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불꽃감지기 선택
(part 2 – 설계 시 고려사항)

Part 1에서 제시했던 불꽃 감지기 가이드는 감지기술에 근간을 두고 몇 가지 조언을 제시했다. Part 2에서는 불꽃 감지기 설계 시 고려할 사항을 몇 가지 설명하고자 한다. 넓은 범주에서 이러한 고려사항은 적용성, 감지기 및 설치 설계 기준과 같은 범주로 분류된다

적용성 이해

감지기 유형을 선택하기 전에 설계자는 적용성을 이해하는 것이 중요하며, 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

화재 위험

무엇이 연소할 것인가? 어느 정도의 화재가 얼마나 빨리 감지되어야 하는가?

비화재보 가능성의 여부

실제 화재가 발생하지 않은 상태에서 감지기가 경보를 발생할 수 있는 원인이 있는가? 섬광(Flare)은 가장 확실한 비화재보 원인이지만 엔진이나 터빈 배기가스도 고려해야 한다.

작동 조건

어떤 환경적인 문제가 존재할 수 있는가? 비, 눈, 염수분무, 모래와 먼지폭풍 등 가능성은 여러 가지가 있다.

유지보수 및 기능 테스트

불꽃 감지기는 정기적인 테스트가 필요하며 오염 수준이 높은 환경에서 주기적인 정비가 필요할 수 있다. 항상 가능하지는 않겠지만 가능하면 비계 없이 접근이 가능해야 한다.

설치지역 분류

장치를 위험 지역에 설치해야 하는가? 만약 그렇다면, 제품이 그에 따른 인증을 받았는지 확인해야 한다.

진단 기능

점점 더 많은 불꽃 감지기가 HART1)와 같은 추가적인 통신 기능을 탑재하고 있다. 제어 시스템이 HART를 지원하는 경우, 사용하려는 불꽃 감지기가 발생한 결함의 표시뿐만 아니라 계획된(예방적) 유지보수를 위한 정보를 제공하는지 확인해야 한다.

감지기 반응에 대한 이해

이 섹션에서는 감지 시야, 감지 거리 및 다양한 연료의 탐지에 대해 설명하고자 한다.

그림 1 수평 감지 시야.(FOV : Field of View)

광학 불꽃 감지기의 감지 시야는 무엇인가?

이름에서 알 수 있듯이, 광학 불꽃 감지기의 감지 시야(FOV, 원뿔 시야라고도 함)는 사용된 연료에 대해서 불꽃 감지기가 가지고 있는 커버리지 중 방해받지 않는 영역으로 정의한다. 화재에 대해 가장 큰 민감도는 감지기 면의 중심축을 통해 보여질 때 이며, 이를 중심축 민감도라고 한다. 그런 다음 감지거리가 중심선에서 멀어질수록 감지 시야는 말려들어가며 일반적으로 눈물방울 모양을 형성한다.

FM3260은 감지 시야를 ‘감지기 반응이 적어도 네 방향(상하좌우)에서 중심축 민감도(거리 단위로 측정)의 50% 이상이어야 한다’고 정의하고 있다. 감지기의 감지 시야는 일반적으로 90°이지만 감지기의 광학적 구조 또는 연소되는 연료에 의해 달라질 수 있다. 수직 감지 시야는 렌즈 광학 테스트에 사용되는 반사판의 방해로 인해 수평 범위보다 작은 경향이 있다.

일부 불꽃 감지기는 90°보다 큰 FOV를 가지고 있다. 서류상으로는 이것이 감지범위 측면에서 장점인 것처럼 보이지만 다중 스펙트럼 불꽃 감지기에는 예상치 못한 결과가 발생할 수 있다. 또한 실질적으로 감지기를 설치할 때 넓은 FOV를 가진 감지기의 장점이 거의 없거나 구석진 공간에 설치하려는 경향이 있다는 것을 주의해야 한다. 화재구역 설정에서 FOV를 90°로 제한하는 것은 구역 설정이 쉬워지고 인접 구역의 화재에 의해 감지기가 활성화되지 않도록 도와줄 수 있다는 것도 고려해야 한다.

그림 2. 역제곱 법칙.

감지가 얼마나 멀리까지 감지할 수 있는가?

