KR101358085B1

KR101358085B1 - 초고속 밸브 구동용 공압 장치

Info

Publication number: KR101358085B1
Application number: KR1020130029134A
Authority: KR
Inventors: 김병덕; 손상호
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-02-04

Abstract

본 발명에 따른 초고속 밸브구동용 공압장치는 공기를 공급받아 가압상태로 저장하는 고압공기저장조; 초고속밸브를 구동하는 밸브 피스톤실; 일단이 상기 고압공기저장조와 연결되며 타단이 상기 밸브 피스톤실과 연결되어 피스톤을 구동하는 고압공기공급관; 상기 고압공기공급관의 개폐를 결정하는 속도제어밸브; 및 설정된 속도에 따라 상기 속도제어밸브를 컨트롤하는 속도제어컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초고속 밸브 구동용 공압 장치{Device for High-speed valve of drive}

본 발명은 원자력 발전 시스템이나, 안전밸브의 성능 시험에 사용되는 배관에 사용되는 초고속 밸브구동용 공압 장치에 관한 것이다.

원자력 발전 시스템은 핵연료의 핵분열 현상에서 발생하는 열로 증기를 생성해 이 증기가 터빈으로 이송되어 터빈을 회전시켜 열에너지를 기계적 에너지로, 터빈의 회전에너지를 이용해 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꾸게 된다. 이 때 터빈 발전을 위한 증기의 이송은 발전설비의 용량에 따라 비교적 큰 직경의 배관을 통해 이송되게 된다. 이런 배관 상의 밸브는 긴급한 필요에 따라 빠른 속도로 닫히거나 열릴 필요가 있는데 비해, 그 크기로 인해 개폐 속도가 한정되는 문제가 발생하게 된다.

특히 발전 시스템의 안정성과 관계가 되는 안전밸브의 테스트와 같이 증기배관이나 시험용기에 순간적으로 큰 압력을 가하거나 압력의 차단이 필요할 때에는 1초 이내의 밸브개방 혹은 폐쇄 속도가 필요한데 비해, 실제 공압으로 작동하는 밸브의 경우 보통 1초에서 수초의 시간이 걸린다는 문제점이 있다.

안전밸브는 내부압력이 최고사용압력에 도달했을 경우, 자동적으로 작동해서 내부의 유체를 방출시켜 압력의 상승을 방지하는 밸브를 말하는데, 이런 안전밸브가 허용된 설정압력의 오참범위 내에서 작동하는지 시험하기 위해서는 높은 압력을 순간적으로 공급하기 위한 초고속 밸브가 필요하게 된다.

기존 기술인 일본 공개특허공보 특개평6-088504호에서는 터빈에서 사용하기 위한 고속 밸브 제어 장치를 개시하고 있다. 상기 발명은 발전용 복수형 증기 터빈의 재열기에 고속 밸브를 설치해, 송전계통의 사고 발생시 급속 폐로 지령을 내려 재열기의 증기압력 상승을 막는 기술을 제공하고 있다.

한국등록특허 제0540308호에서는 가압기 안전밸브를 상온에서 누설시험 및 압력설정시험을 직접 실시할 수 있도록 한 가압기 안전밸브의 누설 및 압력설정 시험장치에 관한 것으로, 안전밸브를 작동시키기 위한 고압을 발생시키기 위해 복수의 병렬 밸브를 통해 순간적인 압력을 발생시키는 기술을 제공하고 있다.

상기 기술에서 고속 밸브에는 주로 공압에 의해 작동되는 밸브에 비해 빠른 속도를 낼 수 있는 솔레노이드 밸브를 주로 사용하고 있는데, 전기신호에 의해 작동하는 솔레노이드 밸브는 속도는 빠른 반면에 대형화가 어려워 발전 설비의 주 증기로와 같은 대형 배관에는 적용이 힘들다는 단점을 가지고 있다. 또한, 안전밸브 시험과 같이 실제 발전 플렌트와 동일한 조건의 재현실험인 경우 소형배관에 사용되는 솔레노이드 밸브의 사용으로 인해 오차가 발생한다는 문제점이 있다. 병렬 배치 역시 고가의 솔레노이드 밸브를 다수 구비하게 됨으로써, 신뢰성이나 설비가격에 단점이 있다.

기계적인 신뢰성에 있어서도, 고속 밸브의 빠른 동작 속도는 밸브의 고장을 자주 일으키는 문제를 발생시킨다. 밸브의 동작 속도를 인위적으로 올릴 경우 밸브 피스톤의 빠른 속도로 인해 밸브가 운동범위의 상한인 실린더실 벽에 충격하면서 받는 피로가 누적되게 되고, 결과적으로 실린더실 혹은 밸브 피스톤이 파괴되는 문제점이 발생하게 된다.

