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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)
Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.27 No.5 pp.683-690
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2021.27.5.683

A Numerical Study on Smoke Behavior of Fishing Vessel Engine Room

Ho-Sung JANG*, Sang-Won JI**
*PhD Candidate, Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea
**Professor, Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University, Busan 48513, Korea

* First Author : ykhc15@pknu.ac.kr, 051-629-6196


Corresponding Author : jsw@pknu.ac.kr, 051-629-6196
August 6, 2021 August 23, 2021 August 27, 2021

Abstract


The ventilation system of the engine room of a ship is generally installed to supply the combustion air necessary for the internal combustion engine and to remove the heat source generated in the engine room, and it must satisfy the international standard (ISO 8861) for the design conditions and calculation standards for the ventilation of the ship engine room. The response delay of the ventilation system including the fire detector is affected by the airflow formed inside the area and the location of the fire detector. In this study, to improve the initial fire detection response speed of a fire detector installed on a fishing vessel and to maintain the sensitivity of the installed detector, the smoke behavior was simulated using the air flow field inside the engine room, the amount of combustion air in the internal combustion engine, and the internal pressure of the engine room as variables. Analysis of the simulation results showed that reducing the flow rate in the air flow field and increasing the vortex by reducing the internal pressure of the engine room and installing a smoke curtain would accelerate the rise of the ceiling of the smoke component and improve the smoke detector response speed and ventilation system.



어선 기관실의 연기 거동에 관한 수치해석 연구

장 호성*, 지 상원**
*부경대학교 기계시스템공학과 박사과정
**부경대학교 기계시스템공학과 교수

초록


선박 기관실 통풍 설계조건 및 계산 기준에 관한 국제 표준(ISO 8861)을 만족해야 하는 선박 기관구역의 환기시스템은 일반적 으로 내연기관에 필요한 연소공기의 공급과 기관구역에서 발생한 열원을 제거하기 위해 설치되며 화재감지기가 포함된 환기시스템의 응 답지연은 구역 내부에 형성된 기류와 화재감지기의 설치 위치에 영향을 받는다. 어선에서 발생하는 화재는 상선과 비교하여 인명피해 가 능성이 높으므로 화재 조기 감지가 무엇보다 중요하다. 따라서 본 논문에서는 어선에 설치되는 화재 감지기의 초기 화재감지 응답속도 향상과 설치된 감지기의 감도 유지를 위해 기관구역 내부에서 발생한 정량적 연기량에 따른 공기 유동장, 내연기관 연소 공기량 및 기관 구역 내부 압력을 변수로 연기 거동 시뮬레이션이 가능한 해석모델을 구성하여 선박 기관구역 내부의 연기 거동을 시뮬레이션하였다. 시 뮬레이션 결과를 통해 기관실 내부 압력을 감소시키고 연기커튼 설치를 통해 공기 유동장에서의 유속을 감소시키고 와류를 증가시키면 연기 성분의 천장 상승이 가속화되어 연기감지기 응답속도 및 환기시스템이 개선될 수 있을 것으로 해석되었다.



    1. 서 론

    디젤기관 추진 선박에서의 기관실 통풍 설계조건 및 계산 기준에 관한 국제 표준(ISO, 1998)을 만족해야 하는 선박 기 관구역의 환기시스템은 내연기관에 필요한 연소공기의 공 급과 기관구역에서 발생한 열 제거를 위해 설치되며 화재감 지기가 포함된 환기시스템의 응답지연은 구역 내부에 형성 된 기류와 화재감지기의 설치 위치에 영향을 받는다.

    2019년 제주에서 발생한 대성호 화재 침몰사고는 상대적 으로 인명피해 발생률이 높은 어선에서의 화재 조기 감지가 중요함을 재인식하는 계기가 되어 대한민국 정부는 어선의 화재 경보장치와 선원실 조난버튼 설치 의무화 등의 어선 사고 예방 및 저감 대책을 수립하여 2020년에 근해 어선 2,700 척에 화재감지기를 무상 보급한 바 있다(Ryu, 2019).

