Fire Sci. Eng. Search

CLOSE


Fire Sci. Eng. > Volume 38(2); 2024 > Article
위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막의 복사열 차단 효과 평가

요 약

본 연구에서는 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막의 복사열 차단 효과에 대한 전산해석을 수행하였다. 전산해석을 위해 fire dynamics simulator (FDS)를 이용하였고, 실규모 위험물 저장탱크 화재에 대한 기존 실험 연구를 바탕으로 FDS의 열유속 예측 정확도를 확인하였다. 이후 실규모 위험물 저장탱크에 미분무 수막 설비를 설치하여, 화원 조건과 미분무 수막 특성에 따른 열유속과 미분무 수막의 복사열 차단율을 검토하였다. 전산해석 결과, 화원이 탱크 및 방유제이고, 노즐의 분사각이 크고 액적 크기가 작은 경우가 미분무 수막에 의해 열유속이 낮아지고 복사열 차단율이 증가하는 것으로 나타났다. 인접 탱크 부근(노즐이 설치된 위치에서 지면으로부터 2∼14 m 높이 구간)에서 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은, 화원이 탱크 및 방유제인 경우와 탱크인 경우 각각 62.5∼72.4%와 33.5∼67.4%, 분사각이 180°와 90°인 경우 각각 62.5∼72.4%와 54.4∼65.3%, 액적 크기가 400 μm와 200 μm인 경우 각각 62.5∼72.4%와 71.2∼83.0%로 측정되었다. 본 연구를 통해 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막이 인접 탱크로의 복사열을 효과적으로 차단할 수 있음을 확인하였다.

ABSTRACT

In this study, the thermal radiation blocking effect of a water mist curtain in a full-scale hazardous material storage tank fire was numerically simulated. A fire dynamics simulator (FDS) was used for the numerical simulation, and the accuracy of the heat flux prediction of the FDS was verified using an earlier experimental study on a full-scale hazardous material storage tank fire. Subsequently, a water mist curtain system was installed in a full-scale hazardous material storage tank, and the effects of fire source conditions and water mist curtain characteristics on the heat flux and thermal radiation blocking rate of the water mist curtain were examined. The results of the numerical simulation showed that the water mist curtain decreased the heat flux and increased the thermal radiation blocking rate when the fire source was a tank and dike and when the nozzle had a large spray angle and a small droplet size. Near the adjacent protected tank (in the height of 2∼14 m from the ground at the nozzle installation position), the thermal radiation blocking rate of the water mist curtain was measured to be 62.5∼72.4% and 33.5∼67.4% for the tank and dike fire and the tank fire, respectively, 62.5∼72.4% and 54.4∼65.3% for the spray angles of 180° and 90°, respectively, and 62.5∼72.4% and 71.2∼83.0% for the droplet sizes of 400 and 200 μm, respectively. This study confirmed that the water mist curtain could effectively block the thermal radiation from the fire tank to the adjacent tanks during a full-scale hazardous material storage tank fire.

