발전소용 FRP Structure 냉각탑의 화재위험성과 Concrete 냉각탑과의 비교

발전소용 기계식 냉각탑에서 FRP Structure와 Concrete Structure의 화재안전성, Life Cycle Cost, 유지관리성은 발주자가 반드시 검토해야 하는 중요한 요소이다.

 

부제  "발전소용 기계식 냉각탑의 구조형식 선택에 대한 기술적 고찰"

 

최근 국내발전소에 Concrete를 대체한 FRP Structure Cooling Tower가 건설되고 있다. (이천 &안동)

이에 다음과 같은 논제에 대하여, Concrete vs FRP Structure의 화재문제와 장단점을 비교하며 기술한다.

*  FRP Structure 냉각탑은 화재에 안전한가?

*  발전소 전체 건설비용에 대비하여  FRP Structure로 절감한 비용은 타당한가?

*  FRP Structure Cooling Tower에 대한 최소한의 방화대책은 무엇인가?

 

이 글은 FRP 구조 냉각탑이 사용할 수 없는 설비라고 주장하려는 것이 아니다. 다만 발전소 주냉각설비의 구조형식은 초기공사비만이 아니라 화재확산 가능성, 정지손실, 화재 후 복구성 및 장기 유지보수비를 포함한 생애주기 위험비용으로 결정해야 한다. 특히 난연 FRP와 자기소화성 PVC의 재료시험 결과를 완성된 다셀 냉각탑의 화재안전성과 동일시해서는 안 된다.

 

 

1. FRP Structure Cooling Tower 화재사건

"대형 산업용 FRP Structure Cooling Tower의 실제 화재 사례"

최근(2024. 2. 14) 미국 West Shreverport의 옛 GM공장에서 발생한 화재

SPX marley가 개보수(Retrofit) 90% 진행중 발생, 사실상 전소된 것으로 확인됨

fire-retardant FRP와 자기소화성 PVC가 왜 화재확산방지에 충분하지 않을까?

 

출처 : https://www.ktbs.com/news/local/firefighters-battle-blaze-in-west-shreveport/article_ffb0b4fc-cb50-11ee-89e9-5b70f0c83755.htm

Firefighters battle blaze in west Shreveport

 

 

 

 

2. FRP는 불가연성 재료인가?   화재예방대책은 무엇인가?

냉각탑의 발전은 소재 주기와 맞물려 비교적 느리다.  전통적인 냉각탑 골조를 대신하게된 FRP는 Concrete에 비하여 건설비용이 저렴하고 납기도 짧다.  FRP는 fire-retardant 처리로 화염확산등급( flame spread ratings)이 25이하이므로 불가연성이라고 냉각탑 공급업체와 일부 보험 컨설턴트에 의해 잘못 알려지고 있다.   FRP는 나무만큼 쉽게 불이 붙지 않을 수 있지만 여전히 가연성이며 목재냉각탑보다 FRP냉각탑의 화재확률이 낮다는 공식연구는 아직 존재하지 않는다.

 

FM Approvals이 추구하는 방향은 냉각탑에 화재가 발생하지 않는 것이 아니라, 한 셀의 화재가 인근 셀로 번지지 않는 것이다.  냉각탑의 모든 자재를 불연재로 구성하는 것이 불가능하므로 FRP 냉각탑에서 최소한의 화재예방대책은 다음과 같다.

FM Approved 등 동등한 실대형 화재성능이 확인되지 않은 가연성 FRP 냉각탑에는 NFPA 214 및 FM Data Sheet 1-6에 따른 자동식 소화설비 적용을 원칙적으로 검토해야 한다.

     FRP냉각탑에는 스프링클러 보호장치가 설치되어야 한다.

       (The tower must be provided with sprinkler protection.)

 

출처 : https://www.linkedin.com/pulse/fiberglass-cooling-towers-fire-protection-dominique-dieken-pe

Fiberglass Cooling Towers and Fire Protection

 

 

 

3. 냉각탑 구조형식의 평가  - Concrete vs FRP

1) 발전소 주냉각계통처럼 냉각탑 화재가 곧 출력 저하·장기 정지·복구 지연으로 이어지는 설비에서는, 단순 초기공사비보다 화재 후 결과의 크기와 복구 가능성을 중심으로 구조 형식을 평가해야 함.