    상선 및 다중 이용시설의 화재 및 연기 거동에 관한 선행 연구들을 살펴보면 Lee는 연기감지기 설치 위치 권고를 위 해 초대형 원유 운반선의 기관실 내부 공기유동 해석과 국 부적인 연기 감지 실험을 수행하였다(Lee and Seo, 2004). Koo 는 실제 운항하는 9,000 TEU급 컨테이너 선박에서 엔진 부하 에 따른 기관실 내부 차압 특성의 변화를 실측하여 국제규정 에 부합하는 설계 필요성을 제기하였으며(Koo et al., 2009), Horng은 통풍량 설계를 최적화하여 이를 실측한 풍량과 비 교하였다(Horng and Shaw, 2017). Choi는 천장형 에어컨의 기 류가 화재감지기의 응답지연을 초래하게 되므로 감지기의 개수를 늘리거나 감도를 높여야 한다고 판단하였다(Choi and Lee, 2018). Zanzi는 대형 상업건물 화재를 모사하기 위해 FDS(Fire Dynamics Simulator)와 Ansys Fluent 등의 전산유체해 석 소프트웨어를 사용하여 공기유동이 발생한 구역 내부의 연기 거동을 비교 분석하였다(Zanzi et al., 2019). Giannoutsos 는 가변 주파수 드라이버를 이용해 환기시스템의 효율 향상 과 에너지 절감을 위한 연구를 수행하였다(Giannoutsos and Manias, 2016). Lu는 항공기 화물창 내부 화재에서 환기량에 따른 화재 특성 변화 및 연기성분의 농도 분포를 연구하였 다(Lu et al., 2017). Chen은 실험과 전산유체역학을 이용하여 정량적인 연기 거동과 감지기의 응답속도에 관하여 연구하 였다(Chen et al., 2020). Lee는 연기감지기 내부 챔버의 오염 도와 풍속에 따른 응답 특성을 연구하여 연기감지기는 구역 형상 및 공기 기류를 고려하여 설치되어야 하고, 오염에 따 른 응답지연이 발생하므로 화재감지기 감도 유지의 중요성 을 제언하였다(Lee et al., 2017). Roh는 FDS를 이용하여 터널 화재를 모의하여 기계식 환기장치가 설치된 구역에서 대피 요구시간이 400초가량 증가함을 보고하였다(Roh et al., 2009). Yuen은 대형 아트리움의 화재에서 연기제어를 위한 연기커 튼(smoke curtain)의 유무에 따른 인명 대피시간을 전산유체 해석을 이용하여 검증하였다(Yuen et al., 2019).

    전술한 다중이용시설과 상선을 대상으로 한 다수의 선행 연구와 달리 설비 규정 등이 상이하여 상대적으로 화재에 보다 취약한 어선 기관구역에서의 화재 및 연기 거동에 관 한 연구는 보고된 바 없었다.

    따라서 본 논문에서는 어선에 설치되는 화재 감지기의 초 기 화재탐지 응답속도를 높이고, 설치된 감지기의 감도 유 지를 위해 기관구역 내부에서 발생한 정량적 연기량에 따른 공기 유동장, 내연기관 연소 공기량 및 기관구역 내부 압력 을 변수로 연기 거동 시뮬레이션이 가능한 해석모델을 구성 하여 어선 기관구역 내부의 연기 거동을 해석하고자 한다.

    2. 기관구역 환기시스템

    2.1 해석대상

    어선 기관구역의 환기시스템 모델링을 위해 본 연구에서 는 Fig. 1에 나타낸 부경대학교 실습선 가야호를 대상 선박 으로 선정하였다. 대상 선박인 가야호는 선미 트롤식으로 선미에 어구를 다루기 위해 슬립웨이가 있고 상부에 육교형 의 갤로스가 있는 형태로 건조되어 국내법상으로는 어선으 로 분류되고 국제협약상으로는 특수목적선으로 각각 분류 된다(Ryu, 2017). Table 1에 대상 선박의 제원을 나타내었다.

    2.2 형상 모델링

    디젤기관추진 선박에서의 기관실 통풍에 관한 설계조건 및 계산 기준에 따르면 주 추진기기, 보일러, 디젤발전기 및 주요 전자 기기 등을 포함하는 폐위된 공간으로 기관실 을 정의한다. 그러나 대상 선박의 환기시스템에서 흡입된 공기는 국제표준에서 정의된 기관실 외에도 실습 기관사 실, 축계실에도 공급되며 공급된 공기는 배기관, 연돌 배기 구 및 3번 배기용 송풍기를 통해 배출된다. 따라서 기관실 및 연돌을 포함한 공간을 해석 대상으로 선정하였고, 이를 Fig. 2에 나타낸다. Fig. 2에 나타낸 해석대상 기관구역을 3 차원 형상으로 환산하여 Fig. 3에 나타낸다. Fig. 3에 나타낸 형상은 설계도의 축척비를 이용하여 실제 크기로 환산하여 형상화하였으며 연돌을 포함한 기관실의 총 부피는 750.86 [m3]이다.

