KR100822776B1 - 유동 상태 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

다양한 유체 상태에서의 음향 차이에 의존하는, 원자로의 냉각재의 유동 상태를 검출하고 모니터링하는 시스템 및 방법. 상기 시스템은 모니터링되는 다양한 알려진 유동 상태의 음향 특징에 관한 데이터베이스와 검출된 음향 신호를 알려진 음향 특징과 비교하는 프로세서를 사용한다. 상기 프로세서는 상기 신호를 해석과 비교를 용이하게 하기 위하여 전송된 신호의 변화 및 감쇠와 같은 다양한 구별 수단을 사용한다. 음향 검출은 냉각재 유동과 관련된 음향 패턴의 변화를 검출하기 위하여 서로에 대해 떨어져서 위치한 한 쌍의 센서 어셈블리에 의해 제공된다. 각 센서의 송신기와 수신기는 냉각재가 유동하는 파이프의 서로 반대쪽에 위치할 수도 있으며, 또는 파이프의 같은 쪽에 위치할 수도 있는데, 이는 어떠한 배치가 모니터링되는 유체 상태를 가장 잘 구별할 수 있느냐에 따라 달라진다. 무엇보다도 상기 모니터링 시스템은 냉각재에 유입된 기포의 존재, 자유 표면의 존재 및 레벨, 와류(vortex) 또는 소용돌이 형성의 존재, 유입된 고체 미립자의 존재를 결정하는데 효과적이다.

Description

유동 상태 모니터링 시스템 및 방법{FLOW CONDITION MONITORING SYSTEM AND METHOD}
도 1은 두 개의 증기 발생기와 증기 발생기 중의 하나와 관련하여 도시된 셧다운 냉각 시스템 및 배수 시스템을 갖는 원자력 발전소를 도시하는 개략적인 도면.
도 2는 본 발명과 관련된 하나의 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명과 관련된 다른 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명과 관련된 다른 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명과 관련된 다른 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명과 관련된 다른 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명과 관련된 다른 실시예에 따른 유동 상태 모니터링 시스템을 갖는 도 1의 핫 레그 및 배수 파이프의 확대된 일부분의 개략적인 모습을 도시하는 도면.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
12 : 원자로 14, 16 : 증기 발생기
18 : 핫 레그 24 : 콜드 레그
28 : 배수 파이프 30 : 와류(vortex)
33 : 배수 펌프 53, 54 : 센서
본 발명은 일반적으로 유동 상태 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 원자력 발전소를 통해 순환하는 냉각재 및 다른 유체의 유동 상태를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
가압수형 원자로(PWR) 형태의 원자력 발전소에서는 근본적으로 붕소와 물로 이루어진 냉각재 유체는 원자로와 하나 이상의 증기 발생기 사이에 있는 닫힌 순환 루프를 통해 연속적으로 전달된다.
전력을 생산하는 동안, 가압된 냉각재는 원자로에서 일어나는 열핵반응에 의 해 발생한 열을 흡수한다. 그 후에 가열된 냉각재는 순환 루프의 “핫 레그(hot leg)”로 적당하게 알려진 메인 파이프(main pipe)를 통하여 유동한다. 핫 레그는 고온의 냉각재를 증기 발생기에 전달한다.
증기 발생기에서 냉각재 유체는 열 교환기를 통해 순환한다. 열 교환기는 냉각재 유체를 냉각하며, 증기를 생성하기 위하여 냉각재로부터 제거된 열을 이용한다. 이렇게 생성된 증기는 결과적으로 터빈을 구동하고 전기를 생성하기 위해 사용된다.
순환하는 냉각재가 열 교환기에 의해 냉각된 후에, 순환 펌프는 “흡입 레그(suction leg)”를 통하여 증기 발생기로부터 냉각재를 제거하고 “콜드 레그(cold leg)” 및 입구를 통하여 원자로에 냉각재를 되돌린다. 그 후에 냉각재는 원자로에서 다시 가열되고, 같은 사이클을 반복한다.
하나 이상의 루프를 통한 냉각재의 이러한 순환은 발전소의 운전에 중요하다. 냉각재는 열 에너지를 증기 발생기에 전달하여 터빈을 구동하는데 사용되는 증기를 생성할 뿐 아니라, 순환하는 냉각재는 또한 원자로의 노심이 과열되는 것을 방지한다.