1. 서 론

미분무는 헤드에서 방사되는 물입자 중 누적 체적 분포의 99%가 400 μm 이하인 것(1)을 의미한다. 이와 같이 작은 물 액적을 이용하는 미분무소화설비는 친환경적이고 다양한 화재 유형에 적용 가능하고(2), 다른 수계소화설비에 비해 물 소모량이 적어 수손 피해가 적다는 장점이 있다(3). 미분무 수막을 화원과 방호 대상물 사이에 형성시키면 미분무 액적의 흡수 및 산란 효과로 인해 복사열을 차단(4)할 수 있고 이를 통해 화재 확산을 억제할 수 있다. 이러한 미분무 수막의 복사열 차단 효과에 대해 선박(5), 위험물 탱크(6,7) 등에 적용을 대상으로 연구가 수행된 바 있다. 한편, 미분무 수막을 형성하기 위한 중요 요소 중 하나는 노즐(nozzle)로, 기존에 다양한 노즐을 이용한 미분무 수막의 복사열 차단 효과에 대한 연구가 수행된 바 있다.
Dembele 등(4)은 2가지 중실원추형 노즐을 이용하여 미분무 수막의 복사열 차단에 대한 실험적 연구를 수행하였고, 더 작은 액적 크기를 생성하는 노즐의 복사열 차단 성능이 더 우수한 것으로 나타났다. Murrell 등(8)은 3가지 중실원추형 노즐과 1가지 중공원추형 노즐을 이용하여 물 공급 압력이 1∼8 bar 조건에서 미분무 수막의 복사열 차단 성능에 대한 실험을 수행하였다. 최적의 복사열 차단 성능은 중공원추형 노즐에서, 최대 복사열 차단 성능은 중실원추형 노즐에서 나타났다. 중공원추형 노즐의 경우 중실원추형 노즐 물 공급 유량의 1/2인 유량으로 중실원추형 노즐의 복사열 차단 성능과 유사한 성능을 확보할 수 있었다. Cheung(9)은 프로판올 풀화재(propanol pool fire)에 대해 오리피스(orifice) 직경이 다른 드렌처 노즐(drencher nozzle)을 이용하여 물 공급 압력 및 유량, 그리고 화재 크기에 따른 미분무 수막의 복사열 차단에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과, 물 공급 유량, 물 공급 압력, 화재 크기가 증가하고 오리피스 직경이 감소함에 따라 복사열 차단율이 증가하였다. Chow 등(10)은 열방출률 165 kW의 프로판올 풀화재에 대해 3가지 드렌처 노즐을 이용하여 미분무 수막을 형성시켜 복사열 차단 성능에 대한 실험을 수행하였다. 미분무 수막에 의해 복사열이 효과적으로 차단되는 것을 확인하였고, 3가지 노즐의 복사열 차단율은 전체적으로 68.1∼75.6%인 것으로 나타났다. Balner와 Barcova(11)는 오리피스 직경이 다른 5개의 노즐을 이용하여 미분무 수막의 복사열 차단에 대한 실험을 수행하였다. 오리피스 직경이 큰 노즐이 더 높은 복사열 차단율을 나타냈는데, 이러한 현상이 나타난 이유를 오리피스 직경이 큰 노즐이 더 큰 액적을 생성하지만 더 넓은 분무폭을 형성하기 때문이라고 보고하였다. Voytkov 등(12)은 할로겐(halogen) 광원을 이용하여 미분무 수막에 의한 복사열 차단 성능을 측정하였다. 액적 크기, 액적 속도, 분무폭의 측정 결과를 토대로 복사열 차단 경로 상에서의 액적의 총 표면적을 도출하였고 총 표면적이 증가함에 따라 복사열 차단 성능이 증가하는 경향을 확인하였다.
일부 연구에서는 미분무 수막 내 위치에 따른 분사 특성과 복사열 차단 성능을 검토한 바 있다. Kang과 Lee(13)는 와류분사노즐을 이용하여 노즐 출구로부터의 수직 거리가 200∼900 mm인 구간에 대해 미분무 수막의 액적 크기, 액적 속도, 분무폭 등의 분사 특성과 복사열 차단 성능을 측정하였다. 실험 결과, 미분무 수막의 분무폭이 가장 넓은 위치에서 복사열 차단율이 가장 높았고, 분무폭이 복사열 차단 성능에 지대한 영향을 미치는 인자라고 설명하였다. Zhou 등(14)은 부채꼴 노즐(flat fan nozzle)을 이용하여 노즐 출구로부터의 수직 거리가 200∼2000 mm인 구간에서 미분무 수막의 액적 크기, 액적 속도, 분무폭 등의 분사 특성과 복사열 차단 성능을 측정하였다. 수직 거리에 따른 3가지 구간에서의 복사열 차단 성능 변화를 분사 특성 변화를 토대로 설명하였다.
앞서 언급한 바와 같이 기존 연구에서 다양한 노즐을 이용하여 미분무 수막 특성에 따른 복사열 차단 효과에 대한 다양한 연구가 수행되었다. 하지만 실규모 방호 대상물에 실제 미분무 수막 설비를 설치하여 미분무 수막에 의한 복사열 차단 효과를 평가한 연구는 수행된 바가 없었다. 실제 적용 측면을 고려할 때 실규모 화재를 대상으로 미분무 수막 설비의 복사열 차단 효과를 검토하는 것은 매우 의미있는 정보를 제공할 수 있다고 판단된다.
본 연구에서는 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막의 복사열 차단 효과를 전산해석을 통해 평가하였다. 전산해석을 위해 fire dynamics simulator (FDS)를 이용하였고 실규모 위험물 저장탱크 화재에 대한 기존 실험 연구(15)를 바탕으로 FDS의 열유속 예측 정확도를 확인하였다. 이후 실규모 위험물 저장탱크에 미분무 수막 설비를 설치하여, 화원 조건과 미분무 수막의 분사각 및 액적 크기에 따른 열유속과 미분무 수막의 복사열 차단율을 검토하였다. 본 연구 결과는 미분무 수막 화재 방호 설비의 설계 및 적용에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 전산해석 방법 및 조건

