Performance Evaluation on Water-mist Extinguishing System of Railway Vehicles

2.1. 철도차량 소화설비 성능평가 설비

철도차량 소화설비 성능평가 설비는 철도차량에 설치되는 미분무 소화설비의 성능을 평가를 목적으로 설계된 설비로 철도차량 내부에 해당되는 Test Room과 온도 압력 등의 계측 시스템, 소화수 급수 및 배수처리 시설, 연기집진 및 배연설비, 방재안전시설, 기타 제반 시설로 구성 된다. 철도차량과 같은 환경을 만들고 재현하기 위해서 강철 판재로 제작된 측벽 및 전후벽을 이동 가능하게 만들었는데 본 시험에서는 새마을호의 대표적인 차량길이인 22m, 폭 3m, 높이 2.3m을 설정하였다. 또한 실험 공간의 천정에는 화재시험으로 인한 벽체의 변형을 막기 위해 수냉 배관을 설치하였다. 실험 중 발생하는 연기의 배출을 위하여 양 끝단에 집진 설비를 장착하였다. Fig. 1과 같이 시험 천장 및 공간내부온도 측정을 위한 열전대 트리를 설치하였으며, 미분무수 소화시스템의 압력설정을 위하여 압력을 제어가 가능하도록 압력 측정 장치를 장착하였다.

Fig. 1

The schematic of experimental space.

2.2. 철도차량용 미분무수 소화시스템 성능평가 기준

철도차량용 미분무수 소화시스템의 성능평가를 위하여 Fig. 2와 같은 시나리오를 설정하였다. 성능평가는 시험 중 측정되는 온도 및 화원의 진압여부로 결정된다. 시나리오#1은 0.3 m2의 단면의 3개의 트레이를 열차 중앙선을 따라 균일하게 배치해 놓은 상태이며 여러 위치에서 다발적으로 유류화재가 발생한 경우를 모사한 것이다. 시나리오#2는 의자로 대표되는 고체가연물의 화재를 가상한 것이며 시나리오#3은 차량 내 화재가 워터미스트로 꺼지지 않도록 화원 위에 차폐막을 설치하고 차량 내부 공간의 온도제어를 평가하기 위하여 도입된 화재 상황 모사이다. 노즐의 성능 기준은 Fig. 2의 오른쪽에 나타낸 것과 같이 시나리오#1인 경우 화원 3개가 모두 소화되거나, 소화시스템 가동 후 30초 경과시점부터 30초 중앙 평균 온도와 점화전 평균온도와의 차이가 모든 전장 온도 측정 지점에서 150 ℃ 이하로 유지되어야 한다. 시나리오#2인 경우소화시스템 가동 후 5분 이내 완전히 소화되어야 하며 시나리오#3의 경우 소화시스템 가동 후 30초 경과시점부터 30초 중앙 평균온도와 점화전 평균온도와의 차이가 모든 측정 지점에서 150 ℃ 이하로 유지되어야 한다.

Fig. 2

Fire scenarios and nozzle performance criteria

3.1. 성능평가 노즐

본 연구에서는 3가지의 서로 다른 노즐을 선정하여 철도차량 미분무수 소화장치 성능을 만족 여부에 대한 시험을 수행하였다. Fig. 1에서 천정에 굵은 선은 노즐을 연결한 배관이며 노즐과 노즐 사이의 간격은 3.15∼3.5 m 이다. 미분무수 노즐은 모양 및 홀의 위치에 따라 A, B, C로 구분을 하였으며 Fig. 3에 나타난 사진이 실험에 사용된 노즐의 모습이다. Fig. 4는 노즐 C의 미세 물분무 모습을 찍은 사진이다. 모든 노즐의 작동 압력은 70bar이다.

Fig. 3

Images of nozzles

Fig. 4

Water-mist spray of nozzle C

3.2. 온도 및 노즐 유량 분포 측정

Fig. 1에서 작은 점들은 천장에 설치된 열전대의 위치를 표시한 것이다. 모두 24개의 열전대가 설치(천정에서의 위치 2cm)되어 있으며 노즐에서 분사된 액적으로 인하여 온도 측정의 정확도가 낮아지지 않도록 Fig. 5(a)와 같이 파이프 내부에 치부하였다. 또한 세 개의 열전대 트리를 제작하여 공간 내부의 온도를 측정할 수 있도록 하였는데 노즐에서 분사되는 액적으로 온도 측정에 교란이 일어나지 않도록 하기 위해 파이프를 이용하였으며 또한 Fig. 5(b)에는 열전대 트리의 설계도도 같이 나타내었다. 그리고 위치는 하부 중앙을 기준으로 각각 2.75, 8.25, 13.75m이다.

Fig. 5

The pictures of thermocouples.