이것은 합리적이고 간단한 질문이지만, 불행하게도 수많은 요인들이 불꽃 감지기의 감지 거리에 영향을 미치므로 제품 간의 품질 비교 시 일관성을 보장하기 위해 재현이 가능한 감지기 테스트 수단이 설정되어야 한다.

오늘날 FM 3260과 EN-54-10는 광학 불꽃 감지기의 성능을 위한 국제 표준이다. 이러한 표준에 대한 제조업체의 데이터 테스트에 따르면, 감지기가 사용할 수 있는 가장 높은 민감도 설정에서 사용할 때 일반적으로 삼중 IR 불꽃감지기는 1ft2(0.1㎡)의 n-헵탄 화재에 대해 UV-IR 불꽃감지기(30m) 보다 더 민감한(80m) 경향이 있다.

불꽃감지기가 화재를 감지할 수 있는 거리는 다음과 같은 여러 가지 요인과 관련이 있다. - 감지 기술 - 감지기 감도 설정 - 연료 연소 - 화재 크기

대부분의 불꽃 감지기에는 감지기 설치 환경의 요구에 맞게 조절 가능한 민감도 설정이 있으며, 대부분의 IR3 검출기의 기본 감도(보통 ‘중간’ 감도라고 함)는 30m이다. 소방엔지니어는 이런 내용을 이해하고 알고 있어야 한다.

감지기 감도를 정의한 후에는 감지범위가 화재 크기와 관련되기 때문에 동적임을 이해하는 것이 중요하다. 감지기에 도달하는 에너지가 동일하기 때문에 감지기에 가까이 있는 작은 불은 멀리 떨어진 큰 불처럼 쉽게 경보를 발생할 수 있다.

감지거리는 기본적인 용어인 역제곱 법칙이 적용된다. 즉, 감지기가 30m에서 1ft2 n-헵탄 화재에 반응한다면 두 배 거리(60m)에서 4배 이상 큰 화재에 반응한다는 뜻이다. 불행하게도, 이 계산은 수증기, 저온의 CO2 및 화염 깜박임과 같은 외부 영향들이 ‘감지’에 영향을 미치기 때문에 무한정 적용할 수 없다.

마지막으로 연소연료에 따라서도 감지 거리에 현저한 차이가 있다는 것을 알아야 한다. 설계자는 고려하고 있는 감지기에 대해 연소연료에 기초한 예상 감지거리를 제조업체에 문의해야 한다. 물론 이 반응 데이터를 FM(Factory Mutual)과 같은 독립적인 실험실에서 검증할 수 있다면 더 좋을 것이다.

그림 3 다양한 연료에 대한 반응.

오경보 원인에 대한 이해

잠재적인 오경보 공급원이 없는 불꽃감지기 설치는 드물다. 일반적으로 플레어 스택(flare stacks), 직사광선, 반사광선, 고온 공정 및 엔진 배기가스 등 몇 가지의 오경보 공급원이 있다. 유지관리 작업 중에는 X선, 절단, 그라인딩 및 아크 용접 등이 추가적인 오경보 원인이 될 수 있으므로 일반적으로 감지기를 격리해야 한다.

그림 4. 부분 불꽃감지기 커버리지(감지 유효범위).
그림 5. 위험 영역을 커버하기 위해 다른 감지기 사용

그럼, 시설물을 커버(방호)하려면 얼마나 많은 감지기가 필요할까?

시설 설계 기준은 설치에 필요한 감지기의 수에 큰 영향을 미친다. 업계의 많은 일반 사용자들(예: Shell 또는 bp)은③,④ 경보 발생 시 수행할 작업을 정의하며, 이는 시설물의 위험성과 확대 가능성에 크게 좌우된다. 시설물, 위험성 유형에 대해 사람들의 조치가 평가되고 피해경감에 대해 효과적인 부분이라는 것이 입증되는 경우를 제외하고 초기 조치는 일반적으로 자동적이다. 조치 범위는 일반적으로 사람들의 조치가 필요한 경보(아마도 확인을 위하여 CCTV를 사용)에서 부터 발전소 정지 및 억제/일제살수 시스템 방출(투입된 감지기 설정이 필요한 경우)에 이르기까지 다양하다. 감지기 작동은 예를 들어 ‘N 중 2개’ (2 out of N, 2ooN)와 같은 논리 함수를 사용해 작동하며, 여기서 N은 화재 구역의 검출기 수를 나타낸다. 일반적으로 경보 전용 구성에서는 작동 개시를 위해 감지기 연동 없는 단일 감지기를 사용한다.

