1.서 론

2015년 Douglas-Westwood사가 발간한 “World Offshore Accommodation Market Forecast”에 따르면 대형 해양플랜트에 대한 운영 척수가 증가함에 따라 2019년까지 해양플랜트 전 용생활부선에 대한 수요가 지속적으로 확대되어 연평균 약 42,000명 정도로 확대될 전망이다. 특히, 고정식 해양플랜트 가 많은 비중으로 차지하고 있는 태국, 베트남, 인도네시아, 말레시아 등과 같은 아시아뿐만 아니라 최근 골든 삼각지대 인 멕시코만, 서부 아프리카, 브라질 동부의 심해 지역으로 집중되는 경향을 보이고 있다. 따라서 고도의 기술, 경험, 자 본이 필요한 해양플랜트를 포함하여 다양한 해양플랜트 지 원선박에 대한 경쟁력 확보가 중요하다. 1970-80년대 국내 조선소는 발주자들로부터 제공받은 설계 도면으로 해양플 랜트를 단순 조립하는 수준의 저부가가치 창출 단계에 머물 렀다. 하지만 2000년 이후 국내 조선소는 EPCIC(Engineering, Procurement, Construction, Installation & Commissioning)계약형 태로 다양한 종류의 해양플랜트 및 해양플랜트 지원 선박 등을 수주하고 있다. 따라서 조선 3사는 멕시코만, 서부 아 프리카, 중동, 브라질 동부해역으로 해양플랜트 시운전 인력 을 프로젝트가 종료될 때까지 발주자와의 계약에 따라 장 기 파견하고 있다. 실무적으로 시운전 단계에 있는 해양플랜 트는 정상 운전 중인 해양플랜트에 비하여서 상대적으로 많은 인력들이 위험한 환경 속에서 근무하게 된다(Lee and Hong, 2015). 그러므로 조선소는 모선 즉, 해양플랜트 자체에 수용 할 수 있는 최대 승선인원이 제한되기 때문에 해양플랜트 전 용생활부선을 사용하고 있다. 그러나 해양플랜트 전용생활부 선은 해양플랜트에 비해 거주구역 공간이 협소하고, 시운전 특성상 비상상황에 훈련된 인원과 그렇지 않은 인원이 동시 에 거주하므로 다양한 위험에 노출될 수밖에 없다. 특히, 화 재 발생 시 많은 인원이 통제되지 않은 상태로 비정형화된 탈출 행동을 할 가능성이 높기 때문에 인명 안전의 관점에서 안전 설계 및 설비 개선이 필요하다. 이러한 이유에도 불구하 고 해양플랜트 전용생활부선은 거주구역 구조에 대한 별도 의 규정이 없어 일반 상선의 규정을 준용하고 있는 실정이 다. 또한, 선박뿐만 아니라 해양플랜트 시설도 인명 안전에 대한 연구가 거의 없는 실정이다. 따라서 이 연구는 해양플 랜트 전용생활부선에 적용되는 국내·외 규정을 조사하고, 이 를 근거로 화재 발생을 가정하여 인명 안전의 관점에서 유효 피난시간 증가와 필요피난시간 감소에 대해 분석하고자 한 다. 이 연구를 위하여 실제 피난에 소요되는 시간인 필요피 난시간은 SFPE(Society of Fire Protection Engineers)의 피난계 산식으로 계산하였다(KFPA, 2005). 또한, 생존 가능시간을 의미하는 유효피난시간은 Fire Dynamic simulator(FDS)를 이 용하여 분석하였다(NIST, 2014). 분석된 결과를 바탕으로 해 양플랜트 전용생활부선 거주자들의 생존율 향상을 위한 구 조개선 및 안전설비 설치에 대해 제안하고자 한다.

2.관련 기준

이 연구를 위하여 해양플랜트 전용생활부선의 개념과 특 성을 검토할 필요가 있다. 그러므로 이 장에서는 인명 안전 에 대한 국내·외 관련 규정을 검토한다.

