화재원인조사실무

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기름보일러의 화재위험성 조사

글 : 화재조사센터 책임 김성제(CFI, CFEI)

1. 개요

보일러는 밀폐된 용기 내의 물이나 열매체를 연료의 연소열 또는 그 밖의 열원에 의해 가열하여 대기압을 초과하는 압력의 증기나, 온수를 발생시키고 이것을 다른 곳에 공급하는 장치를 말한다.
가정용으로 사용되는 보일러는 크게 가스보일러, 전기보일러, 화목보일러 및 기름보일러 등으로 나눌 수 있다. 가스보일러는 화력이 우수하여 국내에서 가장 폭넓게 사용되고 있지만 가스배관 설치비용, 가스누설 및 가스폭발의 위험성 및 유가변동에 의한 유지비용이 부담될 수 있는 단점이 있고, 전기보일러는 일반 전기보일러와 심야전기보일러로 나뉠 수 있는데 공통적으로 편리하게 사용할 수 있고 높은 열효율을 발생하는 장점이 있지만 일반 전기보일러의 경우 가정용 전기에 누진세가 적용되고 심야전력요금은 현재 일반용 전력요금의 86.25 % 1) , 한국전력공사 전기요금(23.5.16. 기준)
수준으로 요금이 인상되는 등 연료비가 비싸다는 단점이 있다. 화목보일러는 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 폐목 등 땔감나무를 연료로 하여 난방과 온수 등을 사용하기 위한 보일러로 화목 전용과 화목과 기름 또는 연탄 겸용 등의 형태로 제작되어 공급되고 있으나 화목보일러의 대부분이 자동온도조절장치 등 안전장치가 없어 과열될 위험성이 높고, 불씨 방치, 불티 비산, 가연물 근접방치 등 부주의로 인한 화재위험성이 있다.
기름보일러는 등유 등 연료를 구하기 쉽고 전국적으로 많이 보급되어 있기 때문에 A/S 체계가 잘 잡혀 있으나 소음과 냄새가 나고 기름탱크를 설치할 수 있는 별도의 공간이 필요하며, 연료 누출로 인한 화재위험성이 있다.
“화재위험성조사” <기름보일러> 편에서는 10년 전부터 가정용으로 많이 보급되어 사용되고 있는 철재형 기름보일러와 스테인리스 기름보일러 중 사고가 빈번히 발생하고 있는 철재형 기름보일러를 선정하여 정상운전 시 위치별 온도특성을 확인하고 송풍기의 급기량 조절, 과열방지기의 트래킹현상, 연소실 내 수분 침투 등 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 여러 가지 상황을 재현하여 실험하였다. 도출된 위험성과 문제점 등은 화재안전점검과 화재조사에 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

2. 보일러의 종류 및 특징

보일러의 종류는 분류방법에 따라 여러 가지로 구분될 수 있다. 보일러에서 발생되는 열매체의 종류에 따라 구분하면 증기를 발생시키는 증기보일러, 물 이외의 열매를 가열하는 열매체 보일러, 고온의 물을 얻는 온수보일러로 대변할 수가 있다. 일반적인 분류방법으로는 본체의 모양에 따라 원통형 보일러, 수관보일러, 강철제보일러, 주철보일러 등으로 분류되며 구조나 용도 또는 사용연료에 따라 구분하기도 한다.

1)

3. 기름보일러의 구조 및 안전장치

가. 일반구조

Fig. 1과 Fig. 2에서 보는 것처럼, 기름보일러는 일반적으로 버너, 드럼, 제어장치, 바이메탈 서모스탯인 과열방지기, 저수위센서, 온도센서, 연통 등이 있으며, 버너는 다시 오일 노즐, 오일펌프, 오일여과기, 점화트랜스, 점화전극, 화염감지기, 스태빌라이저(Stabilizer), 화염감시창, 급기구 등으로 구성되어 있다.