증기 발생기를 포함한 원자력 발전소 시스템은 주기적인 유지보수(maintenance)를 필요로 한다. 특히, 유체 순환 시스템은 잠재적인 기능저하(degradation)에 대비하여 조사되어야하며, 건조한 상태에서 조사와 유지보수를 수행하기 위하여 노즐 댐(nozzle dam)이 삽입되고 증기 발생기로부터 제거되어야한다.
노즐 댐을 삽입하고 제거하기 위하여, 냉각재 유체는 증기 발생기로부터 배수되어야만 한다. 이것은 메인 순환 루프 그리고 그 결과로서 핫 레그 또는 메인 파이프에서의 유체 레벨을 낮추는 것을 필요로 한다. “셧다운(shutdown)”이라고 명명되는 이러한 유지보수 기간 동안에, 냉각재는 원자로 노심으로부터 생성되는 핵분열에 의한 열에 의해 계속하여 가열되며, “셧다운 냉각 시스템”으로 알려진 대체 열교환기 및 보조 순환 시스템에 의해 냉각된다.
원자로 노심의 연료 재장전(refueling)을 가능하게 하고, 낮추어진 물 레벨 위의 시스템 부분에 대한 유지보수 작업을 가능하게 하기 위한 목적으로 셧다운 원자로 시스템에서의 냉각재 또는 물 레벨을 낮추기 위해, 물 레벨은 적절한 노심 냉각을 연속적으로 제공할 수 있는 최소 레벨 및 유속으로 제어 및 유지되어야 한다. 이 최소 레벨은 원자로 냉각재 시스템 메인 루프 배관(상기 핫 레그) 내에서 대략 중간(midway)에 해당하며, 통상 “미드루프(midloop)”로 일컬어진다.
미드루프 동작 동안에 냉각재인 물은 노심을 냉각시키기 위해 시스템을 통해 순환한다. 전형적으로 하나 이상의 메인 루프 파이프 또는 레그의 낮은 영역과 통하는 배수 라인(들)이 있는데, 이 배수 라인(들)은 셧다운 냉각 시스템에 있는 대체 열 교환기에 의해 냉각시키고 이후에 원자로 입구 및 그에 따라 노심에 냉각된 물을 재순환시키기 위하여 노심으로부터 가열된 물을 퍼낸다.
미드루프 동작 동안 물의 레벨이 너무 낮게 되거나 또는 배수 유동 속도가 너무 빠르면, 배수 라인에 코리올리스(Coriolis) 효과에 따른 와류(vortex)가 생기 는 것을 볼 수 있다. 이러한 와류는 바람직하지 않은데, 그 이유는 시스템으로부터 배수되는 냉각재 유동 속도를 제한하고 결과적으로 배수 펌프에 공동(cavitation)을 생기게 할 수 있기 때문이다. 이러한 두 가지의 결과는 노심의 계속적인 냉각에 우려를 나타낼 만한 증후이다.
와류의 형성을 회피하는 현재의 방법은 가능한 한 물의 레벨을 계속하여 높게 유지하고/유지하거나 유동 속도를 감소시키는 것에 의존하는데, 이러한 방법은 유지보수 서비스를 위해 물의 레벨을 낮출 필요성과 노심의 안전한 냉각을 위하여 물의 레벨을 계속하여 높게 유지하고 충분한 유속을 유지할 필요성과의 충돌 상황을 야기한다. 사용되는 미드루프 측정 시스템은 물의 수위의 검출과 그 검출 결과로부터 와류의 상태의 추론에 관한 것이다.
원자력 발전소에서는, 특히 원자로 냉각재 시스템 미드루프 물 레벨 동작 동안에, 셧다운 냉각 시스템의 확실성에 관해 많은 관심이 두어졌다. 예를 들면, 대표적인 가압수형(PWR) 원자로 증기 공급 시스템에서의 증기 발생기 노즐 댐의 삽입과 제거를 위한 미드루프 동작은 조작상 매우 어려운 과정이 될 수 있다. 사실, 대표적으로 물 레벨의 허용된 공차(tolerance)는 대략 플러스 또는 마이너스 1 인치(+/- 1″)(약 +/- 25.4mm)이다. Robert P. Harvey 에 허여된 미국 특허(US 5,861,560)에 와류 검출 시스템이 개시되어 있는데, 상기 시스템은 공기 와류현상(vortexing) 및 공동을 검출하고 그에 따라서, 셧다운 냉각 시스템의 확실성을 개선하기 위한 것이다. 그러나, Harvey의 와류 검출 시스템은 그 능력과 유용성에 한계가 있는데, 그 이유는 와류 상태를 나타내는 알람을 울리기(trigger) 위 하여 상기 시스템은 종래의 초음파 유속계(flowmeter)의 신호 교란에 의존하기 때문이다. Harvey의 와류 검출 시스템은 원자로를 전체를 통하여, 유체 레벨, 우연한 시나리오에 의해 야기되어 유체에 유입된 고체 미립자, 유체에 유입되는 응축성 기포 및 비응축성 기포 등과 같은 다른 다양한 유체 유동 상태를 검출할 수 없거나 검출에 부적합하다. Harvey의 와류 검출 시스템은 단지 하나의 센서만을 사용하고, 배수 파이프에서의 와류 상태만을 알아낼 수 있을 뿐이다.