2.1.해양플랜트 전용생활부선의 개념과 종류

해양플랜트 전용생활부선은 여객선 및 수상호텔과는 달리 여객이 거주하는 선박이 아니다. 미국선급 규정(ABS building and class guide for accommodation barge 2015)에 따르면 “해양 플랜트 전용생활부선은 자선 선원(통상적으로 24명 승선)을 제외하고 대부분 해양플랜트 시운전과 관계된 기술자, 연구 원, 선급검사관, 하급 노동자 등이 포함된 최소 36명 이상의 인력들에게 숙식과 장비에 대한 유지보수 등의 서비스를 제 공하는 선박”이라고 정의하고 있다. 거주형태 및 추진방식 에 따라 유형을 구분하면, 부선(barge), 승강식(jack up), 선박 (vessel), 부유식호텔(floatel) 등이 있으나, 이 연구에서는 국제 적으로 가장 많이 사용되고 있는 해양플랜트 전용생활부선 을 대상으로 하고자 한다. 아래의 Fig. 1은 대표적인 해양플 랜트 전용생활부선의 모습이다.

2.2.국내 기준

국내의 경우 여객선과 일반 상선에 대해서는 해양수산부고 시 제2014-168호 선박설비기준에 따라 상세한 사항들이 규정 되어 있다. 그러나 현재 국내에서 해양플랜트 전용생활부선 이 운영되는 경우가 없었기 때문에 이와 관련된 별도의 기준 이 없는 것이 현실이다. 하지만 향후 동해 제8광구, 제6-1광구 에 대한 상업 시추가 활발히 진행될 것으로 예상됨에 따라 심해지역에 특화된 별도의 전용생활부선이 필요하다. 따라서 선제적인 관점에서 선박설비기준의 정비가 필요하다.

2.3.국제 기준

해양플랜트 전용생활부선 거주자의 공간 배치 및 규격은 일반 상선과 동일하게 구획별로 A, B, C로 구분하여 SOLAS 협약 제Ⅱ-2/3.2, 3.4, 3.10 적용을 받게 된다(KR, 2006a). 세부 적인 사항은 국제화재안전장치코드((Fire Safety System Code : FSS) 제13장 탈출수단배치편에 규정되어 있다(KR, 2006b). 그 리고 2006년 해사노동협약(Maritime Labour Convention 2006) 제3장 “선원의 거주설비 및 오락시설”편의 거주구역에 적용 되는 조명, 환기, 배수, 소음, 진동수준, 바닥 면적, 천정 높이 등이 최소 충족요건으로 규정되어 있다.

2.4.선급 규정

국제선급협회(International Association of Classification Societies: IACS) 회원 중 미국선급과 노르웨이-독일선급은 해양플랜 트분야에 독보적인 입급 점유율 갖고 있다. 이중에서 미국 선급의 경우 해양플랜트 거주공간에 대한 세부적인 건조 및 설계지침을 “Crew Habitability on Offshore Installation”, “Crew Habitability on Ship’s”, “Crew Habitability on Work Boats”를 통해서 규정하고 있다. 그리고 노르웨이-독일선급(DNV-GL) 은 노르웨이산업표준(NORSOK Standard C-001)에 근거하여 해양플랜트 및 관련 선박의 거주구역에 대한 규정을 제시하 고 있다. 또한 언급된 두 개의 선급 규정은 국제노동기구 (International Labour Organization, ILO)의 제92조 “Accommodation of Crew Convention 1949”, 제133조 “Accommodation of Crew Convention 1974”를 기초로 개발되었다.