Fig. 1 기름보일러의 구조 및 명칭(개략도)

Fig. 2 버너의 구조 및 명칭(개략도)

나. 안전장치

1) 과열방지기: 바이메탈 서모스탯(Bimetal Thermostat)

바이메탈 서모스탯은 바이메탈의 온도특성을 이용하여 자동으로 일정하게 유지시키는 장치이다. 바이메탈 서모스탯은 감열부(바이메탈), 몰딩(절연체), 가동접점과 고정접점, 단자부 등으로 구성되어 있으며, 설정온도 이상으로 온도가 상승하면, 감열부의 바이메탈이 굴곡되어 가동접점을 밀어내어 접점을 개방시켜 전기기기의 회로를 차단한다. 감열부 바이메탈이 냉각되면 바이메탈의 굴곡부가 제 위치로 복귀되고 전체 회로에 전원을 공급하게 된다. 이러한 반복과정을 거쳐 전기기기의 온도를 일정하게 유지시키는 기능을 한다. Fig. 3은 바이메탈 서모스탯의 구조와 바이메탈 서모스탯 접점의 상황을 나타낸 것이다.

Fig. 3 바이메탈 서모스탯의 구조 및 접점의 상황

2) 전류퓨즈

전류퓨즈는 전선에 규정 값 이상의 과도한 전류가 계속 흐르지 못하게 자동적으로 차단하는 장치이며, 과전류가 흐를 경우 전류에 의해 발생하는 열로 퓨즈가 녹아서 끊어진다.

Fig. 4 기름보일러 전류퓨즈

4. 기름보일러의 화재위험성

가. 송풍기의 급기량 조절에 따른 화재위험성

기름보일러에 설치된 송풍기는 1단에서부터 7단까지 공기량을 조절해 주는 댐퍼가 설치되어 있으나 댐퍼는 4단에 볼트로 고정되어 연소실 내 분사된 연료와 송풍기를 통해 공급되는 공기를 알맞은 비율로 혼합시키고 있다.
댐퍼 4단으로 공급된 공기는 과잉공기에 의한 배기가스 열손실과 부족공기에 의한 불완전연소에 의한 열손실의 합이 최소로 되는 공기비2) (이하 “적정공기비”라 칭함)를 의미한다. 고정된 볼트가 풀려 댐퍼에서 공급된 공기가 적정공기비보다 작으면 불완전연소에 의해 그을음이나 일산화탄소 등 미연소 가스가 발생하여 연소실 내부에 체류하게 되고, 미연소 가스의 농도가 연소범위 내에 들어가게 되는 경우 화재 또는 폭발로 이어질 수 있다. 고정된 볼트가 풀려 댐퍼에서 공급된 공기가 적정공기비 보다 크게 되면 과잉공기에 의한 배기가스 열손실이 증가하게 되므로, 연통 주변 가연물이 착화되면서 화재로 이어질 수 있다.
Fig. 5은 열처리 기계 내부에 체류한 미연소 가스가 폭발한 사고이다. 폭발 당시 송풍기의 댐퍼는 완전히 닫힌 상태였고, 불완전연소에 의해 발생한 미연소 가스가 체류 중에 폭발한 것으로 보인다.

Fig. 5 열처리 기계 내부에 체류한 미연소 가스가 폭발한 사고

2)연소에서 이론공기량에 대한 실제공기량의 비로 과잉공기율을 말함.

나. 트래킹에 의한 과열방지기의 화재위험성

전압이 인가된 이극도체 간 고체 절연물 표면에 오염물질(분진, 오존 등)이나 이를 함유하는 액체의 증기 또는 금속분 등의 도전성 물질이 부착되면 오염된 표면을 따라 누설전류 및 미소발광방전에 의해 발열이 지속되고 절연물을 탄화시켜 전극 간에 탄화도전로가 형성되는 것을 트래킹현상이라 말한다. 과열방지기인 바이메탈 서모스탯의 몸체는 페놀수지로 제조되고 있으며, 이 페놀수지 표면에 먼지, 수분 등의 이물질이 누적되면 오염된 표면을 따라 누설전류 및 미소발광방전에 의해 탄화도전로가 형성되고 전원 충전부 사이를 절연파괴 및 단락시켜 화재로 이어지게 된다.

