아이치현 다케토요츠 화력발전소 폭발·화재

 

국가화재평가원

전성호 소장(소방기술사 / 소방시설관리사)

 

 

사고 화력발전소 현황

 

§사고 화력발전소는 1966년 1호기 가동을 시작했고, 1972년 2호기부터 4호기가 가동을 시작했습니다.

§1호기부터 4호기는 노후화로 인해 이미 폐기되었으며,

§2022년 8월 도쿄전력과 중부전력이 공동 출자한 5호기가 Coal과 바이오매스(Wood pellet)의 혼소발전으로 발전을 시작합니다.

§그러므로 사고 화력발전소는 Coal과 Wood pellet을 연료로 사용하는  혼소발전소입니다. (현재 5호기만 가동 중입니다.)

 

 

사고 개요

 

§2023년 1월 31일 오후 3시 10분경, 아이치현 제라 타케토요 화력발전소에서 '폭발이 있었다’는 인근 주민들의 119 신고가 접수됐습니다.

§폭발 후 5호기 건물 상부 부분과 벨트 컨베이어로 화재가 확산되었으며, 소방차 14대와 방재 헬기가 출동하여 화재는 약 5시간 만에 진화 되었습니다.

§다행히 부상자 등 인명 피해는 없었습니다.

 

 

분진폭발(폭연) 확대 과정

 

§CCTV 영상을 확인 했을 때, 전형적인 분진 폭발의 폭연 확대 현상이 확인되었습니다.

§분진 폭발의 폭연 확대 과정은 최초 폭발 시의 선단 압력파가 전파되면서 바닥과 CV 등의 주변 분진을 부유 시키고, 압력파 뒤에 따라오는 화염이 점화원이 되어 2차 분진폭발을 일으킵니다.

§아래 CCTV 캡쳐 사진은 단, 1초 이내의 현상으로, 화재가 아니라 전형적인 분진폭발 확대 과정(폭연전파)으로 판단됩니다.

 

 

§폭발은 보일러동 13층에서 시작되었으며, 해당 층에는 트리퍼 및 우드펠릿 벙커 등의 설비가 있는 장소로 추정됩니다.

§최초 폭발 이후 트리퍼룸 전체로 폭압이 전달되고 폭압에 의해서 컨베이어(이하CV)내 분진 및 주변 분진을 부유시키며, 2차 폭연 현상이 CV를 타고 확대됩니다. 이 과정은 모두 1~2초 이내에 진행됩니다.

 

 

CV 연소 확대 과정

 

§TTT로 폭연이 전파된 이후 TTT 연결 CV로 화재가 확대되는, 분진폭발 후 CV 연소확대라는 전형적인 폭발 후 화재 패턴이 발생하게 됩니다.

 

 

 

사고 발전소 유사 화재 이력

 

§해당 발전소는 사고 이전 이미 우드펠렛 관련 화재 사고 이력이 있었던 것으로 보도되고 있습니다.

§2022년 8월과 9월, 2023년 1월 세 차례에 걸쳐 유사 화재가 발생한 것으로 확인됩니다.

§JERA에 따르면 모두 목재 펠렛 분말의 연소로 인해 발생한 것으로 추정되고 있습니다.

§즉, 사고 발전소는 이미 최근 과거에 우드펠렛 연료의 자연발화 및 화재 이력이 다수 존재했었습니다.

§2019년 이후 일본에서 바이오매스 관련 13건의 화재 사고가 발생한 것으로 보고되고 있습니다.

 

최초 사고 지점 고찰(추정)

 

§사고 발전소의 보일러동에는 6개의 벙커가 있으며, 이 중 하나를 우드 펠렛 전용으로 할당하고 있습니다.

§최초 폭발 또는 화재로 추정되는 장소는 이 펠렛 전용의 벙커로, 당시 이 벙커에는 300톤 정도의 우드펠렛이 보관되어 있었다고 합니다.

§화재 시 연소된 벨트 컨베이어는 석탄과 펠렛을 모두 운반하는 설비이지만, 사고 당시에는 펠렛만을 운반하고 있던 것으로 보도되었습니다.

