1. 서 론
최근 산업시설, 대형 건축물, 지하공간 등에서 화재 발생 시 인명 및 재산 피해를 최소화하기 위한 다양한 방재 기술이 도입되고 있다. 이 중 워터커튼(water curtain) 시스템은 노즐을 통하여 물을 분사하여 차폐막을 형성함으로써 화염, 연기 및 유해가스의 확산을 억제하고, 복사열을 효과적으로 저감하는 역할로 주목받고 있다. 워터커튼은 기존의 방화벽으로 방호가 어려운 개구부를 통한 열과 연기 확산 문제 등을 보완할 수 있는 능동적 방호 수단으로, 최근 부산 도시철도 지하역사에 화재 시 승객이 이동 가능하고 열과 연기는 차폐할 목적으로 설치되는 등 다양한 공간에서 그 활용이 확대되고 있다. 특히, 석유화학 플랜트와 같은 대형 산업현장에서 대량의 인화성 물질이 저장⋅취급되기 때문에 화재 발생시 대규모 피해로 이어질 위험이 높다. 이러한 위험을 줄이기 위해 국내 외 여러 석유화학 플랜트에서는 워터커튼을 주요 소방 설비로 채택하고 있으며, 저장탱크 주변이나 주요 생산설비, 대피로 등에 설치하여 화재 확산을 방지하고 복사열로 인한 2차 피해를 최소화하고 있다. Fig. 1에 플랜트 공정사이 및 저장탱크 주변 워터커튼이 설치된 사례를 나타내었다.
Chen et al. (2023)이 발표한 논문에 따르면, 1:10 축소 터널 모형 실험에서 워터커튼의 노즐 압력, 노즐 수, 화재 열방출률을 변수로 실험한 결과, 워터커튼이 연기와 복사열의 확산을 억제하는데 유의미한 효과가 있음을 확인하였으며, 워터커튼의 연기 및 열 차폐 메커니즘을 정량적으로 분석하였다. Matt et al. (2016)은 실물 규모 실험에서 스프링클러로 구성한 워터커튼이 화재실에서 외부로 방출되는 복사열량을 얼마나 저감할 수 있는지 평가하였고, 워터커튼이 복사열을 흡수⋅산란시키는 메커니즘을 통해, 인명 및 설비보호에 효과적임을 입증하였다. Chen et al. (2022)은 실제 규모의 터널에서 화재시 워터커튼 시스템의 연기 및 열 차폐 성능을 CFD 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과 워터커튼이 설치된 구간은 화재구역과 안전구역으로 분리될 수 있으며, 워터커튼이 연기와 열의 확산을 효과적으로 억제해 대피 경로 확보에 유효함을 확인하였다.
국내에서는 You and Ryou (2016)가 워터커튼 노즐의 액체 체적 크기 분포에 따른 복사열 저감을 위한 광학 두께를 분석하여, 관계식을 제시하였으며, You et al. (2012)은 소나무와 가솔린을 연료로 사용한 화재를 구성하여 워터커튼 시스템의 열 및 연기 흐름 제어 특성을 실험적으로 조사하였다. 실험 결과, 연료별 연소 특성으로 생성되는 고온 연기량과 노즐 분사에 따른 유동 변화가 워터커튼 시스템의 열 및 연기 제어에 중요한 영향을 미치는 것을 확인하였다. 그러나, 국내 산업현장에서의 실물 규모 복사열 저감 성능에 대한 실증연구는 여전히 부족한 실정이다.
따라서 본 연구는 석유화학 플랜트를 대상으로 화재 시 워터커튼의 복사열 저감 성능을 실증적으로 규명하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 pool fire 화재조건으로, 워터커튼-화원 이격거리, 노즐 수, 분사 압력을 주요 변수로 설정하여 총 8회의 실험을 수행하였다. 각 실험에서 워터커튼 작동 전⋅후의 복사열 및 온도 변화를 측정⋅분석하였으며, 이를 통해 플랜트 현장 적용 시 최적 설계⋅운용 조건을 제시하고, 국제 안전기준에 부합하는 설계 기준 마련을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 플랜트에서의 허용 복사열량
석유화학 플랜트와 같은 산업시설에서는 화재 발생 시 대량의 인화성 물질 연소로 인해 복사열이 인명 및 설비에 심각한 피해를 유발할 수 있다. 이에 따라 플랜트 설계 단계에서는 인명 보호와 설비 안전성을 확보하기 위해 허용 복사열량을 명확히 설정하는 것이 필수적이다. 허용 복사열량은 일반적으로 인체에 대한 허용 한계와 구조물⋅공정장비에 대한 허용 한계로 구분된다.
