KR101554459B1 - 대기중 기기의 가용도 향상 방법 - Google Patents

대기중 기기의 가용도 향상 방법 Download PDF

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KR101554459B1 KR1020140058759A KR20140058759A KR101554459B1 KR 101554459 B1 KR101554459 B1 KR 101554459B1 KR 1020140058759 A KR1020140058759 A KR 1020140058759A KR 20140058759 A KR20140058759 A KR 20140058759A KR 101554459 B1 KR101554459 B1 KR 101554459B1
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신성민
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 부가적인 안전장치의 추가 없이 원자력발전소에 설치된 대기중 기기의 불가용도를 감소시킴으로써 원자력발전소가 위험상황에 처하게 되었을 때 사고 피해를 완화하기 위한 대기중 기기의 가용도 향상방법에 관한 것이다.

Description

대기중 기기의 가용도 향상 방법{Method for Availability Improvement of Standby Equipment}
본 발명의 실시예는 원자력발전소의 대기중 기기에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
원자력발전소(Nuclear Power Plant, NPP)에는 많은 개수의 대기중 기기(Standby Equipment)가 설치된다. 대기중 기기를 설치하는 주된 목적은 원자력발전소가 위험상황에 처하게 되었을 때 사고 피해를 완화하기 위한 것이다. 원자력발전소의 정상 가동 상황에서는 이러한 대기중 기기를 작동시킬 필요가 없다. 대기중 기기는 필요한 순간 의도된 기능이 수행되는 것을 보장하기 위해 양호한 상태가 항상 유지되어야 한다. 그러나, 작동중이 아닌(Non-operating) 대기중 기기는 검출이 가능한 진단 정보를 제공하지 않기 때문에 대기중 기기의 양호한 상태를 보장하는 것은 쉽지 않다. 현재까지는 이와 같은 문제에 대한 해결책으로 주기적 테스트(Test) 방법이 유일하다.
대기중 기기가 설치된 시스템에 대한 몇몇 분석에 의하면, 대기 상태에 있다가 기계적으로 움직이도록 되어 있는 특정 기기에 전체 시스템의 신뢰도가 의존하는 경향이 있다고 한다. 이러한 과정은 시동(Startup)이라 불리는데, 이러한 양상이 수동 시스템(Passive System)에서 현저하지만, 수동 시스템의 형태에 국한되는 것은 아니고 일부의 능동 시스템(Active System)에서도 유사한 양상을 나타낸다. 이러한 문제는 다중 중복 설계(Multiple-Redundancy Design)에 의해 어느 정도 해결 가능하지만 공통원인 고장(Common Cause Failure) 때문에 한계를 갖게 된다.
가동중이거나 건설중인 가압형 원자력발전소(Pressurized Nuclear Plant)의 노심 파손 빈도(Core Damage Frequency, CDF)는 대략 연간 10-5 내지 10-6 정도이다. 신규 원자력발전소 설계에 있어서의 노심 파손 빈도의 목표치는 10-7로 정해져 왔다. 이와 관련해서, 다양한 시스템이 현재 연구되고 있지만 안전 시스템의 부가적인 적용보다 대기중 기기의 가용도(Avaliability) 향상이 관리 및 비용 등 여러 측면에서 더욱 효과적일 것이다.
대기중 기기의 건전성(Soundness)은 기기의 불가용도(Unavailability)에 영향을 줄 수 있고, 건전성은 시간이 지남(Aging, 이하 "노화"라 칭함)에 따라 저하된다. 그러나, 일부 연구들은 불가용도를 계산함에 있어서 노화를 고려하지 않고 있다. 대기중 기기는 다음의 두 가지 요인에 의해 노화될 수 있다. 하나는 시간 경과에 의해 축적되는 스탠바이 스트레스(Standby Stress)이고, 다른 하나는 테스트 횟수(또는 작동 횟수)에 따라 축적되는 테스트 스트레스(Test Stress)이다. 위의 두 가지 요인은 노화가 감안될 경우에는 함께 고려되어야 한다. 그러나, 어떤 연구들은 스탠바이 스트레스만을 고려하거나 또는 테스트 스트레스만을 고려하고 있다("Age-Dependent Models for Evaluating Risks & Costs of Surveillance & Maintenance of Components", Sebastian Martorell et al.,IEEE TRANSACTIONS ON RELIABILITY, VOL. 45, NO. 3, 1996 SEPTEMBER, p.433-442 참조). 물론, 위의 두 가지 요인을 함께 고려한 이전의 연구도 몇몇 존재한다("Risk analysis of surveillance requirements including their adverse effects", I.S.Kim et al., Elsevier, Reliability Engineering and System Safety 45 (1994), p.225-234 참조). 노화의 영향에 연관된 대기중 기기의 건전성 외에 기기의 테스트 때 행해지는 바이패스(Bypass)와 같은 절차(Process) 또한 기기의 불가용도에 영향을 줄 수 있다. 왜냐하면, 기기의 본래 기능이 이 과정에서 즉시 수행될 수 없기 때문이다. 그러나, 위의 요인들을 종합적으로 다룬 연구는 거의 없다.
본 발명의 실시예는, 부가적인 안전장치의 추가 없이 원자력발전소에 설치된 대기중 기기의 불가용도를 감소시킴으로써 원자력발전소가 위험상황에 처하게 되었을 때 사고 피해를 완화하기 위한 대기중 기기의 가용도 향상방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 원자력발전소에 설치된 밸브 및 펌프 중 적어도 하나를 포함하는 대기중 기기(Standby Equipmemt)의 불가용도(Unavailability)를 감소시키기 위한 대기중 기기의 불가용도 감소방법에 있어서, 상기 대기중 기기를 직접 작동시키지 않고, 센서를 포함하는 외부 장치를 사용하여 상기 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 온라인 모니터링 과정; 상기 온라인 모니터링 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 비정상일 경우, 바이패스(Bypass)를 포함하는 분리(Isolation)작업에 의해 상기 대기중 기기를 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정; 상기 대기중 기기가 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리된 상태에서 상기 대기중 기기를 작동시킴으로써 상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정; 및 상기 테스트 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 고장일 경우, 상기 대기중 기기의 수리 및 교체 중 적어도 하나를 포함하는 메인터넌스(Maintenance)를 수행하도록 안내하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 제공한다.
