KR102094364B1 - 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템 - Google Patents

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KR102094364B1 KR1020180000326A KR20180000326A KR102094364B1 KR 102094364 B1 KR102094364 B1 KR 102094364B1 KR 1020180000326 A KR1020180000326 A KR 1020180000326A KR 20180000326 A KR20180000326 A KR 20180000326A KR 102094364 B1 KR102094364 B1 KR 102094364B1
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Abstract

여러 개 살수 노즐의 작동 상태를 동시에 원격으로 점검할 수 있는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템을 제공한다. 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라와, 열화상 카메라가 취득한 열화상 데이터로부터 살수 노즐의 온도 변화량을 측정하고, 살수 노즐의 유동 임계압력을 계산하며, 살수 노즐의 온도 변화를 예측하고, 살수 노즐의 유동량을 산출하여 살수 노즐의 작동 상태 진단을 위한 정보를 제공하는 전자 계산부를 포함한다.

Description

격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템 {REMOTE DIAGNOSIS SYSTEM FOR SPARY NOZZLE IN CONTAINMENT BUILDING}
본 발명은 원자력 발전소 등의 격납 건물에 설치된 살수 노즐의 원격 진단을 위한 시스템에 관한 것이다.
원자력 발전소의 격납 건물 상부에는 비상 시에 물을 분사하여 격납 용기 내부의 온도와 압력을 낮추는 살수 노즐이 설치되어 있다. 살수 노즐은 주기적으로 작동 여부를 점검하게 되어 있다.
현재는 작업자가 격납 건물에 설치된 폴라 크레인으로 이동하고, 폴라 크레인 위에 설치된 외팔보 형태의 크레인에 탑승하여 살수 노즐 근처까지 이동한다. 그리고 끝단에 깃털이나 바람개비 등이 부착된 막대기를 살수 노즐로 접근시켜 살수 노즐에서 방출되는 압축 공기의 유동에 의한 깃털이나 바람개비의 움직임을 육안으로 관찰함으로써 살수 노즐의 작동 상태를 점검하고 있다.
그러나 격납 건물에 설치된 살수 노즐은 수백여 개이므로 작업자가 높은 위치에서 일일이 살수 노즐을 점검하는 작업은 매우 어렵고 위험하다.
본 발명은 작업자가 외팔보 형태의 크레인에 탑승하지 않고 살수 노즐의 시야가 확보되는 폴라 크레인 상부에서 여러 개 살수 노즐의 작동 상태를 동시에 원격으로 점검할 수 있는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라와, 열화상 카메라가 취득한 열화상 데이터로부터 살수 노즐에서 분사되는 압축 공기의 유동량을 산출하여 살수 노즐의 작동 상태 진단을 위한 정보를 제공하는 전자 계산부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라와, 열화상 카메라가 취득한 열화상 데이터로부터 살수 노즐의 온도 변화량을 측정하고, 살수 노즐의 유동 임계압력을 계산하며, 살수 노즐의 온도 변화를 예측하고, 살수 노즐에서 분사되는 압축 공기의 유동량을 산출하여 살수 노즐의 작동 상태 진단을 위한 정보를 제공하는 전자 계산부를 포함한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라와, 열화상 카메라가 취득한 열화상 데이터로부터 살수 노즐의 작동 상태 진단을 위한 정보를 제공하는 전자 계산부를 포함한다. 전자 계산부는 열화상 데이터를 저장하는 메모리와, 열화상 카메라의 초당 영상 취득 개수를 참고하여 살수 노즐의 온도 변화량을 측정하는 온도 변화량 측정부와, 현지 대기압과 살수 노즐 계통에 가해지는 내부 압력을 입력 받아 살수 노즐 단부의 유동 임계압력을 계산하는 유동 임계압력 계산부와, 주변 온도와 살수 노즐의 초기 온도를 입력 받고, 온도 변화 예측 알고리즘에 의해 살수 노즐의 온도 변화 추이를 예측하는 온도 변화 예측부와, 살수 노즐에서 분사되는 압축 공기의 유동량을 산출하는 유동량 산출부를 포함한다.
온도 변화량 측정부는 열화상 카메라가 촬영한 검출 영역 내에 온도 변화가 감지되는 영역 발생 시 메모리에 저장된 열화상 데이터에서 관심 영역을 자동으로 설정할 수 있으며, 각 관심 영역의 온도 변화량을 측정할 수 있다.
유동 임계압력 계산부는 하기 수학식 (1)에 의해 살수 노즐의 유동 임계압력(Pc)을 계산할 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00001
--- (1)
여기서, k는 유체의 비열비로서 압축 공기의 경우 1.4이며, P1은 살수 노즐의 입구 압력을 나타낸다.