    2.3 수치격자 및 경계조건

    기관실 내부 압력 변화에 따른 공급 공기의 유량 변화를 과도해석의 경계조건으로 적용하기 위해 주어진 송풍기의 유량-압력 성능곡선을 이용하면 2차 다항식으로 보간된 식 (1)을 얻을 수 있고 유속 υ [m/s]에 대한 압력 p [Pa]의 변화 율은 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

    p = 1.41 υ 2 34.81 υ + 991.74
    (1)

    d p d υ = 2.83 υ 34.81
    (2)

    기관실 환기시스템 및 연기 거동 수치해석에서 사용된 주 요 파라미터를 Table 2에 나타내었다.

    식(2)와 Table 2의 주요 파라미터를 이용하여 200만 개, 300만 개, 450만 개, 700만 개의 tetra 격자들로 구성된 격자계 를 각각 생성하여 격자의존도 검사를 수행하였고 격자수 300만 개 이상의 경우에서 연돌 배기구 출구속도가 9.8 [m/s] 에 수렴하는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 4 에 나타낸 바와 같이 377만 개의 tetra 격자로 격자계를 구성 하여 수치해석을 수행한다.

    2.4 시뮬레이션 및 시나리오

    본 연구의 해석대상인 기관실에서 발생되는 정량적인 연 기 거동에 영향을 미치는 주요 요인은 내연기관에서 사용되 는 연소공기량 및 배기용 송풍기의 운전으로 인한 공기유동 장의 변화로 추정된다. 따라서 기관구역 내 사용되는 공기 량을 특정하기 위해 발전기관 운전 유무와 정박, 항해 및 배 기 송풍기의 운전 유무에 따른 6개의 시나리오를 선정하였 고, 이를 Table 3에 나타낸다.

    본 연구에서는 복잡한 연소과정을 생략하여 완전연소 기체로 단순화하고, 정상상태 해석 결과를 과도상태 해석 에 적용하여 0.01초 간격으로 60초 동안 시뮬레이션을 각각 수행하였다. 시뮬레이션에서 유동 특성을 기술하는 지배방 정식은 연속 방정식, 운동량 방정식이 사용되었고 난류 유 동 모사를 위해 k - ϵ 난류 모델이 적용되었다(ANSYS Inc., 2009). 시뮬레이션은 12 core, 24 thread를 가지는 CPU(Ryzen 9 3900X, AMD)와 64GB 메모리가 장착된 PC에 설치된 Ansys CFX를 이용하였고, 총 해석에 510시간이 소요되어 1개의 시 나리오를 해석하는데 평균 3.5일이 소요되었다.

    3. 수치해석 결과

    3.1 압력 및 속도장 해석

    Tabel 4에 송풍기 가동 유무에 따른 송풍기 입구 및 연돌 배기구에서의 공기의 평균 유속 결과를 나타내었다. Table 4 와 Fig. 3에서 i1, i2는 각각 1, 2번 송풍기 입구 위치를 의미 하고 o1은 연돌 배기구 위치를 의미한다. 내연기관에서 소모 되는 연소공기량의 증가로 인해 Table 4에 나타낸 Case 5의 총 공급 공기량은 Case 1과 비교하여 9.2 % 증가하였으며 이 는 시뮬레이션에서 송풍기 성능곡선에 따라 유량이 정상적 으로 변화하고 있음을 의미한다.

    Fig. 5에 관심 해석영역인 기관실 공기 유동장으로 형성된 소각기 상부 평면의 공기 속도백터를 나타낸다. Fig. 5에서 Fig. 3에 나타낸 Point a (0, -10, 6) 에서의 Case 1, 3, 5의 유속 은 0.52~0.34 [m/s], Case 2, 4, 6의 경우에는 배기용 송풍기 운 전의 영향으로 기관실 내부 압력이 감소하고 3rd 데크 상부 층 기류가 증가하여 유속이 1.50~1.27 [m/s]로 계산되었다.

    Table 3의 시나리오를 적용한 기관구역의 공기 유동장 및 압력장 해석결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a), (c)로부 터 연돌 배기구 출구에서의 최대 속도는 Case 1에서 18.41 [m/s]으로 나타났고 최소 속도는 Case 6에서 3.19 [m/s]로 계 산되어 배기용 송풍기 운전 유무와 연소공기량 변화량에 따 라 연돌 배기구 출구 속도의 차이가 비교적 크게 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한 Fig. 6의 (b), (d)로부터 기관구역 평 균압력 최대치는 Case 1에서 256.1 [Pa]으로 나타났고 최소치 는 배기용 송풍기가 운전 중인 Case 6에서 35.9 [Pa]로 계산 되어 Case 6의 경우에서만 ISO 8861 관련 기준을 만족하였 고, 배기용 송풍기가 정지된 상태(Case 1, 3, 5)에서의 기관구 역 내부 압력은 해당 국제표준의 기준치보다 3.8~5.1배 초과 하는 것으로 계산되었다.