상기 불가용도(qf)는,
Figure 112014045987349-pat00001
(n은 테스트 횟수, t는 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간, ρ0는 잔존 고장 확률(Residual Failure Probability), p1은 테스트 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), λ0는 잔존 고장률(Residual Failure Rate), p2는 스탠바이 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor),α는 시간에만 연계된 노화 지수(Aging Factor), tn은 대기중 기기의 설치 후 n번째 테스트 완료시점까지 경과된 시간, Com은 상기 온라인 모니터링의 결함검출률, Tom은 상기 온라인 모니터링의 모니터링 간격을 의미)
의 식에 의해 정해지고, 상기 테스트 스트레스는 상기 대기중 기기에 수행되는 테스트에 의해 상기 대기중 기기에 축적되는 스트레스를 의미하고, 상기 스탠바이 스트레스는 상기 대기중 기기의 설치 후 경과된 시간에 의해 상기 대기중 기기에 축적되는 스트레스인 것을 특징으로 한다.
상기 온라인 모니터링 과정은, 기설정된 확인주기마다 상기 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 것을 특징으로 한다.
상기 확인주기는, 상기 대기중 기기의 결함을 상기 온라인 모니터링에 의해 발견하지 못함으로 인해 유발되는 불확실성을 감소시킬 만큼 짧은 것을 특징으로 한다.
상기 온라인 모니터링 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 정상일 경우, 상기 온라인 모니터링 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 기기의 설치 후 테스트 횟수 및 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간을 포함하는 기기정보를 저장하여 데이터 베이스를 구축하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 불가용도는, 상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 고장난 부품을 교체하기 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수 및 상기 고장난 부품을 교체하기 이전에 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간에 의한 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스에 의한 불가용도를 제외하는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 대기중 기기의 고장확률(Failure Probability, ρ)이
Figure 112014045987349-pat00002
(n은 테스트 횟수, ρ0는 잔존 고장 확률(Residual Failure Probability), p1은 테스트 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), nf는 상기 대기중 기기의 고장 발생 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수, n0는 설치 직후의 테스트 횟수, nT -r는 테스트 스트레스에만 관련된 교체된 기기의 예상 고장 횟수, nT는 테스트 스트레스에만 관련된 예상 고장 횟수를 의미)
식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 대기중 기기의 고장률(Failure Rate, λ)이
Figure 112014045987349-pat00003
(n은 테스트 횟수, t는 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간, λ0는 잔존 고장률(Residual Failure Rate), p2는 스탠바이 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), α는 시간에만 연계된 노화 지수(Aging Factor), tn은 대기중 기기의 설치 후 n번째 테스트 완료시점까지 경과된 시간, nf는 상기 대기중 기기의 고장 발생 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수, tf는 상기 대기중 기기의 설치 이후 고장 발생시까지 경과된 시간, t0는 상기 대기중 기기의 설치 직후의 경과 시간, nTS는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 예상 고장 횟수, nTS -r는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 교체된 기기의 예상 고장 횟수를 의미)
식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 기기를 테스트하는 테스트 간격을 변경하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 간격을 변경하는 과정은, 상기 기기정보를 근거로 상기 테스트 간격의 최적값을 결정하는 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 간격은, 상기 원자력발전소의 수명 중 초기의 테스트 간격이 상기 원자력발전소의 수명 중 말기의 테스트 간격보다 긴 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 간격의 감소율(rd)은,
Figure 112014045987349-pat00004
(Tn +1은 n+1번째 테스트 간격, Tn은 n번째 테스트 간격을 의미)
의 식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기 테스트 간격의 감소율은, 상기 테스트 횟수 및 상기 경과시간을 파라미터(Parameter)로 하는 함수에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기 온라인 모니터링 과정은, 스탠바이 스트레스에 의해서 상기 대기중 기기에 발생하는 고장만을 검출하는 것을 특징으로 한다.
상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정은, 상기 대기중 기기에 흐르는 전류의 주파수 성분을 분석하여 상기 대기중 기기의 전기적 또는 기계적 고장을 탐지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예의 다른 측면에 의하면, 원자력발전소에 설치된 밸브 및 펌프 중 적어도 하나를 포함하는 대기중 기기(Standby Equipmemt)의 불가용도(Unavailability)를 감소시키기 위한 대기중 기기의 불가용도 감소방법에 있어서, 상기 대기중 기기의 설치 후 테스트 횟수 및 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간을 포함하는 기기정보를 근거로 상기 대기중 기기의 테스트 간격을 결정하는 과정; 상기 테스트 간격에 따라 바이패스(Bypass)를 포함하는 분리(Isolation)작업에 의해 상기 대기중 기기를 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정; 상기 대기중 기기가 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리된 상태에서 상기 대기중 기기를 작동시킴으로써 상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정; 및 상기 테스트 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 고장일 경우, 상기 대기중 기기의 수리 및 교체 중 적어도 하나를 포함하는 메인터넌스(Maintenance)를 수행하도록 안내하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 원자력발전소에 설치된 밸브 및 펌프 중 적어도 하나를 포함하는 대기중 기기(Standby Equipmemt)의 불가용도(Unavailability)를 감소시키기 위한 대기중 기기의 불가용도 감소방법에 있어서, 상기 대기중 기기의 설치 후 테스트 횟수 및 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간을 포함하는 기기정보를 근거로 상기 대기중 기기의 테스트 간격을 결정하는 과정; 상기 대기중 기기를 직접 작동시키지 않고, 센서를 포함하는 외부기기를 사용하여 상기 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 온라인 모니터링 과정; 상기 온라인 모니터링 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 비정상일 경우, 바이패스(Bypass)를 포함하는 분리(Isolation)작업에 의해 상기 대기중 기기를 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정; 상기 온라인 모니터링 결과에 관계없이, 상기 테스트 간격에 따라 상기 대기중 기기를 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정; 및 상기 대기중 기기가 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리된 상태에서 상기 대기중 기기를 작동시킴으로써 상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 원자력발전소가 위험상황에 처하게 되었을 때 사고 피해를 완화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 대기중 기기를 작동시키지 않은 상태에서 대기중 기기의 결함을 감지함으로써 대기중 기기의 노화(Aging)을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 대기중 기기의 가용도를 향상시키기 위해서 별도의 안전 시스템을 추가하지 않기 때문에 관리 및 비용 측면에서 장점이 있다.
도 1은 테스트 간격과 특정 시점과의 상관관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 시간 경과에 따른 대기중 기기의 불가용도의 변화를 나타낸 도면이다.
도 3은 고정된 테스트 간격에 따른 대기중 기기의 60년 동안의 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 원자력발전소의 수명의 처음과 끝에서의 모터구동밸브(MOV)의 불가용 도를 나타낸 도면이다.
도 5는 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd)에 따른 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 온라인 모니터링 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 대기중 기기가 고정된 간격으로 테스트될 때 온라인 모니터링 방법에 의한 결함검출률(Com)의 수치에 따른 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 테스트간격 변경법과 온라인 모니터링 방법을 결합한 방법의 순서도이다.