본 발명은, 유체에 유입되는 응축성 또는 비응축성 기포의 존재, 자유 표면의 존재 및 레벨, 와류 또는 소용돌이 형성의 존재, 유입되는 고체 미립자의 존재 및 다양한 다른 유동 상태를 포함하는, 다양한 유동 상태의 음향 검출(acoustic detection)에 의존하는 원자로의 유동 상태 모니터 시스템을 제공한다. 상기 시스템은, 알려진 유동 상태의 음향 특징(acoustic characteristic)에 관한 데이터베이스 및 검출된 음향 신호를 모니터링된 다양한 유동 상태의 알려진 특징과 비교하는 프로세서(processor)를 사용한다. 프로세서는, 유체 상태의 해석, 비교 및 식별을 용이하게 하기 위하여 전송된 신호의 변화 및 감쇠와 같은 구별 수단을 사용한다.
음향 검출은, 모니터링되는 유체 유동으로부터 음향 신호를 수신하기 위해 위치된, 적어도 하나의 센서, 바람직하게는 복수의 센서에 의해 제공된다. 상기 센서 또는 센서들은 파이프에 부착된 민감한 마이크로폰 또는 가속도계(accelerometer)와 같은 수동 음향 센서일 수 있다. 대안적으로, 상기 센서는 냉각재 유동과 관련된 변화를 포착하기 위하여 위치한 초음파 송신기 및 수신 기를 포함하는 초음파 디바이스일 수 있다. 더 다른 대안으로서, 센서는 파이프 구조에서 정반대에 위치한 레이저 소스 및 레이저 수신기를 포함하는 레이저 디바이스일 수 있는데, 그러한 정반대의 위치에 의해 냉각재 유동과 관련된 변화가 레이저 신호에 독특한 교란을 야기한다.
하나의 실시예에서, 제 1 센서는 제 2 센서로부터 상류쪽으로 충분한 거리에 떨어져 위치하여, 제 1 센서에 의해 검출된 신호와 잡음에서의 감쇄가 제 2 센서에 의해 검출될 수 있다. 상기 신호는 처리되고, 검출되는 유동 상태를 결정하기 위하여, 알려진 유동 상태의 음향 특징과 비교된다. 센서의 송신기와 수신기는 냉각재가 유동하는 파이프의 서로 반대쪽에 위치할 수 있고, 또는 파이프의 같은 쪽에 위치할 수 있는데, 이는 모니터링되는 유체 유동의 특별한 상태 및 위치에 따라 달라진다. 파이프의 서로 반대쪽에 있는 송신기와 수신기의 배치는 고려되어야할 공기/물 경계면에서의 물과 공기의 압축률 차이를 허용할 것이며, 반면 파이프의 같은 쪽에 있는 송신기와 수신기의 배치는 경계면으로 부터의 반사와 관련된 변화를 포착할 것이다. 센서의 다양한 배치는 이후에 기술되고 첨부된 도면에 도시되어 있다.
본 발명의 넓은 측면에 따르면, 원자력 발전소에서 유체 유동 상태를 모니터링하기 위하여 유체 상태 모니터링 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 모니터링될 유체 유동 근처에 위치하여 출력 신호를 내는 제 1 센서 조립체, 모니터링되는 다양한 유체 유동 상태의 알려진 특징을 포함한 데이터베이스 및 상기 유체 유동 상태를 결정할 목적으로 상기 센서 조립체로부터의 신호를 수신하여 데이터베이스에 포함된 알려진 특징과 비교하기 위하여 상기 제 1 센서 조립체 및 상기 데이터베이스에 연결된 프로세서 수단을 포함한다.
본 발명의 개시가 첨부된 도면을 참조하여 설명할 때, 본 발명을 좀 더 분명하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명을 병합한 원자력 발전소롤 도시한다. 참조번호(10)는 가압수형의 발전소를 나타내는데, 이러한 형태의 발전소에서는 원자로와 두 개의 증기 발생기(14 및 16) 각각의 사이에 있는 닫힌 순환 루프를 통해 연속적으로 물이 이동한다.