Table 1에서와 같이, 미국석유협회(American Petroleum Institute, API)에서 발간한 API 521 (API Standard 521, 2020)에서는 적절한 보호복을 착용한 작업자를 기준으로 허용 복사열량별 작업 가능 시간을 제시하고 있다. 예를 들어, 복사열량이 4.71 kW/m2 수준에서는 2~3분 정도 작업이 가능하나, 9.46 kW/m2 수준에서는 수 초 이상 견디기 어렵다고 명시하고 있다. 또한 6.31 kW/m2 이하에서는 30초간의 긴급 작업이 가능하나, 이보다 높은 복사열에서는 방사 차폐막이나 내열 보호복 착용이 필수적이다.
Table 1
Recommended Design Thermal Radiation for Personnel [API 521]
| Permissible Design Level | Conditions |
|---|---|
| 9.46 (kW/m2) |
Maximum radiant heat intensity at any location where urgent emergency action by personnel is required. When personnel enter or work in an area with the potential for radiant heat intensity greater than 6.31 kW/m2 (2,000 Btu/hꞏft2), radiation shielding and/or special protective apparel (e.g. a fire approach suit) should be considered Safety Precaution—It is important to recognize that personnel with appropriate clothinga cannot tolerate thermal radiation at 9.46 kW/m2 (3,000 Btu/hꞏft2) for more than a few seconds |
| 6.31 (kW/m2) | Maximum radiant heat intensity in areas where emergency actions lasting up to 30 s can be required by personnel without shielding but with appropriate clothinga |
| 4.71 (kW/m2) | Maximum radiant heat intensity in areas where emergency actions lasting 2 min to 3 min can be required by personnel without shielding but with appropriate clothinga |
| 1.58 (kW/m2) | Maximum radiant heat intensity at any location where personnel with appropriate clothing can be continuously exposed |
Table 2에서와 같이, 유럽표준 EN 1473 (2021)에서는 LNG 화재시 플랜트 내 주요 구조물과 설비의 최대 허용 복사열량을 규정하고 있다. 예를 들어, 인접 저장탱크의 금속 표면은 15 kW/m2, 콘크리트 외벽은 32 kW/m2, 제어실⋅정비동⋅창고⋅임시 건물 등은 8 kW/m2, 행정동은 5 kW/m2를 초과하지 않아야 한다. 이는 장시간 복사열 노출로 인한 구조적 손상과 기능 상실을 방지하기 위한 기준이다.
Table 2
Allowable Radiant Heat Flux, Excluding Solar Radiation inside the boundary [EN 1473]
이와 같은 국제 안전기준은 플랜트 화재 위험성 평가 및 방재 설계에서 중요한 참조 자료로 활용되며, 워터커튼과 같은 복사열 저감 설비의 설계 목표를 설정하는데 근거를 제공한다.
3. 워터커튼 복사열 저감성능 실증실험
3.1 실험장치
본 연구에서는 석유화학 플랜트에서 발생 가능한 화재 시나리오를 재현하고, 워터커튼의 복사열 저감 성능을 정량적으로 평가하기 위해 전용 화재 실험 장치를 구성하였다. 화원은 pool fire 형태로 구현하였으며, 이를 위해 화재실험용 팬(pan)을 제작⋅설치하였다. 팬의 크기는 1.1 m × 1.1 m이며, 연료로는 n-heptane을 사용하였다. 팬 하부에는 로드셀(load cell)을 설치하여 연소 중 연료의 초당 질량 감소량을 실시간 측정하였으며, 측정된 값은 SFPE Handbook (SFPE, 2016)에서 제공하는 n-heptane의 연소열(44.6 kJ/g)을 적용하여 열방출률(Heat Release Rate, HRR)산정에 사용되었다.