(선행문헌1) 일본 공개특허공보 특개평6-088504호 (1994.03.29) (선행문헌2) 한국등록특허 제0540308호 (2005.12.26)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 대형배관이나 안전밸브 시험과 같이 급속가압 시험에 사용할 수 있는 초고속 밸브구동용 공압장치를 제공하려는 것이다.

또한, 상기 초고속 밸브구동용 공압장치는 상기 밸브 피스톤실에 설치되어 피스톤의 위치를 측정하는 위치센서; 및 초고속으로 작동하는 피스톤의 정지를 위해 피스톤의 후면에 공기를 공급하여 피스톤의 상한을 제어하도록 구비되는 충격완화 공기공급관;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치센서의 신호에 따라 상기 속도제어컴퓨터가 상기 충격완화 공기공급관의 밸브를 작동시켜 초고속밸브의 개방속도 및 개방위치를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 충격완화 공기공급관은 상기 피스톤의 위치가 작동한계 위치의 4/5 부터 작동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초고속 밸브 개방 속도는 0.5 초 미만인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초고속 밸브의 직경은 1 내지 14 인치인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 속도제어밸브는 병렬 연결되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 한다.

또한, 원자력발전 시스템의 안전밸브 시험장치는 상기 초고속 밸브구동용 공압장치를 이용하여 구동된다.

이에 따라, 본 발명은 대형배관이나 안전밸브 시험과 같이 급속가압 시험에 사용할 수 있는 초고속 밸브구동용 공압장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초고속 밸브구동용 공압장치를 개략적으로 설명하기 위한 모식도
도 2는 밸브피스톤실 내에서 피스톤 위치에 따른 피스톤 속도를 나타낸 그래프
도3a 내지 도 3b는 본 발명의 초고속 밸브구동용 공압장치의 작동방법을 나타낸 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 초고속 밸브구동용 공압장치를 개략적으로 설명하기 위한 모식도이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 밸브구동용 공압장치는 공기를 공급받아 가압상태로 저장하는 고압공기저장조(10)를 구비한다. 초고속밸브의 동작을 위해서는 일반적인 컴프레셔 압력보다 높은 압력이 필요하기 때문에, 예를 들면 가압펌프를 사용하여 항상 일정한 고압력으로 고압공기저장조(10) 내부의 압력을 유지는 것이 바람직하다. 상기 고압공기저장조(10)는 속도제어컴퓨터(60)의 지령에 따라 고압공기를 밸브 피스톤실(20)에 공급하게 된다. 밸브 피스톤실(20)과 고압공기저장조(10)는 고압공기공급관(30)으로 연결되며, 고압공기공급관(30)에는 공기공급을 제어해 밸브의 초고속 밸브구동을 조절하기 위한 속도제어밸브(40)가 구비되어 있다. 상기 속도제어밸브(40)는 속도제어컴퓨터(60)의 명령을 받아 얼마나 빠른 속도로 초고속 밸브를 구동시킬지 결정하며, 그에 따라 속도제어밸브(40)를 통해 밸브 피스톤실(20)에 공급할 공기의 양을 결정하게 된다. 속도제어밸브(40)로는 병렬로 연결된 다수의 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 속도제어컴퓨터(60)는 필요한 속도에 따라 상기 다수의 솔레노이드 밸브의 일정 비율만을 개방하여 밸브 피스톤실(20)에 공급함으로써, 초고속 밸브의 동작 속도를 컨트롤한다.

또한, 초고속 밸브의 실제 구동속도를 직접적으로 제어하기 위한 위치센서(70)가 피스톤(50)에 구비되어 있어, 속도제어컴퓨터(60)는 상기 위치센서(70)를 통해 초고속 밸브의 구동속도 및 위치를 파악하게 된다.

밸브의 위치를 파악하기 위한 위치센서로는 통상적인 위치센서(position sensor), 변위 센서(displacement sensor), 근접센서(proximity sensor) 등을 사용할 수 있다.

상기 위치센서(70)를 통해 속도제어컴퓨터(60)는 밸브의 위치가 작동상한선(밸브피스톤실의 벽)에 근접하면 밸브의 속도를 낮춘다. 이 때 단순히 속도제어밸브(40)를 닫는 것만으로는 빠른 속도로 이동 중인 피스톤의 관성을 막기 힘들기 때문에 밸브 피스톤실(20)에서 피스톤(50)이 작동상한선인 벽에 충돌하는 것을 막기 위해 피스톤(50)의 후면에 공기를 공급해 피스톤(50)의 속도를 제한할 수 있는 충격완화 공기공급관(80)이 구비되어 있으며, 속도제어컴퓨터(60)는 상기 충격완화 공기공급관(80)을 통해 피스톤의 후면에 공기를 공급해 속도를 낮추게 제어를 받는다.