도 9는 결함검출률(Com)이 0.4인 경우, 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd)에 따른 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 대기중 기기의 고장 발생 후 대기중 기기의 일부 부품을 교체한 경우를 가정하여 잔여 수명(30년)에 대하여 다시 계산된 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
확률론적 안전성 평가(Probabilistic Safety Assessment, PSA)에 의하면, 주기적으로 테스트(Test) 또는 작동되는 대기중 기기(Standby Equipment)의 불가용도(Unavailability)는 대기중 기기의 고장(Failure) 발생이 지수 분포(Exponential Distribution)를 따른다고 가정할 때 수학식 1과 같이 표현된다. 여기서, qave는 대기중 기기의 평균 불가용도이며, q(t)는 대기중 기기의 불가용도이고, λ는 대기중 기기의 고장률(Failure Rate)이며, T는 테스트 간격(Test Interval)이다.
Figure 112014045987349-pat00005
그러나, 수학식 1은 다음의 두 가지 이유로 인해 실제 상황을 반영하기에 충분하지 않다. 첫째, 반복된 테스트 및 설치 후 경과 시간에 따른 대기중 기기의 노화(Aging)에 의한 효과를 반영할 방법이 없다. 만약, 대기중 기기에 고장이 없다면 대기중 기기의 불가용도는 단순하게 0(Zero)으로 리셋(Reset)되며, 이를 신뢰도 갱신(Reliability Renewal)이라 한다. 둘째, 대기중 기기의 고장만이 대기중 기기의 불가용에 대한 유일한 원인이 아니다. 전술한 바와 같이, 테스트 지속시간(Test Duration) 또한 대기중 기기의 불가용을 초래한다.
본 발명의 각 실시예에 의한 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명함에 있어서, 테스트란 전행정 작동감시(Full-stroke Operational Surveillance)를 의미하며, 이는 대기중 기기의 노화를 초래한다. 대기중 기기에 고장이 없더라도 대기중 기기의 실제 상태는 스트레스(Stress)에 의해 변화될 수 있다. 여기서 스트레스란 "물체에 가해지는 물리적 힘"을 의미하는 용어이다. 한번 테스트되거나 작동된 대기중 기기와 여러 차례 테스트되거나 작동된 대기중 기기의 상태에는 차이가 있으며, 이와 같은 차이를 테스트 스트레스(Test Stress)라 칭한다. 또한, 최근에 설치된 대기중 기기와 1년 전에 설치된 대기중 기기의 상태는 서로 차이가 나며, 이러한 차이는 스탠바이 스트레스(Standby Stress)라 칭하는 다른 개념의 스트레스에 기인한다. 따라서, 대기중 기기의 고장에 의해 발생하는 불가용도는 대기중 기기에 대한 테스트 및 대기중 기기의 설치 이후 경과된 시간의 함수가 되어야 한다. 위의 두 가지 스트레스가 모두 고려된 고장에 의한 대기중 기기의 불가용도(qf)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 여기서, n은 테스트 횟수이고, t는 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간이고, ρ(n)은 테스트 스트레스에 의해 영향을 받는 고장에 관련된 고장 확률(Failure Probability)이고, λ(n,t)는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스에 의해 영향을 받는 고장에 관련된 고장률(Failure Rate)이다. 또한, Tn은 테스트 간격(즉, n번째 테스트와 그 다음 테스트 사이의 대기시간)이며, tn은 대기중 기기의 설치 후 n번째 테스트 완료시점까지 경과된 시간으로 수학식 3에 의해 정해진다.
Figure 112014045987349-pat00006
Figure 112014045987349-pat00007
수학식 4 및 수학식 5에서 알 수 있듯이 테스트 스트레스는 고장확률(ρ)과 고장률(λ) 모두에 영향을 주며, 스탠바이 스트레스는 고장률(λ)에만 영향을 준다. 여기서, ρ0는 잔존 고장 확률(Residual Failure Probability)이고, p1은 테스트 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor)이며, λ0는 잔존 고장률(Residual Failure Rate)이고, p2는 스탠바이 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor)이다. 또한, α는 시간에만 연계된 노화 지수(Aging Factor)이며, Tt는 테스트 지속시간(Test Duration)이다. 도 1은 테스트 간격과 특정 시점과의 상관관계를 나타낸다.
Figure 112014045987349-pat00008
Figure 112014045987349-pat00009
수학식 4와 수학식 5를 수학식 2에 대입하면, n번의 테스트 후 다음 테스트 이전에 대기중 기기에 발생하는 고장으로 인한 대기중 기기의 불가용도(qf)를 수학식 6에 의해 얻을 수 있다.
Figure 112014045987349-pat00010
원자력발전소를 분해검사(Over Haul)하는 경우를 제외하곤 대기중 기기는 즉시 작동 가능하여야 한다. 그러나, 대기중 기기의 테스트 중에는 대기중 기기의 본래 기능이 즉시 수행될 수 없다. 왜냐하면, 바이패스(Bypass)와 같은 분리(Isolation) 절차가 행해지기 때문이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 바이패스란 주배관(120)에 설치되어 있는 메인밸브(Main Valve, 112)의 점검, 수리 또는 교체 등을 위하여 주배관(120)을 경유하는 배관의 흐름을 바이패스 배관(122)을 경유하도록 변경함으로써 메인밸브(112)가 포함된 시스템(미도시)의 가동을 중단하지 않은 채로 메인밸브(112)를 시스템의 운전영역으로부터 분리하는 것을 의미한다. 이때, 바이패스는 게이트밸브(116,118)를 닫고 바이패스 밸브(114)를 여는 동작에 의해 이루어지는 것이 일반적이나 이에 한정되는 것은 아니며, 바이패스는 잘 알려진 기술이므로 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 분리 절차는 원자력발전소의 불필요한 사고를 방지하기 위해 필수적이다. 그렇게 하지 않으면, 테스트가 예기치 않은 사고로 이어질 수도 있기 때문이다. 따라서, 이러한 분리 절차에 의해 발생하는 대기중 기기의 불가용 시간(Unavailable Time)은 불가피하다. 대기중 기기의 전체 불가용도에 있어서 분리 절차의 지속 시간이 미치는 영향은 테스트 지속시간과 테스트 간격의 상대적 크기에 따라 차이가 난다. 그러나, 이러한 차이에 관계없이 테스트 지속시간(Tt)은 일반화를 위해 불가용도 방정식에 반영되어야 한다. 본 발명에 의한 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명함에 있어서, 테스트 지속시간(Tt)에 의한 대기중 기기의 불가용도(qt)는 수학식 7과 같이 단순하게 "1"로 정의하기로 한다. 이는, 바이패스 도중에는 본래 의도된 목적으로 대기중 기기가 전혀 작동될 수 없음을 의미한다.
