제134회 소방기술사 3교시 참고답안

제134회 소방기술사 3교시 참고답안

※ 본 답안은 수험생의 이해를 돕기 위한 참고용 예시 답안이며, 채점 기준과 다를 수 있습니다. (총 6문제 중 4문제 선택)

문제 1. 다음 그림을 기준으로 이상유체의 전제조건을 쓰고 Euler 운동방정식 및 베르누이 방정식을 유도 후 그 물리적 의미를 설명하시오.

1. 이상유체(Ideal Fluid)의 전제조건

베르누이 방정식과 오일러 방정식이 성립하기 위한 이상유체의 전제조건은 다음과 같습니다.

• 비점성 유체 (Inviscid Fluid): 유체의 점성이 0이라고 가정합니다. 마찰로 인한 에너지 손실이 없습니다.
• 비압축성 유체 (Incompressible Fluid): 유체의 밀도(ρ)가 압력이나 온도 변화에 관계없이 일정하다고 가정합니다. (베르누이 유도 시 적용)
• 정상류 (Steady Flow): 유동장의 특정 지점에서 유체의 속도, 압력, 밀도 등 모든 물리량이 시간에 따라 변하지 않습니다.
• 유선(Streamline) 상의 유동: 방정식은 단일 유선(유체 입자가 그리는 가상의 선) 상에서만 성립합니다.

2. Euler 운동방정식 유도 (그림 참고)

오일러 방정식은 유체 입자에 작용하는 힘(압력, 중력)과 관성력 사이의 관계를 나타내는 식이며, 뉴턴의 제2법칙(F=ma)을 유선에 적용하여 유도합니다.

(1) 유체 요소에 작용하는 힘 (F) (유선 방향 기준)

• 압력에 의한 힘 (F_p):
  • 유입부 압력힘: P·dA
  • 유출부 압력힘: -(P+dP)·dA
  • 합력: P·dA - (P+dP)·dA = -dP·dA
• 중력에 의한 힘 (F_g):
  • 유체 요소의 질량(m) = 밀도(ρ) × 체적(dV) = ρ·(dA·ds)
  • 유체 요소의 무게(dW) = m·g = (ρ·g·dA·ds)
  • 유선 방향의 중력 성분: -dW·sinθ (유동 반대 방향)
  • 그림에서 sinθ = dz/ds 이므로, - (ρ·g·dA·ds) · (dz/ds) = -ρ·g·dA·dz
• 총 합력 (ΣF): ΣF = F_p + F_g = -dP·dA - ρ·g·dA·dz

(2) 유체 요소의 질량(m)과 가속도(a)

• 질량 (m): m = ρ·dA·ds
• 가속도 (a): (정상류에서) a = dV/dt = (dV/ds)·(ds/dt) = V·(dV/ds)

(3) 운동방정식 적용 (F = ma)

(-dP·dA) - (ρ·g·dA·dz) = (ρ·dA·ds) · [V·(dV/ds)]

양변을 (ρ·dA)로 나누어 정리합니다.

-dP/ρ - g·dz = (ds/ρ) · [ρ·V·(dV/ds)]
-dP/ρ - g·dz = V·dV

이것이 오일러(Euler) 운동방정식입니다.

(1/ρ)·dP + V·dV + g·dz = 0

3. 베르누이 방정식 유도

오일러 방정식을 유선 상에서 적분하고, '비압축성 유체'(밀도 ρ = 일정) 조건을 적용하면 베르누이 방정식이 유도됩니다.

∫[(1/ρ)·dP + V·dV + g·dz] = ∫0
(1/ρ)·∫dP + ∫V·dV + g·∫dz = Constant (적분상수 C)

P/ρ + V²/2 + g·z = Constant

위 식(에너지 방정식)의 각 항을 중력가속도 g로 나누어 수두(Head) 형태로 변환합니다. (단, γ = ρg)

P/γ + V²/2g + z = Constant (전수두)

4. 물리적 의미

베르누이 방정식은 "마찰 손실을 무시할 때(이상유체), 유선 상의 한 점에서 유체가 가지는 총 에너지는 항상 일정하게 보존된다"는 에너지 보존 법칙을 의미합니다.

• P/γ (압력수두, Pressure Head): 유체가 가진 압력 에너지 (유동 에너지)
• V²/2g (속도수두, Velocity Head): 유체가 가진 운동 에너지
• z (위치수두, Elevation Head): 유체가 가진 위치 에너지

즉, 유속이 빨라지면(속도수두 증가) 압력이 낮아지고(압력수두 감소), 높이가 낮아지면(위치수두 감소) 유속이나 압력이 증가하는 등, 세 가지 에너지의 총합(전수두)은 항상 일정하게 유지됨을 의미합니다.