미분무수 노즐의 유량 분포를 측정하기 위해 차량 바닥에 100개의 비이커를 실험 공간 바닥에 배치하였으며 Fig. 6와 같다. 배치된 비이커는 노즐 중앙에서 수직으로 2.05 m 떨어진 위치에 설치되었고 채집구의 직경은 19 cm이다. 일반적으로 분무 수집 과정에서 발생하는 오차는 채집 시간 후 채집 장치 벽면에 남아있는 물의 양에 의해 결정되는데 이는 충분한 채집 시간을 통하여 채집된 물의 양을 크게 함으로써 측정된 양에 대한 오차의 영향을 줄일 수 있기 때문에 전체 채집된 물량에 대한 측정 정확도를 증가시킬 수 있다. 본 연구에서 분무 채집 시간은 5 분이며 이는 미분무수 소화시스템의 화재 진압 성능평가 시나리오보다 충분히 긴 시간이다. Fig. 7은 노즐 C에 대하여 5 분간 채집한 유량분포 결과이다. 미분무수 노즐이 붙어있는 폭 1.5m, 길이방향으로 0m 및 4m인 지점에서 유량이 높게 나타났으며 벽면에 가까운 위치에서 공간의 중심보다 더 많은 유량분포를 보이고 있다.

Fig. 6

Arrangement of patternators.

Fig. 7

Arrangement of patternators.

3.3. 온도 및 노즐 유량 분포 측정

각 노즐에 대하여 Fig. 2에서 언급한 시나리오별 시험을 진행하였으며, 실험 진행시 온도를 실시간으로 측정하여 기록하였다. 시나리오 #1의 경우에 3개의 떨어진 곳에 위치한 화원을 점화시키고 화원점화후 10초후에 미세물분무 설비를 작동시켰다. 시나리오 #2에 경우에는 의자를 모사한 고체연료를 점화시킨 후 2분후 미세물분무를 가동시켰다. 시나리오 3의 경우에는 시나리오 #1에 비하여 크기가 큰 화원인데 화원 위에 철판으로 차폐시켜 물분무가 직접적으로 화원에 침투하지 않도록 한 경우로 화원점화후 10초후 물분무 시스템을 작동시켰다. Fig. 8은 워터미스트의 작동 전 화재 시나리오#1의 경우를 대표하여 화원에 점화를 한 후의 모습을 나타낸 사진이다. 점화 후 발생하는 연기가 시험 공간의 천정에 가득 차게 되면서 천정 면을 따라 양 옆으로 퍼져 나가게 된다. 출입문이 있는 벽면에 닿으면 벽을 따라 하강하게 되고 이후 바닥 면에 닿으면서 시험 공간 전체에 연기가 퍼지는 모습을 관찰할 수 있었다. 3개의 노즐에 대하여 각각 시나리오 3개씩 모두 9개의 시험을 수행하였다. 그 결과 중 노즐 A의 화재 시나리오#1에 대한 결과를 Table 1에 나타내었다. 또한 성능 기준(Fig. 2)을 만족하는 지의 여부를 판단하기 위해 천정에서의 온도 측정 지점에 대해 점화전 평균온도(T1)와 소화시스템 가동 후 30초 경과시점부터 30초 중앙평균온도 중 최대온도(T2)를 구하였으며 온도차가 모두 150℃ 미만이 되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 방법으로 화재 시나리오#1에 대한 노즐 A, B, C를 평가하였을 때 모두 성능 기준에 합격하였다. 화재 시나리오#3의 경우 노즐을 평가할 때에는 열전대 트리에서 측정된 온도를 포함하여 평가하였으며 Table 1과 같은 방식으로 온도를 구하고 온도차를 구하였을 때 모두 성능 기준에 합격함을 알 수 있었다. 본 논문에서는 다른 노즐에 대한 측정 결과를 생략하였다. 또한 화재 시나리오#2에 대해서 모든 노즐이 작동 후 모두 5분 이내에 완전히 소화되었기 때문에 역시 성능 기준을 만족하였다. Fig. 9는 Table 1에서 T2-T1의 열전대 분포 개수를 온도차 별로 그리고 화재 상황 별로 나타낸 그림이다. 모든 온도 차이가 성능 기준을 만족하고 있으며 온도 차이가 100℃ 미만인 것이 거의 대부부분이며 누적 개수를 비교하였을 때, 온도차가 적은 곳이 많은 경우는 화재 시나리오#1, 3 모두 노즐 C인 것을 알 수 있다. 이러한 결과로 화재 시나리오#1, 3에 대해 노즐 C가 화재 발생 시 철도 차량 내의 온도 제어에 있어서 가장 좋은 성능을 나타낸다고 판단할 수 있다.

Table 1

The results of nozzle performance about nozzle A and scenario #1.

Fig. 9

Number of thermocouples for difference of temperature.

Fig. 8

Ignition of fire source about scenario #1.