3.해양플랜트 전용생활부선 거주자의 생존율 검토

3.1.필요피난시간 계산

많고 다양한 인원이 혼재되어 있는 해양플랜트 전용생활부 선은 반드시 피난계획서를 충분한 모의시뮬레이션을 통해 만 들어져야 한다. 특히, 화재로 협소한 구역의 거주자들을 안전 한 장소로 피난시키기 위해서는 필요피난시간을 사전에 계산 하여 화재발생에 대한 정보의 전달, 거주자의 상황인식 제고, 피난경로 확보 등에 적용해야 한다. 해양플랜트 전용생활부 선에 근무 중인 인원들의 실제 피난에 소요되는 시간인 필요 피난시간을 계산하기 위해 SFPE의 피난계산방법을 사용한다 (KFPA, 2005). Table 1에서 보는 바와 같이 유효면적에 대한 인원수를 나타내는 군중밀도가 가장 높아 최악의 환경이 조 성되는 F호를 가정하여 계산하고자 한다. 그러므로 군중밀도 가 0.54/m² 이상일 경우의 계산방법인 식(1)을 사용한다.

여기서,

필요피난시간 계산은 실제 운영되고 있는 해양플랜트 전 용생활부선의 거주구역을 대상으로 하였다. 단, 전체 인원이 하나의 선실구역에 거주하지는 않지만 비상상황 발생 시 모 이는 집합 장소를 가정하였다. 이때 비상구 폭은 일반적인 폭인 1 m로 하였으며 개수는 실제 조선소에서 건조된 전용 생활부선을 참조하여 3개로 하였다. Table 1은 실제 운용중 인 해양플랜트 전용생활부선의 세부 상세를 통하여 군중밀 도를 구한 것이다.

Table 1에서 보는 바와 같이 군중밀도가 가장 높은 F호(길 이 100 m, 폭 30 m)를 시뮬레이션 환경으로 지정하였다. Table 2는 식(1)을 이용하여 계산한 필요피난시간이다. 그리고 18 세에서 83세의 성인 150명을 대상으로 통로 및 계단의 경사 와 동요에 의한 보행속도를 검토하였다. 이때 종동요 및 횡 동요 모두에서 동요주기 증가에 따라 약 15 % 정도 감소됨 을 알 수 있었다(Kim et al., 2004). 그리고 유독가스를 포함한 연기의 소멸계수가 0.4이상일 경우 보행속도는 1/2로 감소된 다. 즉, 실제로는 피난시간이 상당히 증가될 것으로 판단된다.

3.2.유효피난시간 계산

3.2.1.개요

FDS는 화재로 발생하는 유체의 흐름을 계산하는 CFD모델 이다. 계산방법은 LES(Large Eddy Simulation) 또는 DNS(Direct Numerical Simulation)에 상관없이 보존방정식에 의해 예측 된다.

계산방식은 Navier-Stokes방정식이며 식(2)와 같다.

여기서,

3.2.2.환경 설정

AutoCAD를 이용하여 실제 운용 중인 해양플랜트 전용생 활부선의 바닥 면적 및 천장의 높이를 반영하여 제작하였 다. DXF 파일로 변환한 후 DXF2FDS 프로그램을 이용하여 FDS에서 원하는 파일로 변환하였다. 일반적인 해양플랜트 전용생활부선은 크레인, 잠수 및 예인지원 장비들을 적재하 는 장소와 거주시설이 동시에 존재하므로 폭은 변화 없이 30m로 지정하고, 길이는 바닥면적을 고려하여 32.4 m, 그리 고 높이는 조선소에 문의하여 실제 제작된 높이인 2.3 m로 시뮬레이션 공간을 제작하였다(Lee et al., 2010)

그리고 화재의 크기는 다양성을 고려하여 500 kW, 1 MW 로 설정하였다. 화원은 거주공간임을 고려하여 A급화재의 대표적인 목재로 설정하였으며 자세한 시나리오는 Table 3 과 같다.

