KR20070086362A - 위험 물질 저장소 내에서 본질적으로 제어되지 않는 화재의최종적인 결과들을 제한하는 장치 - Google Patents
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Abstract
제한 장치(10, 11)는, 가스 파이프(46)와, 액체(26)를 포함하는 밀폐 탱크(28)와, 내연성 차폐물(29)과, 상기 탱크(80) 내의 액체의 높이를 제어하는 시스템을 구비한다.
탱크(28)는 상기 가스 파이프(46)를 통해 저장 용기(4)와 직접 연결되는 적어도 하나의 내부 챔버(54)와, 상기 탱크(28)의 상부 개구부(36)를 통해 봉쇄 포장(2)에 직접 연결되는 적어도 하나의 외부 챔버(62)를 구비한다.
본 발명은 봉쇄 포장(2)에 내장된 저장 용기(4) 내의 대형 화재를 제어하는 것에 실패하는 최종 결과를 제한하는 데 적용된다.
Description
본 발명은 화재에 의한 결과를 제한하기 위한 장치의 분야에 관한 것으로, 화재가 번지지 않도록 보장한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 화재시에 핵물질, 화학적 또는 바이러스학적 생성물과 같은 위험 물질을 수용하고 봉쇄하는 설비에 적용되는 장치에 관한 것이다.
위험 물질을 수용하고 봉쇄하는 설비에서의 주된 쟁점들의 하나는, 위험 물질을 사람, 환경, 주민 및 더욱 특별하게는 상술한 설비를 조작하는 직원에게 전달시키는 위험이 없도록 보장하는 것이다.
위험 물질은 포장되어, 저장 용기(storage bin)로 알려져 있는 누출 차단 장치에 수용된다. 환경 보호에 대한 규정은 저장 용기의 누출 차단에 대한 만일의 잠재적인 실패에 관한 허용 공차를 만들 것을 요구한다. 위험 물질을 자연 환경으로부터 분리시키기 위한 목적으로 두 가지의 부가적인 보호 원칙을 적용하는 것이 일반적이다.
첫 번째 원리는, 방어벽 중의 하나가 고장나는 결과를 제한하기 위해 복수 개의 정적 방어벽(static barriers)을 배치하는 데 있다. 저장 용기는 봉쇄 포장 내에 매립되어, 그 자체가 외부로부터 격리된다. 이와 같은 봉쇄 포장은 제2의 보호용 방어벽의 기능을 수행한다. 저장 용기와 봉쇄 포장은 누출 차단 격벽(bulkheads)과, 누출 차단 문을 구비함으로써 누출을 차단하도록 제작된다.
두 번째 원리는, 기계적 환기를 이용하는 동적 봉쇄 시스템(dynamic containment system)을 형성하는 데 있다. 기계적 환기는 설비의 외부로부터 저장 용기를 향하는 음의 압력의 폭포를 생성하여 정적 방어벽 내에서의 기밀성 부족을 극복한다. 봉쇄 포장과 저장 용기의 각각은 외부로부터 유입되는 공기를 송풍하기 위한 네트워크와 공기를 외부를 향해 배출하는 네트워크로 이루어지는 독립적인 환기 시스템을 구비한다. 환기 시스템은 위험한 장치들을 음압으로 유지함으로써 봉쇄 기능에 부가하여 위험 물질의 유형에 맞추어진 정화 필터에 의해 환기(시간당 체적 정도의) 및 정화의 기능을 제공한다. 이와 같은 기능들은 위험 물질을 주위에 전달하는 위험을 제한하기 위해 저장 용기와 봉쇄 포장의 분위기를 청결하게 유지하는 데 보조한다.
그러므로 위험 물질을 수용하는 것은 단일의 보호용 방어벽에 제한되지 않는 완전한 설비의 사용을 요구한다. 상술한 두 개의 보호용 원리들이 정상 작동에 있어서 충분한 것으로 여겨진다면, 지진 및/또는 화재와 같은 비상의 상황을 위해 허용 공차가 만들어질 필요가 있다. 이는 안전 당국에 의해 건물에 대한 엄격한 분석 및 규칙이 정해지는 위험 물질 저장의 분야에서 특별히 그러하다.
어떤 경우, 화재 위험 분석(fire risk analysis)은, 화재 구역 장치 내에 서, 즉 화재 저항성(fire resistance)에 있어서 적절한 격벽을 구비하는 장치 내에서 제어되지 않는 대형 화재(mass fire)를 에워싸는 시나리오의 고려에 이른다. 이와 같은 시나리오의 형성은 정화 필터와 같은 정화 장치들의 작동 수명이 감소되는 것에 다다른다. 예를 들어, 핵 분야에 있어서 가장 효과적인 고성능의 필터들은 200 ℃에 맞추어진다. 그리고 화재 댐퍼(fire damper)에 의해 환기는 정지되며 고립되어야 한다. 핵분야에 있어서 가장 효과적인 화재 댐퍼는 2,100 Pa 의 압력 강도로 맞추어진다. 저장 용기의 이와 같은 분리는 화재가 발생한 경우 특별한 부가적인 설비가 없다면 정적 봉쇄을 파괴할 수도 있는 압력을 축적하기에 이른다. 이러한 파괴는 환경에 대해 용인할 수 없는 결과를 초래할 수도 있다.
화재가 진행하는 데 필요한,'화재의 삼요소(fire triangle)'라고 알려진 성분들을 통해 화재 위험을 분석하는 것은 실제로 다음과 같은 결과를 가져온다. 저장 용기 내에 존재하는 위험 물질과 장비는 연료를 구성하고, 저장 용기 내에 존재하는 공기와 저장 용기 환기 시스템의 송풍 네트워크에 의해 유입되는 공기는 산화제를 의미한다. 이와 같은 접근법에 있어서 화재의 삼요소에서 저장 용기 내에 초기 화재가 촉발되도록 하는 점화 에너지만이 빠져 있다. 기본적인 핵 설비의 관점에서 화재에 대한 법정 접근법에서의 최근의 변화들은 사실상 점화가 결정론적으로 가정되어야 함을 규정한다. 그러므로 저장 용기 내에서의 화재의 시작과 형성의 고려를 허용하도록 모든 요소들이 사용된다.
나아가, 수용되는 물질의 위험한 특성은 어떤 경우에 소방대원들이 저장 용기 내에서 작업하는 조건과 원격 소화 시스템을 사용하는 가능성에 제한을 준다. 이러한 상황에서 화재를 신속히 제어하는 것을 보장하지 못하는 것은 우리로 하여금 화재가 전체의 저장 용기로 번질 수 있음을 고려하도록 한다.
최근, 제한된 공간에서의 화재에 대해 습득된 지식은 화재의 형성에 있어서 도 1의 곡선에 도시된 세 가지 연속적인 단계를 확립하는 것을 가능하게 한다. 도 1은 유해 물질을 수용하고 봉쇄하는 저장 용기 내에서 제어되지 않는 대형 화재의 이론적인 압력 곡선으로, X 좌표축은 시간(T)에 대응하고, Y 좌표축은 압력(P)에 대응한다.
도 1에서 식별 번호 200에 의해 표시된 제1 단계는 화재 형성 단계이다. 이 제1 단계(200)는 산화제가 제한적이지 않은 단계에 대응된다. 저장 용기 내에 소화 시스템이 없는 경우, 압력과 온도에 의해 이루어지는 열역학적인 상태는 화재가 변화하는 정도에 의존한다. 압력(P)은 화재가 시작하는 순간(202)으로부터 초기 음의 압력(204)의 음의 값으로부터 화재의 세기의 높이에서의 최대 과도압력(206)까지 증가한다. 저장 용기 내에서의 수백도와 수만톤의 파스칼에 이르는 온도 및 압력의 신속하고도 상당한 증가는, 저장 용기와, 주위와의 격리를 위한 저장 용기의 설치와, 특별히 저장 용기의 화재 댐퍼 및 필터들과, 화재 분할 설비들과, 특별히 저장 용기의 격벽들과 누출 차단 문들의 정적인 봉쇄의 완전성에 불신을 가져올 수도 있다.
이러한 극한적인 조건들은 위험 물질이 봉쇄 포장을 향하여 퍼지게 하고, 화재가 설비의 다른 부분으로 번지게 하는 위험을 촉발한다. 화재가 감지되자마자 저장 용기의 송풍 네트워크의 자동 차단하면 존재하던 산소만이 화재에 의해 소모 되므로 저장 용기 내에서의 화재의 형성을 제한한다. 그 이후, 화재는 저장 용기 내에 존재하는 산화제에 의해 제한되고, 더 이상 연료에 의해 제한되지 않는다.