원자로(12)로부터 나온 냉각수는 메인 파이프(main pipe) 또는 핫 레그(hot leg)(18)를 통해서 각각의 증기 발생기(14 및 16)로 흐르는데, 각각은 유사한 배관(piping) 구조를 갖는다.
예시로서, 증기 발생기(16)의 경우에 냉각재 시스템 순환 펌프(20)는 증기 발생기에서 냉각된 물을 흡입 레그 파이프(22)를 통하여 순환시켜 콜드 레그(cold leg)(24) 및 입구(26)를 경유하여 원자로(12)로 되돌린다. 셧다운(shutdown) 냉각 시스템 배수 파이프(28)는 실질적으로 수평인 메인 파이프 또는 핫 레그(18)의 아래 영역과 교차한다. 메인 파이프(18)의 아래 영역 내에 와류(vortex)(30)가 존재한다.
메인 파이프(18)로부터 배수 파이프(28)로의 유동(flow)이, 메인 파이프(18)의 아래 영역과 교차하는 곳에서 메인 파이프(18)로부터 직접적으로 유체를 전달받는 배수 펌프(33)에 공동(cavitation)을 생기게 하는 와류(30)를 형성한다. 이러한 와류(30)는 빈 공간(voids) 및 공동을 생기게 하여 배수 파이프(28) 및 배수 펌프(33)의 유속을 억제한다. 배수 펌프(33)는, 셧다운 냉각 시스템의 물 냉각 기능을 수행하기 위하여, 배수 펌프(33)로부터 하류에(downstream) 있는 보조 열 교환기(34)로 도관(28′)을 통해 물을 흘린다.
열 교환기(34)로부터 물은 배수 파이프 부분(28″)에 있는 밸브(36)에 의해 배수구(38) 또는 파이프 부분(40)으로 유도되는데, 상기 파이프 부분(40)은 셧다운 기간 동안 또는 보조 열 교환기의 능력이 안전상의 이유로 필요한 비상 상황에 노심을 냉각시키기 위하여 원자로(12)의 입구(26)를 통해 물을 재순환시킬 목적으로 메인 파이프의 콜드 레그(24)에 연결된다.
도 2를 보면, 메인 파이프(18)와 배수 파이프(28)의 연결부에 확대된 와류(30)가 도시된 것을 볼 수 있다. 참조번호(31)는 미드루프(midloop) 동작을 위한 메인 파이프(18) 내의 대표적인 냉각재 레벨을 나타낸다. 와류(30)를 타고 들어온 공기가 배수 파이프(28) 또는 펌프(33)에 빈 공간 및 공동(32)을 생성한다. 원자력 발전소(10)의 작동 상태에 관한 중요한 지시(indication)를 제공할 수 있는, 유체에 의해 운반되는 고체 미립자(42) 및 기포(44)가 도 2의 유체 유동에 또한 도시되어 있다. 고체 미립자(42)는, 예를 들면, 모래, 금속 조각, 분말 입자, 결정 입자 등을 포함할 수 있는데, 이들 각각은 그것들이 서로 부딪히거나 파이프 벽에서 되튈 때 서로 다른 음향 특징(acoustic characteristics)을 갖는다. 유체에 의해 운반되는 기포(44)는 공기, 헬륨 또는 수소와 같은 비응축성 기포를 포함할 수도 있고, 또는 증기 기체 기포와 같은 응축성 기포를 포함할 수도 있는데, 이들 각 각은 서로 다른 주파수 변이 및 음향 특징을 갖는다.
본 발명의 유동 상태 모니터는, 냉각재에 의해 운반되는 응축성 또는 비응축성 기포(44)의 존재, 자유 표면(31)의 존재 및 레벨, 와류 또는 소용돌이(eddy)(30) 형성의 존재, 운반되는 고체 미립자의 존재 및 핵 원자로에 영향을 미치는 다양한 다른 상태를 포함하는, 다양한 냉각재 유동의 상태를 알아내고 모니터링하기 위해 음향 또는 광학/레이저 검출 장비를 사용한다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 유동 상태 모니터(46)가 도 2에 도시되어 있다. 유동 상태 모니터(46)는 모니터링될 다양한 상태에 대한 미리 결정된 음향 특징의 라이브러리이라고 할 수 있는 데이터베이스를 포함한다. 라이브러리는, 원자력 발전소(10)에서 일어날 수 있는 다양한 유동 상태 및 유동 상태의 조합을 시뮬레이트하거나, 그러한 유동 상태로부터 생기는 음향 패턴을 기록함으로써, 구축된다. 메인 프로세서(main processor)(50)는 음향 검출 장비로부터의 신호를 데이터베이스(48)에 포함된 알려진 가능한 유동 상태의 음향 패턴과 비교하고 매칭한다(match). 검출된 음향 특징이 미리 결정된 특징과 매칭되었을 때, 검출된 유동 상태는 비디오 디스플레이(52), 오디오 신호 또는 다른 적절한 통신 수단을 사용하여 원자력 발전소 운전자에게 전달된다.