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문제 2. 기계실에 설치되는 소화펌프와 주변배관에 대하여 다음 사항을 설명하시오.

1) 소화펌프의 유효흡입수두(NPSHa)에 영향을 미치는 요소

NPSHa (Net Positive Suction Head Available, 유효흡입수두)는 펌프 흡입구에서 캐비테이션(공동현상)을 발생시키지 않고 펌프가 흡입할 수 있는 절대적인 에너지(수두)를 의미합니다. 그 값은 NPSHa = (P_a / γ) ± Z - H_L - (P_v / γ) 로 계산됩니다.

영향을 미치는 요소는 다음과 같습니다.

• 대기압 (P_a): 설치 장소의 고도. 고도가 높을수록 대기압이 낮아져 NPSHa는 감소합니다.
• 수원의 수위 (Z): 펌프와 수면 사이의 높이. 펌프보다 수위가 높으면(압입식, +Z) NPSHa는 증가하고, 낮으면(흡상식, -Z) 감소합니다.
• 흡입측 총 손실수두 (H_L): 흡입 배관의 길이, 직경, 밸브, 엘보, 스트레이너 등에서 발생하는 마찰 손실. 손실이 클수록 NPSHa는 감소합니다.
• 액체의 포화증기압 (P_v): 수원의 수온. 수온이 높을수록 증기압이 급격히 높아져 NPSHa는 크게 감소합니다.

2) 소화펌프 흡입측 손실수두(H_L) 발생원인

흡입측 손실수두는 직관 마찰손실과 배관 부속품(관이음쇠)의 손실로 나뉩니다.

• 직관 손실: 배관의 길이가 길수록, 직경이 작을수록, 내부가 거칠수록(스케일), 유속이 빠를수록 발생합니다.
• 부속품 손실 (주요 원인):
  • 스트레이너 (Strainer): Y형 또는 U형 스트레이너의 거름망에서 발생하는 손실이 가장 큽니다. (※ NFTC에서는 Y형 스트레이너 설치를 권장하지 않음)
  • 밸브류 (Valves): OS&Y 게이트밸브 외의 밸브(예: 버터플라이밸브) 설치 시. (※ NFTC에서는 흡입측에 개폐표시형 게이트밸브 외의 밸브 설치 금지)
  • 굴곡부 (Bends): 과도한 엘보(Elbow) 사용으로 인한 유동 방향 변경.
  • 단면 변화: 편심 리듀서(Eccentric Reducer) 미사용 시 (상부 공기 고임 유발) 또는 급격한 관경 변화.

3) 손실수두가 소화펌프성능에 미치는 영향

흡입측 손실수두(H_L)가 과도하게 증가하면 펌프 성능에 치명적인 영향을 미칩니다.

• NPSHa의 감소: H_L 증가는 NPSHa의 직접적인 감소를 의미합니다.
• 캐비테이션(공동현상) 유발: NPSHa가 펌프가 요구하는 최소한의 수두(NPSHr)보다 낮아지면(NPSHa < NPSHr), 펌프 임펠러 입구에서 액체가 기화(기포 발생)했다가 고압부에서 붕괴하는 캐비테이션이 발생합니다.
• 펌프 성능 저하 및 파손:
  • 소음 및 진동: 기포 붕괴 시 발생하는 충격파로 자갈 구르는 듯한 소음과 진동이 발생합니다.
  • 양정 및 유량 급감: 임펠러 내부에 기포가 차면서 펌프의 토출 압력(양정)과 유량이 설계치보다 급격히 저하됩니다.
  • 임펠러 손상: 충격파가 임펠러 표면을 침식(Erosion)시켜 스펀지처럼 파손시키며, 이는 펌프의 영구적인 성능 저하 및 파손으로 이어져 소화 실패의 원인이 됩니다.

4) 실무에서 소화펌프 흡입측 배관 막힘여부 확인방법

흡입측 배관(특히 스트레이너)이 이물질로 막혔는지 확인하는 실무 방법은 다음과 같습니다.