도 1에서 식별 번호 208에 의해 표시되는 제2 단계는 소화하는 단계이다. 이와 같은 제2 단계(208)는 화재의 세기가 산화제의 부족에 의해 제한되는 동안의 주기에 대응된다. 소화는 온도를 떨어뜨리고, 그로 인해 압력을 수천 파스칼의 정도의 음의 압력 값(216)으로 현저히 감소시킨다. 저장 용기 내의 이와 같은 상당한 음의 압력은 화재의 심한 조건에 의해 이미 손상된 구조의 완전성에 불신을 가져올 수도 있다. 소화 단계(208) 동안, 일단 저장 용기 내의 압력이 음이 되면, 손상된 구조를 통과하는 공기의 유입은 화재 재점화의 위험을 일으킬 수도 있다.
도 1에서 식별 번호 212로 도시된 제3 단계는 화재 재개 단계이다. 제2 단계(208)에서 설명된 산화제의 유입이 이루어지면, 화재 재개 단계가 저장 용기 내에서 발생할 수 있다. 그러므로 새로운 소화 및 재점화 주기가 재점화(214)에서의 최대 과도압력과 소화(216)에서의 최대 음의 압력의 사이에서 촉발되는데, 이는 압력과 온도의 형성에 대응되므로 주위를 향한 가능한 방출에 대응된다. 그러나 새로운 화재 주기의 조건은 제1 단계(200)보다 덜 심한데, 이는 이전의 단계에서 발생한 손상으로 인하여 저장 용기 내에 존재하는 산소의 양이 제1 단계(200) 동안보다 적기 때문이다.
이러한 내용이 비록 가상의 시나리오이지만, 저장 셀 내에 어떠한 발화원이 존재하지 않는다면 다음과 같은 종류의 화재의 결과, 즉 위험 물질의 주위에 대한 잠재적인 방출과, 설비의 다른 부분으로의 화재의 잠재적인 번짐과, 환경과 주 민과 특별히 상기 설비를 조작하는 직원의 잠재적인 오염 등은 허용될 수 없다.
그러므로 저장 용기의 격리 장치가 손상되는 것을 통해 저장 용기로부터 설비의 외부 주위로 직접 전달되는 위험을 제한하고, 저장 용기로부터 설비의 다른 부분이나 또는 주위로까지 불이 번지는 것을 방지하는 장치를 설치할 필요가 있다.
나아가 이와 같은 기능에 적합한 장치는 몇가지 조건을 따라야 한다.
우선, 장치는 수동적이어야 한다. 안전의 관점에서의 설계 원리는 실제로 장치의 작동이 장비(펌프, 압축기, 환기장치, 액추에이터, 제어 명령 시스템 등) 에너지원이나 그 자체가 고장이 날수도 있는 센서들에 의존적이지 않아야 함을 요구한다.
나아가, 일반적인 구성과 작동의 배치(방지, 감시, 감지, 개입)가 소진되었을 때 최종적이고 고유의 수동형 보호 방책으로서 장치가 작동하므로, 장치의 작동 가용성이 보장되어야 한다.
그 다음으로, 장치는 화재의 단계(200, 208 및 212) 동안 그와 같은 기능들을 수행할 수 있어야 한다.
최종적으로, 장치는 설비의 정상 작동 중에는 저장 용기의 정적 및 동적 봉쇄의 실패의 위험을 가져와서는 안된다.
장치에 의해 충족되어야 하는 제1 목적은 위험 물질이 설비의 외부의 주위를 향하여 전달되는 것을 방지하는 데 있다.
이를 위하여 이하의 조건들을 동시에 수행하는 것이 필수적이다.
- 봉쇄 포장의 정적 봉쇄, 즉 장비의 압력 강도(pressure strength)의 완 전성을 보증하는 것.
- 봉쇄 포장 환기 시스템의 유효성, 즉 장치를 음의 압력으로 유지하고 정화 필터의 완전성을 보증하는 것.
- 화재시에 저장 용기 내에서 저장 용기, 특별히 밀봉 요소들의 정적 봉쇄의 완전성을 보증하는 것.
- 저장 용기로부터 외부로 연무제(aerosols)의 전달을 제한하는 것.
- 봉쇄 포장 환기 시스템의 유효성, 즉 장치를 음의 압력으로 유지하고 정화 필터의 완전성을 보증하는 것.
장치에 의해 충족되어야 하는 제2 목적은 화재가 저장 용기로부터 봉쇄 포장 및/또는 설비의 다른 부분으로 번지는 것을 방지하는 데 있다. 이를 위하여 이하의 조건들을 동시에 충족시킬 필요가 있다.
- 화재 댐퍼 및/또는 방화문과 같은 저장 용기 화재 차단 설비의 완전성을 확실히 하기 위해, 기체의 배출과 유입을 허용함으로써 저장 용기 내에서 수천 파스칼의 압력으로 생성된 압력 조건들을 제어하는 것
- 화재의 제1 단계 동안 생성된 유출물을 배기하고 제어하는 것.
- 유출물의 온도를 연소 잔류물 재점화 임계 온도 이하의 온도로 낮추는 것.
이와 같은 목표들은 특별히 고온, 저압 수치들(약 2000 Pa) 및 상당한 기체 유량에 대해서 충족되어야 한다.
현존하는 몇몇 장치들이 이전에 공개된 기능들과 제한점에 대하여 부분적 인 해결책을 제공한다. 이러한 장치들은 모두 물이나 액체를 포함하는데, 물이나 액체는 평상시 또는 비상의 작동 상황에서 가스를 냉각시키거나 가스를 세정한다.
이와 같은 장치들은 기포 발생기(bubbler)와 유사하며, 확대하면 가스 세정 장치에 비유할 수 있다. 이들 장치들은 가스를 세정하기 위하여 물속에서 기체의 거품이 일어나는 원리에 기초하며, 가장 복잡한 장치들은 열교환에 의해 가스의 온도를 낮춘다. 이들 장치들에서 형성되는 기포의 크기는 장치의 효율에 있어서 중요한 요인이 되는데, 가스와 액체의 사이의 교환면이 기포에 의해 조절되기 때문이다. 이들 장치들은 크게 세 가지의 집합으로 분류될 수 있다.
가스 세정 장치의 첫 번째 집합은 미국 등록특허 US5,395,408호에 공개된 능동 장치에서와 같이 물탱크 내에 연소 가스의 기포를 생성하는 기본 장치를 포함한다. 이와 같은 경우 기포는 가스를 냉각시키고 발광하는 재를 소화시킨다. 이러한 장치는 불꽃 억제장치(spark suppressor)와 약간 유사한 점들을 갖는다. 나아가, 이러한 장치들은 본 발명의 적용 분야의 가상 시나리오에서의 열역학적 조건들에 대해서는 쓸모가 없음이 증명되었다. 사실, 수중의 가스 기포의 크기가 제어될 수 없으므로, 장치는 가스의 냉각을 위해 충분한 교환면을 제공함과 아울러 증발을 보충하기 위한 아주 상당한 양의 물을 포함하기 위하여 부적절한 크기가 되어야 한다.
가스 세정 장치의 두 번째 집합은 첫 번째 그룹의 개량된 버전이다. 미국 등록 특허 US4,859,405호에서 공개된 수동 장치에서와 같이 장치는 물탱크 내에 침전된 다공성 여과층(porous filter bed)을 통해 가스 기포를 생성한다. 다공성 필 터의 목적은 가스에 의해 운반되는 입자들을 포집하고, 또한 가스와 물 사이의 열교환을 향상시키기 위해 다공성 층에서 형성되는 기포의 크기를 제한하는 데 있다. 첫 번째 집합의 장치에서와 같이, 이러한 장치는 500 ℃로 인한 증발을 보상하고 효율적인 열교환을 제공하기 위해 많은 양의 물이나 액체를 필요로 하는 단점을 갖는다. 나아가, 일반적으로 모래나 자갈로 이루어지는 다공성 여과층을 통해 가스를 통과시키는 것은 아주 상당한 압력 손실을 가져온다. 이와 같은 장치는 만족스럽지 않은 것으로 증명되는데, 이는 약 100,000 Pa 의 유발 압력이 본 발명의 적용 분야에서 지정되는 용도를 위한 압력보다 약 100배 높기 때문이다.