2.1 방법

본 연구에서는 전산해석 방법의 신뢰성 확인을 위한 전산해석과 미분무 수막의 복사열 차단 효과 검토를 위한 전산해석을 구축하여 수행하였다. 전산해석을 위해 FDS (ver. 6.8.0)가 활용되었다. Figure 1에 전산해석 방법의 신뢰성 확인을 위한 전산해석 형상의 개략도를 나타내었다. Yamaguchi와 Wakasa(15)가 수행한 실험 연구를 기반으로 직경 30 m의 등유(kerosene) 풀화재(pool fire)를 대상으로 하였다. 기존 실험 연구(15)에서 화재 발생 탱크 벽면으로부터 거리에 따라 4지점에서 열유속을 측정하였고, 해당 위치를 Figure 1에 나타내었다. 본 전산해석에서는 기존 실험 결과(15)와의 비교를 위해 화재 발생 탱크 벽면으로부터의 거리가 15∼105 m 구간이고, 지면으로부터의 높이가 1 m인 위치에서 열유속을 측정하였다.
Figure 1
Schematic of present numerical simulation to validate thermal radiation heat flux prediction of FDS.
kifse-38-2-36-g001.jpg
Table 1에 전산해석 방법의 신뢰성 확인을 위한 전산해석의 계산 시간과 공간, 격자 크기와 개수, 연료의 물성치(16,17)와 관련된 정보들을 나타내었다. 본 전산해석 방법의 신뢰성 확인을 위해 격자 크기(δx)가 5, 2, 1, 0.5 m 조건에서 선행 계산을 수행하였다. 격자 크기 설정을 위해 plume resolution index (D*x)의 4∼16 범위(18)와 격자 크기에 따른 열유속 변화 경향(3.1 기존 실험 결과(15)와의 비교 결과 참조)을 고려하였다. 여기서, D* 는 특성 화재 직경으로, 식(1)(18)을 통해 계산되었다.
Table 1
Present Numerical Simulation Condition to Validate Thermal Radiation Heat Flux Prediction of FDS
Parameter Value
Simulation Time (s) 40 s
Computational Domain Size (m) 180 m (x) × 90 m (y) × 90 m (z)
Cell Size (m) 5 2 1 0.5
Number of Cell 11,664 182,250 1,458,000 11,664,000
Plume Resolution Index 3.95 9.88 19.8 39.5
Fuel Kerosene
Heat of Combustion (kJ/kg) 43,200(16)
Mass Burning Rate Per Unit Area (kg/m2ㆍs) 0.065(16)
Heat Release Rate (kW) 1,960,000
Radiative Fraction 0.082(17)
Soot Yield 0.042(16)
CO Yield 0.012(16)
(1)
D*=(Q˙ρcpTg)25
여기서 은 화원의 열방출률(kW), ρ 는 대기의 밀도(kg/m3), cP 는 비열(kJ/kg⋅K), T 는 대기 온도(K), g는 중력가속도를 나타낸다. 격자 크기가 5, 2, 1, 0.5 m인 경우에 대한 plume resolution index는 각각 3.95, 9.88, 19.8, 39.5로 계산되었다. 연료는 기존 실험 연구(15)를 토대로 등유를 설정하였다. 화원의 열방출률은 1,960,000 kW로 설정하였는데 이는 등유의 연소열(16), 단위 면적당 질량 연소율(16), 화원 면적으로부터 계산하여 도출하였다. 단위 면적당 질량 연소율의 경우 직경 30∼80 m 등유 풀화재의 값인 0.065 kg/m2⋅s(16)를 적용하였다.
Figure 2에 미분무 수막의 복사열 차단 효과 검토를 위한 전산해석 형상의 개략도를 나타내었다. 전산해석의 격자 크기는 0.5 m로 설정(3.1 기존 실험 결과(15)와의 비교 결과 참조)하였고, 전산해석 시간은 75 s로 설정하였다. 계산 공간 및 연료의 물성치는 Table 1에 나타낸 바와 같다. 미분무 수막의 복사열 차단 효과 검토를 위한 전산해석 형상은 다음과 같은 내용을 토대로 구축하였다: 직경 30 m, 높이 15 m의 위험물 저장 탱크 2기를 대상으로 하였다. 2기의 저장탱크 간의 거리는 석유화학공장 배치 및 이격거리 기준(19)에 따라 최소기준인 탱크 직경(30 m)으로 설정하였다. 위험물안전관리법 시행규칙 및 한국안전보건공단 상압 저장 탱크 설계 기술 지침(20)을 토대로 2기의 저장탱크 주변에 가로 56 m, 세로 56 m, 높이 2 m의 방유제를 설정하였다. 미분무 수막 노즐은 화재 발생 탱크와 인접한 방호 대상 탱크의 원주의 1/4 범위에 지면으로부터의 높이 15 m, 탱크 벽면으로부터의 거리 1 m인 지점에 9개가 등간격으로 설치되도록 설정하였다. 미분무 수막의 복사열 차단 효과 측정을 위해 지면으로부터 14 m 높이(즉, 노즐 설치 위치 1 m 아래)에서 방유제 가장자리로부터 거리 14∼29 m 구간에 1 m 간격으로, 방호 대상 탱크에서 1 m 떨어진 지점에서 지면으로부터의 높이 2∼14 m 구간에 2 m 간격으로 화원으로부터의 열유속을 측정할 수 있도록 설정하였다.
Figure 2
Schematic of present numerical simulation to examine thermal radiation blocking of water mist curtain.
kifse-38-2-36-g002.jpg
미분무 수막 노즐의 공급 유량은 다음과 같은 내용을 토대로 설정하였다. 기존 자료(21)에 따르면 저장탱크 화재 시 인접 탱크 원주의 1/4∼1/2 범위가 화재에 노출된다고 가정하고 탱크 벽면 상부 3.7∼7.4 m 범위에 냉각을 위해 물을 분사해야 하며, 이 경우 방호 면적에 대해 최소 4.1 L/min⋅m2의 유량을 확보해야 한다고 되어 있다. 이러한 내용을 토대로 본 연구에서는 화재 발생 탱크와 인접한 직경 30 m의 방호 대상 탱크(Figure 2의 protected tank) 원주의 1/4 범위에 탱크 벽면 상부로부터 3.7 m 높이 구간을 방호할 때 확보해야 하는 물 공급 유량인 약 360 L/min을 전체 공급 유량으로 설정하였다. 노즐 하나의 유량을 40 L/min으로 가정하여 Figure 2에 나타낸 바와 같이 9개의 노즐을 인접 방호 대상 탱크 원주의 1/4 범위 구간에 설정하였다. 도출한 물 공급 유량과 NFPC 104A(1)에 따른 저압 미분무소화설비의 최대 물 공급 압력 기준인 1.2 MPa을 가정하여 액적 속도를 도출하였고, 이를 전산해석에 활용하였다.