Figure 112014045987349-pat00011
도 2는 시간 경과에 따른 대기중 기기의 불가용도의 변화를 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, y축은 주기적으로 테스트되는 대기중 기기의 불가용도를 나타내고, 면적(a,b 및 c)은 대기중 기기의 불가용 시간을 나타낸다. 여기서, 면적 a는 테스트 지속시간(Tt)에 의해 유발되는 불가용 시간이고, 면적 b는 테스트 스트레스에 의한 고장에 의해 유발되는 불가용 시간이며, 면적 c는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 의한 고장에 의해 유발되는 불가용 시간을 나타낸다. 서로 다른 테스트 플랜의 유효성을 비교하기 위해, 불가용 시간의 합(도 2의 면적, a,b 및 c)을 총 기대 수명으로 나눔에 의해 대기중 기기의 평균 불가용도(qave)를 계산하였다. 여기서, 테스트 플랜이란 대기중 기기의 수명 동안의 테스트 횟수(또는 테스트 간격)를 말한다.
수학식 8에 나타낸 바와 같이, 각 테스트 사이에 고장에 의해 야기되는 불가용 시간(Qf)은 불가용도(qf)를 각 대기 차례(Standby Turn)마다 시간에 따라 적분함으로써 계산할 수 있다.
Figure 112014045987349-pat00012
수학식 9에 나타낸 바와 같이, 테스트 지속시간(Tt)에 의해 야기되는 불가용 시간(Qt)은 테스트 지속시간(Tt)에 간단히 "1"을 곱함으로써 계산할 수 있다. 왜냐하면, 테스트 지속시간(Tt)에 의해 야기되는 불가용도는 전술한 바와 같이 "1"로 가정했기 때문이다.
Figure 112014045987349-pat00013
최종 안전성 분석 보고서(Final Safety Analysis Report, 이하 "FSAR"이라 칭함)에는 대기 상태에 있는 펌프 및 밸브에 대한 규정이 있다. 정상 참작이 가능한 경감사유(Extenuating Circumstances)가 존재하지 않는 한 전행정 작동테스트(Full-stroke Operational Test)가 3개월마다 수행되어야 한다. 위의 규정으로부터 두 가지 중요한 사실을 알 수 있다. 첫째, 대기중 기기는 고정된 간격으로 테스트되며, 둘째, 대기중 기기는 테스트를 위해 전행정(Full-stroke)으로 작동된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명함에 있어서, 위에서 도출된 각 수학식에 근거하여, 각기 다른 고정된 테스트 간격에 대하여 대기중 기기의 평균 불가용도(qave)를 고찰하기 위해, 대기중 기기의 일례로 모터구동밸브(Motor Operated Valve, 이하 "MOV"라 칭함)를 선택하였으며, 표 1에 나열된 파라미터(Parameter)들이 사용되었다.
파라미터 값
ρ0 1.82E-3
p1 0.073
λ0 5.83E-6(/h)
p2 0.021
α 1E-6(/h/y)
Tt 0.75(h)
ttotal 60(y)
도 3은 고정된 테스트 간격에 따른 대기중 기기의 60년 동안의 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다. FSAR의 규정대로 MOV가 90일에 한번 테스트될 때, 평균 불가용도(qave)는 0.1049이다. 그런데, 이 수치는 도 3에 도시된 수치 가운데 최소값이 아니다. 평균 불가용도(qave)의 최소값인 0.0862는 45일의 간격으로 테스트했을 때 얻을 수 있었다. MOV가 더 자주 테스트될 경우에 평균 불가용도(qave)는 테스트 지속시간(Tt)뿐만 아니라 테스트 스트레스에 의해 증가되었다. 왜냐하면, MOV의 테스트 지속시간(Tt)인 0.75시간은 테스트 간격에 비해서 여전히 상대적으로 짧기 때문이다. 반면, MOV가 더욱 산발적으로(Sporadically) 테스트될 경우 평균 불가용도(qave)가 증가하는 이유는 주로 스탠바이 스트레스로부터 기인한다.
도 4는 원자력발전소의 수명의 처음과 끝에서의 MOV의 불가용 시간을 나타낸 도면이다. 여기서, 테스트 간격은 고정된 간격으로 45일이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 원자력발전소의 수명의 마지막 근처에서는 불가용 시간을 나타내는 면적이 처음에 비하여 상당히 증가한다. 왜냐하면, 고장확률(ρ)과 고장률(λ)이 테스트 이후에 크게 남아 이어지기 때문이다. 마지막 근처의 조건 하에서는 테스트가 더욱 자주 수행된다면 총 불가용 시간이 감소될 수 있으며, 이것이 본 발명의 일 실시예에 따른 대기중 기기의 불가용도 감소방법 중 하나인 "테스트 간격 변경법(Changing test Interval Method, CIM, 이하 "CIM"이라 칭함)"의 기본 개념이다.
CIM에 의하면, 처음에는 테스트를 자주 수행하지 않다가 마지막이 가까워질수록 테스트를 더욱 자주 수행하게 되면 대기중 기기의 총 불가용 시간을 줄일 수 있다. 이와 같은 방법의 효과를 평가하기 위해서, 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd)과 같은 두 개의 변수를 채택한다. 표 1에 열거된 특성을 갖는 MOV에 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd)에 의해 정해지는 다양한 조건이 적용되고, 각 조건에 대한 평균 불가용도(qave)가 계산된다. 초기 테스트 간격(T0)은 10일부터 360일까지로 정해진다. 감소율(rd)은 수학식 10에 표현된 것과 같이 이전의 테스트 간격에 비례하여 정해지며 98%~100.2%의 값을 갖는다. 그러나, 테스트 간격이 12시간보다 짧을 경우에는 계산의 편의를 위하여 테스트 간격이 12시간으로 정해진다.
Figure 112014045987349-pat00014
또한, 감소율(rd)은 원자력발전소의 수명기간 전체에 대하여 일정한 값을 갖지 않고, 테스트의 횟수(n) 및 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간(t)을 파라미터로 하는 함수(rd(n,t))에 의하여 정해질 수 있다.