워터커튼은 팬의 가장자리로부터 일정 거리를 두고 설치하였으며, 예비실험을 통해 물 입자가 화염에 직접 도달하는 범위를 확인하여 화원-워터커튼 이격거리를 3 m 및 4 m로 설정하였다. 워터커튼의 설치 높이는 화염 높이와 복사열 측정 위치를 고려하여 3.1 m로 결정하였고, 분사각도 120°, 방수량 80 L/min의 성능을 가진 노즐을 사용하였다. 노즐 수가 1개인 경우와 2개인 경우로 구분하여 실험하였으며, 2개 노즐 설치 시에는 2 m 간격으로 배치하였다. 분사 압력은 1.5 kg/cm2와 3.0 kg/cm2로 구분하여 각각 실험하여 변수에 따른 성능 변화를 비교하였다.
복사열량 및 온도 측정은 워터커튼 후방 1 m 및 2 m 지점에 설치한 열류속계와 K-type 열전대를 이용하였다. 실험 장치의 사양은 Table 3에 제시하였고, Fig. 2에는 화재실험 개념도를 나타내었다.
3.2 실험조건 및 실험실시
본 연구에서는 워터커튼의 복사열 및 온도 저감 성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 화원-워터커튼 이격거리, 노즐 수, 분사 압력을 주요 실험 변수로 설정하였다. 실험은 총 8회 수행하였으며, 각 실험 조건은 Table 4에 정리하였다.
Table 4
Experimental Design for Fire Tests
화원은 화재실험용 팬에 n-heptane을 연료로 사용하여 pool fire 형태로 구현하였고, 예비실험을 통해 연료량을 조정하여 약 9분간 안정적으로 연소가 지속되도록 하였다. 각 실험에서 점화 후 4분 경과 시점에 워터커튼을 작동시켰으며, 작동 전⋅후의 복사열 및 온도 변화를 측정하였다.
워터커튼과 화원의 이격거리는 여러 번의 예비 실험을 통하여 확인하여 3 m와 4 m로 구분하였으며, 각 거리 조건에서 노즐 수(1개, 2개)와 분사 압력(1.5 kg/cm2, 3.0 kg/cm2)을 조합하여 실험을 수행하였다. 워터커튼 후방 1 m와 2 m 지점에 열류속계와 K-type 열전대를 설치하여 복사열 및 온도 데이터를 동시 측정하였으며, 측정 간격은 1초로 설정하였다. 측정 지점은 3 m 이격 조건의 경우 화원으로부터 4 m와 5 m 지점, 4 m 이격 조건의 경우 5 m와 6 m 지점이다. 각 측정 지점은 고유의 Measurement ID로 구분하여 데이터 분석에 활용하였다.
연소 과정에서 발생하는 열방출률은 팬 하부 로드셀로 측정한 연료의 초당 질량 감소량을 이용하여 계산하였다. 복사열량은 열류속계를 통해 측정된 값을 사용하였으며, 워터커튼 작동 전⋅후의 평균값 차이를 기반으로 복사열 저감율을 산정하였다. 온도는 열전대 데이터를 이용하여 시간-온도 곡선을 작성하고, 작동 전⋅후의 온도 변화 특성을 분석하였다.
각 실험은 외부 환경 요인에 의한 영향을 최소화하기 위하여 실내에서 수행하였다. 이를 통해 변수 변화에 따른 워터커튼 성능의 정량적 비교가 가능하도록 하였다.
