-501A |
Gap Area of Standard Door (Ad)
|
0.02 |
0.01 |
0.03 |
NFSC-501A |
Door Gap Area (A=L/l*Ad)
|
0.02 |
0.01 |
0.03 |
NFSC-501A |
Door Gap Hight (h=A/W)
|
0.02 |
0.01 |
0.02 |
NFSC-501A |
Fig. 1
Equivalent Model Application Result
Fig. 2
TC, LO HRR Value Comparison
Fig. 3
Velocity vs. Hidraulic Gradient
바. 화재의 환경조건은 NUREG-1934에 나와 있는 환경조건을 적용하여 해석 하였다.
사. 주요 환기조건으로 격실의 Door는 방화문이므로 항상 닫힌 상태를 유지하는 것으로 가정한다. 단, 모든 격실 Door에는 문틈이 존재하는 것으로 가정하며, 그 문틈의 크기는 아래의 방정식에 따라 정의한다.
A = 출입문의 틈새면적(m2), L = 출입문 틈새의 길이(m), l = 표준출입문의 틈새길이(m, 외여닫이문: 5.6, 쌍여닫이문: 9.2)
Ad = 표준출입문의 누설면적(m2, 외여닫이 내측 개방: 0.01, 외여닫이 외측 개방: 0.02, 쌍여닫이: 0.03)
아. Flame의 영향: 화원의 상부에 Cable or Cable Tray가 존재 하는 경우 Flame을 삼각형으로 가정하고 Flame의 높이(h)와 면적(A), 반지름(r)에 따라 Cable 및 Cable Tray의 손상 여부를 확인하였다. 여기서 Flame의 면적은 화원의 면적이다. Flame의 반지름은 Flame의 면적을 아래의 식에 넣어 풀이된다.
Flame의 변을 방정식으로 나타내면 다음과 같다.
Flame 높이보다 낮고, 반지름 r 보다 떨어진 거리가 짧은 Tray에 대해서는 Flame에 닿는지는 아래 방정식을 통해 확인한다.
방정식의 값(Y)이 음의 값이면 Cable Tray가 Flame 내부에 있는 것이고, 양의 값이면 외부에 있게 된다. 0의 값이 나오면 Flame에 닿은 것이므로, 내부에 있는 경우와 0인 경우 Tray의 손상으로 판정한다.
2.5 분석내용
상기의 내용으로 자료를 입력하고 CFAST를 실행한 데이터에서 Fire Damper의 온도가 기준값인 72°C 이상이 되는 Fire Damper가 있는지 확인하고 있으면 그 시간을 Fire Damper 닫힘 시간으로 설정하고 재실행한다. 화원별로 그 닫힘 시간을 확인하기 위한 최고 온도와 시간을 정리하면
Table 6과 같다.
Table 6
Fire Damper Close Time Check
Fire Damper Close Time |
Fire DMP1 |
Fire DMP2 |
Time |
Temp. |
Time |
Temp. |
T. C. |
1200 |
38.70 |
1210 |
38.70 |
L. O. |
1050 |
72.17 |
1070 |
72.49 |
Fire Damper가 닫히면 뜨거운 공기의 배출이 되지 않고, 외부 공기가 차단되어 내부 온도에 영향을 주게된다. Transient Combustion의 경우 Fire Damper 최고 온도가 38.70도 정도 이므로 Fire Damper의 닫힘은 없다. Lubrication Oil의 경우 Fire Damper1은 1,050s, Fire Damper 2는 1,070s에 댐퍼가 닫히는 시간을 댐퍼에 적용하여 시뮬레이션 하였다.
화원 상부에는 Target이 존재하지 않으므로 Flame의 영향은 받지 않는 것으로 판단된다.