KR101185581B1 - 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원자로 출력이 저출력 구간과 고출력 구간 사이에서 전환될 때 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브의 개도가 급격하게 변경되어 증기발생기 수위의 과도현상이 발생하는 것을 비례 적분 제어기의 이득과 적분 시정수를 타이머의 경과 시간에 따라서 변환시켜 증기발생기의 수위 과도현상을 완화할 수 있는 주급수 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 원자로 출력이 저출력 구간과 고출력 구간 사이에서 전환되는 전환시점에 증기발생기의 수위 과도현상을 완화할 수 있으며, 그에 따라 증기발생기 수위의 과도현상에 의해 발생할 수 있는 원자로의 정지 가능성을 줄여주어 운전원의 부담을 경감시킬 수 있으며, 원자력 발전소의 가동률 및 경제성 향상에 기여할 수 있다.

Description

원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템{System of controlling steam generator level during main feed-water control valve transfer for the nuclear power plant}
본 발명은 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어함에 있어 주급수 제어 밸브가 전환될 때 증기발생기의 수위 과도현상을 방지할 수 있는 주급수 제어 시스템에 관한 기술이다.
원자력 발전소는 보통 100개 이상의 개별적 기능을 가진 시스템으로 구성된다. 이들은 크게 원자로를 중심으로 한 핵증기 공급 시스템(NSSS : Nuclear Steam Supply System)과 증기를 공급받아 발전기를 돌려 전기를 생산하는 터빈/발전기 시스템 및 기타 부수 설비로 구분된다. 현재 한국 원자력 발전소의 주종을 이루고 있는 가압 경수형 원자로(PWR : Pressurized Water Reactor)를 살펴보면 원자로를 중심으로 한 1차 시스템, 증기발생기와 터빈과 발전기와 복수기를 포함한 2차 시스템, 사고에 대비한 공학적 안전 설비 계통, 송배전 계통, 계측 제어 계통, 기타 보조 계통들로 구성되어 있다.
한편, 원자로에서 발생된 뜨거운 물은 냉각재 배관을 통하여 연결된 증기발생기의 열전달관을 통하여 순환되어, 또 다른 배관을 통하여 증기발생기로 유입되는 급수에 열을 전달하고 원자로로 되돌아가게 된다. 증기발생기가 이러한 역할을 무리 없이 수행하기 위해서는 증기발생기 내의 수위가 적절히 유지되어야만 하는데, 증기발생기 내의 수위를 일정하게 제어하는 것이 원자력발전소의 급수 제어 시스템이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 원자로 출력이 저출력 구간과 고출력 구간 사이에서 전환될 때 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브의 개도가 급격하게 변경되어 증기발생기 수위의 과도현상이 발생하는 것을 비례 적분 제어기의 이득과 적분 시정수를 타이머의 경과 시간에 따라서 변환시켜 증기발생기의 수위 과도현상을 완화할 수 있는 주급수 제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 다운커머 급수 밸브 및 이코노마이저 급수 밸브를 포함하는 주급수 제어 밸브와 주급수 펌프를 제어하여 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어하는 급수 제어 시스템에 있어서, 상기 증기발생기의 수위와 수위 설정치의 편차에 따른 수위 보정 오차 신호를 비례 적분하고, 비례 적분 결과에 따라 유량 요구 신호를 생성하는 비례 적분 제어기; 저출력 구간과 고출력 구간 중에서 상기 원자로 출력이 속하는 구간인 출력 구간을 판단하고, 상기 판단된 출력 구간이 바뀌는 시점인 전환시점을 판단하는 출력 판단부; 상기 유량 요구 신호 및 상기 판단된 현재 출력 구간에 따라 주급수 펌프와 주급수 제어 밸브를 제어하는 주급수 제어 신호를 생성하는 주급수 제어부; 원자로 출력에 따라 설정된 이득 및 적분 시정수를 포함하는 비례-적분 정보를 제공하는 정보 제공부; 및 상기 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하되, 상기 전환시점에는 변환 이득과 변환 적분 시정수를 포함하는 변환 비례-적분 정보를 소정의 타이머 시간 동안에만 상기 비례 적분 제어기로 제공하는 정보 변환부를 포함하는, 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어하는 급수 제어 시스템을 제공하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 정보 변환부는, 상기 비례 적분 제어기로 상기 변환 이득과 상기 변환 적분 시정수를 제공하는 변환정보 제공부; 및 상기 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하되, 전환시점이 저출력 구간에서 고출력 구간으로 바뀌는 제1 전환시점인 경우 소정의 제1 타이머 시간 동안에만 상기 변환 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하도록 동작하는 제1 타이머를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 변환 이득은 상기 원자로 출력에 따라 설정된 이득보다 큰 값으로 설정되고, 상기 변환 적분 시정수는 상기 원자로 출력에 따라 설정된 적분 시정수보다 작은 값으로 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 변환 이득과 변환 적분 시정수는, 상기 타이머 시간에 따라 변화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원자로 출력이 저출력 구간과 고출력 구간 사이에서 전환되는 전환시점에 증기발생기의 수위 과도현상을 완화할 수 있으며, 그에 따라 증기발생기 수위의 과도현상에 의해 발생할 수 있는 원자로의 정지 가능성을 줄여주어 운전원의 부담을 경감시킬 수 있으며, 원자력 발전소의 가동률 및 경제성 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템을 설명하는 도면.