4. 워터커튼 복사열 저감성능 실증실험 결과
4.1 실험영상
Fig. 3에 각 실험영상을 나타내었다. Test 1-1부터 Test 1-4 (Figs. 3(a)~3(d))까지는 화원-워터커튼 이격거리가 3 m이고, Test 2-1부터 Test 2-4 (Figs. 3(e)~3(h))까지는 4 m이다. 이격거리가 3 m인 실험에서는 각 실험별로 정도의 차이는 있지만 화염이 출렁이는 형태를 보여주고 있는데, 이는 워터커튼 분사 시 물입자가 화염에 접촉하여 증발하면서 화염의 크기를 더 크게 만들고, 연소를 촉진하기 때문인 것으로 판단된다. 반면 이격거리가 4 m인 실험에서는 화염이 일관성 있게 상부를 향하여 타오르는 모습을 보여주고 있다.
4.2 열방출률
Fig. 4에 실험시 측정한 열방출률을 나타내었다. 연료 소비 속도는 시간 경과에 따른 질량 감소량(Δm/Δt)으로 계산하였으며, 이를 이용해 각 실험 조건별 HRR 변화를 분석하였다.
분석 결과, 화원-워터커튼 이격거리 3 m 조건(Fig. 4(a))과 4 m 조건(Fig. 4(b)) 모두에서 워터커튼 작동후의 HRR 저감효과는 나타나지 않았다. 이는 워터커튼이 화염의 연소 반응 자체를 직접 억제하는 장치라기보다는, 복사열 전파를 저감하는 역할이 주 기능임을 시사한다.
다만, 3 m 조건에서는 워터커튼 작동시 형성된 물입자가 화염에 직접 접촉하여 증발하면서 화염의 크기를 더 크게 만들었던 모습(Fig. 3)과 유사하게, 워터커튼 작동후 HRR값이 증가하는 현상을 확인할 수 있으며, 이는 연소속도가 증가하였음을 나타낸다. 반면, 4 m 조건에서는 워터커튼 작동전⋅후의 HRR값이 비교적 안정적으로 유지되었다. 이러한 결과는 워터커튼 작동시 화염과의 간섭 여부가 연소 안정성 및 화염 거동에 영향을 줄 수 있음을 시사한다.
4.3 복사열량
복사열량(Heat Flux)은 워터커튼 후방 1 m 및 2 m 지점에 설치된 열류속계(포용각 180°)를 이용하여 전 구간에서 1초 간격으로 연속 측정하였다. 각 실험에서 워터커튼 작동 전⋅후의 평균 복사열량을 산정하고, 그 차이를 기반으로 복사열 저감율(%)을 계산하였다. 여기서 평균 복사열량은 실험 시작후 약 25초 경과시 데이터가 안정화되는 시작지점부터 노즐 작동전까지, 노즐 작동후 약 20초 경과시부터 연소가 완료되어 데이터가 하락하기 전까지를 각각 평균하여 계산하였다. 측정 결과는 Figs. 5, 6 및 Table 5에 나타내었다.
Table 5
Heat Flux and Reduction Rate at Each Measurement Location Before and After Water Curtain Activation
4.3.1 이격거리 3 m 조건(Test 1-1~1-4; Fig. 5)
Figs. 5(a)와 5(b)에는 화원으로부터 각각 4 m 및 5 m 지점에서의 복사열량 변화를 나타내었다. 워터커튼 작동 시점(240초, 빨간색 수직선) 이후 복사열량 변화 곡선은 전반적인 감소 추세는 보이지 않았으며, 단기적인 감소 이후 작동전 수준으로 복귀하거나 오히려 증가하는 현상이 관찰되었다. 이것은 분사된 물입자가 화염에 직접 접촉하여 증발, 팽창 및 화염 표면적 확대 원인으로 열방출률이 일시적으로 증가한 결과로 해석된다.
정량적으로 분석한 평균 저감율은 0~5%에 불과하였고, 일부 조건에서는 -5.1%, -11.4%와 같이 음의 값을 나타내 복사열량 증가 현상이 확인되었다. 특히 압력이 낮고 노즐이 1개인 조건(Test 1-1)에서는 저감 효과가 거의 나타나지 않았다.