2.2 조건 및 데이터 처리 방법

미분무 수막의 복사열 차단 효과 검토를 위해 수행한 전산해석 조건을 Table 2에 정리하였다. Case01과 Case02는 각각 탱크에서 화재가 발생한 경우와 탱크 및 방유제 모두에서 화재가 발생한 경우로, 미분무 수막 설비는 미작동된 조건이다. 탱크에서 화재가 발생한 경우와 탱크 및 방유제에서 화재가 발생한 경우의 화원 면적은 각각 707 m2과 3,136 m2, 열방출률은 각각 1,960,000 kW와 8,700,000 kW이다. 한편, Case03∼Case06은 모두 미분무 수막 설비가 작동된 조건이다. 화원 조건이 미분무 수막의 복사열 차단 효과에 미치는 영향을 파악하기 위해 Case03과 Case04에 대한 전산해석 결과를 비교하였다. Case03은 화원을 탱크로 설정하였고 Case04는 화원을 탱크 및 방유제로 설정하였다. Case03과 Case04에서 미분무 노즐의 분사 조건은 물 공급 유량 40 L/min, 분사각 180°, 액적 크기(Dv0.99) 400 μm로 동일하게 설정하였다. 액적 크기의 경우 NFPC 104A(1)의 미분무 정의를 토대로 400 μm로 가정하였고, 이를 Dv0.5로 환산(22)하면 153 μm가 된다. 한편, 미분무 노즐의 분사각에 따른 미분무 수막의 복사열 차단 효과를 검토하기 위해 Case04와 Case05에 대한 전산해석 결과를 비교하였다. Case05는 분사각을 90°로 설정한 것을 제외하고, 그 이외의 조건은 Case04와 동일하다. 마지막으로 미분무 수막의 액적 크기가 복사열 차단에 미치는 영향을 평가하기 위해 Case04와 Case06에 대한 전산해석 결과를 비교하였다. Case04의 액적 크기는 400 μm, Case06의 액적 크기는 200 μm (Dv0.5로 환산(22)하면 77 μm)이고 그 이외의 조건은 모두 동일하게 설정하였다.
Table 2
Numerical Simulation Condition to Examine Thermal Radiation Blocking of Water Mist Curtain
Case Fire Source Fire Source Area (m2) Heat Release Rate (kW) Water Mist Curtain Water Flow Rate (L/min) Spray Angle (°) Droplet Size (μm)
Dv0.99 Dv0.5
Case01 Tank 707 1,960,000 Non-discharge - - - -
Case02 Tank and Dike 3,136 8,700,000 Non-discharge - - - -
Case03 Tank 707 1,960,000 Discharge 40 180 400 153
Case04 Tank and Dike 3,136 8,700,000 Discharge 40 180 400 153
Case05 Tank and Dike 3,136 8,700,000 Discharge 40 90 400 153
Case06 Tank and Dike 3,136 8,700,000 Discharge 40 180 200 77
한편, 복사열 차단율(ξ, %)은 식(2)(13)를 이용하여 계산하였다.
(2)
ξ=(U0U)/U0×100
여기서, U0 는 미분무 수막 설비가 미작동된 조건(Case01와 Case02)에서의 평균 열유속을 나타내고, U는 미분무 수막 설비가 작동된 조건(Case03∼Case06)에서의 평균 열유속을 나타낸다. 평균 열유속의 경우 시간에 따른 열유속 변화가 정상상태(steady-state)에 도달한 이후의 값을 이용하여 도출하였다.