다. 드럼 부식으로 인해 연소실 내 수분 침투 시 화재위험성

기름보일러의 드럼 부식으로 인해 새어 나온 난방수가 버너의 스태빌라이저에 접촉되거나 난방수의 기화잠열(539㎉) 등에 의해 연소실 온도가 저하되면서 불완전 연소가 발생하고, 이때 생성된 미연소 가스가 연소실 내부에 체류하면서 폭발 또는 화재위험성이 상존한다.
Fig. 6은 드럼 부식으로 인해 기름보일러 연소실 내 난방수가 침투하면서 발생한 화재사고이다. 화재발생 당시 연소실 내부로부터 난방수가 새어 나오고 있었으므로 불완전연소에 의해 발생한 미연소 가스가 연소실 내부에 체류하고 있는 도중에 착화되면서 연소실 밖으로 화재가 확대된 것으로 보인다.

Fig. 6 기름보일러 연소실 내 수분 침투로 인한 화재사고

5. 실험

본 실험에서는 기름보일러의 정상운전 시 위치별 온도특성을 확인하고 송풍기의 급기량 조절, 과열방지기의 트래킹현상, 연소실 내 수분 침투 등 화재 또는 폭발로 이어질 수 있는 여러 가지 상황을 재현하여 실험하였다. 또한, 각 실험별로 나타난 발열온도는 검출장치를 통해 기록하고 분석하였다.

1) 송풍기의 급기량 조절에 따른 기름보일러 위치별 온도특성

기름보일러에 설치된 송풍기는 1단에서부터 7단까지 공기량을 조절해 주는 댐퍼가 설치되어 있으나 댐퍼는 4단에 볼트로 고정되어 연소실 내 분사된 연료와 송풍기를 통해 공급되는 공기를 알맞은 비율로 혼합시키고 있다.

가) 실험방법
송풍기의 급기량에 따른 위치별 온도특성을 확인하기 위해 4단에 고정된 댐퍼를 1단(급기구: 최소)과 7단(급기구: 최대)에 각각 위치시키고, 직경 0.65mm의 K-Type 열전대(KS C 1602) 3개를 연소실 내부, 연관 내부, 난방수 배관 내부에 설치, 실내온도조절기의 기능선택은 “온돌”, 난방조절온도는 최고온도인 “80℃”에 설정한 후 기름보일러를 작동시켰다.

나) 실험결과
Table 1.에서 보는 것처럼 댐퍼를 1단에 위치(이하 “댐퍼 1단”이라 칭함)한 경우 연소실의 최고온도는 329.9℃, 연관의 최고온도는 177.3℃, 난방수의 최고온도는 12.5℃를 나타내었으며, 댐퍼를 7단에 위치(이하 “댐퍼 7단”이라 칭함)한 경우 연소실의 최고온도는 663℃, 연관의 최고온도는 483.1℃, 난방수의 최고온도는 80℃를 나타내었다.

Fig. 7 댐퍼 1단 및 7단 운전 시 위치별 온도특성[X축:시간(분), Y축:온도(℃)]

2) 트래킹에 의한 과열방지기의 화재위험성

과열방지기인 바이메탈 서모스탯의 몸체는 페놀수지로 제조되고 있으며, 이 페놀수지 표면에 먼지, 수분 등의 이물질이 누적되면 오염된 표면을 따라 누설전류 및 미소발광방전에 의해 탄화도전로가 형성되고 전원 충전부 사이를 절연파괴 및 단락 시켜 화재로 이어지게 된다.