속도제어컴퓨터(60)는 위치센서(70)의 신호에 따라 피스톤(50)의 이동속도, 즉 초고속 밸브의 구동속도를 파악할 수 있으며, 피스톤(50)의 빠른 속도로 밸브 피스톤실(20)의 내벽에 충돌하는 것을 막기 위해 적절한 위치에서 피스톤(50)의 후면에 공기를 공급한다. 이 때, 충격완화 공기공급은 피스톤(50)의 위치가 작동한계 위치의 4/5부터 작동하는 것이 바람직하다.

도 2는 밸브피스톤실 내에서 피스톤 위치에 따른 피스톤 속도를 나타낸 그래프로, 상기 속도제어컴퓨터(60)의 제어에 따라, 피스톤 속도가 피스톤위치에 따라 바뀌는 것을 알 수 있으며, 충격완화공기공급이 작동한계위치의 4/5에서 이루어지면 피스톤의 속도가 느려지는 것을 알 수 있다.

상기 위치보다 전에 충격완화 공기공급이 이루어질 경우 초고속 밸브구동을 달성하기 힘들어지며, 상기 위치보다 후에 충격완화 공기공급이 이루어질 경우 피스톤(50)이 밸브 피스톤실(20)의 벽에 충돌하는 것을 막기 힘들어진다.

속도제어컴퓨터(60)는 상기 초고속 밸브의 개방 속도를 0.5 초 미만으로 동작할 수 있도록 속도제어밸브(40)를 제어한다. 상기 밸브의 개방 속도는 일반적인 원자력 발전 플랜트에서 사용되는 직경 1 내지 14 인치의 관에 적용되게 된다.

상기 초고속 밸브는 발전 플랜트의 필요한 위치에 복수로 구비될 수 있기 때문에 하나의 속도제어컴퓨터(60)를 통해 상기 초고속 밸브들을 컨트롤 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 속도제어밸브(40)는 병렬로 연결된 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다. 솔레노이드 밸브는 전기 신호에 따라 전류를 공급받으면 전자 코일의 전자력을 사용해 밸브를 개폐시키며, 공압으로 구동되는 밸브보다 속도는 빠르지만, 발전설비의 증기관과 같이, 직경이 큰 관에는 사용하는데 어려움이 있다. 속도제어밸브(40)에 솔레노이드 밸브를 이용하는 이유는 초고속밸브를 제어하기 위해서는 공압으로 작동하는 초고속밸브보다 작동속도가 빠른 솔레노이드 밸브를 사용해야하며, 이를 병렬로 사용함으로써, 고압공기저장소(10)의 공기를 밸브피스톤실(20)에 공급하는 속도를 조절할 수 있다. 즉, 병렬로 연결된 솔레노이드 밸브의 일부를 개폐함으로써, 속도제어컴퓨터(60)가 밸브피스톤실(20)에 공급되는 공기의 압력을 조정할 수 있게 된다.

또한, 상기 초고속 밸브구동용 공압장치는 안전밸브의 작동여부를 시험하기 위해 순간적으로 높은 압력을 안전밸브에 가해야하는 안전밸브 시험장치에 사용될 수 있다.

안전밸브는 내부압력이 최고사용압력에 도달했을 경우, 자동으로 작동해서 내부의 유체를 방출시켜 압력의 상승을 방지하는 밸브를 말한다. 통상적인 상태에서는 발전 플랜트의 내부 압력은 압력 자동제어장치 등에 의해 일정하게 유지되기 때문에 안전밸브가 작동하는 일은 없지만, 자동제어장치의 고장이나 보일러의 과열 등으로 인해 압력이 이상 상승했을 경우 일정 압력 이상으로 압력 상승이 이루어지지 않게 막아주는 밸브로, 발전 시스템에서 사용되는 안전밸브는 설비의 과압을 방지하는 중요한 설비로, 허용된 설정압력 오차범위에서 안전밸브가 정확하게 작동하는 것을 확인하기 위해 주기적으로 시험 및 점검을 시행하고 있다.