도 5는 각 테스트 조건에 대한 MOV의 평균 불가용도(qave)를 나타낸다. MOV를 감소율(rd)이 1인 고정된 테스트 간격으로 테스트했을 때는 45일이 최적의 테스트 플랜이었고, 이때의 평균 불가용도(qave)는 0.0862를 나타내었다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 평균 불가용도(qave)는 더욱 감소할 수 있다. 최적점은 초기 테스트 간격(T0)이 100일이고 감소율(rd)이 99.55%이다. 이 조건에서, 평균 불가용도(qave)는 0.0668를 나타내었고, 이 수치는 고정된 간격으로 테스트하는 경우의 최적값의 77.5%에 해당함을 알 수 있다. 최적의 테스트 플랜은 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd) 이외에 다른 조건을 변경함으로써 달라질 수 있다. 예를 들어, 원자력발전소의 수명이 60년에서 30년으로 감소하면 최적의 테스트 플랜은 초기 테스트 간격(T0)이 90일이고 감소율(rd)은 99.2%가 된다. 이러한 경우에, 최저 평균 불가용도(qave)는 0.0366이다. 만약, 대기중 기기의 특성을 나타내는 어떤 상수가 변하면 최적의 테스트 플랜도 함께 변한다. 이 방법은 모든 조건과 모든 종류의 대기중 기기에 적용 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명하기에 앞서, 온라인 모니터링(Online Monitoring)의 일반적 의미를 먼저 살펴보기로 한다.
온라인 모니터링이라는 용어는 흔하게 사용된다. 그러나, 실제의 의미는 각 경우에 따라 다양하다. 비록, 온라인 모니터링이 작동중인 대기중 기기에 대한 연속적인 감시를 지칭하기 위하여 가끔 사용되지만, 본 발명의 다른 실시예에 의한 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명함에 있어서 온라인 모니터링은 대기중 기기를 직접 작동시키지 않고, 센서와 같은 외부 장치를 사용하여 대기중 기기를 감시하는 것을 지칭하는 것으로 본 발명의 다른 실시예에 의한 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 "온라인 모니터링 방법(Online Monitoring Method, OMM)"이라 칭하기로 한다.
도 6은 온라인 모니터링 방법의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 대기중 기기의 고장은 두 개의 범주로 나눌 수 있다. 먼저, 테스트 스트레스에 의해서만 영향을 받는 고장(a1)으로, 고장(a1)은 수학식 4와 관계된다. 다음, 스탠바이 스트레스와 테스트 스트레스 모두에 의해 영향을 받는 고장들(a2 및 a3)로, 이 고장들(a2 및 a3)은 수학식 5와 관계되는데, 이 중에서 고장(a3)가 온라인 모니터링 방법(이하 "OMM"이라 칭함)에 의해 감시되는 경우를 가정한다.
MOV에 발생하는 고장은 미국 원자력 규제 위원회(US Nuclear Regulatory Commission, US NRC)에 의해 분석되고 분류되었다. US NRC의 보고서에 의하면, 밸브의 백 시팅(Back Seating)은 테스트 스트레스에 의해서만 영향을 받는 고장으로 테스트 사이에 다른 테스트가 수행되지 않는다면 대기중 기기의 성능이 저하되지 않는다. 그러나, 모터 피니언(Pinion)의 고착(Binding)은 테스트 스트레스와 스탠바이 스트레스 모두에 의해 영향을 받는 고장이다. 테스트 사이의 시간만을 고려한다면 대기중 기기는 스탠바이 스트레스에 의해서 성능이 저하된다. 따라서, 대기중 기기의 고장 가운데 일부는 OMM에 의해 검출될 수 있다. 따라서, OMM은 대기중 기기의 불가용도에 대하여 다음의 두 가지 특성을 갖춰야 한다. 첫째, 대기중 기기의 본래 기능을 방해해서는 안 된다. 즉, OMM에 의해 유발되는 대기중 기기의 노화 또는 불가용 시간이 생기지 않는다. 둘째, 감지된 고장에 연관된 불확실성을 감소시키기 위해서 테스트 간격이 단축되어야 한다. 도 6(b)는 위의 두 가지 특성이 모두 충족된 모니터링 방법을 대기중 기기에 적용했을 때의 대기중 기기의 불가용도 변화를 나타내고 있다.
OMM의 효용성을 정량적으로 분석하기 위해서는 수학식 6이 OMM을 반영하여 변경되어야 한다. 여기서, OMM의 결함검출률(Fault Detection Coverage) 및 정확성이 중요한 요소이다. 의도된 결함검출률로 OMM이 올바르게 작동되고 있을 때는 아무 문제가 없다. 그러나, 만약 OMM이 올바르게 작동하지 않을 때에는 두 가지의 문제가 발생할 수 있는 가능성이 존재한다. 하나는, 감지되지 않는 고장이 있을 수 있다는 것이고, 다른 하나는 대기중 기기에 고장이 없는데도 감지 신호가 나타나는 것이다. 전자의 문제는 결함검출률을 감소시킨다. 따라서, 실제의 결함검출률(Com)은 (의도된 결함검출률) x (1 - 누락된 비율)의 결과이다. 후자의 문제는 대기중 기기의 노화를 야기하는 불필요한 테스트를 수행하게 하며, 문제의 발생 시기에 따라 대기중 기기에 각기 다른 영향을 주며, 그 발생 빈도는 적용된 센서의 감도(Sensitivity)에 따라 달라진다. 이러한 영향이 예견된 시기에 추가적인 테스트를 수행함으로써 평균 불가용도(qave)에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 OMM을 설명함에 있어서, 위의 두 가지 문제의 영향은 고려하지 않았다. 왜냐하면, OMM의 일반적인 효용성에 초점을 맞추기 때문이다. 따라서, 누락된 부분이 없기 때문에 불필요한 테스트도 없다고 가정한다.
전술한 바와 같이, OMM은 스탠바이 스트레스에 관련된 고장을 감지한다. 따라서, OMM의 모니터링 간격(Tom)으로 OMM에 의해 고장이 모니터 되고, 그리고 그 나머지 기간(1 - Com)에는 정해진 테스트 간격으로 테스트된다. 수학식 11과 같이, OMM에 의해 모니터 되는 부분에 대한 대기중 기기의 불가용도는 모니터링 간격(Tom)에 대한 평균값으로 근사화(Approximated)된다. 여기서, Com은 OMM의 결함검출률로서 (의도된 결함검출률x(1-누락된 비율))이고, Tom은 OMM의 모니터링 간격이다. 만약, 모니터링 간격(Tom)이 테스트 간격보다 현저하게 짧다면 근사화의 오류(Error)는 무시 가능하다.