3. 전산해석 결과

3.1 기존 실험 결과(15)와의 비교

본 전산해석 방법의 신뢰성 확인을 위해 Figure 3Figure 1에 대한 격자 크기에 따른 본 전산해석 결과와 기존 실험 결과(15)를 함께 나타내었다. 본 전산해석 및 기존 실험 결과(15)에서 화원으로부터 거리가 멀어짐에 따라 측정된 열유속은 감소하였다. 또한 본 전산해석에서 격자 크기가 감소함에 따라 열유속이 감소하는 경향이 나타났으나, 화재 탱크 가장자리에서 멀리 떨어진 위치 구간에서부터 격자 크기 감소에 따른 열유속 예측 결과가 일정한 값으로 수렴하는 경향이 관찰되었다.
Figure 3
Comparison of heat flux with distance from fire tank edge between present numerical simulation and previous study.
kifse-38-2-36-g003.jpg
4종류의 격자 크기에 따른 전산해석 결과, 격자 크기가 0.5 m인 경우가 기존 실험 결과(15)와 열유속이 가장 유사한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 격자 크기를 0.5 m로 설정하여 모든 전산해석을 수행하였다.

3.2 화원 영향: Case03과 Case04

Figure 4에 화원이 탱크인 경우와 탱크 및 방유제인 경우에 대해, 지면으로부터 높이가 14 m와 8 m에서 화재 탱크 가장자리로부터 거리에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화를 나타내었다. 거리에 따른 측정 결과(수평 방향 측정 결과)는 미분무 수막이 복사열 감쇠 효과에 영향을 미치는 범위를 평가하는데 유용한 정보를 제공한다.
Figure 4
Effect of fire source on thermal radiation blocking of water mist curtain with distance from fire tank edge.
kifse-38-2-36-g004.jpg
Figures 4(a)4(b)에 나타낸 바와 같이 전체적으로 화원이 탱크 및 방유제인 경우(Case02와 Case04)가 탱크인 경우(Case01과 Case03)에 비해 열유속이 높은 것으로 측정되었다. 각 화원 조건에서 미분무 수막 설비가 작동된 경우(Case03과 Case04), 노즐이 설치된 위치 부근에서 열유속이 급격하게 감소하는 경향이 관찰되었다. 미분무 수막에 의한 복사열 차단율의 경우, Figures 4(c)4(d)에 나타낸 바와 같이 노즐이 설치된 위치 부근에서 급격하게 증가하는 경향이 관찰되었다. 화원이 탱크 및 방유제인 경우(Case04)가 탱크인 경우(Case03)에 비해 미분무 수막에 의한 복사열 차단율이 큰 것으로 나타났다. 화원이 탱크인 경우와 탱크 및 방유제인 경우, 미분무 수막에 의한 최대 복사열 차단율은 측정 높이가 14 m인 경우 각각 61.8%와 71.2%이고, 측정 높이가 8 m인 경우 각각 49.3%와 62.5%로 나타났다. 한편, 측정 높이가 14 m인 경우에 비해 8 m인 경우에서 인접 탱크로부터 더 먼 지점에서 급격한 열유속 감소 및 급격한 복사열 차단율 증가가 나타났는데 이는 측정 높이가 14 m인 경우에 비해 8 m인 경우에서 미분무 수막의 폭이 넓기 때문으로 판단된다. 기존 연구(23)에서 미분무 수막이 공간적으로 넓게 분포할 경우 미분무 수막의 복사열 차단 효과가 증대됨을 보고하였다.
Figure 5에 노즐이 설치된 위치(화재 탱크 가장자리로부터 29 m 떨어진 위치)에서, 지면으로부터 높이에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화 측정 결과를 나타내었다. Figure 4와 유사하게 화원이 탱크 및 방유제인 경우가 탱크인 경우에 비해 열유속(Figure 5(a))과 미분무 수막에 의한 복사열 감쇠율(Figure 5(b))이 큰 것으로 나타났다. 지면으로부터 2∼14 m 높이 구간에서 화원이 탱크 및 방유제인 경우, 미분무 수막 설비가 미작동된 경우의 열유속은 15.1∼22.9 kW/m2, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 4.16∼8.09 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 62.5∼72.4%로 측정되었다. 화원이 탱크인 경우, 미분무 수막 설비가 미작동된 경우의 열유속은 1.87∼4.41 kW/m2, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 1.15∼1.69 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 33.5∼67.4%로 나타났다.
Figure 5
Effect of fire source on thermal radiation blocking of water mist curtain with height from ground.
kifse-38-2-36-g005.jpg