가스 세정 장치의 세 번째 집합도 첫 번째 집합의 가스 세정 장치의 개량된 버전이다. 영국 특허 526,178호에 공개된 바와 같이, 장치는 가스가 외부로 배출되기 이전에 두 개의 상호 연결된 챔버들을 통하여 가스들을 통과시키고 기포를 형성함으로서 가스를 세정한다. 제1 챔버는 물과 같은 세정액을 포함하고, 제1 챔버의 두배가 되는 통과 면적을 갖는 제2 챔버는 일반적으로 1 mm의 작은 지름의 개구부에 의해 관통되며 액체 내에 침전되는 격자로 이루어진다. 이와 같은 상당한 압력 손실과 제한된 열교환 용량 이외에도, 이러한 장치의 단점은, 약 1,000 ℃의 온도와 한시간에 대략 장치의 일회의 부피를 처리하는 처리량 등의 화재시 열역학적 조건 내에서는 본 발명의 적용 분야에서 지정된 응용의 조건들을 위해 지나치게 큰 부피의 설비가 사용될 필요가 있어서 장치가 아주 상당한 크기라는 것에 있다.
이와 같은 특허들에서 공개된 어떤 가스 세정 장치도, 본 발명을 위해 가정된 가상의 시나리오에서의 사고시에 위험 물질을 수용하는 설비를 위한 전술한 기능들과 제한점들을 충족시키지 못한다.
특별히, 온도 또는 압력의 증가를 감지한 이후에 밸브를 개방하거나 장치를 향하여 가스의 흡입을 개시함으로써 시스템이 작동된다는 점에서, 이러한 장치들의 어느 것도 진정한 수동형이라고 할 수 없다.
나아가, 모든 선행 기술의 가스 세정 장치들은 가정된 가상의 시나리오의 사고 내에서 가스의 배출을 위해서만 사용될 수 있다. 이들 장치들 가운데 어느 것도 가역적으로 설계되지 않았는데, 다시 말해 화재 형성의 제1 단계(200) 동안과 압력 주기(212) 동안에 화재가 발생한 저장 용기로부터 봉쇄 포장을 향하여 가스를 배출하고, 소화를 하는 제2 단계(208) 동안과 그리고 압력 주기(212) 동안에 봉쇄 포장으로부터 저장 용기를 향하여 새로운 공기를 유입시키고, 장치 내의 액체의 높이를 기계적으로 및 수동적으로 제어하는 것을 계속적으로 수행함으로써 압력 형성 단계(200)와, 음의 압력 형성 단계(208)와, 압력 주기(212)의 모두에서 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은, 위험 물질을 위한 저장 용기 내에서 제어되지 않는 대형 화재 발생시에, 위험 물질이 설비의 외부 환경으로 전달되는 위험을 방지함으로써 화재가 저장 용기로부터 봉쇄 포장을 향하여 번지지 않도록 하면서도, 종래 기술의 장치들의 단점을 가지지 않으며, 상당한 유출량을 배출할 수 있으며, 수동적이고 가역적이며 소형이고, 정상 작동 중에는 저장 용기의 봉쇄(containment)를 보장할 수 있는, 제한 장치를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적은 포장에 내장되며 용기에 직접 연결되는 "유압식 화재 밸브" 형태의 제한 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 저장 용기 내에서 제어되지 않는 대형 화재의 최종적인 결과를 제한하기 위한 장치로서, 상기 저장 용기는 봉쇄 포장에 내장되고, 상기 장치는 불연성 액체를 포함하는 밀폐 탱크를 구비하고, 상기 탱크는 가스 파이프를 통해 상기 저장 용기와 직접 연결되는 내부 챔버를 구비하며, 상기 탱크의 적어도 하나의 상부 개구부를 통해 상기 봉쇄 포장과 직접 연결되는 적어도 하나의 외부 챔버와, 내연성 차폐물과, 액체 높이 제어 시스템을 포함한다.
보다 상세하게는, 탱크는, 상부벽, 하부벽 및 측벽들과,
탱크의 상기 하부벽에 닿지 않고, 상부 단부에 의해 상기 상부벽의 적어도 하나의 개구부에 고정되어, 상기 가스 파이프를 통해 상기 저장 용기와 직접 연결되는 내부 챔버와 적어도 하나의 상기 개구부를 통해 상기 봉쇄 포장과 직접 연결되는 적어도 하나의 외부 챔버를 형성하는 분리 요소들을 구비한다.
바람직하게는, 상기 분리 요소들은 각각의 개구부를 위해 네 개이고, 각각의 개구부는 사각형 윤곽을 갖는다.
분리 요소들에는 상기 외부 챔버의 내측을 향하는 분리 요소들의 하부 단부에 고정되는 금속판에 의해 형성되는 적어도 하나의 파동 분쇄 장치들이 설치된다.
제한 장치는 각각의 외부 챔버에 결합되는 기포 분쇄 장치를 부가적으로 구비한다.
각각의 기포 분쇄 장치는 서로 맞물리는 와이어들의 겹쳐진 층들로 이루어지고, 층들은 유지 격자들에 의해 서로 분리된다.
기포 분쇄 장치는 간격 유지구(spacer)에 의해 파동 분쇄 장치에 고정된다.
제한 장치는 봉쇄 포장 내에 배치되고, 저장 용기의 외측에 배치되며, 저장 용기의 구성 부분을 형성하는 누출 차단 격벽인 지지 격벽에 고정된다.
가스 파이프는 지지 격벽을 관통함으로써 저장 용기와 내부 챔버의 사이에서 통로를 제공한다.
제한 장치는 내연성 차폐물을 구비한다. 내연성 차폐물은 석고판으로 형성되고, 제한 장치의 둘레에 배치되며, 지지 격벽에 고정된다.
액체 높이 제어 시스템은,
저장 용기와 동일한 압력이 되기 위해 액체의 자유 표면 아래에서 탱크와 연결되며, 액체의 자유 표면 위에서 저장 용기와 연결되는 제1 제어 구역과,
봉쇄 포장과 동일한 압력이 되기 위해 액체의 자유 표면 아래에서 탱크와 연결되고, 액체의 자유 표면 위에서 봉쇄 포장과 연결되는 제2 제어 구역과,
제1 제어 구역 내에 배치되며, 정상 작동시에는 폐쇄되는 제1 플로트 밸브(float valve)와,
제2 제어 구역 내에 배치되며, 정상 작동시에는 개방되는 제2 플로트 밸브를 구비하고,
두 개의 플로트 밸브들이 동시에 개방될 때 탱크에 액체가 공급된다.
제1 제어 구역은 가스 파이프에 직접 연결되는 통기 오리피스(aeration orifice)를 구비하고, 통기 오리피스에 의해 제1 제어 구역은 저장 용기와 동일한 압력이 된다.
제2 제어 구역은 봉쇄 포장에 직접 연결되는 통기공을 구비하고, 통기공에 의해 제2 제어 구역은 봉쇄 포장과 동일한 압력이 된다.
액체 높이 제어 시스템은 상기 시스템을 수동으로 조작하도록 의도된 비상 밸브를 부가적으로 더 구비한다.
각각의 제어 구역은 사이펀(siphon)이 설치된 오버플로를 구비하여 액체가 회수 탱크를 향하여 배출되도록 한다.
제한 장치는 액체의 저장부와, 저장부로부터 탱크에 공급하는 충전 파이프와, 배출 파이프를 부가적으로 구비한다.
바람직하게는, 제한 장치의 모든 구성 요소들은 부식을 방지하기 위하여 스테인리스 스틸로 이루어진다.
바람직하게는, 탱크에 포함된 액체는 물이다.
첨부된 도면을 참조하며, 예시의 방법으로 제공되고, 제한하려는 방법으로는 제공되지 않는, 본 발명의 실시예에 관한 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 본 발명이 더 잘 이해될 것이다.
도 1은, 이미 설명된 것으로, 위험 물질을 포함하는 저장 용기 내에서 제어되지 않는 대형 화재에 대한 이론 압력 곡선을 나타낸다.
도 2는 저장 용기에 연결되는 제한 장치가 봉쇄 포장 내에 내장되는 것을 도시하는 정면에서의 길이 방향의 단면도이다.
도 3은 제한 장치의 사시도 및 단면도이다.
도 4는 제한 장치의 정면에서의 길이 방향의 단면도이다.
도 5는 도 4에서 '5-5' 선을 따라 취한 제한 장치의 단면도이다.
도 6은 내연성 차폐물을 생략한 제한 장치의 상면도이다.
도 7은 제한 장치의 외부 챔버의 정면에서의 일부 단면도이다.
도 8은 제한 장치의 정면에서의 횡 단면도로서, 제한 장치 내의 액체 높이 제어 시스템을 나타낸다.
도 9와 도 10은, 작동 주기에서의 균형 단계 동안의 액체 높이 제어 시스템과 제한 장치를 각각 도시한다.
도 11과 도 12는, 작동 주기에서의 배출 단계 동안의 액체 높이 제어 시스템과 제한 장치를 도시한다.