도 2에 도시된 모니터(46)의 음향 측정치는, 냉각재 유동 근처에 위치한 각각의 송신기(T1,T2)와 수신기(R1, R2)를 각각 구비한 제 1 및 제 2 음향 센서 조립체(53,54)에 의해 얻어진다. 제 1 센서 조립체(53)는 배수 파이프(28)의 상류에 있는 메인 파이프(18) 근처에 위치한 초음파 송신기(T1) 및 수신기(R1)를 포함한다. 제 2 센서 조립체(54)는 배수 파이프(28)의 위쪽 입구(top opening)(28′)의 하류에 있고, 배수 파이프(28)의 근처에 위치한 초음파 송신기(T2) 및 수신기(R2)를 포함한다. 수신기(R1,R2)에 의해 검출된 음향 신호는 불필요한 잡음을 제거하기 위하여 적절한 신호 필터(55,56)에 의해 필터링된 후, 메인 프로세서(50)에 입력된다.
원자력 발전소(10)에서 모니터링되는 많은 또는 모든 유동 상태가 동시에 존재할 가능성이 있다하더라도, 그럴 가능성은 적다. 그 보다는 미리 기대될 수 있는 유동 상태의 조합이나 유동 상태의 그러한 조합에 대해 데이터베이스(48)에 저장된 대응하는 음향 패턴을 제공하기 위해 시뮬레이트될 수 있는 유동 상태의 조합일 가능성이 더 크다. 다양한 유동 상태로부터의 음향 신호는 때때로 진폭이나 주파수가 유사하기 때문에, 전송된 신호의 변화 또는 감쇠와 같은 다른 구별 수단이 해석에서의 도움을 위하여 프로세서(50)에 의해 구현될 수 있다.
사운드(sound)는 밀도 및 압력 변동과 관계가 있기 때문에, 래미너 유동(laminar flow)과 같은 일정하고 낮은 레인롤즈수 유동(Reynolds number flow)은 사운드를 생성시킬 수 없다. 예시적인 래미너 유동 필드(laminar flow field)에서 장애물의 하류에 생기는(shedding) 와류와 같은 난류(turbulence) 또는 다른 주기적이거나 진동을 일으키는 자극(excitation)이, 어떤 경우에는 검출될 수 있는 음향 패턴 또는 음향 특성(signature)을 생성시키지 위하여 필요할 수 있다.
비응축성 기포로부터 음향을 발산시키기 위해서는 자극이 필요하다. 이러한 자극은, 유동 필드에 있는 장애물 또는 냉각재 유동에 있는 소용돌이 또는 난류에 의해 생성된 기포의 생성 또는 압력 교란의 결과일 수 있다. 레일레이(Rayleigh) 기포의 이상적인 경우에, 유체를 통한 음향 전파로서 인식될 수 있는 결과적인 진동의 주파수는 교란되지 않은 기포의 크기, 냉각재의 밀도 및 원거리 압력(distant pressure), 비응축성 기체의 비열 및 중력 가속도의 단순한 관계로 표현될 수 있다. 응축성 기포의 경우에, 주파수는 그렇게 단순히 표현되지는 않고, 증기 기포는 계속하여 존속한다면 음향 신호로서 냉각재를 통해 전파하는 진동하는 응답을 나타낸다. 예민한 마이크로폰은 응축성 기포의 진동 및 비응축성 기포의 진동의 주파수와 압력 진폭을 측정할 능력이 있다.
