EPS 공정의 화재 시뮬레이션을 통한 위험성 분석

2.1 시설 현황

2.1.2 공정건축 현황

그림 2의 EPS 공장은 생산동과 60m 떨어진 별도의 건물에 있으며, 건물 간에는 EPS 성형품 이송용 브리지(FM Approved, Poly Isocyanurate 단열재)가 설치되어 있다.

Fig. 2.

Construction status of EPS building

외벽은 샌드위치 패널(FM Approved, Poly Isocyanurate 단열재)로 되어 있으며, 각 구역(사일로실, 예비발포실, 성형실, 원료저장실) 간에는 2시간 방화구획으로 되어 있으며, 방화 셔터는 Fusible Link 타입(작동온도 72℃)으로 설치되어 있다.

사일로실 및 예비발표실, 저장실에는 Extra Large Orifice 스프링클러(VK300_K5.6)가 건식으로 설치되어 있으며, 성형실 및 연결통로에는 Quick Response 스프링클러 (VK530, K11.2)가 건식으로 설치되어 있다.

2.1.3 급·배기설비 설치현황

예비발포실 사일로실 및 성형실에는 천장에 배기 팬이 설치되어 있고, 외벽 면에는 배기 창(Louver type)이 설치되어 있다. 아울러 저장실, 예비발포실 및 사일로 주변으로 하단부에 별도 배기덕트가 그림 3과 같이 설치되어 있다.

Fig. 3.

Air circulation unit status of EPS building

2.2 현장점검

EPS 공정은 생산동과 떨어지어 있는 별도의 건물에 설치되어 있으며, 건물 내부는 2시간 이상 벽체로 구획되어 방화구획이 매우 양호하게 구축되어 있으나, 방화 셔터가 Fusible link 방식으로 설치되어 있어 작동지연 우려가 있어 시뮬레이션 분석이 필요했다.

2.3 화재 시뮬레이션

화재 시나리오 선정 및 분석방법은 화재 발생 장소에 따른 작업형태, 발화점, 화재 성상, 방호장치 등을 고려하여 화재 시나리오를 선정하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다.

• ◇ 화재 시나리오 01(FDS 평가)_사일로실 화재
  - 화재 발생 위치: 그림 4의 사일로실
  - 가연물 : 표 1의 EPS 원료

Fig. 4.

Silo room

Table 1.

EPS physical properties

* 가정사항

- 최초 화재는 사일로 내 적재된 EPS 유출 시 발생한 정전기에 의해 발생하고 주변 사일로 EPS가 추가 발화하여 화재 Pool을 형성하며, 사일로실 외부 유출은 없는 것으로 가정함.

* 설계화재(Design fire)

- 화재는 해외 EPS 사일로 화재사고사례를 기반으로 EPS 누출 및 Pool 화재가 발생하여 약 20초 후에는 전체 Pool에 화재가 전파된 것으로 설계하며, Pool 면적은 약 450㎡로 설정하고, 면적당 화재량은 1,375kW로 산정하여 총 화재량 약 600MW 화재를 설계하였다.

* 세부 화재 시나리오

- 스프링클러 종류에 따른 화재 진압양상을 비교하기 위하여 아래 표 2와 같은 형태의 방호장치를 설치했을 때 각각의 화재 상황을 그림 5와 같이 시뮬레이션을 수행하였다.

Table 2.

Fire scenario in silo room

Fig. 5.

FDS implementation form of Silo room fire

* 방화 셔터와 스프링클러 작동 분석

- 사일로실 EPS 화재로 인한 스프링클러 및 방화 셔터 작동 여부를 확인하기 위해 각 스프링클러와 방화 셔터 Fusible Link 부분의 온도를 측정하였다.

* 화재 영향(온도 및 복사열) 분석

- 사일로실 EPS 화재로 인해 주변에 미치는 영향을 확인하기 위해 그림 6과 같이 벽면의 온도 및 복사열을 측정하였다.

Fig. 6.

Measurement points of fire shutters and wall in silo room

• ◇ 화재 시나리오 02(FDS 평가)_예비발포실 화재
• - 화재 발생 위치: 그림 7의 예비발포실 원료 투입기
• - 가연물 : 표 3의 Polystyrene Bead

Fig. 7.

Raw-material Feeder and Raw-Materials

Table 3.

Properties of PS bead

* 가정사항

- 최초 화재는 최초 원료투입 이후 발포 이전 저장 탱크에 적재된 PS Bead에서 발생한 펜탄 가스(약 6% 함유)에 정전기로 인한 2차 투입기 상면 화재(Pool)를 가정하였다.

* 설계화재(Design fire)

- 화재는 2차 PS Bead 투입기 상면에서 발생한 것으로 하고, Pool 면적 4.3㎡에 면적당 화재량은 1,340kW로 총 화재량 약 5MW 화재를 설계하였다.

* 세부 화재 시나리오

- 스프링클러 종류에 따른 화재 진압양상을 비교하기 위하여 아래 표 4와 같은 형태의 방호장치를 설치했을 때 각각의 화재 상황을 그림 8과 같이 시뮬레이션을 수행하였다.

Table 4.

Fire scenario in pre-expanding room

Fig. 8.