도 13과 도 14는, 작동 주기에서의 유입 단계 동안의 액체 제어 시스템과 제한 장치를 각각 도시한다.
도 15는 사이펀이 케이싱 내에 설치되는 변형예를 도시하는 제한 장치의 횡 단면도이다.
우선 도 2를 참조하면, 예를 들어 핵 폐기물과 같은 위험 물질을 위한 저장 시설에서 본 발명에 따른 제한 장치(10)의 구현예가 개략적인 형태로 도시되었 다. 도 2는 저장 시설의 정면에서의 길이 방향의 단면을 도시한다. 저장 시설은 저장 용기(4)가 마련되는 봉쇄 포장(2)을 구비한다. 위험 물질은 저장 용기(4) 내에 저장된다.
봉쇄 포장(2)의 체적은 저장 용기(4)의 체적의 대략 5배이다. 이러한 체적비는 봉쇄 포장(2)의 환기율(ventilation rate)과 연합하여 저장 용기(4)로부터 봉쇄 포장(2)을 향하여 전달될 수도 있는 어떤 기체를 희석시킨다.
봉쇄 포장(2)은 하부 격벽(22)과, 상부 격벽(23)과, 측면 격벽들(24)을 구비한다. 저장 용기(4)는 봉쇄 포장(2) 내에서 봉쇄 포장(2)의 하부 격벽(22) 위에 배치된다. 저장 용기(4)는 봉쇄 포장(2)의 하부 격벽(22)과 병합되어 있는 하부 격벽(42)을 구비한다. 저장 용기는 또한 상부 격벽(43)과, 측면 격벽들(43)을 구비한다. 도면들에 도시된 실시예에서, 봉쇄 포장(2)과 저장 용기(4)는 두 개의 공통 측면 격벽들을 구비한다. 저장 용기의 높이는 봉쇄 포장(2)의 높이보다 작다. 저장 용기(4)의 격벽들(42, 43, 44)은 콘크리트로 이루어진다. 격벽들은 저장 용기(4)의 내측에서 석고 및/또는 콘크리트로 이루어지는 화재 분할 코팅(fire sectoring coating)을 구비한다.
봉쇄 포장(2)의 하부 격벽(22)은 콘크리트로 이루어진다. 봉쇄 포장(2)의 상부 격벽(23)과 측면 격벽(24)은 금속으로 이루어진다. 강철로 이루어지는 얇은 금속 외판이 금속 프레임상에 연속적으로 용접된다.
모든 격벽들(22, 23, 24, 42, 43, 44)은 액체와 기체를 차단한다.
잠금 챔버들(6)은 조작 직원이 봉쇄를 파손하지 않고 봉쇄 포장(2)과 저장 용기(4)에 접근할 수 있도록 한다.
봉쇄 포장(2)과 저장 용기(4)의 모두에는 환기 시스템이 설치된다. 환기 시스템들의 각각은, 외부(8)로부터 공기를 송풍하기 위한 네트워크(12)와, 공기를 외부(8)를 향해 배출하는 네트워크(14)와, 공기 정화 필터(16)를 구비한다. 바람직하게는, 공기 환기와 정화를 보장하기 위하여, 환기 시스템들은 2개의 체적/시간의 환기율(rate of renewal)과, 봉쇄 포장(2)과 저장 용기(4) 내에서의 동적 밀봉을 갖는다. 또한 저장 용기(4)의 환기 시스템은 화재 분할의 연속성을 보장하기 위하여 환기 시스템의 송풍 파이프와 배출 파이프에 설치되는 화재 댐퍼(18)를 구비한다.
제한 장치(10)는 봉쇄 포장(2)의 내측과 저장 용기(4)의 외측에 설치된다. 제한 장치는 저장 용기(4)의 상부 격벽(43)인 지지 격벽에 고정된다.
명백히, 처리 용량을 증가시키기 위해 본 발명에 따른 복수 개의 제한 장치가 병렬로 연결될 수도 있다.
이제, 도 3 내지 도 7을 참조하여 제한 장치(10)를 설명한다. 이하에서 설명되는 제한 장치(10)의 상이한 구성 요소들은 부식되는 것을 방지하기 위하여 바람직하게는 스테인레스 스틸로 이루어진다.
제한 장치(10)는, 예를 들어 수원(水原)의 본관으로부터 공급되는 물과 같은 불연성 액체(26)를 포함하는 탱크(28)를 구비한다. 탱크(28)는 밀폐되도록 상부벽(30)과, 하부벽(32)과 측벽들(34)로 구성된다. 탱크는 상부벽에 위치하며 제한 장치(10)의 하류 압력 손실을 제한하기 위해 봉쇄 포장(2)과 직접 연결되는 개구부 들(36)을 구비한다. 도시된 실시예에서, 개구부들(36)은 직사각형이고, 동일한 크기를 가지며, 상부벽의 길이와 폭의 중앙축을 중심으로 실질적으로 대칭이며 같은 거리에 있도록 배치된다. 제한 장치(10)는 저장 용기(4)와 제한 장치(10)의 탱크(28)의 사이에서의 가스 교환을 가능하게 하는 가스 파이프(46)를 구비한다. 가스 파이프(46)의 단부의 일측은 측벽들(34)의 하나를 관통함으로서 탱크(28) 내부로 인입된 유입부(48)에 연결된다. 도시된 예에서, 가스 파이프(46)의 이 단부는 튤립 형상의 플레어(flare)에 의해 탱크(28)에 연결됨으로서 압력 손실을 제한한다. 가스 파이프(46)의 타측 단부는 지지 격벽을 통과하여 저장 용기(4)의 내부로 인입된다. 가스 파이프(46)는 저장 용기(4)로부터의 유출량을 계산하여 설계되므로, 저장 용기(4)의 압력이 가장 취약한 밀봉 요소들, 예를 들어 화재 댐퍼(18)의 압력 강도에 대응하는 "안전 압력(safety pressure)"을 초과하지 않는다. 처리되는 가스의 최대 처리량은, 화재의 형성 동역학과, 화재의 세기를 계산하는 일반적인 방법과, 연소로 유도되는 화학 반응, 즉 연소에 의해 소모되는 산소와 발생되는 가스들의 균형에 따라 가스의 열역학적 팽창을 평가함으로서 결정된다.
탱크(28)는 실질적으로 사각형 판의 형태로 나타나는 분리 요소들(50)을 구비한다. 분리 요소들(50)은 탱크(28)의 상부벽(30)에 고정되며, 정상 작동에서는 탱크(28)의 하부벽(30)에 닿지 않은 상태로 액체(26)에 침전된다. 상술한 직사각형 형상의 개구부(36)의 각각의 가장자리를 따라 두 개씩 평행하게 서로 용접되는 4개의 분리 요소들(50)은 상부벽(30)의 각 개구부(36)에 연결된다. 따라서 분리 요소들의 길이는 탱크(28)의 높이보다 약간 작고, 분리 요소들의 두 개의 폭은 개구 부(36)의 길이와 동일하고, 다른 두 개의 분리요소들(50)의 길이는 개구부들(36)의 폭과 동일하다.
분리 요소들(50)은 탱크(28)의 내부에서 네 개의 외부 챔버들(52)을 형성한다. 외부 챔버들은 탱크(28)의 개구부들(36)을 통해 봉쇄 포장(2)에 직접 연결된다.
분리 요소들(50)과 측벽들(34)은 탱크(28)의 내부에서 가스 파이프(46)의 유입부(48)를 통해 저장 용기(4)와 직접 연결된다.
각각의 외부 챔버들(52)의 표면적은 "Sl"으로 나타내며, 이는 또한 각각의 개구부(36)의 표면적과 일치한다. 외부 챔버들(52)의 표면적들의 합은 "S"로 표시된다. 개구부(36)의 표면적의 합 "S"와, 각 개구부(36)의 표면적 "Sl"과, 탱크(28) 내부의 개구부들(36)의 개수 N의 사이에는 관계가 있다. 이 관계는 Sl = S / N 이다.
외부 챔버들(52)의 표면적들과 개구부들(36)의 표면적들의 합 "S"는 저장 용기(4)로부터 배출되도록 허용될 최대 배출량과 액체(26) 내의 기포들의 평균 상승 속도에 대한 평가를 이용하여 결정된다. 이러한 상승 속도에 대하여 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 일반적으로 인정되는 평균값은 주위 온도(ambient temperature)에서 대략적으로 초당 30 cm 이다.