Figure 112014045987349-pat00015
도 7은 대기중 기기가 고정된 간격으로 테스트될 때 OMM에 의한 결함검출률(Com)의 수치에 따른 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다. 여기서, 계산을 위해 표 1의 정보가 다시 사용되며, OMM의 모니터링 간격(Tom)은 1초로 가정한다. 도 7에서, 결함검출률(Com)이 "0"이라는 것은 스탠바이 스트레스에 관계된 고장이 모니터 되는 부분이 없다는 것을 의미하며, 이것은 도 3의 결과와 동일함을 알 수 있다. 결함검출률(Com)이 "1"이라는 것은 OMM에 의해서 모든 스탠바이 스트레스에 관계된 고장이 감지된다는 것을 의미한다. 결함검출률(Com)의 각 수치에 따른 전체적인 평균 불가용도(qave)를 살펴보면 결함검출률(Com)의 수치가 증가할수록 평균 불가용도(qave)가 감소함을 알 수 있다. 더욱이, 표 2에 나타낸 것과 같이, 결함검출률(Com)이 증가함에 따라 평균 불가용도(qave)의 최저값에 대한 최적의 테스트 간격이 증가한다. 왜냐하면, OMM에 의해 감소하는 불확실성의 이점을 고려할 때 테스트 스트레스가 허락된다면 테스트가 반드시 필요한 것은 아니기 때문이다. 결함검출률(Com)의 값이 1일 때 최적의 테스트 간격이 360일이었다. 그러나, OMM에 의한 불필요한 테스트가 수행되지 않고 결함검출률(Com)에서 누락되는 부분이 없다는 이상적인 가정이 고려되어야 한다.
Com 테스트 간격 qave
0 45 0.0862
0.2 50 0.0757
0.4 55 0.0643
0.6 70 0.0514
0.8 95 0.0355
1 360 0.0059
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대기중 기기의 불가용도 감소방법은 앞에서 설명한 본 발명의 테스트 간격 변경법(CIM)과 온라인 모니터링 방법(OMM)을 결합한 방법으로서, OMM에 의하여 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 온라인 모니터링 과정(S810), 온라인 모니터링 결과에 근거하여 대기중 기기가 비정상일 경우, 대기중 기기를 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정(S830), 대기중 기기가 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리된 상태에서 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정(S840), 테스트 결과에 근거하여 대기중 기기가 고장인지 판단하는 과정(S850), 대기중 기기의 수리 및 교체를 포함하는 메인터넌스(Maintenance)를 수행하도록 안내하는 과정(S860), 대기중 기기의 기기정보를 테이터 베이스로 구축하는 과정(S870) 및 대기중 기기의 테스트 간격을 변경하는 과정(S820)을 포함할 수 있다. 여기서, 각 과정(S810~S870)은 전술된 순서에 한정되는 것은 아니며 동시에 수행되거나 순서가 바뀌어 수행될 수도 있다.
온라인 모니터링 과정(S810)은 대기중 기기의 테스트 간격 동안에 대기중 기기를 직접 작동시키지 않고 센서 등의 외부 장치를 사용하여 대기중 기기를 모니터링하는 과정(S812) 및 대기중 기기의 정상 작동 여부를 판단하는 과정(S814)을 포함한다. 대기중 기기의 분리작업(S830)은 바이패스에 의해 대기중 기기를 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키도록 구성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
대기중 기기를 작동시킴으로써 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정(S840)은 전동기 전류신호 분석기법(Motor Current Signature Analysis, MCSA)을 적용할 수 있다. 전동기 전류신호 분석기법의 원리는, 전동기의 내부에 결함이 있는 경우에는 마찰력의 변화, 즉 토크의 변화를 일으키게 되고, 이러한 변화는 공급 전류를 변화시키게 된다. 따라서, 공급 전류의 미세 변화를 측정하여 전동기의 내부 결함을 분석할 수 있게 되는 것이다.
전동기 전류 신호 분석 기법을 전동기로 인해 구동되는 원자력발전소의 밸브 및 펌프 등의 대기중 기기의 건전성 분석에도 확대 적용할 수 있는데, 예를 들어 대기중 기기의 작동을 위해 구동부에 공급되는 전류 및 전압을 검출하고 이때 획득하게 되는 전기적 신호를 시간 도메인에서 분석함으로써 연속적인 각 기계적 작동의 고장을 판단하거나, 주파수 도메인에서 안전 장치의 각 고장 요소의 건전성을 판단하게 된다. 보다 구체적으로, MOV의 경우에, MOV의 기어 세트 중 스템 너트(Stem Nut)의 마모는 시간 도메인에서 전기적 신호의 지연(Delay)으로 드러나게 되며, 베어링이나 기어는 각 고유한 모양에 따라 주파수 도메인에서 그 손상이 피크(Peak)로 드러나게 된다. 전동기 전류 신호 분석 기법에 의해, 구동부의 토크 또는 회전 속도, 밸브 스템의 추력 등도 계산할 수 있다. 본 발명의 대기중 기기의 불가용도 감소방법을 설명함에 있어서 전동기 전류 신호 분석 기법을 예로 들어 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니며 MOV에 접근 가능한 영상인식 기능을 갖춘 로봇(Robot)에 의한 근접 관찰 또는 분해점검 등의 다양한 방법에 의해 수행될 수도 있다.
테스트 결과에 근거하여 대기중 기기가 고장일 경우, 대기중 기기의 수리 및 교체를 포함하는 메인터넌스(Maintenance)를 수행하도록 안내하는 과정(S860)은 경고등 또는 버저(Buzzer) 등 시각적 또는 청각적으로 경보를 송출하는 장치에 의해 경보를 발생하거나, 제어센터 내에 있는 디스플레이에 소정의 문자 또는 화상으로 경보를 표시하도록 할 수 있다.