 

2) 대형 발전소용 다셀 기계식 냉각탑에서는 콘크리트 구조가 FRP 구조보다 본질적으로 화재 격리성과 화재 후 잔존 구조성능 측면에서 유리하다.
그러나, FRP 구조가 언제나 부적합하다고 단정하기보다는, 화재구획·소화설비·충진재·핫워크 관리·복구시간을 금액으로 환산한 생애주기 위험비용을 비교해야 한다.

 

3) “난연 FRP”를 “불연재”로 이해해서는 안 됨"    Fire-retardant FRP는 noncombustible material이 아니다.
난연 수지는 착화 지연, 화염전파 감소 또는 시험조건에서의 자기소화 성능을 개선한 재료일 뿐이다. 유리섬유는 불연성이지만, 이를 결합하는 폴리에스터·비닐에스터·에폭시계 수지는 유기물이며 연소 또는 열분해될 수 있습니다. NIST 자료도 유리섬유 자체는 불연성이지만 수지 성분은 난연제가 첨가되어도 가연성을 가질 수 있다고 설명한다.

FRP는 대체로 열경화성 수지이므로 일반적인 열가소성 플라스틱처럼 녹아 액체가 되는 것이 주된 현상은 아니다.  강한 열을 받으면 수지가 연화·탄화·열분해되고, 이 과정에서 생성된 가연성 분해가스가 연소한다.  표면 화염이 사라져도 내부 수지의 열분해나 잔염이 이어질 수 있다.  난연 FRP는 화재에 노출되면 녹아서 타는 재료라기보다, 수지층이 열분해되면서 가연성 가스를 방출하고 구조적 결합력을 상실하는 복합재이다. 시험편의 자기소화 성능이 실제 냉각탑 내부의 대형 화재 거동을 보장하지는 않는다.

 

4) PVC의 자기소화성도 실물 냉각탑의 안전성을 보장하지 않는다

PVC는 일반적으로 PP나 PE보다 착화성과 화염전파성이 낮고, 외부 화염이 제거되면 스스로 꺼지는 시험 결과를 보일 수 있다. 그러나 냉각탑에서는 다음 조건이 동시에 존재한다.

• 수백 또는 수천 개의 얇은 필름형 충진재
• 넓은 비표면적
• 건조된 슬라임·스케일·유기 퇴적물
• 공기 유동을 만드는 팬과 개방 통로
• 용접 불티·용단 슬래그·가열된 금속 조각
• 셀 내부의 굴뚝효과

따라서 작은 시험편의 자기소화성은 실제 조립체의 화재성능과 같지 않다.  NFPA 기술위원회 자료에서도 여러 종류의 화재시험을 이용해 냉각탑의 화재위험을 평가하는 문제를 별도로 다루고 있다.  이는 단일 소재시험만으로 전체 냉각탑의 화재거동을 판단하기 어렵다는 뜻이다.

또한 PVC는 고온에서 열분해되며 염화수소계 부식성 가스를 발생시킬 수 있으므로, 화재 후에는 직접 연소되지 않은 전기·제어·금속설비까지 간접 손상을 받을 수 있다. 따라서 “불길이 인접 셀로 번졌는가”만으로 피해범위를 평가해서는 부족하다.

 

5) PP 충진재와 PVC 충진재의 국내 사례

국내 특정 화재 사례에서는 PP 충진재 사용 셀에서 인접 셀로 연소가 확대된 반면, PVC 충진재 사례에서는 셀 간 확대가 제한되었다. 그러나 이 결과는 충진재 재질뿐 아니라 셀 분리벽, 풍향, 팬 운전 여부, 습윤상태, 퇴적물, 소화 대응시간 등의 영향을 함께 받으므로 재료 하나만의 결과로 일반화해서는 안 된다.

PP와 PVC의 차이는 분명 존재하지만, 화재 확산은 재료 특성과 구조적 방화구획의 결합 문제이다.

국내의 냉각탑 화재사례 - Concrete Structure임에도 불구하고 인접 셀로 불이 확산됨 (Fill의 재료가 pp).