내부 챔버(54)의 표면적은 "s"로 표시된다. 외부 챔버들(52)의 표면적들의 합 "S"에 대한 내부 챔버(54)의 표면적 "s"의 비율은 제한 장치(10)를 조절함에 있어서 결정 요인이다. 사실상, 탱크(28) 내의 액체(26)의 높이 변수 및 제한 장 치(10)의 설계와 관련하여, 이러한 요인은 제한 장치(10)를 위한 유발 압력들(triggering pressures)을 정한다. 결정 요인은 다음과 같은 관계식을 충족하여야 한다.
여기에서, p_adm 은 봉쇄 포장(2)으로부터 저장 용기(4)로의 기체 유입을 위한 유발 압력이고, p_etch 는 저장 용기(4)로부터 봉쇄 포장(2)으로의 기체 배출을 위한 유발 압력이다.
탱크(28)의 외부 챔버(52)의 길이 방향의 일부 단면을 도시하는 도 7에 도시된 바와 같이, 탱크의 각각의 분리 요소(50)에는 "파동 분쇄판"이라고 불리는 소형판(56)이 설치된다. 소형판의 단부는 용접되며, 제한 장치(10)의 정상 작동 상태에서 액체(26)에 침전된다. 각각의 파동 분쇄판(56)은 상기 분리 요소(50)의 방향에 실질적으로 수직한 방향을 따라 분리 요소에 의해 형성되는 외부 챔버(52)의 내측을 향하여 연장한다. 이들 파동 분쇄판들(56)의 폭은 외부 챔버들(52)의 표면적 "Sl"을 지나치게 감소시키지 않을 정도로 충분히 작다. 파동 분쇄판들의 폭은 외부 챔버들(52)에서의 파동 효과, 즉 액체(26) 내에서 기포를 발생시키는 현상을 만들지 않고 외부 챔버들(52)과 내부 챔버(54)를 연결시키는 위험을 제한하기에 충분할만큼 크다. 파동 분쇄판들이 존재함으로 인해 분리 요소들(50)을 따라 액체가 확실히 존재하게 된다. 이로 인해, 화재 형성 단계(200) 동안 가스가 배출될 때, 두 가 지 단계의 환경의 발생이 촉진되며, 동적 효과 아래에서 단계들의 분리를 피할수 있다.
기체가 발생하는 형성 시간은 외부 챔버들(52)의 변수들의 합과 일치한다. 기체가 발생하는 시간은 이하의 관계식에 의해 결정된다.
여기에서, Lb는 기체가 발생하는 시간을 나타내고, Dt는 처리되는 가스의 처리량을 나타내며, Ev는 내부 챔버로부터 외부 챔버로 통과하는 가스의 관의 두께를 나타내고, Vv는 관 내에서의 가스의 속도를 나타낸다.
그러므로 압력 손실을 제한하기에 충분한 기포 발생의 시간을 제공하고, 결과적으로 최대 가스 처리량을 위한 작동 압력을 제공하기 위해 외부 챔버들(52)의 개수를 결정할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제한 장치(10)는 파동 분쇄판(56)을 따라 형성되는 가스의 큰 기포들을 분쇄함으로써 화재(200)의 형성 단계 동안 가스와 액체(26)의 사이의 교환을 위한 면적을 최대한 증가시키도록 의도된 기포 분쇄 장치(58)를 구비한다. 작은 기포들은 1 내지 5 mm 사이의 직경을 갖는 기포들로 정의되며, 기포의 크기가 열교환의 효율과 반비례로 관련되어 있음은 기술 분야에서 숙련된 자에 의해 일반적으로 인정된다. 그러므로 기포 분쇄 장치들(58)은 가스와 액체(26)의 사이에서의 열교환을 촉진한다. 또한 기체 분쇄 장치들은 압력 손실 제한과, 기포들의 비융합(non-coalescence)과, 불꽃의 비확산(non propagation)과, 발 광하는 입자들과, 대기 오염물질들과, 매연(soot)의 사이에서의 절충을 제공한다.
각각의 기포 분쇄 장치(58)는 서로 맞물리는 금속 와이어들의 층들(60)의 적층으로 구성되고, 각각의 층(60)은 두 개의 유지 격자들(62)의 사이에 배치된다. 도시된 실시예에서, 층들(60)은 두 개다. 바람직하게는 각각의 기포 분쇄 장치(58)는 외부 챔버(52)의 하부에 배치되어, 외부 챔버를 차단한다. 기포 분쇄 장치는 상술한 외부 챔버(52)의 파동 분쇄판(56)의 위에 놓인다. 정상 작동 중에는, 기판 분쇄 장치들(58)이 제한 장치(10)의 외부 챔버들(52)의 액체(26) 내에 침전된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 또한 제한 장치(10)는, 저장 용기(4)로부터 기체가 배출될 때 액체(26)가 개구부들(36)을 통해 튀는 것을 제한하도록 의도된, 튐 방지 장치들(64; anti-splash devices)을 구비한다.
각각의 튐 방지 장치(64)는, 두 개의 유지 격자(62)의 사이에 배치되는 서로 맞물린 금속 와이어의 층(60)과, 상부 유지 격자들(62)의 위에 놓이는 격자(66)로 이루어진다. 각각의 튐 방지 장치(64)는 외부 챔버(52)의 상측 부분 내에 배치되어, 외부 챔버와 연결된 개구부(36)를 차단한다. 격자(66)는, 예를 들어 나사와 같은 적절한 체결 수단(70)을 이용하여 탱크(28)의 상부벽(32)의 외부 표면에 고정된다.
나아가, 간격 유지구들(68)이 각각의 외부 챔버(52)의 분리 요소들(50)의 내측 표면에 대하여 배치된다. 이러한 간격 유지구들(68)은 기포 분쇄 장치(58)의 상부 유지 격자(62)와, 튐 방지 장치(64)의 하부 유지 격자(62)의 사이에 배치된다. 간격 유지구들은 기포 분쇄 장치들(58)이 위치를 유지하며 튐 방지 장치들(64) 을 위한 지지대로서 작용하도록 한다.
제한 장치(10)는 액체 높이 제어 시스템(80)을 부가적으로 구비한다. 액체 높이 제어 시스템은, 정상 작동중에는 탱크가 완벽히 누출 차단이 되도록 함으로써 탱크(26) 내의 액체(26)의 높이를 유지하고, 화재 형성 단계(200)의 동안에 가스가 배출될 때에는 탱크(28)에 액체(26)를 채워 증발에 의한 액체(26)의 소모를 보상함으로써, 연소 가스를 재점화 임계 온도 이하의 온도로 냉각시키기 위하여 가스와 액체(26)의 사이의 열교환의 연속성을 보장한다.
액체 높이 제어 시스템(80)은 기계적인 시스템으로, 도 8에 개략적인 형태로 도시되었다.
액체 높이 제어 시스템(80)은 제1 제어 구역(82)과, 제2 제어 구역(84)을 구비하고, 이들 두 개의 제어 구역들(82, 84)은 폐쇄된다.
도면에 도시된 예에서, 두 개의 제어 구역들(82, 84)은 탱크(28) 옆에 배치되고, 제한 장치(10)의 상이한 작동 단계 동안, 즉 배출 단계와 유입 단계 동안에 가스 기포 생성의 영향을 받지 않는 영역에 위치한다.
구역들은 구역들에 공통되는 격벽(83)에 의해 분리되며, 제한 장치의 모든 작동 단계 동안에 침전된 상태를 유지하기 위하여 상술한 공통 격벽(83)의 하부에서 공통 격벽(83)을 관통하는 구역들의 연결 오리피스(85)에 의해 서로 연결된다.
도면들에 도시된 예에서, 두 개의 제어 구역들(82, 84)과 탱크(28)는 하나의 동일한 케이싱(38) 내에 구비된다. 두 개의 제어 구역들(82, 84)은 가스 파이프(46)가 인입되는 탱크(28)의 측벽(34) 위의 공통 격벽(340)에 의해 탱크(28)로부 터 분리된다. 따라서 가스 파이프(46)는 탱크들에 공통되는 격벽(83) 내에서 두 개의 제어 구역들(82, 84)을 대칭적으로 관통한다. 케이싱(38)은 체결 잠금판과 같은 체결 수단(40)을 이용하여 봉쇄 포장(2)의 바닥에서 지지 격벽(42)에 고정된다.
도면들에 도시된 예에서, 제한 장치(10)의 케이싱(38)은 실질적으로 직사각형이고 평행한 파이프의 형상이다.
제1 제어 구역(82)은 가스 파이프(46)에 직접 연결되는 통기 오리피스(86)에 의해 저장 용기(4)의 압력 하에 놓이고, 공통 격벽(340)의 하측 부분에 위치하는 제1 연결 오리피스(90)를 통해 탱크(28)에 연결된다.