또한, 화재 시 온도 및 가시거리 측정지점은 일반적인 사 람의 호흡위치인 1.5m로 하였다. 온도와 가시거리는 화재위 치에서 가장 거리가 먼 쪽의 피난구를 지정하였으며, 벽면 으로 X축 및 Y축에서 1m 떨어진 지점을 측정하였다. 선박 화재시 통풍을 차단하므로 별도의 제연시설은 설치되지 않 는 것으로 가정하였다. 그리고 연기의 이동을 제어하는 제 연경계벽은 y축으로 16m에 하나만 설치하였으며 계산 영역 의 규모와 자세한 위치는 Fig. 2와 같다.

3.2.3.화재 시뮬레이션 분석

화재발생에 따른 내부 거주자 생존율 향상의 결정원인은 내부 온도 및 가시거리에 의해서 좌우된다. 따라서 해양플 랜트 전용생활부선의 경우 화재발생시 거주자들의 생존율 에 직접적으로 영향을 줄 수 있는 유효피난시간을 산출하기 위해서 일반적인 선박에 적용되는 기준이 존재하지 않기 때 문에 육상에 적용되는 소방방재청고시 제2014-31호 소방시 설 등의 성능위주설계 방법 및 기준의 별표(1)의 내용을 기 준값으로 설정하였다. 즉, 대피 허용 한계값은 온도 60°C 이 내, 가시거리 5 m 이상으로 지정하여 적용하기로 하였다. Table 4

Table 5에 의하면 기존 해양플랜트의 천장의 높이가 2.3 m 일 경우에 대하여 화재시뮬레이션을 수행한 결과 500 kW의 크기에서는 60°C에 도달하는 시간은 114초, 5 m에 도달하는 시간은 147초, 1 MW의 크기에서는 60°C에 도달하는 시간은 51초, 5 m에 도달하는 시간은 63초로 나타났다. Table 2에서 밝힌 바와 같이 필요피난시간은 160초로서 해양플랜트 전용 생활부선 거주자들이 모두 피난하기 전에 대피허용한계값 에 도달하였다.

4.해양플랜트 전용생활부선 거주자의 인명 생존율 향상을 위한 제안

4.1.구조개선

4.1.1.피난구 폭 증가

이 절에서는 해양플랜트 전용생활부선 거주공간의 구조를 개선하여 필요 피난시간을 감소시키는 방법에 대해 분석하 였다. 이 연구에서는 피난구의 폭을 1 m를 기준으로 최대 3 m 로 하였다. Table 5는 이러한 설정에 따른 필요피난시간을 계 산한 것이다. 단, 피난구의 수에 따른 계산은 피난구의 위치, 군중들의 위치 등을 고려하지 않고 산술적으로 계산하였다. 이때 피난구의 수를 3개로 지정하고, 폭을 기존 1 m에서 2 m 로 확장할 경우 필요피난시간은 138초, 유효피난시간은 160 초를 초과하지 않아 해양플랜트 종사자들의 생존율 향상에 상당한 도움이 되는 것으로 확인되었다. Table 6

4.1.2.거주구역 높이 증가 및 제연경계벽 설치

화재 발생 시 생존은 온도 및 가시거리로 판단한다. 화재 의 특성상 이러한 요소는 천장에서 하강하므로 유효피난기 산을 증가시키기 위해 거주구역 높이를 증가하여 분석하고 자 한다. 그 결과 화재의 크기가 500 kW일 때 거주구역의 높 이가 2.3 m에서 1 m 높아진 유효피난시간이 3.3 m일 경우 온 도는 16초, 가시거리는 20초 증가하였다. 특히, 2 m 증가된 4.3m에서는 유효피난시간이 온도는 76초, 가시거리는 48초 증가하였다. 화재의 크기가 1 MW일 때는 높이가 온도 상승 제어에 미치는 영향은 미미하였으나 가시거리의 경우 유효 피난시간이 45초 증가함을 알 수 있었다. Table 7