Visualization of FDS simulation for fire in pre-expanding room

* 방화 셔터와 스프링클러 작동 분석

- 예비발포실 원료 투입기 PS Bead 화재로 인한 스프링클러 및 방화 셔터 작동 여부를 확인하기 위해 각 스프링클러와 방화 셔터 Fusible Link 부분의 온도를 측정하였다.

* 화재 영향(온도 및 복사열) 분석

- 예비발포실 EPS 화재로 인해 주변에 미치는 영향을 확인하기 위해 그림 9와 같이 벽면의 온도 및 복사열을 측정하였다.

Fig. 9.

Measurement points of fire shutter and center of room in pre-expanding room

3.1 화재 시뮬레이션 결과(사일로실)

화재전파속도 및 열량으로 판단했을 때, 화재실 대부분 설비 및 재고자산은 화재에 의해 손상을 받을 것으로 분석되어 습도 유지, 정전기 방지대책 등 화재 발생을 예방하려는 조치가 우선된다.

사일로 화재의 모든 시나리오에서 방화 셔터가 약 10초에 작동하여 약 15초에 폐쇄가 완료되어 실 방화구획을 적정하게 유지할 수 있다.

스프링클러의 최초작동시간 및 화재진압시간을 검토한 결과 화재진압이 가능한 것으로 확인되었으며, 스프링클러 Type인 ESFR > ELO 습식 > ELO 건식 순으로 효과성이 높은 것으로 표 5의 결과로 확인되었다.

Table 5.

Results of fire simulation in silo room

사일로실 전체 헤드 개방(85ea)을 전제로 시뮬레이션한 열방출율 분석결과, 화재는 PHRR는 약 540MW(약 20초)까지 성장하고 스프링클러(ELO 건식) 작동 이전에 100MW까지 줄어드는 것을 그림 10과 같이 확인하였다. 이는 급속한 화재 성장 이후, 실내 산소량 부족(실내 공기소진 및 실외 공기 유입 부족)에 기안한 것으로 판단된다.

Fig. 10.

S1-#01~03 Analysis of Heat Release Rate(HRR)

ELO 습식설비와 ESFR의 경우 화재 최성기(약 12~22초)에 작동하여 화재를 제어하는 것을 확인할 수 있고, ELO 건식 설비의 경우 화재가 100MW까지 자동소멸한 이후 작동함이 확인되어 화재진압에는 ESFR 혹은 ELO 습식설비가 효과적인 것으로 확인되었다.

그림 11을 보면 화재의 급속한 성장으로 인해 실내 모든 스프링클러(약 85개)가 작동하여 방수 밀도(방수량)가 설계치 보다 현저히 낮아지고 방수패턴 또한 매우 좁아져 설계 살수반경을 방호하지 못할 것으로 판단된다.

Fig. 11.

Analysis of sprinkler operation in silo room

그림 12에서 보듯이 사일로 화재 시에는 모든 시나리오에서 방화 셔터의 Fusible link가 72℃ 이상의 온도를 받아 셔터가 폐쇄되었다.

Fig. 12.

S1-#1 ELO Dry_operation of fire shutter

그림 13은 사일로 화재 시에 건식 ELO 스프링클러가 설치된 경우 사일로실 내벽의 온도는 일시적으로 최대 1,575℃는 까지 상승하는 형상을 보인다. 하지만 사일로 실의 벽은 2시간 내화성능을 가지고 있으므로 사일로 화재 시 사일로실 벽에 미치는 온도의 영향으로는 벽체 손상의 위험이 없다.

Fig. 13.

S1-#01 OLE Dry_analysis of temperature of interior wall

그림 14는 사일로 화재 시에 습식 ELO 스프링클러가 설치된 경우 사일로실 내벽의 온도는 일시적으로 최대 1,564℃까지 상승하는 형상을 볼 수 있다. 하지만 사일로 실의 벽은 2시간 내화성능을 가지고 있으므로 사일로 화재 시 사일로실 벽에 미치는 온도의 영향으로는 건식과 같이 벽체 손상의 위험이 없다.

Fig. 14.

S1-#02 ELO Wet_analysis of temperature of interior wall

3.2 화재 시뮬레이션 결과(예비발포실 화재)

예비발포실 PS Bead 화재는 스프링클러 작동 형식에 상관없이 스프링클러(건식 및 습식) 작동 시 화재가 진압된다.

건식 스프링클러는 약 88초에 살수가 시작되어 약 115초에 화재가 진압되고, 습식 스프링클러는 작동 시에는 약 46초에 살수가 시작되어 약 105초에 화재가 진압됨을 표 6과 그림 15에서 확인하였다.

Table 6.

Results of fire simulation in Pre-expanding room

Fig. 15.

S2-#01~02 Analysis of Heat Release Rate(HRR)

PS Bead 화재 시에 건식 ELO 스프링클러가 설치된 경우 예비발포실 내벽의 온도와 복사열은 일시적으로 각각 448℃, 32.3 kW/m2까지 상승한다. 하지만 예비발포실의 벽은 2시간 내화성능을 가지고 있으므로 예비발포실 벽에 미치는 온도 및 복사열의 영향으로는 벽체 손상의 위험이 없음을 그림 16과 그림 17을 통해 확인하였다.

Fig. 16.

S2-#01 Dry(ELO) analysis of temperature of interior wall

Fig. 17.

S2-#01 Dry(ELO) Analysis of Radiant Heat of interior wall