제2 제어 구역(84)은 봉쇄 포장(2)에 직접 연결되는 통기공(88)을 통해 봉쇄 포장(2)의 압력 하에 놓이고, 공통 격벽(340)의 하측 부분에 위치하는 제2 연결 오리피스(92)를 통해 탱크(28)에 연결된다. 통기공(88)은 예를 들어 스테인레스 스틸로 이루어지는 관이다.
또한 액체 높이 제어 시스템(80)은 제한 장치(10) 내에서 과잉의 액체를 유발하는 고장의 경우에 액체(26)가 배출되는 회수 탱크(94)를 구비한다.
또한 액체 높이 제어 시스템(80)은 제한 장치(10)에 대하여 높게 위치하는 액체(26)의 저장부(96)를 구비한다. 저장부(96)는 제한 장치(10) 내에서의 액체(26)의 높이의 저하가 발생하는 경우에 케이싱(38)에 액체(26)를 공급하는 것을 가능하게 한다. 저장부의 용량은 화재의 세기의 함수로 정해진다.
또한 액체 높이 제어 시스템(80)은 공급 및 배출 회로를 구비한다. 공급 및 배출 회로는,
- 케이싱(38)에 액체(26)를 공급하는 파이프(102)와,
- 제1 제어 구역(82)을 통해 케이싱(38)에 직접 공급하며, 제1 공급 밸브(130)와 제2 공급 밸브(132)가 직렬로 배치되는, 공급 파이프(102)의 제1 분기 파이프(104)와,
- 사이펀 밸브(134)가 배치되는, 공급 파이프(102)의 제2 분기 파이프(106)와,
- 사이펀 밸브(134)의 이후에 제2 분기 파이프(106)에 의해 공급받는 제1 사이펀(108) 및 제2 사이펀(110)과,
- 정해진 높이에서 제1 제어 구역(82)과 제2 제어 구역(84)에 각각 인입되며, 두 개의 사이펀들(108, 110)에 각각 연결되는, 제1 오버플로(112) 및 제2 오버플로(114)와,
- 두 개의 사이펀들(108, 110)이 배출하고, 회수 탱크(94)로 인입되며, 두 개의 사이펀들(108, 110)이 만나는 지점의 하류에 분리 밸브(136)가 배치되어, 케이싱(38) 내의 과잉 액체(26)를 배출하기 위한 파이프(116)와,
- 충전 밸브(138)가 배치되고, 제1 제어 구역(82)과 제2 제어 구역(84)의 각각에 설치되는 제1 플로트 밸브(140, float valve)와 제2 플로트 밸브(142)를 통해 제1 제어 구역(82)에 공급하며, 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)이 직렬로 배치되어, 케이싱(38)에 유체를 충전하기 위한 파이프(118)와,
- 비상 밸브(144)가 배치되고, 두 개의 공급 밸브들(130, 132)의 사이에서 공급 파이프(102)의 제1 분기 파이프(104)에 연결되며, 충전 밸브(138)와 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)의 사이에서 충전 파이프(118)에 연결됨으로써, 플로트 밸브들(140, 142)을 단락시킴(short-circuiting)에 의해 제1 제어 구역(82)을 통해 케이싱(38)에 공급하는 연결 파이프(120)와,
- 분리 밸브(146)가 배치되고, 제한 장치(10)의 보수를 위하여 액체(26)가 배출되게 하는 배출 파이프(122)를 구비한다.
액체 높이 제어 시스템(80)의 상이한 요소들의 기능들은 이하에서 상세히 설명된다.
정상 작동중에는 폐쇄되는 제1 플로트 밸브(140)는 내부 챔버(54)에 연결되는 제1 제어 구역(82)의 내부에 위치하고, 이러한 제1 플로트 밸브(140)의 제1 제어 구역(82) 내에서의 위치는 제한 장치(10) 내에 존재하는 액체(26)의 양을 한정한다.
정상 작동중에는 개방되는 제2 플로트 밸브(142)는 외부 챔버들(52)에 연결되는 제2 제어 구역(84)의 내부에 위치한다. 제2 제어 구역(84) 내에서의 제2 플로트 밸브(142)의 위치는 제한 장치(10) 내의 유발 압력에 의해 한정된다.
제한 장치(10)는 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)이 동시에 개방될 때, 즉 두 개의 제어 구역(82, 84)의 각각에서의 액체(26)의 높이가 동시에 낮아질 때, 액체(26)를 공급받는다.
액체 저장부(96)는 화재의 세기의 함수로 결정되는 용량을 갖는다. 액체 저장부는 공급 파이프(102)의 제1 분기 파이프(104) 상의 두 개의 공급 밸브들(130, 132)을 수동으로 개방함으로써 보조된다. 이로 인해, 이하의 두 개의 상황 중의 어느 하나에서, 중력에 의해 제1 제어 구역(82)을 통해 케이싱(38)에 액체(26)가 공급될 수 있다.
- 충전 밸브(138)가 개방되고, 비상 밸브(144)는 폐쇄되어, 저장부(96)로부터 나오는 액체(26)는 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)을 통해 제1 제어 구역(82)으로 흘러감으로써 케이싱(38)에 공급된다.
- 충전 밸브(138)가 개방되고, 비상 밸브(144)와 제2 공급 밸브(132)가 수동으로 개방되어, 저장부(96)로부터 나오는 액체(26)는 제1 제어 구역(38)으로 흘러감으로써 케이싱(38)에 공급되고, 이로 인해 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)을 단락시킨다.
오버플로들(112, 114)과 사이펀들(108, 110)은, 제한 장치(10) 내에서 액체(26)의 과잉을 일으키는 고장이 발생하였을 때, 액체(26)가 회수 탱크(94)를 향하여 배출되도록 한다.
충전 밸브(138)는 통상적으로 개방된다. 충전 밸브(139)는 제한 장치(10)에 강제적으로 액체(26)가 공급되는 경우 제한 장치(10)가 올바로 작동하도록 하기 위하여 수동으로 폐쇄된다.
비상 밸브(144)는 설비의 수동 제어를 위해 이용된다. 제한 장치(10)를 수동으로 제어하기 위한 제어반(console)이 봉쇄 포장(2)의 외측에 설치된다. 이 제어반은 제한 장치(10) 내의 액체(26)의 높이를 표시하는 시각 표시기들을 갖는다. 제어반은 높이 표시의 목적으로 제한 장치(10)와 연결된 모든 수동 밸브들(138, 144, 130, 132)을 원격으로 조작하는 것을 가능하게 한다.
제한 장치(10)에 대한 액체(26) 공급은 이하의 표 1로 요약될 수 있다.
또한 제한 장치(10)는 보유 탱크(98; 도 4 및 도 6 참조)를 구비한다. 보유 탱크는 케이싱(38)의 하부에 위치하며, 제한 장치(10) 내의 액체(26)의 체적과 동일한 용량을 갖는다.
도 2 및 도 4에서 도시된 바와 같이, 제한 장치(10)는 케이싱(38)의 둘레에 배치되어 지지 격벽에 고정되는 석고 패널의 포장으로 이루어지는 내연성 차폐물(20; fireproof shield)을 구비한다. 이러한 내연성 차폐물(20)에는 탱크(28)의 개구부들(36)에 대향되며 수직하게 배치되는 개구부들(202)이 설치된다. 내연성 차폐물은 가스가 봉쇄 포장(2)을 향하여 배출되도록 하는 개구부들(36)에까지 저장 용기(4)의 화재 분할 연속성(fire sectoring continuity)을 제공한다. 내연성 차폐물에는 보수 목적으로 케이싱(38)에 대한 접근을 허용하는 방화문 블록(미도시)이 설치된다. 내연성 차폐물은 또한 제2 제어 구역(84)의 통기공을 위한 통로를 제공하는 격벽 공급 관통부(204)를 갖는다.
이제, 정상 작동과, 제1 화재 단계 및 제2 화재 단계의 각각의 상황에서, 정면 횡단면도에 의해 두 개의 제어 구역들(82, 84)과, 길이 방향의 수직 단면도에 의해 외부 챔버(52)와 내부 챔버(54)를 각각 도시하는 도 9, 10 및 11을 참조하여 제한 장치(10)의 작동에 대하여 기술할 것이다.
정상 작동(도 9 및 도 10)에서, 제한 장치(10)는 저장 용기(4)의 봉쇄를 보장한다. 사실, 내부 챔버(54)의 외부 챔버(52)를 형성하는 분리 요소들(50)에 대한 액체(26)의 존재는 제한 장치(10)의 높이에서 저장 용기(4)를 밀봉한다.