대기중 기기의 테스트 간격을 결정하는 과정(S820)에서는 데이터 베이스에 저장된 대기중 기기의 테스트 횟수 및 대기중 기기의 설치 후 경과시간을 포함하는 기기정보를 근거로 대기중 기기의 테스트 간격을 변경한다. 경우에 따라, 대기중 기기에 대한 재확인의 차원에서 대기중 기기의 가동검사(테스트)를 실시하며, 이러한 가동검사 및 메인터넌스에 대한 이력에 근거하여 원자력발전소의 잔여수명 동안에 최적화된 테스트 플랜을 수립할 수 있도록 데이터 베이스를 구축한다. 만약, 대기중 기기의 고장이 발견되어 대기중 기기가 수리 또는 교체되는 경우에 대하여는 이후에 상세하게 설명하기로 하며, 본 발명의 CIM과 OMM이 결합된 대기중 기기의 불가용도 감소방법 중 앞에서 이미 설명된 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 9는 결함검출률(Com)이 0.4인 경우, 초기 테스트 간격(T0) 및 감소율(rd)에 따라 CIM이 적용된 경우의 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다. 도 9에 도시된 계산에서, 평균 불가용도(qave)는 0.0507이며, 최적의 테스트 플랜은 초기 테스트 간격(T0)이 125일이고 감소율(rd)은 99.45%이다. 이러한 결과는 도 5 및 도 7과 어느 정도 유사성을 공유한다. 첫째, 도 5와 비교했을 때, 두 경우 모두 CIM을 사용하였다. 그러나, 도 9에서는 0.4의 결함검출률(Com)로 OMM을 부가하였다. 이에 따른 결과로, 최적의 플랜에 의한 평균 불가용도(qave)가 75.9%로 감소하였다. 둘째, 도 7과 비교했을 때, 두 경우 모두 0.4의 결함검출률(Com)을 사용하였다. 그러나, 도 9에서는 CIM을 함께 사용하였다. 따라서, 평균 불가용도(qave)의 최적값이 78.8%로 감소하였다. 결함검출률(Com)이 0.4인 경우, 55일로 고정된 테스트 간격에서 전체 테스트 횟수는 397회이고, 초기 테스트 간격(T0)이 125일이며 감소율(rd)이 99.45%인 CIM에 의해 테스트되는 경우에는 전체 테스트 횟수가 568회였다. 만약 테스트 비용이 계산되어야 한다면 이러한 테스트 횟수의 차이는 의미를 준다. 일부 조건들이 변경되었을 때 CIM의 경우와 유사하게 최적의 테스트 플랜은 각 결함검출률(Com)에 따라 다르다. 각기 다른 결함검출률(Com)에 대한 최적의 테스트 플랜 및 이들과 연계된 평균 불가용도(qave)가 표 3에 요약되어 있다. 결함검출률(Com)이 1인 경우, 평균 불가용도(qave)의 최소값은 감소율(rd)이 1보다 컸을 때 얻어졌다. 그러나, 이 결과는 테스트 간격이 360일로 고정된 경우의 결과와 동일하다. 스탠바이 스트레스에 관련된 모든 수치가 완벽하게 검출되었을 때, 대기중 기기의 테스트는 필요하지 않다. 따라서, 최적의 테스트 플랜은 더 적은 횟수의 테스트를 포함한다.
Com T0 rd qave
0 100 99.55% 0.0668
0.2 110 99.50% 0.0593
0.4 125 99.45% 0.0507
0.6 150 99.35% 0.0410
0.8 215 99.05% 0.0288
1 360 100.2% 0.0057
만약, 실제 고장이 발생하면, 대기중 기기는 수리될 것이다. 수리가 완료된 이후에, 대기중 기기의 상태를 나타내는 파라미터들(ρ0,λ0,p1,p2 및 α)이 변경되어야 한다. 그러나, 이러한 변경들은 추산하기가 어렵다. 왜냐하면, 동일한 고장이 같은 시기에 발생하는 일은 매우 드물기 때문이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대기중 기기의 불가용도 감소방법에서는 주어진 초기 파라미터를 사용하여 대기중 기기의 수리에 의한 영향을 반영하는 방법과 그에 따른 사례를 설명한다. 일부 고장 부품을 교체하는 수리 과정 이후에, 수학식 4 및 수학식 5는 수학식 12 및 수학식 13으로 각각 변경될 수 있다. 여기서, nf는 고장 발생 이전에 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수이고, tf는 대기중 기기의 설치 이후 고장 발생시까지 경과된 시간이며, n0는 설치 직후의 테스트 횟수로서 0(Zero)이고, t0는 설치 직후의 경과 시간으로 0(Zero)이다. nT는 테스트 스트레스에만 관련된 예상 고장 횟수이고, nT -r는 테스트 스트레스에만 관련된 교체된 부품의 예상 고장 횟수이며, nTS는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 예상 고장 횟수이고, nTS -r는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 교체된 부품의 예상 고장 횟수이다. 설치로부터 고장이 발생하기 전까지 교체된 부품의 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스로 인해 축적된 노화에 의한 영향이 제거되어야 한다. 고장 발생 이후의 잔존 수명 기간에 대한 최적의 테스트 플랜이 계산되면, nf 및 tf 모두의 값을 0으로 리셋(Reset)하기 보다는 테스트의 횟수 및 경과된 시간에 대한 대기중 기기의 상태가 nf 및 tf로부터 더해져야 한다.
Figure 112014045987349-pat00016
Figure 112014045987349-pat00017
도 10은 대기중 기기에 고장이 발생하여 일부 부품을 교체한 경우에 잔여 수명(30년)에 대하여 다시 계산된 평균 불가용도(qave)의 변화를 나타낸 도면이다. 간단한 사례로서, 도 9에 도시된 MOV에 적용된 조건과 같은 조건 하에서, 테스트 스트레스에만 관련된 고장이 대기중 기기의 설치로부터 30년이 지난 후에 발생한다. 교체된 부품의 테스트 스트레스에만 관련된 예상 고장 횟수인 nT -r와 테스트 스트레스에만 관련된 예상 고장 횟수인 nT의 비율 (
Figure 112014045987349-pat00018
)은 0.2이다. 도 10에 도시된 바와 같이, T0 및 rd에 따라 잔존 수명(30년)에 대한 평균 불가용도(qave)가 다시 계산되었다. 고장 발생 시기에 대한 최적의 테스트 플랜은 55일의 초기 테스트 간격과 99.55%의 감소율을 나타내었다. 이 테스트 플랜에 대해서 평균 불가용도(qave)는 0.0656이었다. 최적의 테스트 간격이 설치 직후의 테스트 간격에 비해 현저하게 짧다. 왜냐하면, 축적된 스탠바이 스트레스에 기인한 높은 고장률로 인해 야기되는 커다란 불확실성이 존재하기 때문이다. 이 방법은 메인터넌스(Maintenance) 계획에 적용될 수 있다. 대기중 기기의 설치로부터 수십년이 지났지만 실제 고장은 아직 발생하지 않은 상황을 가정하자. 이러한 상황에서, 일부 부품이 교체되었을 때 평균 불가용도(qave) 차이를 부품원가로 나눔에 의해 비용효율성(Cost Effectiveness)이 정량적으로 비교될 수 있다. 이것은, 메인터넌스에 대한 의사 결정에 도움이 될 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 대기중 기기의 불가용도 감소방법에 의하면 부가적인 안전장치의 추가 없이 원자력발전소에 설치된 대기중 기기의 평균 불가용도를 줄일 수 있다. 또한, OMM에 의해 대기중 기기를 작동시키지 않은 상태에서 대기중 기기의 결함을 감지함으로써 대기중 기기의 노화(Aging)을 줄일 수 있다. 제시된 사례에서 살펴본 바와 같이 CIM이 적용되었을 때 대기중 기기의 평균 불가용도는 기존 수치의 77.5% 정도로 낮출 수 있었다. OMM이 적용되었을 경우에는 결함검출률(Com)이 0.4일 때 대기중 기기의 평균 불가용도가 기존 수치의 74.6% 정도로 감소됨을 알 수 있으며, 특히, 결함검출률(Com)을 증가시킴으로써 평균 불가용도가 더욱 감소될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 평균 불가용도를 더욱 줄이기 위하여 CIM과 OMM이 결합될 수 있음을 확인했다. 본 발명의 각 실시예들은 원자력발전소의 동적 확률론적 안전성 평가(Dynamic Probabilistic Safety Assessment), 상세 규정 및 메인터넌스 계획 등에 적용될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