도 2는 출력 판단부를 상세히 설명한 도면.
도 3은 원자로의 출력 구간에 따라 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브를 통해 분배되는 급수 비율을 나타낸 도표.
도 4는 정보 제공부와 정보 변환부를 상세히 설명한 도면.
도 5 및 도 6은 원자로 출력 신호에 기초하여 미리 설정된 이득 및 적분 시정수에 대한 그래프를 각각 나타낸 그래프.
도 7은 원자로 출력이 고출력에서 저출력으로 전환되는 제2 전환시점에 증기발생기의 수위 변화를 나타내는 그래프.
도 8은 원자로 출력이 저출력에서 고출력으로 전환되는 제1 전환시점에 증기발생기의 수위 변화를 나타내는 그래프.
도 9와 도 10은 타이머 시간에 따른 변환 이득과 변환 적분 시정수를 각각 나타낸 그래프.
도 11과 도 12는 제1 전환시점과 제2 전환시점에서의 본 발명에 따른 효과를 각각 나타낸 그래프.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
본 발명에 따른 원자력 발전소의 주급수 제어 시스템은 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기의 수위 과도현상을 방지하는 주급수 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 원자력 발전소의 주급수 제어 시스템(100)은 비례 적분 제어기(Proportional-Integral Controller, PI Controller, 110), 정보 제공부(120), 정보 변환부(130), 출력 판단부(140), 및 주급수 제어부(150)를 포함한다.
비례 적분 제어기(Proportional-Integral Controller, PI Controller, 110)는 증기발생기(Steam Generator)의 수위 보정 오차 신호(Compensated Steam Generator Level Error Signal)에 대하여 비례/적분 제어를 수행하고, 그 비례/적분 제어 결과에 따라 유량 요구 신호(Flow Demand Signal)를 생성한다. 후술하겠지만, 비례 적분 제어기(110)에서 이용되는 비례 이득(proportional gain)과 적분 시정수(integral time constant)는 정보 제공부(120)와 정보 변환부(130)에서 제공된다.
한편 원자력 발전소의 주급수 제어 시스템(100)은 비례 적분 제어기(110)의 전단에 수위 보정 오차 신호(Compensated Steam Generator Level Error Signal)를 제공하는 오차 신호 제공부(111)를 더 포함할 수 있다. 오차 신호 제공부(111)는 증기발생기 수위(Steam Generator Level)에 대응하는 수위 측정 신호(Level Signal)와 증기발생기 수위 설정값(Steam Generator Level Setpoint)에 대응하는 수위 설정 신호(Level Setpoint Signal)의 차이를 입력받고, 상기 두 신호의 차이인 수위 보정 오차 신호를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
비례 적분 제어기(110)에서 생성된 유량 요구 신호는 주급수 제어부(150)로 제공된다. 주급수 제어부(150)는 유량 요구 신호에 기초하여 주급수 펌프와 주급수 제어 밸브(main feed-water control valve)를 제어하는 주급수 제어 신호를 생성한다.