화재가 발생하면, 전술한 제한 장치(10)가 이하의 방식에 의해 자율적으로 작동한다.
저장 용기(4) 내에서 제어되지 않는 대형 화재가 형성되는 것에 대응하는 화재의 제1 단계(200, 도 11 및 도 12) 동안, 압력과 온도가 상당하게 증가한다. 탱크(28)의 내부 챔버(54)는 가스 파이프(46)를 통해 화재가 발생한 저장 용기(4)와 연결되는데, 그 결과 내부 챔버의 압력이 상당하게 증가한다. 내부 챔버(54)의 액체(26)의 높이는 분리 요소들(50)의 단부에 위치하는 파동 분쇄판(56)의 높이까지 떨어진다. 내부 챔버(54)의 압력이 임계 유발 압력(P_ech)에 도달하면, 뜨거운 연소 가스가 파동 분쇄판(56)의 아래를 통과하여(화살표 310), 커다란 가스 기포들을 형성한다. 기포들이 외부 챔버들(52)의 표면으로 상승하는 동안, 큰 기포들은 기포 분쇄 장치들(58)에 의해 아주 작은 기포들(300)로 분쇄된다. 작은 기포들(300)은 자유 표면까지 상승하고, 이들 작은 기포들(300)에 포함된 가스들이 봉쇄 포장(2)을 향하여 빠져나간다(화살표 320). 내부 챔버들(52)을 제어하는 제1 제어 구역(82) 내에서의 액체(26)의 높이는 증발에 의해 액체(26)가 소모됨에 따라 내려간다. 그 결과, 액체 높이 제어 시스템(80)이 작동되어, 제한 장치(10)에 액체(26)가 공급된다. 수동 제어반에서의 액체(26)의 높이를 나타내는 표시기들을 검사한 이후에, 탱크(28)에 액체를(26)를 공급하기 위하여 비상 밸브(144)와 제2 공급 밸브(132)가 멀리에서 수동으로 개방될 수 있다.
제한 장치(10)는 저장 용기(4)의 봉쇄 요소들의 "안전 압력" (Ps)의 이하의 임계 압력(P_ech)을 위해 자율적으로 작동된다. 이러한 임계 압력은 제조시에 챔버 표면적 변수들인 "S"와 "s"의 함수로 결정되고, 탱크(28)에 충전되는 액체(26)의 높이에 의해 임계 압력이 조절될 수 있다. 연소 가스는 외부 챔버들(52) 내에서의 기포 발생을 통해 재점화 임계 온도 이하의 온도까지 냉각되고, 이로 인해 봉쇄 포장(2)으로 화재가 번지는 것을 방지할 수 있다. 제한 장치(10)로부터 배출되는 가스의 체적에 대한 봉쇄 포장(2) 내에서의 환기가 갱신되는 상당한 비율은 가스를 희석시킨다. 봉쇄 포장(20)의 환기 시스템(12, 14, 16, 18)은 동적 밀봉을 유지하며, 외부 환경(8)으로 배출되기 전에 하나의 최종 여과 방어벽(16)을 설치함으로써 봉쇄 포장(2)에서의 분위기를 처리한다.
소화 단계에 대응되는 화재의 제2 단계(208) 동안(도 13 및 도 14), 온도와 압력이 상당히 떨어져, 온도는 아주 높은 음의 압력 값에 이른다. 저장 용기(4)가 음의 압력 상태가 되자마자 내부 챔버(54)와 저장 용기(4)에 연결되어 내부 챔버(54)를 제어하는 제1 제어 구역(82)도 음의 압력이 된다. 내부 챔버(54)의 음의 압력이 임계치 p_adm 에 도달하자마자 제한 장치(10)는 완전히 반대 방식으로 작동한다. 봉쇄 포장(2)으로부터 유입되는 신선한 공기(화살표 410)는 외부 챔버(52)의 파동 분쇄판(56)의 아래를 통과하고, 저장 용기(4)로 유입되어 저장 용기(4)의 음의 압력을 안전 음압: -Ps 의 이하로 제한하기 위해 내부 챔버(54)의 액체(26)의 표면까지 상승하는 공기 기포들(400)이 형성된다. 내부 챔버(54)와 이 내부 챔버(54)와 연결되는 제1 제어 구역(82)의 액체(26)의 높이는 상승하고, 액체 공급 시스템(80)이 작동된다. 그리고 신선한 공기의 유입이 재점화를 발생시킬 수 있는데, 이에 대하여는 제한 장치(10)가 유용하며 효과적으로 유지된다. 두 개의 사이펀들(108, 110)의 급작스런 배수는, 두 개의 제어 구역들(82, 84)의 사이에서의 압력 차이의 손실을 일으켜 그로 인한 내부 챔버(54)와 외부 챔버(52)의 사이에서의 압력 차이의 손실을 가져오므로, 제한 장치(20)에 대하여 가장 불리한 실패 상태임을 나타낸다.
이와 같은 형태의 갑작스런 배수를 극복하는 사이펀 배치의 변형예가 도 15에 도시된다.
이와 같은 변형예에 따르면, 제1 및 제2 사이펀(182, 184)은 제어 구역들(82, 84) 내에 각각 내장되어, 사이펀들(108, 110)의 오버플로들(112, 114)과 사이펀들(108, 110)의 공급 파이프(106)를 대체한다. 사이펀들은 통합된 방식으로 각각의 제어 구역들(82, 84)의 오버플로 기능을 확실하게 한다. 사이펀들을 통합하는 것은 사이펀들이 배수되지 않는 것을 보장할 수 있게 한다.
제1 사이펀(182)의 일단(186)은 제1 제어 구역(82) 내의 액체(26)의 공칭 높이(nominal level)의 아래에서 개방된다. 제1 사이펀(182)의 타단(188)은 회수 탱크(94)로 향하는 배출 파이프(198)에 연결된다. 제2 사이펀(184)의 일단(190)은 제2 제어 구역(84) 내의 액체(26)의 공칭 높이(196)의 아래에서 개방된다. 제2 사이펀(184)의 타단은(192)은 배출 파이프(198)에 연결된다. 수분 유출 방지관(170; anti-priming pipe)은 각각의 사이펀들의 상측 부분을 연결함으로써 두 개의 사이펀들(182, 184)을 연결한다.
이들 두 개의 사이펀들(182, 184)에는 탱크(28) 내에 존재하는 액체(26)가 채워지는데, 액체의 존재 그 자체는 플로트 밸브들(140, 142)의 작동과 두 개의 사이펀들(182, 184)의 자유 단부들(186, 190)이 제어 구역들(82, 84)의 각각의 공칭 높이(194, 196)의 아래와 기포 생성 높이(172)의 위에 있다는 사실에 의해 보장된다. 수분 유출 방지관(170)의 존재는 사이펀들(182, 184)의 각각이 이와 같은 자유 단부들(186, 190)까지 비워지는 것을 방지할 수 있도록 한다.
도 15에는 액체가 오버플로 기능도 구비하는 사이펀들(182, 184)로 넘치기 이전의 액체의 최대 높이(174)와, 제어 구역들(82, 84)의 액체(26)의 높이(176)도 도시되는데, 제1 제어 구역(82)은 유입 상태에 있고, 제2 제어 구역(84)은 배출 상태에 있다.
제한 장치(10)의 상이한 구성 요소들을 일반적으로 저장 용기(4) 내에서 제어되지 않는 대형 화재의 최대의 열역학적 상태들에 대한 가상 평가에 기초하여 설계된다. 이러한 예비적 연구는 제한 장치(10)의 임계 압력 p_ech와 p_adm과, 저장 용기(4)의 압력을 봉쇄 요소들(즉 화재 댐퍼들과, 잠금 챔버들과, 격벽들)의 "안전 압력"Ps의 이하로 유지하기 위해 제한 장치(10)에 의해 배출되어야 하는 유출량을 설정한다.
매우 느린 동역학을 갖는 대형 화재를 고려한 설계의 예가 이하에서 설명되며, 이는 금속 원통에 포장된 폐기물을 위한 예가 될 수 있다.