국한된 유동의 자유 표면은, 그 표면이 난류, 소용돌이, 물결(wave) 또는 기포에 의해 교란되지 않는 한, 잡음을 생성하지 않는다. 원자로 냉각재 시스템 핫 레그 배관(18)과 관련된, 국한된 자유 표면 유동의 음향 특징은 모델 또는 실물 크기의 시험으로부터 경험적으로 결정될 수 있다. 이러한 목적을 위하여 민감한 마이크로폰이면 충분하다. 셧다운 냉각기간 동안 핫 레그 배관(18)의 자유 표면 유동의 존재가 예견되고, 자유 표면(31)의 레벨에 관한 지식이 셧다운 냉각 시스템으로 유출하는 와류(30)에서 기체 코어(core)의 생성을 방지하는데 필수적이다. 경험적으로 결정된 난류성 냉각재 유동의 음성 특징이 레벨을 해석하는데 충분하더라도, 자유 표면(31)을 통한 반사 또는 전송에 의한 소리 신호의 음향 변화는 레벨을 측정하는데 더 명확한 정보를 제공한다. 따라서, 도 2의 실시예의 센서 조립체(53,54)는 각각, 유체 유동 상태를 특징 짖는데 필요한 정보의 소스로서, 음파 펄스 또는 초음파 송신기(T1,T2) 및 마이크로폰 수신기(R1,R2)를 사용한다.
중요한 물리적 현상의 주파수는 대부분 가청영역에 있다. 송신기(T1,T2)의 방사 주파수는, 물리 현상에 의해 주파수나 위상에 있어서 가장 잘 조절되도록 바람직하게 선택된다. 도 2의 실시예에서, 각 센서 조립체(53,54)는 단 하나의 송신기 및 수신기를 구비한다. 그러나, 레벨을 보다 잘 해석할 목적으로, 공기/물 경계에서 물과 공기의 압축률 차이를 이용하기 위하여 각 센서 조립체에 대해 한 쌍의 송신기 및 한 쌍의 수신기를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 게다가, 송신기와 수신기의 배향(orientation)은 자유 표면(31)에 있는 경계면을 통한 전송의 변화를 이용하도록 도 2에 도시되어 있다.
셧다운 냉각기간 동안, 냉각재 유동은 핫 레그(18)로부터 유도된다. 핫 헤그 파이프(18)는 물로 완전히 차 있지 않으므로 도 2에 도시된 것처럼, 공기/물 경계면(31)이 형성된다. 물의 레벨이 높을 때, 와류가 존재하지 않는다면 소용돌이는 배수 파이프(28)의 상 단부(upper end)(28′)에 형성될 수 있다. 이러한 소용돌이는 입구의 에지로부터 주기적인 쉐딩(shedding)을 갖는데, 이러한 현상은 더 작은 길이 스케일을 갖는 낮은 물 레벨에서 형성되는 난류성 소용돌이(57)와 다른 주파수를 갖는 가청 현상이다. 다른 유동 가능성은 배수 파이프(28)에 채워진 중심 와류(filled central vortex)의 형성이다. 이것은 유체 쉬어(shear)를 증가시킬 가능성이 있는 유동의 가속도를 야기하며, 그에 수반하여 소용돌이와 난류를 강화시킨다. 이러한 유동 상태는 다르면서 독특한 음향 특성(signature)를 가질 것이다. 물의 레벨이 감소하면, 공기 코어는 입구 와류에 존재할 것이다. 이러한 코어는 배수 파이프(28)의 깊은 곳까지 확장할 수 있고, 분쇄되어 배수 펌프(33) 쪽으로의 유동으로 공기의 결과적인 유입을 초래한다. 이러한 후자의 상태의 검출은 기포 진동의 모니터링, 난류 세기의 증가 및/또는 위에서 언급한 코어 공기/물 경계의 감지를 통하여 가능하다.
극한적인 상태에서 고체 미립자(42)가 유동 흐름으로 유입될 수 있다. 유동 내에 있는 고체 입자(42)는, 입자의 앞에서 일어나는 소용돌이, 입자 대 입자 접촉, 입자 대 금속 접촉의 결과로서 다른 음향 특성(signature)를 여전히 가질 것이다.