3.3 분사각 영향: Case04와 Case05

Figure 6에 화원이 탱크 및 방유제인 조건에서 분사각이 180°와 90°인 경우에 대해, 지면으로부터 높이가 14 m와 8 m에서 화재 탱크 가장자리로부터 거리에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화를 나타내었다.
Figure 6
Effect of spray angle on thermal radiation blocking of water mist curtain with distance from fire tank edge.
kifse-38-2-36-g006.jpg
Figures 6(a)6(b)에 나타낸 바와 같이 노즐의 분사각이 큰 경우(Case04)가 작은 경우(Case05)에 비해 노즐 설치 위치 부근에서 열유속이 더 많이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 미분무 수막 설비가 작동하는 경우, 측정 높이가 14 m인 위치에서, 분사각이 큰 경우가 작은 경우에 비해 인접 탱크로부터 더 먼 지점에서 열유속이 급격하게 감소하기 시작하였다. 이는 분사각이 180°인 경우가 90°인 경우에 비해 넓은 영역에 미분무 수막이 형성되기 때문으로 생각된다.
Figures 6(c)6(d)에 나타낸 바와 같이 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 노즐이 설치된 위치 부근에서 급격하게 증가하였고, 분사각이 큰 경우가 작은 경우에 비해 미분무 수막에 의한 복사열 차단율이 더 큰 것으로 측정되었다. 분사각이 180°와 90°인 경우의 미분무 수막에 의한 최대 복사열 차단율은 측정 높이가 14 m인 경우 각각 71.2%와 63.2%이고, 측정 높이가 8 m인 경우 각각 62.5%와 58.6%로 나타났다.
Figure 7에 노즐이 설치된 위치에서, 분사각이 180°와 90°인 경우에 대해 지면으로부터 높이에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화 측정 결과를 나타내었다. 분사각이 큰 경우가 작은 경우에 비해 복사열 차단율이 큰 것으로 측정되었다. 지면으로부터 2∼14 m 높이 구간에서 분사각이 180°인 경우, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 4.16∼8.09 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 62.5∼72.4%로 측정되었다. 분사각이 90°인 경우, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 5.90∼9.28 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 54.4∼65.3%로 나타났다.
Figure 7
Effect of spray angle on thermal radiation blocking of water mist curtain with height from ground.
kifse-38-2-36-g007.jpg

3.4 액적 크기 영향: Case04와 Case06

Figure 8에 화원이 탱크 및 방유제인 조건에서 액적 크기(Dv0.99)가 400 μm와 200 μm인 경우에 대해, 지면으로부터 높이가 14 m와 8 m에서 화재 탱크 가장자리로부터 거리에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화를 나타내었다.
Figure 8
Effect of droplet size on thermal radiation blocking of water mist curtain with distance from fire tank edge.
kifse-38-2-36-g008.jpg
Figures 8(a)8(b)에 나타낸 바와 같이 액적 크기가 작은 경우(Case06)가 큰 경우(Case04)에 비해 노즐 설치 위치 부근에서의 열유속이 더 낮은 것으로 나타났다. 이에 따라 Figures 8(c)8(d)에 나타낸 바와 같이 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 노즐이 설치된 위치 부근에서 급격하게 증가하였고, 액적 크기가 작은 경우가 큰 경우에 비해 미분무 수막에 의한 복사열 차단율이 더 큰 것으로 측정되었다. 액적 크기가 400 μm와 200 μm인 경우의 미분무 수막에 의한 최대 복사열 차단율은 측정 높이가 14 m인 경우 각각 71.2%와 79.7%, 측정 높이가 8 m인 경우 각각 62.5%와 76.0%로 측정되었다. Figure 8에 나타낸 바와 같이 액적 크기가 작은 경우가 큰 경우에 비해 미분무 수막에 의한 복사열 차단 효과가 큰 것으로 나타났는데, 이는 동일한 유량 조건에서 액적 크기가 작아짐에 따라 액적 개수가 증가하고 액적의 전체 표면적도 증가하기 때문(24)으로 판단된다.
Figure 9에 노즐이 설치된 위치에서, 액적 크기가 400 μm와 200 μm인 경우에 대해 지면으로부터 높이에 따른 열유속 및 미분무 수막에 의한 복사열 차단율 변화 측정 결과를 나타내었다. 액적 크기가 작은 경우가 큰 경우에 비해 복사열 차단율이 큰 것으로 측정되었다. 지면으로부터 2∼14 m 높이 구간에서 액적 크기가 400 μm인 경우, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 4.16∼8.09 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 62.5∼72.4%이고, 액적 크기가 200 μm인 경우, 미분무 수막 설비가 작동된 경우의 열유속은 2.56∼6.20 kW/m2, 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은 71.2∼83.0%로 측정되었다.
Figure 9
Effect of droplet size on thermal radiation blocking of water mist curtain with height from ground.
kifse-38-2-36-g009.jpg
본 연구 결과를 토대로 볼 때, 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막을 이용하여 화원으로부터 방사되는 복사열을 효과적으로 차단할 수 있어서 인접 탱크로의 화재 확산을 방지할 가능성이 있음을 확인하였고, 본 연구 결과는 위험물 저장탱크의 화재 안전성 확보를 위한 미분무 수막 설비의 적용 및 설계 시 유용한 정보로 활용될 것으로 기대된다. 추후 더욱 다양한 화원 조건(크기, 열방출률 등)과 미분무 수막 조건(유량, 분사각, 액적 크기, 액적 속도, 노즐 배열 등)에 대한 연구가 추가적으로 수행될 필요가 있다고 판단된다. 또한 바람의 영향(방향, 세기 등)으로 인해 미분무 수막 분포가 변화할 수 있고 이로 인해 복사열 감쇠 효과가 변화할 수 있다. 실제 적용을 고려할 때 바람의 영향에 대한 연구가 수행될 필요가 있다고 판단되고, 이 경우, 바람이 없는 조건인 본 전산해석의 열유속 분포는 미분무 수막의 복사열 감쇠 효과에 대한 바람의 영향을 평가하기 위한 비교 데이터로 이용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한 방호 탱크 벽면에서의 열유속 및 온도 분포 결과는 실제 적용 측면에서 유용한 정보라고 생각되는바, 이에 대한 정량적인 데이터 확보가 추가로 이루어져야 할 것으로 생각된다.