주급수 제어 신호는 펌프 속도 요구 신호(Pump Speed Demand signal), 다운커머 밸브 위치 요구 신호(Downcomer Valve Position Demand Signal), 및 이코노마이저 밸브 위치 요구 신호(Economizer Valve Position Demand Signal) 중의 적어도 하나를 포함한다. 본 발명에서 주급수 제어 밸브(main feed-water control valve)란 다운커머 급수 밸브(downcomer feedwatwer valve) 및 이코노마이저 급수 밸브(economizer feedwater valve)를 포함하는 개념이다.
다운커머 급수 밸브는 다운커머 급수 밸브의 위치(position, 열린 정도인 개도)를 제어하는 밸브이며, 이코노마이저 급수 밸브는 이코노마이저 급수 밸브의 위치를 제어하는 밸브이다.
따라서 주급수 제어부(150)는 유량 요구 신호에 기초하여 펌프 속도 요구 신호, 다운커머 밸브 위치 요구 신호, 및 이코노마이저 밸브 위치 요구 신호를 생성한다.
이를 위해 주급수 제어부(150)는 주급수 펌프의 속도를 제어하기 위한 펌프 속도 제어부(160), 다운커머 급수 밸브의 위치를 제어하기 위한 다운커머 밸브 제어부(170), 및 이코노마이저 급수 밸브의 위치를 제어하기 위한 이코노마이저 밸브 제어부(180)를 포함한다.
펌프 속도 제어부(160)는 주급수 펌프의 속도를 제어하는 펌프 속도 요구 신호를 생성하고, 다운커머 밸브 제어부(170)는 다운커머 급수 밸브의 개도를 제어하는 다운커머 밸브 위치 요구 신호를 생성하며, 이코노마이저 밸브 제어부(180)는 이코노마이저 급수 밸브의 개도를 제어하는 이코노마이저 밸브 위치 요구 신호를 생성한다. 상기 신호들에 의하여 각각 주급수 펌프의 속도와 다운커머 급수 밸브 위치와 이코노마이저 급수 밸브 위치가 각각 제어됨으로써 결과적으로 증기발생기 내의 수위가 조절될 수 있다.
한편 주급수 제어부(150)는 원자로 출력(Reactor Power)의 출력 구간 및 그 출력 구간이 전환되는 전환시점에 따라 그 제어 방식을 변화시킨다. 원자로 출력의 출력 구간 및 전환 시점의 기준점은 원자로 출력이 약 20%가 되는 지점이다. 원자로 출력(Reactor Power)이 약 20% 이하인 저출력 구간에 속하는 경우 주급수 제어부(150)는 저출력 제어 모드 방식으로 주급수 제어 밸브를 제어하고, 원자로 출력(Reactor Power)이 약 20% 이상인 고출력 구간에 속하는 경우 주급수 제어부(150)는 고출력 제어 모드 방식으로 주급수 제어 밸브를 제어한다.
출력 판단부(140)는 원자로 출력(Reactor Power)에 상응하는 원자로 출력 신호(Reactor Power Signal)를 입력받고, 원자로 출력이 속하고 있는 출력 구간 및 원자로 출력의 출력 구간이 전환되는 시점인 전환시점(transfer time)을 판단한다. 출력 판단부(140)에서 판단된 원자로 출력의 출력 구간에 대한 출력 구간 신호는 주급수 제어부(150)로 제공되고, 원자로 출력의 출력 구간이 전환되는 전환시점에 생성된 전환신호(transfer signal)는 정보 변환부(130)로 제공된다.
전술한 것처럼 본 발명에서 원자로 출력에 따라 주급수 제어부(150)가 제어하는 방식이 변환된다. 즉, 다운커머(downcomer)와 이코노마이저(economizer)를 통해 공급되는 급수 유량 및 급수 분배 비율은 원자로 출력(reactor power)에 따라 제어된다.
원자로 출력이 약 20% 이하인 저출력 구간에서는 주급수 펌프가 최저 속도로 운전되므로, 저출력 구간에서 실제적인 급수의 유량 조절 기능은 다운커머 급수 밸브에 의하여 이루어진다. 즉, 기동 운전부터 원자로 출력이 약 20% 이하인 저출력 구간에서, 모든 급수는 다운커머 급수 노즐을 통해서만 증기발생기로 공급된다.