또 다른 국내 사례에서는 인접 셀로는 확산이 안됨 (최근 국내발전소, PVC Fill)  

 

 

6) FRP 구조의 장기사용 문제는 화재와 별도로 평가해야 함

FRP 구조는 다음 열화기구를 관리해야 한다.

• 자외선과 표면 수지 열화
• 습윤·온도 반복에 따른 수지 성능 변화
• 화학약품 및 수처리제 노출
• 볼트 구멍과 연결부의 응력집중
• 반복 진동과 피로
• 층간박리, 균열, 섬유 노출
• 국부 수리부의 품질 편차

CTI가 FRP 구조재에 대해 별도의 설계지침, 최소설계기준과 재료 인증 프로그램을 운영하는 것도 FRP가 단순히 “부식되지 않는 영구재”가 아니라, 재료성능과 제조품질을 별도로 검증해야 하는 구조재라는 점을 보여준다.

출처 : https://www.cti.org/blogs/posts/structural-design-guide-of-frp-components-copy?utm_source=chatgpt.com

Structural Design Guide of FRP Components

 

그러나, 콘크리트도 다음과 같은 약점이 있다.

• 염화물 침투와 철근부식
• 탄산화
• 동결융해
• 균열과 누수
• 수처리약품에 의한 표면 열화
• 큰 자중과 기초비용
• 보수 시 습윤면 콘크리트 품질관리 문제

즉, 콘크리트는 무보수 구조가 아니며 FRP도 단명 구조라고 단정할 수 없다. 관건은 실제 설계수명, 환경조건, 검사 가능성, 부품 교체 가능성과 품질보증이다.

 

 

7) 유지보수 작업성

충진재는 수질, 운전조건, 오염도에 따라 수명이 크게 달라지나 설비관리 경험값으로 8~12년마다 교체하게 되는데, 충진재 교체 시 콘크리트 구조가 제공하는 다음 이점은 분명하다.

• 임시 작업발판의 지지점 확보가 비교적 용이
• 작업자와 자재의 집중하중에 대한 여유
• 고압세척·청소 중 구조체 손상 우려가 상대적으로 작음
• 내부 통로와 접근설비를 영구 구조로 계획하기 쉬움
• 보수 중 발생하는 충격·용접·절단 작업에 대한 내성이 큼

반면 FRP 구조에서는 작업발판의 반력, 국부 집중하중, 드릴링이나 임의 체결, 열작업이 구조재를 손상시킬 수 있으므로 제조사의 승인과 별도 엔지니어링이 필요한 경우가 많다.  냉각탑 내부의 미끄럼, 추락, 협소공간, 생물학적 오염 위험은 구조재와 무관하며 안전성은 영구 작업통로, 앵커리지, 배수, 세척 절차와 인양계획까지 포함해 판단해야 한다.

 

 

8) 원가절감 논리는 발전소 전체 위험비용으로 검증해야 함.

발전소 전체 건설비에서 냉각탑 골조 차액이 제한적인데, 그 절감으로 인해 다셀 화재와 장기 출력손실 위험이 커진다면 단순 초기비용 절감은 합리적이지 않을 수 있다.

이는 다음 식으로 비교할 수 있다.

  총 생애주기비용 = 초기 건설비 + 정기 유지보수비 + 대수선비 + 화재방호비 + 예상 사고손실비 + 정지에 따른 발전손실−잔존가치

여기서 예상 사고손실비는 다음과 같이 계산할 수 있다.

  예상 화재손실 = ∑(사고확률 × 사고결과 비용)

특히 발전소에서는 직접 복구비보다 다음 항목이 더 커질 수 있습니다.

• 냉각용량 상실에 따른 출력감발
• 하계 피크기간 대체전력 구입비
• 장기납기 FRP 구조재와 충진재 조달
• 인접 케이블·전기·계측설비의 연기 및 부식 손상
• 보험료와 자기부담금
• 화재조사와 재가동 승인 지연
• 계통 신뢰도 저하

실제로 미국 NRC 자료에는 1986년 냉각탑 화재 후 잔여 냉각탑에 스프링클러 계통과 습윤 유지 절차를 추가한 사례가 기록되어 있다.  이는 냉각탑 화재가 단순한 소재 문제가 아니라 발전소 운영연속성의 문제로 취급되었음을 보여준다.