우리는 불꽃 감지기가 감지 시야 내에 있는 화염의 깜박임에 반응한다는 것을 알고 있다. 또한 감지기가 불씨나 연기 화재에 반응하지 않는다는 것을 주목해야 한다. 그리고 이 기고에서 살펴본 바와 같이 고려해야 할 몇 가지 중요한 요소가 있다.

- 무엇이 탈 것인가? - 어떤 크기의 화재를 감지해야 하나? - 어떤 오경보 원인이 있는가? - 현장의 조건은 무엇인가? 열기, 냉기, 먼지, 염수 분무, 눈 등 - 불꽃 감지 기술이 위의 모든 것에 적합한가?

설계를 할 때는 기존 공장에 대한 현장조사를 실시하거나, 만약 가능하다면 새로운 설비의 3D 모델을 살펴보는 것이 좋다. 이 경우 방호 대상물/구역의 감지기를 설치하기 위해 필요한 견고한 구조물을 찾아보아야 한다. 감지 시야를 고려하여 감지기의 감시영역을 확인해야 한다. 감지기는 감지면 유리에 붙는 때, 먼지 및 습기를 예방하고 원뿔 시야 내에서 플레어, 엔진 또는 터빈 배출가스와 같은 오경보원을 방지하기 위해서 비스듬히 하부를 볼 수 있도록 설치해야 한다. 마지막으로 감지 시야 내의 장애물에 의해 드리워진 사각지대(그림자)를 제거하기 위해 특별히 주의해야 한다(그림 4 참조). 이것은 장치를 보다 최적의 위치에 배치하거나 장치를 추가함으로써 달성될 수 있다(그림 5 참조).

이러한 요소도 중요하지만 유지보수를 위한 접근성이라는 또 다른 실제적인 설치 측면도 해결해야 한다. 불꽃감지기는 일반적으로 높은 위치에 설치되며 시설물은 장기적으로 운영된다는 측면을 간과해서는 안 된다. 그러나 이러한 사항은 설계자의 입장에서는 접근성을 배제하고 사용 감지기의 개수를 최소화하는 최적화 설계를 하는 임무를 맡고 있기 때문에 설계자에게 난제가 된다. 최적화가 덜된 감지기 레이아웃은 기존 구조물을 사용하여 접근성이 좋을 수 있으므로 유지관리 관점에서 설비 소유자/운영자에게 이익이 될 수 있다. 예를 들면 비계 타워를 건설할 필요가 없을 경우 설비 가동 시간을 개선할 수 있는 것과 같다.

결론

본 기고문에서는 불꽃 감지기에 대해 다뤄보았다. ‘설비를 커버하려면 얼마나 많은 감지기가 필요한가’라는 질문에 답하기 위해 적용성, 감지기 및 시설 설계 기준에 대해 광범위하게 논의하였으며, 더 자세한 내용은 www.fg-detection.com를 참조하기 바란다.

  • 1) HART(Highway Addressable Remote Transducer) : a hybrid analog + digital industrial automation open protocol. 4~20mA의 루프 전류(신호원)에 디지털 통신신호를 커플링(중첩)하여 통신하는 방식으로 아날로그 및 디지털 정보를 포함하므로 통신으로의 구성 및 사용이 쉽고 빠르고 신뢰할 수 있는 측정값을 전달함
  • 참고 문헌
  • ① FM3260, Approval Standard for Radiant Energy-Sensing Fire Detectors for Automatic Fire Alarm Signalling
  • ② EN 54-10:2002 Fire detection and fire alarm systems. Flame detectors. Point detectors
  • ③ FIRE, GAS AND SMOKE DETECTION SYSTEMS Shell DEP 32.30.20.11-Gen.
  • ④ Engineering Technical Practice (ETP) Group Practice (GP) GP 30 85

번역. 김태훈|한국소방안전원 정책연구소 연구원

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