• 연성계(진공계) 확인 (가장 중요):
  • 펌프가 정지 상태일 때 연성계(Compound Gauge)의 압력을 확인합니다. (압입식이면 정수두, 흡상식이면 0)
  • 펌프를 수동 기동(체절 또는 릴리프밸브 운전)시켰을 때, 연성계의 바늘이 평소보다 훨씬 낮은 압력(과도한 진공) 쪽으로 급격히 떨어진다면, 이는 펌프가 물을 빨아들이지 못하고 있음을 의미하며, 흡입측 스트레이너 또는 배관의 막힘이 가장 유력한 원인입니다.
• 펌프 성능시험 실시:
  • 성능시험(유량계 조작) 시, 체절운전(Q=0) 시의 압력은 정상이나, 유량을 개방(정격운전, 최대운전)할수록 압력이 급격히 떨어지고(Drooping) 소음/진동이 동반된다면 흡입측의 문제를 의심할 수 있습니다.
• 스트레이너 분해 점검 (가장 확실):
  • 펌프 점검 계획(O/H) 시, 흡입측 주 게이트밸브를 잠근 후 스트레이너의 커버를 분해하여 내부 거름망에 쌓인 스케일, 이물질 등을 육안으로 직접 확인하고 청소합니다.

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문제 3. 동일 저장소에 제1류 위험물 중 무기과산화물 150kg, 질산염류 150kg, 다이크로뮴산염류 3,000kg을 저장하려 한다. 저장량을 이용하여 지정수량의 몇 배인지 계산하시오.

1. 관련 법규 (위험물안전관리법 시행령 [별표 1])

지정수량의 배수를 계산하기 위해서는 각 위험물 품명의 지정수량을 확인해야 합니다. 문제에 언급된 물질은 모두 제1류 위험물(산화성 고체)에 속합니다.

유별	품명	위험등급	지정수량
제1류	무기과산화물 (Inorganic peroxides)	I 등급	50 kg
제1류	질산염류 (Nitrates)	II 등급	300 kg
제1류	다이크로뮴산염류 (Dichromates)	III 등급	1,000 kg

2. 지정수량의 배수 계산

둘 이상의 위험물을 동일 저장소에 저장할 경우, 총 지정수량의 배수는 각 위험물의 (저장량 / 지정수량) 값을 모두 합하여 산출합니다.

총 배수 = (물질A 저장량 / 물질A 지정수량) + (물질B 저장량 / 물질B 지정수량) + ...

(1) 무기과산화물의 배수:

150 kg / 50 kg = 3.0 배

(2) 질산염류의 배수:

150 kg / 300 kg = 0.5 배

(3) 다이크로뮴산염류의 배수:

3,000 kg / 1,000 kg = 3.0 배

3. 결론

동일 저장소에 저장되는 위험물의 총 지정수량 배수는 다음과 같습니다.

총 지정수량의 배수 = 3.0 + 0.5 + 3.0 = 6.5 배

따라서 지정수량의 6.5배에 해당합니다.

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문제 4. 「가스계소화설비 설계프로그램 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에서 가스계 소화설비 설계프로그램의 유효성 확인을 위해 시험모델을 실제로 설치하여 실시하는 시험의 종류에 대하여 설명하시오.

1. 개요

가스계소화설비(특히 CO2, IG계열)의 배관 내 유동은 고압의 액체/기체 2상 유동(Two-phase flow)으로 매우 복잡합니다. 따라서 수리계산이 아닌 전용 설계프로그램(소프트웨어)을 사용해야 하며, 이 프로그램의 계산 결과(예측치)가 실제 현상과 일치하는지 검증하기 위해 KFI에서는 실제 시험모델을 통한 유효성 확인 시험을 요구하고 있습니다.

2. 설계프로그램 유효성 확인 시험의 종류

「가스계소화설비 설계프로그램 성능인증 및 제품검사의 기술기준」 제5조(시험방법)에 규정된 주요 실제 설치 시험은 다음과 같습니다.

시험 종류	시험 목적	주요 시험 방법 및 내용
1. 배관 흐름 시험 (Flow Test)	소프트웨어가 예측하는 배관 내 압력 강하, 유량, 약제 도달 시간의 정확성(신뢰도)을 검증. (2상 유동 해석 능력 검증)	- 인증 기준에서 정한 최소/최대 배관 길이, 분기 방식(Balanced/Unbalanced) 등 다양한 조건의 시험용 배관망(Test Model)을 실제로 설치. - 약제를 방출하며 배관의 주요 지점(분기점, 노즐 직전)에서 압력과 온도를 실시간 측정. - 측정된 실제 값이 프로그램 예측값의 허용 오차 범위(예: ±10%) 이내인지 확인.
2. 방호구역 방출 시험 (Enclosure Discharge Test)	소프트웨어가 예측하는 설계 농도 도달 시간 및 균일도를 검증.	- 실제 테스트 룸(방호구역)에 시험 모델의 노즐을 설치하고 약제를 방출. - 방호구역 내 여러 지점(높이별, 위치별)에서 가스 농도를 실시간으로 측정. - 측정된 농도가 규정된 방출 시간(예: 1분) 내에 최소설계농도(MDC)에 도달하고, 구역 전체에 균일하게 분포되는지 확인.
3. 노즐(분사헤드) 시험	프로그램 설계에 사용되는 노즐의 고유 특성(K-Factor, 분사 패턴)이 유효한지 검증.	- 노즐에 압력을 가하면서 실제 방출되는 유량을 측정하여 노즐의 방출계수(K-Factor)를 산출. - (필요시) 노즐의 분사 각도, 방호 면적 등 분무 특성을 확인.

