KR101463433B1 - 증기발생기 배관 파단 모의실험 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력경계가 되는 증기발생기의 배관이 파단됨으로써 일어나는 현상을 모의 실험을 통해 확인할 수 있는 모의실험 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험장치의 일 실시예는, 모의 증기발생기측에 연결되는 제1배관; 상기 제1배관에 연결되는 중간배관; 상기 중간배관에 연결되는 제2배관; 상기 제1배관과 중간배관 사이에 구비되어 차폐하는 제1럽쳐디스크; 상기 중간배관과 제2배관 사이에 구비되어 차폐하는 제2럽쳐디스크;를 포함한다.

Description

증기발생기 배관 파단 모의실험 방법 및 장치{AN APPARATUS AND A METHOD FOR MEASURING THE BLOWDOWN LOAD OF THE STEAM GENERATOR}
본 발명은 압력경계가 되는 증기발생기의 배관이 파단됨으로써 일어나는 현상을 모의 실험을 통해 확인할 수 있는 모의실험 방법 및 장치에 관한 것이다.
원자력 발전소의 핵증기공급계통(Nuclear Steam Supply System)을 구성하고 있는 증기발생기는 원자로에서 공급되는 고온의 1차측 냉각재가 증기발생기 내부의 전열관을 통해 흐르면서 전열관 외부의 2차측 냉각재와의 열교환을 통해 증기를 발생시키는 장치를 말한다.
일반적으로 원자력발전소의 1차계통은 원자로, 증기발생기, 냉각제 순환펌프, 가압기 등으로 구성된다. 여기서, 원자로 내부에는 제어봉 및 연료집합체가 구비되어 있으며, 원자로 내부에서 발생하는 열에너지는 1차측 냉각재를 통해 원자로 외부로 열교환 된다. 상기 1차측 냉각제는 전열관을 통해 증기발생기를 통과하여 순환된다.
여기서 증기발생기 내부에는 상기 1차측 냉각재와 열교환되는 2차측 냉각재가 공급된다. 2차측 냉각재는 고온 고압의 1차측 냉각재와 열교환하여 건증기화된다. 상기 증기발생기에서 생성된 증기는 배관을 통해 터빈측으로 보내어져 발전기를 구동시켜 전기에너지를 생성한다.
따라서, 증기발생기의 배관은 1차측과 2차측의 압력경계를 형성하게 된다. 이러한 압력경계의 배관이 파단되는 경우, 압력경계가 되는 구조물 내부에 감압, 임계유동, 압력파의 전파 등의 열수력현상이 발생할 수 있다. 이러한 현상은 원자력 발전소의 건전성에 큰 영향을 미치기 때문에 사전 분석을 통해 설계시 또는 작동시에 반영하게 된다.
종래의 배관파단 실험은 여러가지가 있었다. 짧은 순간의 배관파단을 모사하기 위한 실험으로 저온관 200% 양단 완전파단 실험인 LOFT(loss of fluid test facility)L1-2실험이 있다. 상기 LOFT L1-2실험에서는 급격한 파단을 모의하기 위해 순간파단밸브(Quick-Opening Blowdown Valve)를 사용하였고, 순간파단밸브는 파단신호 발생 후 10-50ms 내에 필요한 크기의 파단면적으로 열릴 수 있는 밸브에 해당한다.
하지만, 증기발생기의 파단에 의한 취출하중을 평가하기 위해서는 1ms 이내에 파단이 발생하도록 하여야 한다. 이는 증기발생기의 배관 파단에 의한 현상은 매우 짧은 순간(1/1000초)에 발생되기 때문이다.
따라서, 종래의 일반적인 파단실험으로는 매우 짧은 순간에 발생되는 취출하중(blowdown load)에 대해서 매우 제한적인 결과만 보여줄 수 있는 문제점이 있었다.
선행기술 문헌: 일본 공개특허공보 특개2006-097543호
등록특허공보 제10-0909443호
본 발명은 압력경계의 배관이 파단됨으로써 일어나는 현상을 매우 짧은 순간(1/1000초)에 모사하여 열수력 현상을 확인할 수 있는 증기발생기 배관 파단 모의실험장치 및 모의 실험방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험장치의 일 실시예는, 모의 증기발생기측에 연결되는 제1배관; 상기 제1배관에 연결되는 중간배관; 상기 중간배관에 연결되는 제2배관; 상기 제1배관과 중간배관 사이에 구비되어 차폐하는 제1럽쳐디스크; 상기 중간배관과 제2배관 사이에 구비되어 차폐하는 제2럽쳐디스크;를 포함한다.