4.3.2 이격거리 4 m 조건(Test 2-1~2-4; Fig. 6)
Figs. 6(a)와 6(b)에는 각각 화원으로부터 5 m 및 6 m 지점의 측정 결과를 나타내었다. 워터커튼 작동 직후 모든 실험에서 복사열량이 급격히 감소하는 경향을 나타내었으며, 이후 작동전 대비 낮은 수준에서 안정적으로 유지되었다. 노즐 수 및 분사 압력이 증가할수록 감소 폭과 안정성이 향상되었다. 정량적으로, 복사열 저감율은 최저 4.4% (Test 2-1, 6 m 지점)에서 최고 52.2% (Test 2-4, 6 m 지점)이었다. 특히 Test 2-4 (노즐 2개, 3.0 kg/cm2)에서는 5 m 지점에서 3.0 kW/m2에서 1.5 kW/m2 (49.1%), 6 m 지점에서 2.3 kW/m2에서 1.1 kW/m2 (52.2%)로 감소하였으며, 이는 API 521에서 규정한 가장 낮은 연속 노출 허용치(1.58 kW/m2)를 만족하는 수준이었다.
4.4 온도
온도 변화는 워터커튼 후방 1 m 및 2 m 지점에 설치한 K-type 열전대를 이용하여 1초 간격으로 연속 측정하였다. 각 실험에서 워터커튼 작동 전⋅후의 시간-온도 곡선을 비교하여 온도 변화 특성과 저감 효과를 분석하였다. 측정 결과는 Figs. 7, 8에 제시하였다. 빨간색 수직선은 워터커튼 작동 시점(240초)을 표시한다.
4.4.1 이격거리 3 m 조건(Test 1-1~1-4; Fig. 7)
Figs. 7(a)와 7(b)에는 각각 4 m 및 5 m 지점에서의 온도 변화를 나타내었다. 작동 전에는 시간이 지남에 따라 온도가 지속적으로 상승하였다. 워터커튼 작동 직후에는 5~10 ℃의 일시적인 온도 하강이 발생하였으나, 대부분의 경우 수십 초 이내에 다시 상승하였다. 특히 일부 조건에서는 작동 전보다 높은 온도가 나타났다. 이러한 현상은 복사열량 측정 결과와 동일하게, 워터커튼 물입자가 화염에 직접 접촉하여 연소속도가 증가하며 열방출이 일시적으로 커진 영향으로 해석된다. 정량적으로, 3 m 조건에서 온도 저감 효과는 제한적이었다.
4.4.2 이격거리 4 m 조건(Test 2-1~2-4; Fig. 8)
Figs. 8(a)와 8(b)에는 5 m 및 6 m 지점에서의 측정 결과를 나타내었다. 워터커튼 작동 후 온도가 급격히 감소하는 경향이 뚜렷하게 나타났으며, 이후 낮은 수준으로 유지되거나 추가적으로 감소하였다. 감소 폭은 조건에 따라 15~50 ℃로 나타났으며, 노즐 수와 분사 압력이 높을수록 큰 것으로 확인되었다. 특히 Test 2-4 (거리 4 m, 노즐 2개, 분사 압력 3.0 kg/cm2)에서는 최대 약 40~50 ℃의 온도 감소가 나타났다.
4.4.3 소결
Figs. 7~8의 분석 결과, 워터커튼의 온도 저감 특성은 복사열 저감 경향과 밀접히 연관되어 있었다. 효과적인 온도 억제를 위해서는 화염과의 직접 간섭을 피할 수 있는 충분한 이격거리 확보, 넓은 수막 형성, 높은 분사 압력이 필수적인 것으로 판단된다. 다만, Figs. 7(b)와 8(a)의 경우 같은 측정거리(5 m)에서 평균 복사열량은 유사하지만 온도차이가 발생하는데, 이는 온도측정의 경우 복사와 대류효과를 동시에 받기 때문인 것으로 판단된다.