4. 결 론

본 연구에서는 FDS를 이용하여 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막의 복사열 차단 효과에 대한 전산해석을 수행하였다. 실규모 위험물 저장탱크 화재에 대한 기존 실험 연구(15)를 바탕으로 FDS의 열유속 예측 정확도를 확인하였다. 이후 실규모 위험물 저장탱크에 미분무 수막 설비를 설치하여, 화원이 탱크인 경우(화원 면적: 707 m2, 열방출률: 1,960,000 kW)와 탱크 및 방유제인 경우(화원 면적: 3,136 m2, 열방출률: 8,700,000 kW), 분사각이 180°와 90°인 경우, 액적 크기(Dv0.99)가 400 μm와 200 μm인 경우에 대해 열유속과 미분무 수막의 복사열 차단율을 검토하였다.
전체적으로 화원이 탱크 및 방유제이고, 노즐의 분사각이 크고 액적 크기가 작은 경우가 미분무 수막의 복사열 차단 효과가 큰 것(낮은 열유속과 높은 복사열 차단율)으로 나타났다. 인접 탱크 부근(노즐이 설치된 위치에서 지면으로부터 2∼14 m 높이 구간)에서 미분무 수막에 의한 복사열 차단율은, 화원이 탱크 및 방유제인 경우와 탱크인 경우 각각 62.5∼72.4%와 33.5∼67.4%로 측정되었다. 분사각이 180°와 90°인 경우, 각각 62.5∼72.4%와 54.4∼65.3%로 측정되었는데 이는 분사각이 큰 경우가 작은 경우에 비해 미분무 수막의 폭이 더 넓기 때문으로 판단된다. 액적 크기가 400 μm와 200 μm인 경우, 각각 62.5∼72.4%와 71.2∼83.0%로 나타났는데 이는 액적 크기가 감소에 따른 액적 개수 및 전체 표면적의 증가 때문으로 생각된다. 본 연구를 통해 실규모 위험물 저장탱크 화재 시 미분무 수막이 화원으로부터 인접 탱크로 전달되는 복사열을 효과적으로 차단할 수 있음을 확인하였다.

후 기

이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2023년)에 의하여 연구되었음.

References

1. NFPC 104A, “National Fire Safety Performance Code for Water Mist Fire Extinguishing System”, (2023).

2. J. R. Mawhinney, B. Z. Dlugogorski and A. K. Kim, “A Closer Look at the Fire Extinguishing Properties of Water Mist”, Fire Safety Science, Vol. 4, No. 1, pp. 47-60 (1994), https://doi.org/10.3801/iafss.fss.4-47.
crossref
3. Y. Cui and J. Liu, “Research Progress of Water Mist Fire Extinguishing Technology and its Application in Battery Fires”, Process Safety and Environmental Protection, Vol. 149, pp. 559-574 (2021), https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.03.003.
crossref
4. S. Dembele, J. X. Wen and J. F. Sacadura, “Experimental Study of Water Sprays for the Attenuation of Fire Thermal Radiation”, Journal of Heat Transfer, Vol. 123, No. 3, pp. 534-543 (2001), https://doi.org/10.1115/1.1371921.
crossref
5. D. Zeinali, F. Inglod, Z. Acem, R. Mehaddi, G. Parent, A. Collin and P. Boulet, “Experimental Study of Radiation Attenuation Using Water Curtains in a Reduced-scale Deck of a Ro-ro Ship”, In 1st International Conference on the Stability and Safety of Ships and Ocean Vehicles, (2021).

6. J. M. Buchlin, “Thermal Shielding by Water Spray Curtain”, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 18, No. 4-6, pp. 423-432 (2005), https://doi.org/10.1016/j.jlp.2005.06.039.
crossref
7. J. M. Buchlin, “Mitigation of Industrial Hazards by Water Spray Curtains”, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 50, pp. 91-100 (2017), https://doi.org/10.1016/j.jlp.2017.08.007.
crossref
8. J. V. Murrell, D. Crowhurst and P. Rock, “Experimental Study of the Thermal Radiation Attenuation of Sprays from Selected Hydraulic Nozzles”, In Proceedings of Halon Options Technical Working Conference, Vol. 95, pp. 369-378 (1995).