본 발명의 유동 상태 모니터(60)의 대안적인 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 배치는, 2개의 센서 조립체(61,62)가 모두 배수 파이프 입구(28′)의 상류에 위치한다는 점을 제외하고는, 도 2에 도시된 그것과 유사하다. 센서 조립체(61,62)의 이러한 배치는 도 2에 도시된 배치와는 다소 다른 음향 패턴을 검출할 것이지만, 다른 점에서는 실질적으로 같은 방식으로 작동할 것이다. 도 3에 도시된 배치는 배수 파이프 입구(28′)로부터 멀리 떨어진 파이프의 직선 부분에서의 유동 상태를 모니터링하는데 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 유동 상태 모니터(65)의 다른 대안적인 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시된 배치는, 단 하나의 송신기(T1)가 두 개의 수신기(R1,R2)에 의해 검출되는 음향 교란을 제공한다는 점을 제외하고는, 도 3에 도시된 그것과 유사하다. 상류 수신기(R1)는 본래의 교란의 크기와 주파수에 관한 정보를 제공하는 반면, 하류 수신기(R2)는 교란이 거리에 따라 어떻게 감쇄하는가를 결정하여, 시스템이 음향 교란이 어디로부터 유래하는 가를 더 잘 결정하게 하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 유동 상태 모니터(70)의 다른 대안적인 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 배치는, 제 2 센서 조립체(72)의 송신기(T2)가 제 1 센서 조립체(71)의 송신기(T1)로부터 파이프(18)의 반대편에 배치된다는 점을 제외하고는, 도 3에 도시된 그것과 유사하다. 이러한 배치는 도 3에 도시된 배치와는 다소 다른 음향 패턴을 검출할 것이지만, 다른 점에서는 실질적으로 같은 방식으로 작동할 것이다. 도 5에 도시된 배치는 배수 파이프 입구(28′)로부터 멀리 떨어진 파이프의 직선 부분에서의 유동 상태를 모니터링하는데 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 유동 상태 모니터(80)의 다른 대안적인 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 배치는, 각 센서 조립체(81,82)의 송신기(T1,T2)가 각 센서 조립체(81,82)의 수신기(R1,R2)와 파이프(18)의 같은 쪽에 배치된다는 점을 제외하고는 도 3에 도시된 그것과 유사하다. 이러한 배치는, 자유 표면(31)에 있는 공기/물 경계면으로 부터의 반사와 관련된 변화를 감지함으로써, 어떤 상황에서는 더 좋은 정보를 제공할 것이다.
위에서 기술한 본 발명의 실시예에 관한 음향 센서 기술은 상업적으로 이용가능하다. 원자로 용기 및 증기 발생기에 전형적으로 위치하는 소위 루즈 파트 모니터(loose part monitor)는 원자로 냉각재 펌프로 방사되는 음향을 검출하기에 충분한 감도를 갖는다. 게다가, 초음파 교차 유동 모니터(ultrasonic cross flow monitor)는, 냉각재 유동 속도를 해석하기 위해 일정한 거리에 떨어진 곳에 장착된 송신기/수신기의 쌍들을 사용하는 난류성 소용돌이에 의한 초음파 신호의 변화의 지연을 이용한다.
본 발명의 유동 상태 모니터(85)의 다른 대안적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 배치는, 센서 조립체(86,87)가 레이저/광학 센서 조립체라는 점을 제외하고는 도 2에 도시된 그것과 유사하다. 각 센서 조립체는 레이저 빔 소스(L1,L2) 및 레이저 빔 검출기(D1,D2)를 포함한다. 레이저 빔 소소(L1,L2) 및 검출기(D1,D2) 성분은 메인 파이프(18) 및 배수 파이프(28)를 관통하여, 각각의 레이저 빔(88,89)이 파이프(18,28) 안을 흐르는 유체를 통하여 통과하도록 한다. 레이저 빔 신호의 광학 교란 패턴은 신호 필터(90,91)에 의해 필터링되고, 위에서 기술한 다른 형태의 센서 조립체의 음향 패턴과 거의 같은 방식으로 처리된다. 즉, 광학 교란 패턴은, 검출된 패턴을 데이터베이스(93)에 포함되어 있는 알려진 유동 상태에 대응하는 미리 결정된 패턴과 비교하고 매칭하기 위하여 프로세서(92)에 의해 처리된다. 그 후에 결정된 유동 상태는 비디오 디스플레이(94) 또는 다른 적절한 통신 수단을 사용하여 원자력 발전소 운전자에게 전달된다.
본 발명의 유동 상태 모니터는 가압수형 원자로의 배수 파이프의 냉각재 유동 상태를 모니터링하는 것 이외에도 다른 곳에 응용될 수 있다. 예를 들면, 센서 조립체는, 사고 상황을 감시하며(following) 원자로 냉각재 유동 상태에 관한 유용한 정보를 제공하기 위하여 원자로의 바로 하류에 있는 메인 파이프에 부착될 수 있다. 유동 상태 모니터는, 화학 체적 제어 시스템(chemical volume control system), PWR 원자로의 제 2 측면에 있는 증기 성분 및 비등수형 원자로(boiling water reactor)에서의 다양한 유체 유동 시스템에 관련하여 또한 유용한 정보를 제공할 수 있다.