가) 실험방법
기름보일러 드럼에 설치된 과열방지기인 바이메탈 서모스탯 몸체 표면에 도전성 분진의 축적 상황을 가정하기 위하여 흑연가루 100 mg과 물을 배합한 후 연결단자 사이에 고루 뿌려 도전로가 형성되게 하였다. 이때 실내온도조절기의 기능선택은 “온돌”, 난방조절온도는 최고온도인 “80℃”에 설정하였다.

Fig. 8 도전성 분진이 축적된 과열방지기

나) 실험결과
Fig. 9에서 보는 것처럼, 연결단자 간 누설전류 및 미소발광방전에 의해 생성된 열이 바이메탈 서모스탯의 몸체 표면을 탄화시키면서 도전로가 미세하게 형성되었으나 바이메탈 서모스탯의 몸체 표면에서 생성된 열보다 공기 중으로 발산되는 열이 크게 되면서 화재로 이어지지는 않았다.

Fig. 9 도전성 분진이 축적된 과열방지기

실내온도조절기가 “OFF”된 상태에서도 바이메탈 서모스탯 연결단자와 기름보일러의 금속부분(드럼, 외함 등) 사이에 탄화도전로가 형성되어 지락(이하 “지락”이라 칭함)이 발생하는 경우, 오일 노즐로부터 연료가 분사된다.
지락으로 인해 분사된 연료가 연소실 내부에 축적된 상태에서 기름보일러를 작동시키는 경우, Fig. 10와 같이 과잉연료에 의해 연소실 내부에 형성된 가연성 혼합기체 농도가 연소범위를 초과하게 되면서 연소 중 실화되었다가 송풍기의 급기량에 의해 가연성혼합기체 농도가 연소범위 안에 위치하게 되면서 버너는 재점화되었다. 기름보일러는 강제로 정지시키기 전까지 점화, 실화를 반복하면서 동작되었는데, 버너 점화 시 연소실 내 체류하고 있는 미연소 가스가 순식간에 착화되면서 충격이 발생하였고, 이 충격으로 인해 연관 내 배플 플레이트는 상부 방향으로 찌그러졌으며, 소음과 진동이 발생하였다. 찌그러진 배플 플레이트가 연관을 막아 배기가스 배출이 어렵게 되는 경우, 연소실 내 체류하고 있는 미연소 가스의 양이 점차 많아지게 되고, 미연소 가스 농도가 폭발범위 내에 위치하는 경우 폭발 화재로 이어질 수 있다.

Fig. 10 바이메탈 서모스탯 연결단자의 지락발생 시 기름보일러의 동작특성

3) 드럼 부식으로 인해 연소실 내 수분 침투 시 화재위험성

기름보일러의 드럼 부식으로 인해 새어 나온 난방수가 버너의 스태빌라이저에 접촉되거나 난방수의 기화잠열 등에 의해 연소실 온도가 저하되면서 불완전 연소가 발생하고, 이때 생성된 미연소 가스가 연소실 내부에 체류하면서 폭발 또는 화재위험성이 상존한다.

Fig. 11 연소실 밖으로 새어 나온 난방수의 상황

나) 실험결과
Fig. 12에서 보는 것처럼, 기름보일러의 각 위치별 온도특성을 보여주고 있으며, 이때 실험실의 주위온도는 약 13 ~ 16℃의 온도 분포를 나타내었다. Table 2.에서 보는 것처럼 연관의 최고온도는 84.3℃, 연소실의 최고온도는 79.7℃, 난방수의 최고온도는 70.9℃를 나타내었다.

연관에 구멍을 뚫어 새어 나온 난방수가 연소실 밖으로 누수될 때 버너의 스태빌라이저에 접촉되거나 버너의 연소열이 새어 나온 난방수의 기화잠열로 사용되면서 연소실 최고온도는 정상운전 시 최고온도(1,041.3℃) 보다 92.35% 낮은 79.7℃, 연관 최고온도는 정상운전 시 최고온도(271℃) 보다 68.89% 낮은 84.3℃, 난방수 최고온도는 정상운전 시 최고온도(81.1℃) 보다 12.58% 낮은 70.9℃를 각각 나타내었다. 연소실 온도가 낮으면 불완전연소에 의해 그을음이나 일산화탄소 등 미연소 가스가 발생하여 연소실 내부에 체류하게 되는데, 미연소 가스의 농도가 연소범위 내에 위치하지 못해 폭발 화재로 이어지지 않은 것으로 보인다.