    3.2 연기의 과도상태 유동 해석

    Fig. 7에 연기의 과도상태 유동 해석을 위한 기준위치를 나타낸다. Fig. 7에서 Ponit 1은 격벽으로부터 연기감지기의 최소이격거리인 0.5 [m]에 해당되는 지점을 나타내고, Point 2는 이산화탄소와 수증기의 최대 질량농도를 보이는 지점들 의 좌표를 평균화한 지점을 나타낸다. 또한 Line 1과 Line 2 는 Point 1과 Point 2를 각각 Z축 방향으로 0.8 [m] 연장한 연 장선을 의미한다.

    기준위치 Point 1과 Point 2에 대한 과도상태 해석 결과를 Fig. 8에 나타낸다. Fig. 8(a)(b)에는 Point 1과 Point 2에 서 시간에 대한 이산화탄소 질량농도 변화를 각각 나타내었 고, Fig. 8(c)에는 XY 평면(Z=8.8 [m])에서 이산화탄소와 수 증기가 최대 질량농도를 보이는 좌표들의 분산을 나타낸다. Fig. 8(d)에는 Case 1과 Case 6의 시간에 따른 연기성분을 시각화하여 나타내었다.

    Fig. 8(a)(b)의 결과로부터 소각기 상부에서 발생한 이산화탄소는 약 3.0~5.0초 이후 Point 1과 Point 2를 통과하는 것으로 관찰되었다. Case 1의 경우, Point 1을 기준으로 약 40.5 초 경과하여 6.85·10-4 [kg/m3]의 최대 질량농도가 관측되 었고, Point 2에서는 8.5 초 경과한 후에 이보다 약 1.2 배 높 은 질량농도가 확인되었다. 배기용 송풍기가 정지(Case 1, 3, 5) 중에는 이산화탄소 평균 질량농도가 Case 5의 Point 1에서 9.91·10-5 [kg/m3]으로 가장 낮았고, 최대치는 Case 3의 Point 2 에서 2.03·10-4 [kg/m3]으로 나타났다. 배기용 송풍기가 운전 (Case 2, 4, 5) 중에는 Case 4의 Point 1에서 1.01·10-4 [kg/m3]의 최소치를 보였고, Case 4의 Point 2에서는 최소치의 1.9 배 이 상인 1.93·10-4 [kg/m3]으로 가장 높았다. 결과적으로 Case 1~6 에서 Point 2가 Point 1보다 이산화탄소 평균 질량농도가 평 균 1.43 배 높은 것으로 해석되었다. 이는 소각기에서 발생 한 연기성분이 배출 지점 인근인 Point 2에 도달하여 상부 천장에서 발생하는 와류의 영향을 받는 것으로 해석된다.

    Fig. 8(c)로부터 기관구역의 내부 압력이 가장 높은 Case 1에서 X축, Y축에 대한 분산이 각각 0.82, 3.86으로 계산 되었고, 내부 압력이 가장 낮은 Case 6에서는 X축, Y축에 대 한 분산이 각각 0.46, 1.94로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 배기용 송풍기의 운전으로 기관실 내부 압력이 감소하여 소 각기 상부에 형성되는 공기 유동장이 단순화되기 때문으로 사료된다.

    Fig. 9에 Line 1과 Line 2에 대한 과도해석 결과를 나타낸 다. Fig. 9(a)로부터 Line 1에서 천장(8.8 [m]) 지점을 기준 으로 Case 1은 6.0 초, Case 3과 5는 4.0 초에 각각 이산화탄소 가 최초 검출되기 시작하였고, Case 2, 4, 6은 3.0 초에 이산 화탄소가 최초 검출되기 시작하였으나, 공통적으로 높이에 따라 최초 검출시점이 변하는 것을 알 수 있다. Fig. 9(b) 로부터 Line 2에서 천장(8.8 [m]) 지점을 기준으로 Case 1, 3, 5는 6.0 초에 이산화탄소가 검출되기 시작하였고 Case 2, 4, 6 은 3.0 초에 이산화탄소가 최초 검출되기 시작하였으나, Fig. 9(a)와 마찬가지로 공통적으로 높이에 따라 최초 검출시 점이 변하는 것을 알 수 있다. 따라서 상부층 유동을 교란시 키는 S10 번 덕트 및 배기용 송풍기를 철거하고 연돌 배기 구의 면적을 증가시켜 구역 내부의 압력 및 유속 감소를 통 해 공기 유동장을 단순화시키는 형태의 환기시스템 개선이 필요한 것으로 사료된다.