원자로 출력이 약 20% 이상인 고출력 구간에서, 다운커머 급수 밸브의 위치는 전체 급수 유량(원자로 출력이 100%인 경우의 급수 유량)의 약 10%에 해당하는 급수 유량을 통과시킬 수 있는 위치로 고정된다. 그리고 그 나머지 급수 유량은 이코노마이저를 통해 증기발생기로 공급되도록 이코노마이저 급수 밸브의 위치가 제어된다.
따라서 원자로 출력이 약 20%가 되는 지점에서 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브는 자동으로 전환되도록 제어되어야 한다. 원자로 출력이 감소하고 있는 동시에 원자로 출력이 약 20%인 지점에 이르면, 이코노마이저 급수 밸브는 완전히 닫히는 것과 동시에 다운커머를 통해서만 증기발생기로 급수되도록 다운커머 급수 밸브가 제어되어야 한다. 또한 원자로 출력이 증가하고 있는 동시에 원자로 출력이 약 20%인 지점에 이르면, 다운커머 급수 밸브의 위치는 100% 출력 운전시 요구되는 급수 유량의 약 10%에 해당하는 밸브 위치로 급격히 변경되어야 하며, 그와 동시에 이코노마이저 급수 밸브는 나머지 급수량을 증기발생기로 공급하도록 조절되어야 한다.
한편, 원자로 출력의 출력 구간을 나누는 기준점은 전술한 기준점에 한정되지 않고 다양한 값으로 설정될 수 있다. 전술한 것처럼 원자로 출력의 출력 구간을 나누는 기준점이 20%로 동일하게 설정될 수 있으며, 다음의 예처럼 원자로 출력이 증가할 때의 기준점과 감소할 때의 기준점이 상이하게 설정될 수도 있다.
예를 들어, 원자로 출력이 증가하고 있는 경우에는 저출력 구간과 고출력 구간을 나누는 기준점이 원자로 출력이 약 20%가 되는 지점이 되도록 설정될 수 있으며, 원자로 출력이 감소하고 있는 경우에는 저출력 구간과 고출력 구간을 나누는 기준점이 원자로 출력이 약 18%가 되는 지점이 되도록 상이하게 설정될 수 있다. 이러한 경우 원자로 출력이 증가하고 있는 경우에는 원자로 출력이 약 20%가 되는 지점이 저출력 구간에서 고출력 구간으로 바뀌는 전환 시점이 되며, 원자로 출력이 감소하고 있는 경우에는 원자로 출력이 약 18%가 되는 지점이 고출력 구간에서 저출력 구간으로 바뀌는 전환 시점이 된다.
도 2는 출력 판단부(140)를 상세히 설명한 도면이다.
도 2를 참조하면, 출력 판단부(140)는 출력 비교부(141) 및 전환시점 판단부(143)를 포함할 수 있다.
출력 비교부(141)는 원자로 출력에 상응하는 원자로 출력 신호(reactor power signal)를 수신하고, 원자로 출력 신호를 기초로 현재 원자로 출력의 출력 구간을 판단하고, 그 판단한 출력 구간에 대한 출력 구간 신호를 생성한다. 원자로 출력의 출력 구간은 저출력 구간과 고출력 구간 중에서 현재의 원자로 출력이 속하는 구간을 의미한다.
출력 비교부(141)는 약 20% 지점을 기준으로 원자로 출력이 약 20% 미만이면 저출력 구간으로 판단하고, 저출력 구간 신호(TL)를 생성하여 이코노마이저 밸브 제어부(180)로 제공한다. 또한 출력 비교부(141)는 약 20% 지점을 기준으로 원자로 출력이 약 20% 이상이면 고출력 구간으로 판단하여 고출력 구간 신호(TH)를 생성하며, 생성된 고출력 구간 신호(TH)를 다운커머 밸브 제어부(180)로 제공한다.