Fig. 12 연소실 내 수분 침투 시 위치별 온도특성[X축:시간(분), Y축:온도(℃)]

기름보일러에는 철을 녹슬지 않게 하려고 철(Fe)보다 이온화 경향이 큰 마그네슘(Mg) 봉을 부착시켜 철 대신에 부식시키는 희생양극방식을 이용하고 있다. 마그네슘 봉은 시간이 경과함에 따라 희생 부식되어 제 기능을 하지 못하므로 정기적으로 교체가 가능하도록 설계되어야 하나 Fig. 13의 c)~d)와 같이 드럼 외함 내측에 용접으로 부착되어 교체가 불가능한 구조이다. 마그네슘 봉이 부식되어 제 기능을 하지 못하는 경우 드럼은 부식되어 난방수가 새어 나오게 되고 새어 나온 난방수에 의해 미연소 가스가 발생하여 화재 또는 폭발로 이어질 수 있다.

Fig. 13 기름보일러 드럼 내·.외부의 상황

6. 화재예방대책

가. Fig. 14에서 보는 것처럼, 기름보일러의 설치기준은 다음과 같다.

1) 기름보일러는 넘어지지 않도록 바닥에 고정하여 설치하여야 하며, 콘크리트 바닥 또는 금속 외의 불연재료로 된 바닥 위에 설치하여야 한다.
2) 기름탱크는 보일러와 2m 이상 이격시켜 설치하거나 방화벽을 설치한다.
3) 연통의 총길이는 5m 이하, 굴곡부는 2개소 이하로 설치한다.
4) 연통은 불연재료로 견고하게 고정하고 보일러실 천장으로부터 150㎜ 이상 이격시켜 설치한다.
5) 연통의 관통부는 내화 단열재로 보호한다.
6) 보일러 설치장소를 지나는 전기배선은 매설하거나 전선관을 사용한다.
7) 보일러실에 산소가 부족한 경우 불완전 연소를 일으켜 일산화탄소 가스에 의한 중독사고가 발생할 수 있으므로 반드시 급기구와 환기구를 설치한다.

Fig. 14. 기름보일러의 설치기준

나. 송풍기의 댐퍼가 제조당시 고정되었던 위치인지 확인하고, 외부충격에 의해 댐퍼가 이동되지 못하도록 볼트 등으로 고정되어 있는지 확인한다.

다. 기름보일러를 장기간 사용하는 경우, 기름보일러 내부에 먼지, 유분 등이 누적될 수 있으므로 기름보일러 내·외부를 정기적으로 청소한다.

라. 보일러실이 습할 경우 기름보일러 부품이 부식되어 난방수가 새어 나오거나 전압이 인가된 이극도체에 쌓인 먼지 등에 수분이 적치되어 트래킹현상이 발생할 수 있으므로 보일러실 내부에 제습기, 환기설비 등을 설치하여 습하지 않도록 유지한다.

마. 기름보일러 외함 내측에 설치된 마그네슘 봉은 시간이 경과함에 따라 희생 부식되어 제 기능을 하지 못하므로 정기적으로 기름보일러 내부를 점검하여 난방수가 새어 나온 흔적(물방울이 맺히거나 흐른 흔적, 주변금속의 부식 등)이 있는지를 확인하고, 난방수가 새어 나온 흔적이 식별되는 경우 즉시 기름보일러를 정지시키고 전문 기술자를 통한 점검 및 수리를 하거나 기름보일러를 교체한다.

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