출처 : https://www.nrc.gov/docs/ML0427/ML042790415.pdf?utm_source=chatgpt.com

 

 

9) 리스크 관리 차원

국내 발전소 냉각탑의 역사가 짧아서 Operation Risk와 Maintenance Risk의 경험과 축적이 매우 적다.  국내외를 막론하고 발전소 냉각탑의 화재는 '운전 중 화재'보다 '정비 중 화재'의 확률이 훨씬 컸다.  냉각탑에서 FRP에 대한 위험논리(Risk Logic)에 대하여 신중하고 보수적인 접근이 필요하다.

참조 : https://risklogic.com/an-updated-look-at-cooling-towers/

An Updated Look at Cooling Towers Loss Prevention %%page%% - Risk Logic

 

 

 

 

 

 

4. 결론

FRP 구조 냉각탑은 경량성, 내부식성, 시공기간 단축과 낮은 초기비용이라는 장점이 있다. 그러나 발전소 주냉각설비에서는 난연성 재료시험 결과만으로 실제 화재안전성을 판단해서는 안 된다. 냉각탑 화재는 충진재, 퇴적물, 강제통풍, 다셀 구조와 열작업이 결합된 시스템 화재이기 때문이다.

콘크리트 구조는 화재 발생 자체를 막아주는 재료는 아니지만, 주구조가 연료로 작용하지 않고 셀 간 화재확산을 제한하며 화재 후 부분복구 가능성을 남긴다는 점에서 수동적 방호벽의 역할을 한다. 발전소 전체 건설비 중 제한적인 초기 차액만을 근거로 이 방호기능을 제거하는 것은, 화재확률이 아니라 화재결과의 규모까지 포함한 생애주기 위험평가 없이 결정해서는 안 된다.

결론적으로  대규모 공공 발전소의 Wet/Dry 기계식 냉각탑이라면 콘크리트 구조를 기본안으로 유지하는 것이 보수적이면서도 합리적인 선택이라고 본다.  FRP 구조를 채택하려면 최소한 동등 이상의 방화구획, 자동소화, 열·연기 감지, 핫워크 통제, 셀 간 확산시험, 화재 후 복구계획과 장기 구조검사 기준이 발주규격에 포함되어야 한다.  초기공사비만 비교해 결정한다면, 작은 절감액으로 발전소의 긴 그림자를 사는 셈입니다.

 

  * FRP냉각탑에는 스프링클러 보호장치가 빈드시 설치되어야 한다.

  ** 참조로, 국내에서는 삼성전자와 삼성바이오 등 삼성계열사의 모든 FRP 냉각탑에는 스프링클러가 설비되어 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. 참조 : 발전소 냉각탑 화재의 실 사례

1) 레이크랜드 일렉트릭의 맥킨토시 발전소 냉각탑 화재

https://www.theledger.com/story/news/2006/03/14/cooling-tower-catches-fire-during-early-morning-repairs/25911307007/

Cooling Tower Catches Fire During Early Morning Repairs

 

2) 게인즈빌 발전소 냉각탑 화재

https://www.gainesville.com/story/news/2022/02/18/fire-gainesville-electric-plant-destroys-cooler-but-power-secure/6843265001/

No one injured and power will stay on after fire at city's largest electric plant

 

 

3) 디어헤이븐 발전소 화재 (목재냉각탑, 동영상)

https://alachuachronicle.com/fire-at-deerhaven-power-plant-cooling-tower/

 

Fire at Deerhaven Power Plant Cooling Tower - Alachua Chronicle

 

 

4) IL&FS 화력 발전소 냉각탑 화재

https://raviemappur.wordpress.com/2015/03/30/fire-accident-in-ilfs-thermal-power-plant-cuddalore/

FIRE ACCIDENT IN IL&FS THERMAL POWER PLANT-CUDDALORE

 

5) UK 디드콧 B 발전소 냉각탑 화재

https://www.powermag.com/cooling-tower-fire-takes-down-uk-power-plant/

Cooling Tower Fire Takes Down UK Power Plant

 

https://www.dailymail.com/news/article-2799463/cooling-tower-flames-blaze-hits-power-station-didcot-supplies-electricity-millions.html

Cooling tower in flames as blaze hits power station in Didcot