전환시점 판단부(143)는 원자로 출력이 저출력에서 고출력으로 전환되는 시점인 제1 전환시점에 제1 전환신호(TLH)를 생성하고, 생성된 제1 전환신호(TLH)를 정보 변환부(130)로 제공한다. 또한 전환시점 판단부(143)는 원자로 출력이 고출력에서 저출력으로 전환되는 시점인 제2 전환시점에 제2 전환신호(THL)를 생성하고, 생성된 제2 전환신호(THL)를 정보 변환부(130)로 제공한다.
저출력 구간과 고출력 구간을 구분하는 기준점은 원자로 출력이 약 20%가 되는 지점이지만, 전술한 것처럼 원자로 출력이 증가할 때와 감소할 때 기준점이 서로 상이하게 설정될 수도 있다.
다시 도 1로 되돌아가 설명하도록 한다.
펌프 속도 제어부(160)는 유량 요구 신호를 수신하고, 수신한 유량 요구 신호를 기초로 주급수 펌프의 속도를 제어하는 펌프 속도 요구 신호를 생성한다. 생성된 펌프 속도 요구 신호는 주급수 펌프로 제공된다.
다운커머 밸브 제어부(170)는 유량 요구 신호 및 고출력 구간 신호(TH)를 수신하고, 유량 요구 신호 및 고출력 구간 신호(TH)를 기초로 다운커머 급수 밸브의 위치를 제어하는 다운커머 밸브 위치 요구 신호를 생성한다. 다운커머 급수 밸브는 다운커머 밸브 위치 요구 신호에 따라 다운커머 급수 밸브의 위치를 조절하여 밸브의 열린 정도인 밸브 개도를 제어한다.
다운커머 밸브 제어부(170)는 다운커머 분배부(171), 제1 전환 로직(172), 및 다운커머 고정부(173)를 포함한다.
다운커머 분배부(171)는 유량 요구 신호에 따라 다운커머를 통해 공급되는 공급 유량에 상응하는 다운커머 급수 밸브의 위치를 연산한다.
원자로 출력이 고출력 구간인 경우, 다운커머 고정부(173)는 바이어스 신호를 제1 전환 로직(172)으로 제공한다. 바이어스 신호란 전체 급수 유량(원자로 출력이 100%인 경우의 급수 유량)의 약 10%에 해당하는 급수 유량이 다운커머를 통해 공급되도록 다운커머 급수 밸브의 위치를 고정하는 신호를 의미한다.
출력 판단부(140)로부터 고출력 구간 신호(TH)를 수신하면, 제1 전환 로직(172)은 다운커머 고정부(173)의 바이어스 신호에 따라 100% 출력 운전시의 급수 유량의 약 10%에 해당하는 급수 유량이 다운커머를 통해 공급되도록 다운커머 급수 밸브의 위치를 고정하는 다운커머 밸브 위치 요구 신호를 생성한다. 한편 고출력 구간 신호(TH)가 수신되지 않으면, 제1 전환 로직(172)은 유량 요구 신호에 따라 다운커머를 통해 급수가 공급되도록 다운커머 밸브 위치 요구 신호를 생성한다.
결론적으로, 저출력 구간에서 다운커머 밸브 제어부(170)는 유량 요구 신호에 따른 전체 급수가 다운커머를 통해서 공급되도록 제어하고, 고출력 구간에서 다운커머 밸브 제어부(170)는 100% 출력 운전시의 전체 급수 유량의 약 10%에 해당하는 급수 유량이 다운커머를 통해 공급되도록 제어한다.
이코노마이저 밸브 제어부(180)는 이코노마이저 분배부(181), 제2 전환 로직(182), 및 폐쇄 고정부(183)를 포함한다.
이코노마이저 분배부(181)는 유량 요구 신호에 따라 이코노마이저를 통해 공급되는 공급 유량에 상응하는 이코노마이저 급수 밸브의 위치를 연산한다.
원자로 출력이 저출력 구간인 경우, 폐쇄 고정부(183)는 폐쇄 신호를 제2 전환 로직(182)으로 제공한다. 폐쇄 신호란 이코노마이저를 통해 전혀 급수가 되지 않도록 이코노마이저 급수 밸브의 위치를 닫힌 위치로 고정하는 신호를 의미한다.