§현재까지의 보도 내용에 따르면 최초 분진폭발(폭연) 발생 지점은 우드펠렛 벙커시설이며벙커 내부에서 발생한 폭발에 의하여 형성된 압력파 등에 의하여 벙커 인근의 트리퍼 구역의 지붕과 벽체를 파손시킨 것으로 판단됩니다.

§지붕과 벽체의 파손된 방향 및 CCTV의 최초 폭발 화염 영상을 보았을 때, 설득력 있는 추정이라고 판단됩니다.

§즉, 최초 사고 지점은 보일러동 13층의 펠렛 벙커 또는 주변 시설에서 발생한 것으로 추정됩니다. 다만, 최초 지점은 벙커가 아닌 트리퍼 또는 주변시설일 수도 있습니다. 하지만 현재의 제한된 정보로는 확인이 어렵습니다.

 

 

사고 물질(우드펠렛 분진)

 

§목재 부유 분진은 표와 같이 석탄에 비하여 매우 낮은 점화에너지를 가지고 있으므로 분진폭발 가능성은 석탄에 비하여 상당히 높습니다.

 

 

추정 사고 원인 1 – 벙커 자연발화

 

§분진폭발은 점화원과 분진의 부유 조건이 형성되어야 합니다.

§자연발화 된 목재 펠렛 Hotspot은 분진을 점화시키기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다.

§다만, 이러한 에너지가 분진폭발로 이어지려면 분진의 부유 현상이 동반되어야 하며, 부유된 분진에 자연발화 에너지가 직접 작용하여야 합니다.

§그러므로, 만약 벙커 내 펠렛을 인입(낙하) 중이었다면, 트리퍼를 통해 펠렛이 벙커 내로 낙하하면서 부유 조건은 형성되었을 것으로 판단됩니다.

§다만, 이 경우 자연발화로 형성된 Hotspot의 위치가 벙커 상부이거나

§저탄장에서 이미 자연발화가 진행되어 Hotspot이 충분히 형성된 펠렛이 벙커로 인입(낙하)중일 때 점화가 가능합니다.

 

 

추정 사고 원인 2 –벙커 내 가스폭발

 

§목재 펠렛은 보관 기간이 길거나 온도가 높아지는 등 주변 환경의 변화에 의하여 자연발화, 분해 등이 촉진되고 이러한 과정에서 가연성 가스가 발생할 수 있습니다.

§이러한 가연성 가스가 벙커라는 구획된 공간에 정체되는 경우, 가연성가스의 점화에너지는 매우 낮으므로 기타 점화원에 의하여 점화되는 경우가 발생할 수 있습니다.

§이러한 폭발은 가스폭발로 분류되며, 1차 가스폭발에 의해 발생된 폭압에 의하여 주변 분진이 부유하고 이로 인하여 2차로 분진폭발을 일으킬 수 있습니다.

 

추정 사고 원인 3 – 벙커 주변시설의 기계적 공정

 

§벙커 주변 시설 중 트리퍼나 집진기, 컨베이어 벨트 등이 있으며,

§이러한 설비 등은 기계적 마찰 등으로 고온 표면, 열 에너지, 스파크 등을 발생시킬 수 있습니다.

§이러한 기계적 공정은 부유 분진의 점화원으로 작용할 수 있으며, 분진폭발 사고의 원인으로 종종 확인되기도 합니다.

§또한, 컨베이어에 외부 케이스를 설치한 것으로 보이며 이 경우 분진폭발 조건인 분진 부유와 밀폐 조건이 형성될 수 있습니다.

 

 

추정 사고 원인 4 –벙커 내 정전기

 

§벙커나 사일로 등에 고체 분진을 인입하는 경우 정전기가 발생하며, 이러한 정전기 중 Brush 방전은 이론상 에너지의 크기가 목재 분진을 활성화시킬 수 있습니다.

§다만, 겨울철로 주변 온도가 낮고 펠렛 덩어리가 섞여 있으므로 정전기 방전이 점화원으로의 작용 가능성은 낮다고 판단됩니다.

 

 

국내 분진폭발 사례

 

 

§최근 5년간 국내 사고 사례로 사업장명과 일자 등은 표기하지 않습니다.

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 36호에 기고된 글입니다.