또한, 상기 제1배관에 구비되는 제1압력센서; 상기 중간배관에 구비되는 제2압력센서;를 더 포함한다.
상기 제1럽쳐디스크와 제2럽쳐디스크는 소정의 압력 이상에서 파열된다.
한편, 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험방법의 일 실시예는, 상기 제1럽쳐디스크와 제2럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관 또는 상기 중간배관과 제2배관사이의 압력차를 지탱할 수 있는 제1단계; 상기 중간배관의 압력을 증가시켜 상기 제2럽쳐디스크가 상기 중간배관과 제1배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제2단계; 상기 제2럽쳐디스크의 파단에 의한 중간배관의 압력강하에 의해 상기 제1럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제3단계; 상기 제1압력센서와 제2압력센서의 압력변화를 측정하는 제4단계;를 포함한다.
상기 제1단계에서 상기 제1배관의 압력은 70bar, 상기 중간배관의 압력은 30bar, 상기 제2배관의 압력은 0bar 또는 대기압(1bar)으로 설정하고, 상기 제1럽쳐디스크 및 제2럽쳐디스크는 40bar가 초과되면 파열되며, 상기 제2단계에서 상기 중간배관의 압력을 40bar 이상으로 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계에서 상기 제1배관에는 증기발생기에 공급되는 2차측 냉각재가, 상기 중간배관에는 질소가스가 공급된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명은 짧은 시간(1/1000초)내에 발생하는 파단을 모의하여 증기발생기 내부 열수력현상인 유동 및 압력변화 등을 측정할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험장치의 일 실시예의 개략도.
도 2는 초기 설정시의 모의 실험 배관상태를 보여주는 개략도.
도 3은 중간배관의 가압에 의해 제2럽쳐디스크가 파열된 상태를 보여주는 개략도.
도 4는 도 3의 제2럽쳐디스크의 파단에 의해 제1럽쳐디스크가 파단된 상태를 보여주는 개략도.
도 5는 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험방법의 일 실시예의 흐름도.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험장치의 일 실시예의 개략도를 보여준다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험장치의 일 실시예는, 모의실험용 증기발생기(10)와, 상기 모의 증기발생기측에 연결되는 제1배관(20), 상기 제1배관에 연결되는 중간배관(30), 상기 중간배관에 연결되는 제2배관(40), 상기 제1배관과 중간배관 사이에 구비되어 차폐하는 제1럽쳐디스크(51) 및 상기 중간배관과 제2배관 사이에 구비되어 차폐하는 제2럽쳐디스크(52)를 포함하여 구성된다.
상기 모의실험용 증기발생기(10)는 실험을 위해 실제 증기발생기와 유사한 환경을 가지도록 형성된 장치를 말한다. 이러한 장치로 예를 들어 ATLAS 종합실험장치가 사용될 수 있다.
상기 제1배관(20)은 상기 모의 증기발생기측에 연결되어 있다. 따라서, 상기 제1배관에는 증기발생기의 내부압력과 같은 압력을 가지는 유체가 흐르게 된다. 이러한 유체로 원자력 발전의 2차측 냉각재가 있을 수 있다.
상기 중간배관(30)은 상기 제1배관(20)에 연결된다. 하지만 상기 중간배관과 제1배관 사이에는 제1럽쳐디스크(51)가 구비되어, 양 배관 사이를 차폐하고 있다. 상기 제1럽쳐디스크(51)는 특정 압력에 도달하면 파열되도록 설계된다. 상기 중간배관(30)의 내부에는 본 실험에서 질소가스가 채워져 있으며, 질소가스의 압력을 조절가능하다.
상기 제2배관(40)은 상기 중간배관(30)에 연결된다. 하지만, 상기 제2배관과 중간배관 사이에는 제2럽쳐디스크(52)가 구비되어, 양 배관 사이를 차폐하고 있다. 상기 제2럽쳐디스크(52)도 상기 제1럽쳐디스크(52)와 같이 특정 압력에 도달하면 파열되도록 설계된다.
한편, 상기 제1배관(20)에는 제1압력센서(61)가 구비되고, 상기 중간배관(30)에는 제2압력센서(62)가 구비되어, 제1배관 및 중간배관의 압력변화를 각각 측정가능하다.