    3.3 연기 감지기 응답속도 향상 방안

    일반적으로 연기커튼은 화재시에 화재 대피시간 확보를 위해 설치되고 있다. 어선 화재에서 화재 발생지점을 정확 히 예측하는 것은 곤란하나 발생된 연기가 연돌 배기구로 배출되는 것은 명확하다.

    Fig. 6(a)(c)의 결과로부터 소각기 상부층은 덕트가 다수 설치되어 있는 하부층보다 공기 유동장을 예측하기 용 이하며, Fig. 8(d)에 나타난 바와 같이 발생된 연기가 수직 으로 상승하지 못하고 형성된 압력구배를 따라 연돌 배기구 및 배기용 송풍기를 통하여 배출됨을 알 수 있다. 따라서 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 기관실 내부 압력구배에 큰 영향 을 미치지 않도록 적절히 연기커튼을 설치하면 연기커튼에 의해 와류가 증가하므로 연기감지기 응답속도를 개선할 수 있을 것으로 사료된다.

    4. 결 론

    어선에서 발생하는 화재는 상선과 비교하여 인명피해 가 능성이 높으므로 화재 조기 감지가 무엇보다 중요하다. 다 중이용시설과 상선을 대상으로 한 다수의 선행 연구와 달리 상대적으로 화재에 취약한 어선에서의 화재 및 연기 거동에 관한 연구는 보고된 바 없었다.

    따라서 본 논문에서는 어선에 설치되는 화재 감지기의 초 기 화재감지 응답속도 향상과 설치된 감지기의 감도 유지를 위해 기관구역 내부에서 발생한 정량적 연기량에 따른 공기 유동장, 내연기관 연소 공기량 및 기관구역 내부 압력을 변 수로 연기 거동 시뮬레이션이 가능한 해석모델을 구성하여 선박 기관구역 내부의 연기 거동을 해석하였다. 어선 운용 형태와 강제 배기시스템의 운전 유무에 따라 변하는 연소공 기량을 특정하기 위하여 총 6개의 시나리오(Case 1~6)에 대 한 실 규모 어선 기관실 환기시스템을 모델링하여 연기거동 에 대한 해석 결과를 분석하였고 요약하면 다음과 같다.

    첫째, 기관실 내부 압력은 ISO 8861에서 규정한 50.0 [Pa] 이하를 만족하여야 하나 Case 6의 경우에만 해당 기준을 만 족하였고, 특히 Case 1의 경우에는 기관실 내부 압력이 기준 치보다 5.1 배 높은 것으로 나타났다. 둘째, 시간 경과에 따 른 이산화탄소 최대질량농도는 공통적으로 기관실 내부 압 력이 낮아짐에 따라 감소하였으며 압력구배와 와류의 영향 으로 인해 소각기에서 발생된 연기 중에 일부는 상부 천장 으로 상승하나, 상승하지 못한 연기는 배기용 송풍기를 통 해 대기로 배출되고 있는 것으로 예측되었다. 셋째, 따라서 기관실 내부 압력 및 공기 유속을 감소시키고 적절히 연기 커튼을 설치하여 와류를 증가시키면 연기 성분의 천장 상승 이 가속화되어 연기감지기 응답속도 및 환기시스템 개선이 가능할 것으로 판단된다.

    일반적으로 어선의 선형 및 기관구역은 용도별 톤수가 규 격화되어 있으므로 화재감지기 설치 위치의 선정을 위해 본 연구에서 선정한 모델과 수치해석 결과가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    후 기

    이 논문은 부경대학교 자율창의학술연구비(2019년)에 의 하여 연구되었음.

    Figure

    KOSOMES-27-5-683_F1.gif

    Schematic of target vessel.

    KOSOMES-27-5-683_F2.gif

    Analysis domain of engine room.

    KOSOMES-27-5-683_F3.gif

    3D modeling of engine room.

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    Mesh metric for simulation model.

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    Vector plot of velocity for all cases.

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    Stream line and pressure distribution.

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    Analysis point for scenario of simulation.

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    Analysis of smoke movement according to the time.

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    Distribution of CO2 mass concentration according to analysis points

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    Example of smoke curtain application plan.

    Table

    Ship specification of fishing vessel

    Parameter & boundary condition summary

    Simulation scenario for smoke movement

    Calculated average air velocity [m/s]

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