4.5 고찰
본 연구의 실험 결과, 워터커튼은 화재 상황에서 복사열 및 온도 저감에 효과적인 방재 수단임이 확인되었으나, 그 효과는 설치 조건에 따라 차이를 나타내었다. 특히, 화원-워터커튼 이격거리, 노즐 수, 그리고 분사 압력은 복사열 및 온도 저감 성능을 결정하는 핵심 변수로 분석되었다. 따라서, 석유화학 플랜트와 같이 대형 화재 발생 시 복사열 피해 위험이 큰 환경에서는, 워터커튼 설치 시 단순히 장비를 배치하는 것에 그치지 않고, 이격거리, 노즐 배치, 분사 압력에 대한 설계 최적화가 필수적인 것으로 판단된다. 또한, 화재 규모, 연료 특성, 주변 기류 조건 등을 종합적으로 고려한 시뮬레이션 및 현장 실증 병행시 설비 완성도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
API 521 인명 보호 기준에서 제시하는 연속 노출 허용 복사열(1.58 kW/m2 이하)은 Test 2-4에서만 충족되었고, 다른 실험에서는 모두 단기 작업 허용 기준(4.71 kW/m2)을 만족하였다. EN 1473 설비 보호 기준(5~15 kW/m2)에 대해서는 모든 실험에서 충분히 만족하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 석유화학 플랜트에서 발생할 수 있는 화재 상황을 가정하여, 워터커튼 시스템의 복사열 및 온도 저감 성능을 실증적으로 분석하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
첫째, 워터커튼과 화원의 이격거리 3 m 조건에서는 오히려 복사열이 증가하거나 저감율이 제한적이었으나, 4 m 조건에서는 물입자가 화염에 직접 닿지 않아 복사열 저감 효과가 크게 향상되었다. 노즐 수가 2개일 때는 1개일 때와 비교하여 수막의 폭과 밀도가 증가하여 복사열 및 온도 저감 효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 분사압력은 고압 분사(3.0 kg/cm2) 조건이 저압 분사(1.5 kg/cm2)에 비해 수막의 밀도를 높여 복사열 및 온도 저감율을 크게 향상시켰다. 종합하면, 복사열 및 온도 저감 성능은 이격거리, 노즐 수, 분사 압력의 조합에 크게 좌우되었으며, 특히, 화염과 직접 접촉하지 않는 거리에서 충분한 수막 밀도를 형성하는 것이 성능 향상을 위한 중요한 설치조건인 것으로 판단되었다.
둘째, 워터커튼은 적절한 설치조건에서 화재 시 복사열을 효과적으로 저감할 수 있었다. 특히 화원과의 거리가 4 m, 노즐 2개, 분사 압력 3.0 kg/cm2 조건(Test 2-4)에서 최대 약 50% 이상의 복사열 감소가 나타났으며, 측정값은 1.1~1.5 kW/m2로 낮아져 API 521에서 제시하는 인명 연속 노출 허용치(1.58 kW/m2)를 충족하였다. 반면, 이격거리가 3 m인 경우에는 물입자가 화염에 직접 접촉하여 연소속도가 증가하는 경우가 있어 평균 저감율이 0~5% 수준에 그쳤으며, 장기 작업 허용 기준을 충족하지 못하였다.
셋째, 이격거리가 4 m인 경우에는 복사열 저감 경향과 유사하게, 워터커튼 작동 직후부터 급격한 온도 하강이 나타났으며, 이후 낮은 수준이 지속되었다. 이격거리가 3 m인 경우에는 일시적 온도 하강 후 다시 상승하는 패턴이 나타나, 설치 거리가 성능에 중요한 영향을 미침을 확인하였다.
넷째, Test 2-4에서는 복사열량 국제기준(API 521, EN 1473)의 연속 노출 허용 및 설비 보호 기준을 모두 만족하였으며, 그 외 다른 실험에서는 단기 작업 허용 및 설비 보호 기준을 모두 만족하였다. 이와 같이 워터커튼 시스템은 실제 플랜트 화재시 대피 시간 확보, 인접 설비의 2차 피해 방지, 인명 안전 확보를 할 수 있을 것으로 판단된다.
다만, 워터커튼 시스템의 완성도 있는 설계조건을 확인하기 위해서는 향후 연구에서 다양한 화재 규모, 연료 특성, 주변 기류 조건 등을 종합적으로 고려한 시뮬레이션 및 현장 실증 병행이 필요할 것으로 판단된다.
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