이러한 실증 시험(Validation Test)을 통과해야만 해당 설계프로그램이 소방시설 설계에 사용될 수 있는 공신력을 갖게 됩니다.

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문제 5. NFPA 13에서 제시하는 준비작동식 스프링클러설비의 설비요건과 관련하여 다음 사항을 설명하시오.

1. 개요

NFPA 13 (Standard for the Installation of Sprinkler Systems)에서 정의하는 준비작동식(Preaction System) 설비는 2차측 배관이 건식(Dry) 상태로 유지되다가, 감지기 시스템(Detection System)의 작동에 의해 프리액션 밸브가 개방되어 2차측으로 물이 채워지는(Priming) 시스템입니다. 이는 동파 방지 및 수손 피해 최소화가 요구되는 장소에 사용됩니다.

1) 설비의 형식 (Types)

NFPA 13은 프리액션 밸브의 개방 조건을 기준으로 다음 3가지 형식(Type)을 규정하고 있습니다.

형식	밸브 개방 조건	특징
Single Interlock (단일 연동식)	감지기 시스템만 작동할 때 (예: 화재 감지)	- 감지기가 작동하면 즉시 2차측 배관에 물이 채워짐. - 이후 헤드가 개방되면 즉시 방수됨 (습식과 유사). - (장점) 헤드 파손 시(비화재)에는 물이 방출되지 않아 수손 피해 방지에 유리함. - (※ 국내(NFTC)의 준비작동식은 이 방식에 해당함)
Double Interlock (교차 연동식)	감지기 시스템 작동 AND 헤드 개방 (배관 내 공기압 저하)	- 두 가지 조건이 모두 만족되어야 밸브가 열림. - (장점) 수손 방지 신뢰도가 가장 높음 (감지기 오작동 또는 헤드 파손 시에도 방수 안됨). - (단점) 헤드가 개방된 후 물이 도달하기까지 방수 지연(Delay)이 발생함.
Non-Interlock (비연동식)	감지기 시스템 작동 OR 헤드 개방 (배관 내 공기압 저하)	- 둘 중 하나의 조건만 만족해도 밸브가 열림. - (특징) 감지기 오작동 시 또는 헤드 파손 시 모두 물이 방출됨. - (※ 사실상 건식(Dry Pipe)과 습식(Wet Pipe)의 백업 기능을 합친 형태로, 특수한 경우 사용됨)

2) 설비형식에 따른 설비의 크기 (Size)

NFPA 13은 밸브 작동 후 물이 신속하게 도달해야 하는 원칙에 따라 설비의 최대 크기(배관 내 용적 또는 헤드 수)를 제한합니다.

• Single Interlock 및 Non-Interlock:
  • 이 방식들은 감지기 작동 시 밸브가 즉시 개방되어 배관에 미리 물이 채워지므로(Primed), 방수 지연이 적습니다.
  • 따라서 1개의 프리액션 밸브가 담당하는 스프링클러 헤드의 수는 1,000개를 초과하지 않도록 제한합니다 (일반 위험도 기준).
• Double Interlock:
  • 이 방식은 헤드가 개방된 후에야 밸브가 열리므로, 물 이송 시간(Water Delivery Time) 지연이 치명적입니다.
  • 따라서 NFPA 13은 이 시스템의 배관 용적이 50,000 ft³ (약 1,416 m³)를 초과하지 않도록 강력히 권고(제한)합니다.
  • 또한, 가장 먼 헤드까지 물이 도달하는 시간이 규정된 시간(예: 60초) 이내임을 계산서를 통해 입증해야 합니다.

3) 설치 가능한 스프링클러헤드의 종류

준비작동식 설비는 2차측이 건식 상태이므로, 응축수 고임으로 인한 동파나 부식을 방지하기 위해 헤드 종류를 제한합니다.