상기 안전밸브 시험 시, 복수의 가압 증기관으로 안전밸브가 설치된 시험용기에 압력을 가하게 되는데, 표준시험방법에 따르면, 안전밸브가 열리기 전까지는 소형증기관을 통해 낮은 속도로 압력을 증가시키며, 안전밸브가 열리는 순간 소형 증기관과 병렬로 연결된 대형증기관을 열어 순간적으로 높은 압력을 시험용기에 투입한다. 상기 시험을 정밀하게 수행하기 위해서는 안전밸브가 열리는 순간에 시험용기로 최대한 짧은 시간에 높은 압력을 가해야 하므로, 본 발명의 초고속 밸브가 필요하게 된다.

도3a 내지 도 3b는 본 발명의 초고속 밸브구동용 공압장치의 작동방법을 나타낸 개략도이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 밸브 구동을 위한 고압공기는 통상적인 공압을 공급받아 가압상태로 저장하는 고압공기저장조(10)에 저장되는 단계로 시작된다. 통상적인 작동환경에서는 고압공기저장조(10)는 가압펌프를 이용하여 항상 고압의 공기를 저장하고 속도제어컴퓨터(60)의 밸브 작동을 위해 대기상태에 있게 된다. 도3a와 같이 초고속 밸브구동이 필요한 경우 상기 속도제어컴퓨터(60)가 속도제어밸브(40)를 열고, 고압공기저장조(10)의 가압된 공기가 밸브피스톤실(20)에 전달된다. 이 단계에서 피스톤(50)은 빠른 속도로 작동되기 시작하며 피스톤(50)과 피스톤 로드로 연결된 초고속 밸브가 작동되게 된다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 피스톤(50)이 밸브의 구동한계 위치에 접근하게 되면, 속도제어컴퓨터(60)는 위치센서(70)를 통해 이를 알아내고, 피스톤(50)이 상기 밸브피스톤실(20)의 내벽에 충돌하는 것을 막기 위해, 충격완화공기공급관(80)을 통해 피스톤(50) 후면에 충격완화공기를 공급하고, 이를 통해 피스톤(50)의 작동 속도를 낮추게 된다. 상기 충격완화단계는 피스톤이 작동한계 위치의 4/5부터 작동하는 것이 바람직하다.

이를 통해 본 발명은 기존 밸브 시스템의 1에서 수초에 달하는 밸브개방속도를 14 인치의 대형배관에서도 0.5초 이내로 단축할 수 있으며, 고속으로 작동하는 밸브가 충격을 받는 일 없이, 밸브 작동의 상한을 속도제어컴퓨터(60)와 위치센서를 이용하여 제어하게 된다. 또한, 초고속밸브를 동작시키는 공기압력을 병렬로 연결된 솔레노이드 밸브로 제어함으로써, 필요에 따라 초고속밸브의 개방속도를 조정할 수 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서의 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 고압공기저장조
20 : 밸브피스톤실
30 : 고압공기공급관
40 : 속도제어밸브
50 : 피스톤
60 : 속도제어컴퓨터
70 : 위치센서
80 : 충격완화공기공급관

Claims

초고속 밸브구동용 공압장치에 있어서,
공기를 공급받아 가압상태로 저장하는 고압공기저장조;
초고속밸브를 구동하는 밸브 피스톤실;
일단이 상기 고압공기저장조와 연결되며 타단이 상기 밸브 피스톤실과 연결되어 피스톤을 구동하는 고압공기공급관;
상기 고압공기공급관의 개폐를 결정하는 속도제어밸브;
상기 속도제어밸브를 컨트롤하는 속도제어컴퓨터;
상기 밸브 피스톤실에 설치되어 피스톤의 위치를 측정하는 위치센서; 및
초고속으로 작동하는 피스톤의 정지를 위해 피스톤의 후면에 공기를 공급하여 피스톤의 상한을 제어하도록 구비되는 충격완화 공기공급관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초고속 밸브구동용 공압장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 위치센서의 신호에 따라 상기 속도제어컴퓨터가 상기 충격완화 공기공급관의 밸브를 작동시켜 초고속밸브의 개방속도 및 개방위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 초고속 밸브구동용 공압장치.
삭제
제3항에 있어서,
상기 초고속 밸브 개방 속도는 0.5 초 미만인 것을 특징으로 하는 초고속 밸브구동용 공압장치.
제5항에 있어서,
상기 초고속 밸브의 직경은 1 내지 14 인치인 것을 특징으로 하는 초고속 밸브구동용 공압장치.
제1항에 있어서,
상기 속도제어밸브는 병렬 연결되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 초고속 밸브구동용 공압장치.
제1항에 의한, 상기 초고속 밸브구동용 공압장치를 이용하여 구동되는 원자력발전 시스템의 안전밸브 시험장치.