- 봉쇄 요소들의 안전 압력 Ps: 2,100 Pa
- 봉쇄 포장(2)의 체적: 15,000 ㎥
- 저장 용기(4)의 체적: 3,100 ㎥
- 환기의 갱신율: 2 체적/시간(Volumes/hr)
- 화재가 형성되는 제1 단계(200) 동안의 제한 장치(10, 11)의 유발 압력: 1,800 Pa
- 유입 단계 동안의 제한 장치(10, 11)의 유발 압력: -1,800 Pa
- 저장 용기(4)로부터 배출되는 가스의 이론 유출량: 2,000 ㎥/h
- 용기(1)로부터 배출되는 가스의 이론 온도: 550 ℃
- 케이싱(38) 또는 탱크(28)의 높이: 1.2 m
- 케이싱(38)의 길이: 1.65 m
- 제한 장치(10, 11) 내의 액체의 체적: 0.6 ㎥
- 가스 파이프의 직경: 400 mm
- 외부 챔버들(52)의 표면적의 합 S: 0.6 ㎡
- 분리 요소들(50)의 폭: 개구부들(36)의 가장자리의 두께와 동일
- 각각의 외부 챔버의 내부 치수: 300 ㎜ㅧ 500 ㎜
- 분리 요소들의 두께: 5 ㎜
- 분리 요소들의 높이: 900 ㎜
- 분리 요소들(50)의 단부가 액체(26)에 침전되는 길이: 내부 챔버(54)와 외부 챔버들(52)이 동일한 압력일 때 90 ㎜(유발 압력 1,800 Pa)
- 기포 분쇄 장치들(58)과 튐 방지 장치들(64)을 위한 서로 맞물리는 금속 와이어 층의 두께: 장치당 48 ㎜
- 기포 분쇄 장치들(58)과 튐 방지 장치들(64)을 위한 서로 맞물리는 금속 와이어 층의 직경: 0.1 ㎜
- 기포 분쇄 장치들(58)을 위한 유지 격자의 망의 치수: 1 ㎝ 내지 3 ㎝의 변을 갖는 정사각형의 망
- 파동 분쇄판들(56)의 두께: 5 ㎜
- 파동 분쇄판들(56)의 폭: 30 ㎜
- 간격 유지구들의 폭: 1 내지 2 ㎝
- 제어 구역들(82, 84)의 높이: 1,200 ㎜
- 제어 구역(82, 84)의 폭: 450 ㎜
- 제어 구역의 길이: 200 ㎜
- 각각의 오버플로(112, 114)의 직경: 30 ㎜
- 각각의 사이펀(108, 110)의 길이: 300 mm 이상
- 제1 통기 오리피스(86)의 직경: 10 ㎜
- 제1 연결 오리피스(90)의 직경: 50 ㎜
- 유지 탱크(98)의 체적: 0.6 ㎥
- 부가층의 두께: 2 ㎝
- 부가층(156)의 존재에 의해 보장되는 방화벽의 지속 시간: 2 시간
본 발명은 화재에 의한 결과를 제한하기 위한 장치의 분야에 관한 것으로, 화재가 번지지 않도록 보장한다. 본 발명은 화재시에 핵물질, 화학적 또는 바이러스학적 생성물과 같은 위험 물질을 수용하고 봉쇄하는 설비에 적용되는 장치에 적용될 수 있다.
Claims (20)
- 저장 용기(4) 내에서 제어되지 않는 대형 화재의 최종적인 결과를 제한하기 위한 장치(10, 11)로서, 상기 저장 용기(4)는 봉쇄 포장(2)에 내장되고, 상기 장치는 불연성 액체(26)를 포함하는 밀폐 탱크(28)를 구비하고, 상기 탱크(28)는 가스 파이프(26)를 통해 상기 저장 용기(4)와 직접 연결되는 내부 챔버(54)를 구비하며, 상기 탱크(28)의 적어도 하나의 상부 개구부(36)를 통해 상기 봉쇄 포장(2)과 직접 연결되는 적어도 하나의 외부 챔버(52)와, 내연성 차폐물(20)과, 액체 높이 제어 시스템(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는 제한 장치.
- 저1 항에 있어서,상기 탱크(28)는,상부벽(30), 하부벽(32) 및 측벽들(34)과,탱크(28)의 상기 하부벽(32)에 닿지 않고, 상부 단부에 의해 상기 상부벽(30)의 적어도 하나의 개구부(36)에 고정되어, 상기 가스 파이프(46)를 통해 상기 저장 용기(4)와 직접 연결되는 내부 챔버(54)와 적어도 하나의 상기 개구부(36)를 통해 상기 봉쇄 포장(2)과 직접 연결되는 적어도 하나의 외부 챔버(52)를 형성하는 분리 요소들(50)을 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 또는 제2 항에 있어서,상기 제한 장치는 다음식을 충족하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
여기에서, s 는 내부 챔버(54)의 표면적이고, S 는 외부 챔버(52)와 개구부(36)의 표면적의 합이고, p_adm 은 제한 장치(10, 11)에 의해 봉쇄 포장(2)으로부터 저장 용기(4)로의 기체 유입을 위한 유발 압력이고, p_etch 는 제한 장치(10, 11)에 의해 저장 용기(4)로부터 봉쇄 포장(2)으로의 기체 배출을 위한 유발 압력이다. - 저1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 분리 요소들(50)은 각각의 개구부(36)를 위해 네 개이고, 각각의 개구부(36)는 사각형 윤곽을 갖는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제한 장치는 네 개의 외부 챔버들(52)을 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저2 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 분리 요소들(50)에는 상기 외부 챔버(52)의 내측을 향하는 분리 요소들(50)의 하부 단부에 고정되는 금속판에 의해 형성되는 적어도 하나의 파동 분쇄 장치들(56)이 설치되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제한 장치는 각각의 외부 챔버(52)에 결합되는 기포 분쇄 장치(58; bubble fractionation device)를 부가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저7 항에 있어서,적어도 하나의 상기 기포 분쇄 장치(58)는 서로 맞물리는 와이어들의 겹쳐진 층들(60)로 이루어지고, 상기 층들(60)은 유지 격자들(62)에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 기포 분쇄 장치(58)는 간격 유지구(68; spacer)에 의해 파동 분쇄 장치(56)에 고정되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제한 장치는 상기 봉쇄 포장(2) 내에 배치되고, 상기 저장 용기(4)의 외측에 배치되며, 상기 저장 용기(4)의 구성 부분을 이루는 누출 차단 격벽인 지지 격벽(43)에 고정되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 가스 파이프(46)는 상기 지지 격벽(43)을 관통함으로써 상기 저장 용기(4)와 상기 내부 챔버(54)의 사이에서 통로를 제공하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 내연성 차폐물(20)은 석고판으로 형성되고, 상기 제한 장치(10)의 둘레에 배치되며, 상기 지지 격벽(43)에 고정되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,액체 높이 제어 시스템(80)은:저장 용기(4)와 동일한 압력이 되기 위해 액체(26)의 자유 표면 아래에서 탱크(28)와 연결되며, 액체의 자유 표면 위에서 저장 용기(4)와 연결되는 제1 제어 구역(82)과,봉쇄 포장(2)과 동일한 압력이 되기 위해 액체(26)의 자유 표면 아래에서 탱크(28)와 연결되고, 액체(26)의 자유 표면 위에서 봉쇄 포장(2)과 연결되는 제2 제어 구역(84)과,상기 제1 제어 구역(82) 내에 배치되며, 정상 작동시에는 폐쇄되는 제1 플로트 밸브(140, float valve)와,상기 제2 제어 구역(84) 내에 배치되며, 정상 작동시에는 개방되는 제2 플로트 밸브(142)를 구비하고,상기 두 개의 플로트 밸브들(140, 142)이 동시에 개방될 때 상기 탱크(28)에 액체가 공급되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저13 항에 있어서,상기 제1 제어 구역(82)은 가스 파이프(46)에 직접 연결되는 통기 오리피스(86, aeration orifice)를 구비하고, 통기 오리피스에 의해 상기 제1 제어 구역(82)이 상기 저장 용기(4)와 동일한 압력이 되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저13 항 또는 제14 항에 있어서,상기 제2 제어 구역(84)은 상기 봉쇄 포장(2)에 직접 연결되는 통기공(88)을 구비하고, 통기공에 의해 상기 제2 제어 구역(84)이 상기 봉쇄 포장(2)과 동일한 압력이 되는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저13 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 액체 높이 제어 시스템(80)은 상기 시스템을 수동으로 조작하도록 의도된 비상 밸브(144)를 부가적으로 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저13 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 각각의 제어 구역(82, 84)은, 액체(26)가 회수 탱크(94)를 향하여 배출되도록 하는 사이펀(108, 110; siphon)이 설치된 오버플로(112, 114; overflow)를 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저13 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제한 장치는 액체(94)의 저장부와, 저장부(96)로부터 탱크(28)에 공급하는 충전 파이프(118)와, 배출 파이프(122)를 부가적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 제한 장치의 모든 구성 요소들은 스테인리스 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제한 장치(10, 11).
- 저1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 탱크(28)에 포함된 액체(26)는 물인 것을 특징으로 하는 제한 장 치(10, 11).
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