• 원칙 (상향식): 상향식(Upright) 스프링클러 헤드를 설치하는 것을 원칙으로 합니다. 이는 배관 상부에 설치되어 응축수가 헤드 내부로 유입되는 것을 방지합니다.
• 하향식 사용 조건: 하향식(Pendent) 헤드를 반드시 설치해야 하는 경우(예: 사무실 천장), 다음 중 하나를 만족해야 합니다.
  1. "Listed Dry Pendent Sprinkler" (건식 하향형 헤드)를 사용해야 합니다. 이 헤드는 내부에 밀봉 장치가 있어 2차측 배관의 공기가 헤드 내부로만 유입됩니다.
  2. 배관을 "Return Bend" (U자형 굽힘)로 설치하여, 물이 헤드 쪽으로 고이지 않고 주 배관 쪽으로 배수(Drain)될 수 있는 구조로 해야 합니다.
• 사용 금지 (원칙): 일반적인 하향식(Pendent) 또는 측벽형(Sidewall) 헤드는 배관 내 응축수, 이물질 등이 고여 동파, 부식, 막힘을 유발할 수 있으므로 건식 배관에 직접 연결하여 사용할 수 없습니다.

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문제 6. 항공기의 부위별 화재 위험성과 항공기 화재 시 소화설비를 설명하시오.

1. 개요

항공기(Aircraft)는 고공의 저압/저온 환경에서 대량의 연료와 점화원(엔진, 전기)을 탑재하고 운항하는 특수 구조물입니다. 화재 발생 시 외부의 도움 없이 자체적으로 해결해야 하므로, 부위별 위험 특성에 맞는 고도의 신뢰성을 갖춘 화재 감지 및 소화설비가 필수적입니다.

2. 항공기 부위별 화재 위험성 및 소화설비

미국 연방항공규정(FAR Part 25) 등에서는 항공기를 화재 위험 구역(Fire Zone)별로 분류하여 관리합니다.

부위 (Fire Zone)	화재 위험성 (Hazard)	화재 감지 설비	소화 설비 (Suppression)
엔진(Engine) 및 APU (보조동력장치)	- 인화성 액체(연료, 유압유) 누설 - 고온의 엔진 표면(Hot Surface) (점화원) - 전기 배선 단락 - (Class A Zone: 화재 위험 높음)	- 열 감지기 (Spot/Loop Type) - (신속한 감지 요구)	- 고정식 가스계 소화설비 - 주 약제: Halon 1301 (또는 HFC-125 등 대체약제) - 조종실에서 수동 조작 (1-Shot 또는 2-Shot 시스템)
화물칸 (Cargo Compartment)	- 승객의 미확인 위험물 (특히 리튬 배터리) - 가연성 화물 - 전기 배선 단락 - (Class C, E Zone)	- 연기 감지기 (광전식 또는 이온화식) - (숨겨진 화재 감지)	- 고정식 가스계 소화설비 (Flooding) - 주 약제: Halon 1301 - (1) 즉시 방출(Knock-down) + (2) 장시간 농도 유지(Suppression) 2단계 방출
객실 (Passenger Cabin)	- 승객 휴대품 (리튬 배터리 기기) - 좌석 시트, 내장재 (A급 가연물) - 주방(Galley) 전열기구, 쓰레기통 - 전기 배선 (단락)	- 연기 감지기 (화장실, 객실 천장) - 승무원의 육안 감시	- 휴대용 소화기 (Portable Ext.) (1) 물 소화기 (A급 화재용) (2) Halon 1211 (B,C급 및 리튬 배터리 화재용) - 화장실 쓰레기통: 열감지식 자동소화장치 (Halon 또는 HFC)
착륙장치 (Landing Gear Bay / Wheel Well)	- 착륙 시 브레이크 과열 (Hot Brakes) - 타이어 파열 및 마찰열 - 유압유(Hydraulic Fluid) 누설	- 과열 감지 센서 - (주로 경보만 제공)	- (일반적으로 고정식 소화설비 없음) - 지상 요원 및 소방대의 외부 접근 진압에 의존함. (설계상 공기 흐름이 많아 소화가 어려움)
전자장비실 (Avionics Bay)	- 고밀도 전자기기 과열 - 전기 배선 합선	- 연기 감지기	- (일반적으로 고정식 소화설비 없음) - 객실/조종실의 휴대용 소화기(Halon 1211)로 진압.

※ Halon(할론) 약제는 오존층 파괴 문제(몬트리올 의정서)로 인해 신규 항공기에는 Halon 대체약제(Halotron, HFC계열 등)가 사용되고 있으나, 기존 항공기에는 여전히 Halon이 가장 널리 사용되고 있습니다.