도 5에는 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험방법의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 5를 참고하면, 본 발명의 증기발생기 배관 파단 모의실험방법의 일 실시예는, 상기 제1럽쳐디스크와 제2럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관 또는 상기 중간배관과 제2배관사이의 압력차이를 지탱할 수 있는 제1단계(S100), 상기 중간배관의 압력을 증가시켜 상기 제2럽쳐디스크가 상기 중간배관과 제2배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제2단계(S200), 상기 제2럽쳐디스크의 파단에 의한 중간배관의 압력강하에 의해 상기 제1럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제3단계(S300), 상기 제1압력센서와 제2압력센서의 압력변화를 측정하는 제4단계(S400)를 포함한다.
상기 제1단계(S100)는 실험을 위한 초기 설정단계를 말한다. 그에 따라 전술한 모의 실험장치를 설치하고, 각각의 배관들의 내부압력을 조절한다. 본 실험에서, 상기 제1배관의 압력은 70bar, 상기 중간배관의 압력은 30bar, 상기 제2배관의 압력은 0bar 또는 대기압(1bar)으로 설정한다. 또한, 상기 제1럽쳐디스크 및 제2럽쳐디스크는 40bar가 초과되면 파열되도록 설정된다. 상기 제1배관에는 증기발생기에 공급되는 2차측 냉각재가, 상기 중간배관에는 질소가스가 충전되어 있다.
도 2는 이러한 제1단계(S100)에서의 배관상태를 보여준다. 도 2를 참고하면, 제1배관 내부지점(A)의 압력이 70bar이고, 중간배관 내부지점(B)의 압력이 30bar이기 때문에 제1럽쳐디스크는 A지점과 B지점의 압력차이를 지탱할 수 있다. 또한, 제2배관의 내부지점(C)의 압력이 0~1bar 이기 때문에 제2럽쳐디스크도 B지점과 C지점의 압력차이를 지탱할 수 있다.
상기 제2단계(S200)는 중간배관의 압력을 증가시켜 상기 제2럽쳐디스크가 상기 중간배관과 제2배관의 압력차에 의해 파단시키는 단계를 말한다. 상기 제2단계에서 상기 중간배관의 압력을 40bar이상으로 증가시키게 된다.
도 3은 이러한 제2단계에서의 배관상태를 보여준다. 도 3을 참고하면, 상기 중간배관 내부지점(B)의 압력이 40bar가 초과되고, 제2배관의 내부지점(C)의 압력이 0~1bar 이기 때문에 제2럽쳐디스크(52)의 허용한계를 초과하게 되어 제2럽쳐디스크에 파단(D)이 발생하게 된다. 그에 따라 중간배관 내부의 질소가스가 급격하게 제2배관으로 유출되며 중간배관 내부지점(B)의 압력이 급격하게 강하된다.
상기 제3단계(S300)에서는 상기 제2럽쳐디스크의 파단에 의한 중간배관의 압력강하에 의해 상기 제1럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관의 압력차에 의해 파단되는 단계를 말한다.
도 4는 이러한 제3단계에서의 배관상태를 보여준다. 도 4를 참고하면, 중간배관 내부의 질소가스가 급격하게 제2배관으로 유출되며 중간배관 내부지점(B)의 압력이 급격하게 강하되고, 이러한 압력강하가 구동력이 되어 상기 제1배관 내부지점(A)과 중간배관 내부지점(B)의 압력차가 급격하게 증가하게 된다. 이러한 압력차이의 증가는 제1럽쳐디스크(51)의 허용한계를 초과하게 되고, 제1럽쳐디스크에는 파단(E)이 발생하게 된다. 그에 따라 제1배관 내부의 유체는 급격하게 중간배관측으로 유출되고 제1배관 내부지점(A)에서의 압력이 급격하게 변하는 등의 열수력 현상이 발생된다.
여기서, 상기 제2단계와 제3단계는 제1럽쳐디스크의 파단이 발생한 후 매우 짧은 순간에 이루어진다. 즉, 본 발명의 목적과 같이 1ms 범위에서 순간적으로 발생하게 된다. 그에 따라 실제 증기발생기에서 발생되는 배관 파단과 흡사한 환경이 형성될 수 있다.
상기 제4단계(S400)에서는 상기 제1압력센서(61)와 제2압력센서(62)에 의해 제1배관측과 중간배관측의 압력변화를 측정하게 된다.