출력 판단부(140)로부터 저출력 구간 신호(TL)를 수신하면, 제2 전환 로직(182)은 폐쇄 신호에 따라 이코노마이저 급수 밸브가 닫히도록 밸브의 위치를 고정하는 이코노마이저 밸브 위치 요구 신호를 생성한다. 한편 저출력 구간 신호(TL)가 수신되지 않으면, 제2 전환 로직(182)은 유량 요구 신호에 따라 이코노마이저를 통해 급수가 공급되도록 이코노마이저 밸브 위치 요구 신호를 생성한다.
결론적으로, 저출력 구간에서 이코노마이저 밸브 제어부(180)는 이코노마이저 급수 밸브가 닫히도록 제어하고, 고출력 구간에서 이코노마이저 밸브 제어부(180)는 전체 급수 유량에서 다운커머를 통해 공급되는 급수 유량을 제외한 나머지 급수 유량이 이코노마이저를 통해 공급되도록 제어한다.
도 3은 원자로의 출력 구간에 따라 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브를 통해 분배되는 급수 비율을 나타낸 도표이다.
도 3을 참조하면 원자로의 출력 구간에 따라 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브를 통해 급수량이 분배되는 것을 알 수 있다.
도 4는 정보 제공부와 정보 변환부를 상세히 설명한 도면이다.
정보 제공부(120)는 원자로 출력에 따라 설정된 이득 및 적분 시정수를 포함하는 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다. 이를 위해 정보 제공부(120)는 원자로 출력에 상응하는 원자로 출력 신호를 수신하고, 원자로 출력 신호에 기초하여 설정된 이득 및 적분 시정수에 대한 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
도 5 및 도 6은 원자로 출력 신호에 기초하여 미리 설정된 이득 및 적분 시정수에 대한 그래프를 각각 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6에서 비례 적분 제어기(110)의 이득과 적분 시정수는 전출력시 발생될 수 있는 여러 과도현상을 방지하기 위한 최적의 설정치를 나타내며, 낮은 출력시 낮은 이득과 비교적 큰 적분 시정수를 가지고 있음을 알 수 있다.
원자로 출력이 고출력 구간에서 저출력 구간으로 전환되는 제2 전환시점에, 이코노마이저 급수 밸브는 완전히 닫히고, 100% 원자로 출력 운전시 요구 유량의 약 10%의 급수 유량에 해당되는 밸브 위치로 고정된 다운커머 급수 밸브가 20% 원자로 출력의 유량 요구 신호에 해당하는 밸브 위치로 급격하게 증가한다. 그에 따라 증기발생기의 수위가 급격하게 증가하는 과도현상이 발생할 수 있다.
도 7은 원자로 출력이 고출력에서 저출력으로 전환되는 제2 전환시점에 증기발생기의 수위 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제2 전환시점에 증기발생기의 수위가 정상 수위인 44%에서 61%까지 약 15% 증가하는 과도현상이 발생한다. 일부 원자력 발전소에서는 제2 전환시점에 증기발생기 수위의 과도한 증가로 인하여 다운커머 급수 밸브를 수동으로 제어하여 증기발생기의 고수위에 대한 원자로 정지를 방지한 경우가 있었으며, 최근 운전원의 부담을 가중시키는 수동 운전에 대한 사례가 빈번하게 발생된 것으로 보고되었다.
도 8은 원자로 출력이 저출력에서 고출력으로 전환되는 제1 전환시점에 증기발생기의 수위 변화를 나타내는 그래프이다.
원자로 출력이 저출력 구간에서 고출력 구간으로 전환되는 제1 전환시점에, 다운커머 급수 밸브는 100% 원자로 출력 운전시 요구 유량의 약 10%의 급수 유량에 해당되는 밸브 위치로 급격히 이동하고, 이코노마이저 급수 밸브는 20% 원자로 출력의 유량 요구 신호에 해당되는 밸브 위치로 급격하게 이동한다. 다운커머 급수 밸브가 급격히 이동하기 때문에, 증기발생기 수위가 초기에는 감소한 이후 이코노마이저 급수 밸브의 급격한 개방으로 인하여 증기발생기 수위는 증가하게 된다.