q: 불가용도 qave: 평균 불가용도
ρ: 고장 확률 λ: 고장률

Claims (18)

  1. 원자력발전소에 설치된 밸브 및 펌프 중 적어도 하나를 포함하는 대기중 기기(Standby Equipmemt)의 불가용도(Unavailability)를 감소시키기 위한 대기중 기기의 불가용도 감소방법에 있어서,
    상기 대기중 기기를 직접 작동시키지 않고, 센서를 포함하는 외부 장치를 사용하여 상기 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 온라인 모니터링 과정;
    상기 온라인 모니터링 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 비정상일 경우, 바이패스(Bypass)를 포함하는 분리(Isolation)작업에 의해 상기 대기중 기기를 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리시키는 과정;
    상기 대기중 기기가 상기 원자력발전소의 운전영역으로부터 분리된 상태에서 상기 대기중 기기를 작동시킴으로써 상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정;
    상기 테스트 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 고장일 경우, 상기 대기중 기기의 수리 및 교체 중 적어도 하나를 포함하는 메인터넌스(Maintenance)를 수행하도록 안내하는 과정; 및
    상기 대기중 기기의 설치 후 테스트 횟수 및 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간을 포함하는 기기정보를 저장하여 데이터 베이스를 구축하는 과정
    을 포함하고,
    상기 불가용도는, 상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 고장난 부품을 교체하기 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수 및 상기 고장난 부품을 교체하기 이전에 상기 대기중 기기의 설치 후 경과시간에 의한 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스에 의한 불가용도를 제외하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 불가용도(qf)는,
    Figure 112014045987349-pat00019

    (n은 테스트 횟수, t는 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간, ρ0는 잔존 고장 확률(Residual Failure Probability), p1은 테스트 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), λ0는 잔존 고장률(Residual Failure Rate), p2는 스탠바이 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor),α는 시간에만 연계된 노화 지수(Aging Factor), tn은 대기중 기기의 설치 후 n번째 테스트 완료시점까지 경과된 시간, Com은 상기 온라인 모니터링의 결함검출률, Tom은 상기 온라인 모니터링의 모니터링 간격을 의미)
    의 식에 의해 정해지고,
    상기 테스트 스트레스는 상기 대기중 기기에 수행되는 테스트에 의해 상기 대기중 기기에 축적되는 스트레스를 의미하고, 상기 스탠바이 스트레스는 상기 대기중 기기의 설치 후 경과된 시간에 의해 상기 대기중 기기에 축적되는 스트레스인 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온라인 모니터링 과정은, 기설정된 확인주기마다 상기 대기중 기기의 정상 작동 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 확인주기는, 상기 대기중 기기의 결함을 상기 온라인 모니터링에 의해 발견하지 못함으로 인해 유발되는 불확실성을 감소시킬 만큼 짧은 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온라인 모니터링 결과에 근거하여 상기 대기중 기기가 정상일 경우, 상기 온라인 모니터링 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 대기중 기기의 고장확률(Failure Probability, ρ)이
    Figure 112015035900940-pat00020

    (n은 테스트 횟수, ρ0는 잔존 고장 확률(Residual Failure Probability), p1은 테스트 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), nf는 상기 대기중 기기의 고장 발생 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수, n0는 설치 직후의 테스트 횟수, nT-r는 테스트 스트레스에만 관련된 교체된 기기의 예상 고장 횟수, nT는 테스트 스트레스에만 관련된 예상 고장 횟수를 의미)
    식에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 대기중 기기의 부품 중에서 고장난 부품을 교체하는 경우, 상기 대기중 기기의 고장률(Failure Rate, λ)이
    Figure 112015035900940-pat00021

    (n은 테스트 횟수, t는 직전 테스트 완료시점으로부터 경과된 시간, λ0는 잔존 고장률(Residual Failure Rate), p2는 스탠바이 스트레스에 연관된 테스트 저하 지수(Test Degradation Factor), α는 시간에만 연계된 노화 지수(Aging Factor), tn은 대기중 기기의 설치 후 n번째 테스트 완료시점까지 경과된 시간, nf는 상기 대기중 기기의 고장 발생 이전에 상기 대기중 기기에 수행된 테스트 횟수, tf는 상기 대기중 기기의 설치 이후 고장 발생시까지 경과된 시간, t0는 상기 대기중 기기의 설치 직후의 경과 시간, nTS는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 예상 고장 횟수, nTS-r는 테스트 스트레스 및 스탠바이 스트레스 모두에 관련된 교체된 기기의 예상 고장 횟수를 의미)
    식에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 대기중 기기를 테스트하는 테스트 간격을 변경하는 과정
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 테스트 간격을 변경하는 과정은, 상기 기기정보를 근거로 상기 테스트 간격의 최적값을 결정하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 테스트 간격은, 상기 원자력발전소의 수명 중 초기의 테스트 간격이 상기 원자력발전소의 수명 중 말기의 테스트 간격보다 긴 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 테스트 간격의 감소율(rd)은,
    Figure 112014045987349-pat00022

    (Tn +1은 n+1번째 테스트 간격, Tn은 n번째 테스트 간격을 의미)
    의 식에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 테스트 간격의 감소율은, 상기 테스트 횟수 및 상기 경과시간을 파라미터(Parameter)로 하는 함수에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온라인 모니터링 과정은, 스탠바이 스트레스에 의해서 상기 대기중 기기에 발생하는 고장만을 검출하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 대기중 기기의 고장 여부를 테스트하는 과정은, 상기 대기중 기기에 흐르는 전류의 주파수 성분을 분석하여 상기 대기중 기기의 전기적 또는 기계적 고장을 탐지하는 것을 특징으로 하는 대기중 기기의 불가용도 감소방법.
  17. 삭제
  18. 삭제
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