상기 실험에 의해 나타나는 현상은 다음과 같다.
첫째, 노즐을 통하여 분출되는 유량이 임계유량 이상으로 분출되지 못하는 현상이 발생하였다.
둘째, 대형파단사고시 짧은 순간에 열역학적으로 비평형인 상태가 발생하며, 이때 유체온도의 포화압력보다 훨씬 낮은 압력으로 내려가는 현상이 발생하였다. 이 현상은 내부구조물의 차압을 크게하는 요인이 되므로 취출하중의 계산에 중요한 현상이 된다.
셋째, 파단부위의 급격한 압력변화는 과냉각수로 채워진 노즐에서 감압파로 양방향으로 음속의 속도로 전파되는데, 배관 내에서는 거의 감쇄가 되지 않고 전파되어 주급수통과 같은 구조물에 충격을 준다.
넷째, 노즐의 감압파는 강수관의 노즐부위나 주급수통의 벽면으로부터 반사되는데, 만약 이 급수통부분이 플렉시블(flexible)하다면 충격파를 흡수하고 나머지를 반사하게 된다.
이상 첨부도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 그러한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되고 후술하는 특허청구범위에 기재된 사항에 의하여 결정된다. 그리고 특허청구범위에 기재되어 있는 발명의 당업자에게 자명한 개량, 변경, 수정 등도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.
10 : 모의 증기발생기 20 : 제1배관
30 : 중간배관 40 : 제2배관
51 : 제1럽쳐디스크 52 : 제2럽쳐디스크
61 : 제1압력센서 62 : 제2압력센서

Claims (6)

  1. 모의 증기발생기측에 연결되는 제1배관;
    상기 제1배관에 연결되는 중간배관;
    상기 중간배관에 연결되는 제2배관;
    상기 제1배관과 중간배관 사이에 구비되어 차폐하는 제1럽쳐디스크;
    상기 중간배관과 제2배관 사이에 구비되어 차폐하는 제2럽쳐디스크;를 포함하되,
    상기 제1배관의 압력이 가장 높게, 상기 제2배관의 압력이 가장 낮게, 그리고 상기 중간배관의 압력은 상기 제1배관의 압력과 상기 제2배관의 압력 사이가 되도록 설정되며,
    상기 제1럽쳐디스크와 제2럽쳐디스크는 소정의 압력 이상에서 파열되되, 상기 중간배관의 압력을 증가시켜 상기 제2럽쳐디스크가 먼저 파단되고, 그런 다음 상기 제1럽쳐디스크가 파단되는 것을 특징으로 하는 증기발생기 배관 파단 모의실험장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1배관에 구비되는 제1압력센서;
    상기 중간배관에 구비되는 제2압력센서;를 더 포함하는,
    증기발생기 배관 파단 모의실험장치.
  4. 제3항의 모의실험장치에서 수행되는 증기발생기 배관 파단 모의 실험방법에 있어서,
    상기 제1럽쳐디스크와 제2럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관 또는 상기 중간배관과 제2배관 사이의 압력차를 지탱할 수 있는 제1단계;
    상기 중간배관의 압력을 증가시켜 상기 제2럽쳐디스크가 상기 중간배관과 제2배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제2단계;
    상기 제2럽쳐디스크의 파단에 의한 중간배관의 압력강하에 의해 상기 제1럽쳐디스크가 상기 제1배관과 중간배관의 압력차에 의해 파단될 수 있도록 하는 제3단계;
    상기 제1압력센서와 제2압력센서의 압력변화를 측정하는 제4단계;를 포함하는, 증기발생기 배관 파단 모의 실험방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1단계에서 상기 제1배관의 압력은 70bar, 상기 중간배관의 압력은 30bar, 상기 제2배관의 압력은 0bar 또는 대기압(1bar)으로 설정하고, 상기 제1럽쳐디스크 및 제2럽쳐디스크는 40bar가 초과되면 파열되며,
    상기 제2단계에서 상기 중간배관의 압력을 40bar 이상으로 증가시키는 것을 특징으로 하는, 증기발생기 배관 파단 모의 실험방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1단계에서 상기 제1배관에는 증기발생기에 공급되는 2차측 냉각재가,
    상기 중간배관에는 질소가스가 공급된 것을 특징으로 하는,
    증기발생기 배관 파단 모의 실험방법.
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