도 8을 참조하면, 제1 전환시점에 증기발생기 수위가 정상 수위인 44%에서 34%까지 약 10% 가량 감소하는 과도현상이 발생한다. 제1 전환시점에, 증기발생기 압력에 따라서 다운커머 급수 밸브의 개도가 다양하게 나타날 수 있으므로 밸브 전환 이후 급격한 이코노마이저 급수 밸브의 개방이 발생하여 증기발생기의 고수위에 의한 원자로 정지 가능성이 존재한다.
그러나 비례 적분 제어기(110)의 작은 이득과 큰 적분 시정수 하에서 주급수 제어 시스템은 속응성이 상대적으로 느리기 때문에 증기발생기 수위 과도현상을 완화하기에는 힘들 수 있다.
따라서 주급수 제어 밸브가 전환되는 경우, 증기발생기의 수위 과도현상으로 인한 운전원의 부담을 경감하고 원자로 정지에 대한 가능성을 감소시키기 위하여 증기발생기 수위 과도현상을 방지할 필요성이 있다.
다시 도 4로 되돌아가 설명하도록 한다.
정보 변환부(130)는 원자로 출력의 출력 구간이 전환되는 전환시점에 소정의 타이머 시간 동안에만 변환 이득과 변환 적분 시정수에 대한 정보를 포함하는 변환 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
정보 변환부(130)는 타이머(131) 및 변환정보 제공부(132)를 포함할 수 있다.
타이머(131)는 출력 판단부(140)로부터 전환신호를 수신하고, 전환신호를 수신한 경우 소정의 타이머 시간 동안에만 변환 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공하며, 소정의 타이머 시간이 경과한 경우 정보 제공부(120)가 제공하는 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
제1 전환시점과 제2 전환시점에서의 타이머 시간 및 변환정보가 상이하게 설정될 수 있으므로, 타이머(131)는 제1 타이머(1311) 및 제2 타이머(1312)를 포함할 수 있다.
제1 타이머(1311)는 출력 판단부(140)로부터 제1 전환신호를 수신한 경우 소정의 제1 타이머 시간 동안에만 변환 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공하며, 소정의 제1 타이머 시간이 경과한 후 정보 제공부(120)가 제공하는 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
제2 타이머(1312)는 출력 판단부(140)로부터 제2 전환신호를 수신한 경우 소정의 제2 타이머 시간 동안에만 변환 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공하며, 소정의 제2 타이머 시간이 경과한 후 정보 제공부(120)가 제공하는 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공한다.
즉 평상시에 제1 타이머(1311) 및 제2 타이머(1312)는 정보 제공부(120)가 제공하는 이득과 적분 시정수를 비례 적분 제어기(110)로 제공하다가, 전환신호가 수신되면 소정의 타이머 시간 동안에만 그에 따른 변환 비례-적분 정보를 비례 적분 제어기(110)로 제공하는 역할을 수행한다.
변환정보 제공부(132)는 변환 이득과 변환 적분 시정수를 제공하는 역할을 수행한다. 제1 전환시점과 제2 전환시점에서의 변환정보가 상이하게 설정될 수 있으므로, 변환정보 제공부(132)는 제1 변환정보 제공부(1321) 및 제2 변환정보 제공부(1322)를 포함할 수 있다.
정보 제공부(120)가 제공하는 이득과 적분 시정수는 원자로 출력에 따라 변화하도록 미리 설정된 값들이지만, 변환정보 제공부(132)가 제공하는 변환 이득과 변환 적분 시정수는 원자로 출력이 아닌 시간에 따라 변화하도록 미리 설정된 값들이다.
도 9와 도 10은 타이머 시간에 따른 변환 이득과 변환 적분 시정수를 각각 나타낸 그래프이다.
정해진 일정 시간(가변)을 가지는 타이머(131)가 동작하는 중에만 도 9와 도 10에 따른 변환 이득과 변환 적분 시정수가 비례 적분 제어기(110)로 제공되며, 타이머(131)의 동작이 완료되면 정보 제공부(120)가 제공하는 이득과 적분 시정수가 비례 적분 제어기(110)로 제공된다. 전환시점에는 오직 일정한 타이머(131)의 타이머 시간 동안에만 이 논리가 적용되며, 타이머(131)가 동작하는 조건은 다운커머 급수 밸브와 이코노마이저 급수 밸브가 전환되는 출력(약 20%에 해당하는 원자로 출력)에 도달하는 순간으로만 제한된다.