본 발명은, 위에서 기술되고 첨부된 도면에서 도시된 정확한 구조에 제한되지 아니하며, 본 발명의 정신과 기술범위를 벗어나지 않고 다양한 변형과 변화가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 기술적 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 제한되는 것으로 이해하여야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 냉각재에 유입된 기포의 존재, 자유 표면의 존재 및 레벨, 와류 또는 소용돌이 형성의 존재, 유입된 고체 미립자의 존재를 결정하는데
효과적이다.

Claims (25)

  1. 원자력 발전소에서의 유체 유동(fluid flow) 상태를 모니터링하기 위한 유동 상태 모니터링 시스템으로서,
    모니터링될 유체 유동 근처에 위치하여 제 1 출력 신호를 내는 제 1 센서 조립체와,
    모니터링되는 다양한 유체 유동 상태의 시뮬레이팅된 특징을 포함하는 데이터베이스와,
    상기 유체 유동 상태를 결정하기 위하여 상기 센서 조립체로부터의 신호를 수신하고 이 신호를 상기 데이터베이스에 포함된 시뮬레이팅된 특징과 비교하기 위하여 상기 제 1 센서 조립체 및 상기 데이터베이스에 연결된 프로세서(processor) 수단과,
    상기 제 1 센서 조립체로부터 간격을 두고 위치하여 제 2 출력 신호를 내는 제 2 센서 조립체를
    포함하고,
    상기 프로세서 수단은 상기 제 1 센서 조립체에 의해 검출된 교란의 위치를 결정하기 위하여 상기 제 2 출력 신호를 상기 제 1 출력 신호와 비교하는, 유체 상태 모니터링 시스템.
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  12. 미드루프(midloop) 동작 동안에 원자력 발전소의 셧다운(shutdown) 냉각 시스템 배수 펌프에서 냉각재 유동을 모니터링하기 위한 유동 상태 모니터링 시스템으로서,
    수평이고 위쪽 영역과 아래쪽 영역을 가지며 원자로로부터 증기 발생기로 냉각재를 보내기(conduct) 위한 메인 파이프(main pipe)와,
    냉각재를 상기 아래쪽 영역으로부터 배수(drain) 펌프로 보내기 위하여 상기 메인 파이프의 상기 아래쪽 영역에 연결된 배수 파이프와,
    상기 배수 파이프 내의 냉각재 유동으로부터 음향 신호를 검출하기 위하여 상기 배수 파이프 근처에 위치한 제 1 센서 조립체와,
    모니터링되는 다양한 유동 상태의 시뮬레이팅된 음향 특징에 관한 데이터베이스와,
    냉각재 유동 상태를 식별하기 위하여 상기 검출된 음향 신호를 상기 데이터베이스에 포함된 시뮬레이팅된 음향 특징과 비교하는 프로세서와,
    상기 제 1 센서 조립체로부터 간격을 두고 위치하며, 상기 배수 파이프 내의 냉각재 유동으로부터 음향 신호를 검출하기 위한 제 2 센서 조립체를
    포함하며,
    상기 프로세서는 시간과 거리에 따른 상기 신호의 변화(variation) 및 감쇠(attenuation)를 모니터링함으로써 상기 유동 상태의 식별을 용이하게 하기 위하여 상기 제 2 센서 조립체로부터 검출된 음향 신호를 상기 제 1 센서 조립체로부터 검출된 음향 신호와 비교하기 위한 수단을 포함하는, 유동 상태 모니터링 시스템.
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  18. 원자력 발전소에서 유동 상태를 모니터링하는 방법으로서,
    모니터링될 유체 유동 근처에 제 1 센서 조립체를 위치시키는 단계와,
    상기 제 1 센서 조립체에 의해 유체 유동 상태를 나타내는 제 1 출력 신호를 생성하는 단계와,
    모니터링되는 다양한 유체 유동 상태의 시뮬레이팅된 특징을 포함하는 데이터베이스를 제공하는 단계와,
    상기 유체 유동 상태를 식별하기 위하여 상기 제 1 출력 신호를 다양한 유체 유동 상태의 상기 시뮬레이팅된 특징과 비교하는 단계
    를 포함하고,
    모니터링될 상기 유체 유동 근처에 제 2 센서 조립체를 위치시키는 단계와,
    상기 제 2 센서 조립체에 의해 제 2 출력 신호를 생성하는 단계와,
    시간과 거리에 따른 상기 신호의 변화를 모니터링함으로써 상기 유동 상태의 식별을 용이하게 하기 위하여 상기 제 2 출력 신호를 상기 제 1 출력 신호와 비교하는 단계를
    더 포함하는, 유동 상태 모니터링 방법.
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