화재가 발생할 경우 선실내부의 가연성 물질에 의해서 연 기와 유독가스가 증가하게 되며, 이러한 뜨거운 연기와 유 독가스는 공기보다 가볍기 때문에 상부쪽 천정을 타고 이동 하게된다. 이때 이러한 연기와 유독가스이 이동을 막기 위 해서 고정된 형태로 천장 중간에 제연경계벽(Draft Curtain)이 라는 칸막이를 설치하여 연기와 유독가스의 이동 속도를 줄 일 수 있다. 제연경계벽은 온도 및 연기의 유동을 막는데 효 과가 있으므로 육상의 경우 많은 곳에 설치되어 있다. 그러 나 해상의 경우 설치가 되어 있지 않으며, 저비용으로 생존 율을 향상하기 위해서 이 연구에서 제안하고자 한다. 그 결 과 화재의 크기가 500 kW일 때 제연경계벽의 길이가 30 cm 일 경우 가시거리는 28초, 1 MW일 때는 33초 증가하였다. 그 리고 10 cm 길어진 40 cm일 경우 화재의 크기가 500 kW일 때 31초, 1 MW일 때는 33초 증가하였다. Table 8 , 9

4.2.안전설비 설치

이 절에서는 해양플랜트 전용생활부선에 스프링클러 (sprinkler)의 설치가 인명 생존율 향상에 미치는 영향에 대 해 검토하였다. 현재 해양플랜트 전용생활부선은 선박에 준 하여 소방설비가 설치되고 있는 실정이므로 스프링클러는 설치되고 있지 않다. 선박의 경우 국제항해에 종사하는 여 객선의 경우는 스프링클러를 설치하고 있지만 대부분의 선 박은 스프링클러가 설치되어 있지 않다. 그러나 해양플랜트 전용생활부선은 선원이 아닌 일반 시운전 종사자들을 포함 하여 많은 인원이 승선하고 있으므로 여객선과 동일한 기준 을 준용할 필요가 있다고 판단된다. 이러한 이유로 이 연구 에서는 스프링클러 설치를 제안하고자 하며 규정은 선박소 방설비기준을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 선박소방 설비기준에 규정된 설치방법은 1개의 스프링클러노즐에 의 해 보호되는 바닥면적은 16 m² 이하, 상호 거리는 4 m 이하 로 규정하고 있다. Fig. 3은 이 규정을 이용하여 제작된 스프 링클러 설치 구성도이다. 스프링클러의 종류는 FDS에서 지 원하는 모델을 사용하였다.

화재시뮬레이션 수행결과 Table 10에서 보는바와 같이 500 kW의 화재크기에서는 온도 및 가시거리 모두에서 대피 허용한계값을 초과하지 않았다. 1 MW에서는 온도의 경우 60°C에 도달하지 않았고, 가시거리는 363초 후에 5 m에 도 달하였다. 그러나 필요피난시간이 160초이므로 대피허용한 계값 이내이므로 피난 안전에 문제가 없는 것으로 확인되 었다.

5.결 론

앞서 언급한 바와 같이 해양플랜트 전용생활부선에는 해 양플랜트공사를 완성하기 위해서 다양한 국적, 종교, 인종의 특성을 갖고 있는 많은 인원이 거주하고 있으므로 비상상황 이 발생할 경우 인명 안전에 대한 관심이 높아질 수 밖에 없 다. 이러한 이유로 해양플랜트 전용생활부선의 구조개선 및 안전설비 설치 등의 개선을 통하여 거주자들의 인명 생존율 을 향상시키기 위한 방안을 시뮬레이션 결과로 통해 확인할 수 있었다. 해양플랜트 전용생활부선 거주자들의 인명 생존 율 향상을 위한 필요피난시간분석과 화재시뮬레이션을 통 한 유효피난시간을 분석한 결과는 아래와 같다.

향후 인명 안전과 해양플랜트 건조 경제성을 고려한 인원 대비 적정 구조에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.