상기 그래프에서 변환 이득, 변환 적분 시정수, 및 타이머 시간은 상기 그래프의 실시예에 한정되지 않으며, 전환시점에 증기발생기 수위의 증가 및 감소 정도를 조정할 수 있도록 적절하게 설정될 수 있다.
도 11과 도 12는 제1 전환시점과 제2 전환시점에서의 본 발명에 따른 효과를 각각 나타낸 그래프이다.
도 11과 도 12에서, Case A는 정보 제공부(120)가 이득과 적분 시정수를 비례 적분 제어기(110)로 제공하는 경우의 증기 발생기의 수위를 예시하며, Case B는 전환시점에 일정 타이머 시간 동안에만 정보 변환부(130)까 변환 이득과 변환 적분 시정수를 비례 적분 제어기(110)로 제공하는 경우의 증기 발생기의 수위를 예시한다.
도 11과 도 12를 참조하면, Case B의 경우에 각 전환시점에 증기발생기의 수위 증가와 감소에 대하여 신속하게 대응하여 증기발생기의 수위 과도현상을 완화할 수 있음을 알 수 있다. 그에 따라 전환시점에 증기발생기 수위의 과도한 변동에 의해 야기되는 원자로의 정지 가능성을 줄여주어 운전원의 부담을 경감시킬 수 있으며, 원자력 발전소의 가동률 및 경제성 향상에 기여할 수 있다.
이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 다운커머 급수 밸브 및 이코노마이저 급수 밸브를 포함하는 주급수 제어 밸브와 주급수 펌프를 제어하여 원자력 발전소의 증기발생기 내의 수위를 제어하는 급수 제어 시스템에 있어서,
    상기 증기발생기의 수위와 수위 설정치의 편차에 따른 수위 보정 오차 신호를 비례 적분하고, 비례 적분 결과에 따라 유량 요구 신호를 생성하는 비례 적분 제어기;
    저출력 구간과 고출력 구간 중에서 상기 원자로 출력이 속하는 구간인 출력 구간을 판단하고, 상기 판단된 출력 구간이 바뀌는 시점인 전환시점을 판단하는 출력 판단부;
    상기 유량 요구 신호 및 상기 판단된 현재 출력 구간에 따라 상기 주급수 펌프와 주급수 제어 밸브를 제어하는 주급수 제어 신호를 생성하는 밸브 제어부;
    원자로 출력에 따라 설정된 이득 및 적분 시정수를 포함하는 비례-적분 정보를 제공하는 정보 제공부; 및
    상기 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하되, 상기 전환시점에는 변환 이득과 변환 적분 시정수를 포함하는 변환 비례-적분 정보를 소정의 타이머 시간 동안에만 상기 비례 적분 제어기로 제공하는 정보 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정보 변환부는
    상기 비례 적분 제어기로 상기 변환 이득과 상기 변환 적분 시정수를 제공하는 변환정보 제공부; 및
    상기 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하되, 전환시점이 저출력 구간에서 고출력 구간으로 바뀌는 제1 전환시점인 경우 소정의 제1 타이머 시간 동안에만 상기 변환 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하도록 동작하는 제1 타이머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 정보 변환부는
    상기 비례 적분 제어기로 상기 변환 이득과 상기 변환 적분 시정수를 제공하는 변환정보 제공부; 및
    상기 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하되, 전환시점이 고출력 구간에서 저출력 구간으로 바뀌는 제2 전환시점인 경우 소정의 제2 타이머 시간 동안에만 상기 변환 비례-적분 정보를 상기 비례 적분 제어기로 제공하도록 동작하는 제2 타이머를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 변환 이득은 상기 원자로 출력에 따라 설정된 이득보다 큰 값으로 설정되고,
    상기 변환 적분 시정수는 상기 원자로 출력에 따라 설정된 적분 시정수보다 작은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는, 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 변환 이득과 변환 적분 시정수는
    상기 타이머 시간에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는, 원전의 주급수 제어 밸브 전환시 증기발생기 수위를 제어하는 주급수 제어 시스템.
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