9. W. Y. Cheung, “Radiation Blockage of Water Curtains”, International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, Vol. 9, No. 1, pp. 7-13 (2009).

10. W. K. Chow, E. Y. Ma and M. K. Ip, “Recent Experimental Studies on Blocking Heat and Smoke by a Water Curtain”, International Journal on Engineering Performance-Based Fire Codes, Vol. 10, No. 4, pp. 89-95 (2011).

11. D. Balner and K. Barcova, “Attenuation of Thermal Radiation through Water Mist”, Process Safety Progress, Vol. 37, No. 1, pp. 18-24 (2017), https://doi.org/10.1002/prs.11904.
crossref
12. I. S. Voytkov, R. S. Volkov, N. P. Kopylov, E. Y. Syshkina, A. V. Tomilin and P. A. Strizhak, “Impact of Scattered Radiation on Thermal Radiation Shielding by Water Curtains”, Process Safety and Environmental Protection, Vol. 154, pp. 278-290 (2021), https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.08.034.
crossref
13. J. S. Kang and C. Y. Lee, “Investigation on Effects of Water Mist Characteristics According to Axial Position on Thermal Radiation Attenuation Performance”, Fire Science and Engineering, Vol. 36, No. 3, pp. 11-18 (2022), https://doi.org/10.7731/KIFSE.32592e18.
crossref
14. L. Zhou, X. Shi, H. Jiang, Z. Xu, S. Li and W. Xu, “An Experimental Study on the Thermal Radiation Attenuation Effect of Water Mist from Flat Fan Nozzle”, Thermal Science and Engineering Progress, Vol. 39, pp. 101634(2023), https://doi.org/10.1016/j.tsep.2022.101634.
crossref
15. T. Yamaguchi and K. Wakasa, “Oil Pool Fire Experiment”, Fire Safety Science, Vol. 1, pp. 911-918 (1986), https://doi.org/10.3801/iafss.fss.1-911.
crossref
16. M. J. Hurley, D. T. Gottuk, J. R. Hall, K. Harada, E. Kuligowski, M. Puchovsky, J. Torero, J. M.. Watts and et al, “SFPE Handbook of Fire Protection Engineering”, Fifth Edition., Springer (2016), https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2565-0.
crossref
17. K. Hiroshi and Y. Taro, “Air Entrainment and Thermal Radiation from Heptane Pool Fires”, Fire Technology, Vol. 24, pp. 33-47 (1988), https://doi.org/10.1007/bf01039639.
crossref
18. K. McGrattan, S. Hostikka, R. McDermott, J. Floyd, C. Weinschenk and K. Overholt, “Fire Dynamic Simulator User`s Guide”, “NIST Special Publication”, Vol. 1019, Sixth Edition., National Institute of Standards and Technology (2014), https://doi.org/10.6028/NIST.SP.1019.
crossref
19. KFS 701-1999, “Standard on Plant Layout and Spacing for Oil and Petrochemical Plants”, Korea Fire Protection Association, (1999).

20. KOSHA Guide D-35-2017, “Technical Guidelines for the Design of Atmospheric Storage Tanks”, Korea Occupational Safety and Health Agency, (2017).

21. API Recommended Practice 2030, “Application of Fixed Water Spray Systems for Fire Protection in the Petroleum and Petrochemical Industries”, Fourth Edition., American Petroleum Institute (2014).

22. H. S. Jeon, “Liquid Atomization”, Munundang, Seoul, (2009).

23. G. H. Ko, “Numerical Study on the Attenuation Effect of Water Mist on Thermal Radiation”, Fire Science and Engineering, Vol. 34, No. 4, pp. 7-12 (2020), https://doi.org/10.7731/KIFSE.67dab4d2.
crossref
24. K. Usui and K. Matsuyama, “An Experimental Study on Attenuation of Radiant Heat Flux from Flame through Water Droplets”, Proceedings of the 11th International Symposium, International Association for Fire Safety Science, pp. 1196-1207 (2014), https://doi.org/10.3801/iafss.fss.11-1196.
crossref
TOOLS
Share :
Facebook Twitter Linked In Google+ Line it
METRICS Graph View
  • 0 Crossref
  •    
  • 625 View
  • 37 Download
Related articles in Fire Sci. Eng.


ABOUT
BROWSE ARTICLES
EDITORIAL POLICY
AUTHOR INFORMATION
Editorial Office
Room 906, The Korea Science Technology Center The first building, 22, Teheran-ro 7 Gil, Gangnam-gu, Seoul, Republic of Korea
Tel: +82-2-555-2450/+82-2-555-2452    Fax: +82-2-3453-5855    E-mail: kifse@hanmail.net                

Copyright © 2024 by Korean Institute of Fire Science and Engineering.

Developed in M2PI

Close layer
prev next