온도 변화 예측부는 하기 수학식 (2), (3), (4)에 의해 살수 노즐의 온도 변화를 예측할 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00002
--- (2),
Figure 112018000422102-pat00003
--- (3)
Figure 112018000422102-pat00004
--- (4)
여기서, k는 유체의 비열비로서 압축 공기의 경우 1.4이고, T1은 살수 노즐의 입구 온도이며, α는 k/(ρ·Cp)(ρ는 압축 공기의 밀도, Cp는 압축 공기의 정압비열)이고, erf는 가우스 오차함수를 나타낸다.
유동량 산출부는 하기 수학식 (5)에 의해 압축 공기의 유동량(Volume)을 산출할 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00005
--- (5)
여기서, Sect.Area는 상기 살수 노즐의 출구 단면적을 나타내고, C=f(speed, t, T)는 시간(t)에 따른 상기 살수 노즐의 온도(T)와 압축 공기의 속도(speed) 실험식을 나타낸다.
본 발명에 따르면 작업자가 외팔보 형태의 크레인에 탑승하지 않고, 폴라 크레인 상에서 살수 노즐을 촬영하는 작업으로 살수 노즐의 작동 상태를 원격으로 진단할 수 있다. 또한, 열화상 카메라로 여러 개의 살수 노즐을 동시에 촬영하고, 여러 개 살수 노즐(20)에 대한 유동량 산출이 가능하므로 검사 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 살수 노즐이 설치된 격납 건물의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 살수 노즐 계통을 도시한 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시한 노즐 단부의 부분 확대도이다.
도 5는 온도 변화 예측부(54)가 예측한 살수 노즐(20)의 온도 변화 추이를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 살수 노즐이 설치된 격납 건물의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 원자력 발전소의 격납 건물(100)에는 살수 노즐(20)과 폴라 크레인(30)이 설치되어 있다. 격납 건물(100)의 상부에는 복수의 배관(10)이 위치하며, 배관(10)의 길이 방향을 따라 복수의 살수 노즐(20)이 서로간 거리를 두고 위치한다. 폴라 크레인(30)은 도시하지 않은 구동 장치에 의해 상승과 하강이 이루어진다.
본 실시예의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 열화상 카메라(40)와 전자 계산부로 구성되며, 작업자는 원격 진단을 위하여 열화상 카메라(40)를 들고 폴라 크레인(30) 위로 이동한다. 폴라 크레인(30)의 상부는 살수 노즐(20)이 잘 보이는 위치이므로, 작업자는 외팔보 형태의 크레인에 탑승하지 않고 폴라 크레인(30) 상부에서 원격 진단을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템은 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라(40)와, 열화상 카메라(40)가 촬영한 열화상 정보에 기초하여 살수 노즐에서 분사되는 압축 공기의 유동량을 산출함으로써 살수 노즐의 작동 상태를 진단하는 전자 계산부(50)를 포함한다.
열화상 카메라(40)는 폴라 크레인(30) 상부에서 작업자에 의해 조작되며, 압축 공기를 분사하는 여러 개의 살수 노즐(20)을 동시에 촬영한다. 도 1에서 부호 41은 열화상 카메라의 촬영 범위, 즉 열화상 카메라(40)의 검출 영역을 나타내고, 도 2에서 부호 42는 열화상 프레임을 나타낸다.
전자 계산부(50)는 메모리(51)와 온도 변화량 측정부(52)를 포함한다. 전자 계산부(50)는 통상의 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 스마트폰 등과 같이 전자 계산 기능을 수행할 수 있는 전자 기기를 통칭한다.
메모리(51)는 열화상 카메라(40)가 촬영한 열화상 데이터를 저장한다. 온도 변화량 측정부(52)는 검출 영역(41) 내에 온도 변화가 감지되는 영역이 발생하면 메모리(51)에 저장된 열화상 데이터에서 관심 영역(43)을 자동으로 설정하고, 열화상 카메라(40)의 초당 영상 취득 개수(frame per second)를 참고하여 각 관심 영역(43)의 온도 변화량을 측정한다.
온도 변화가 감지되는 관심 영역(43)은 살수 노즐(20)에 대응한다. 압축 공기를 분사하고 있는 살수 노즐(20)은 주변 온도(배경 온도)보다 낮은 온도를 가지며, 살수 노즐(20)의 온도는 시간에 따라 점진적으로 낮아진다. 온도 변화량 측정부(52)는 열화상 데이터에서 살수 노즐(20)에 대응하는 관심 영역(43)을 자동으로 설정하며, 각 관심 영역(43)의 온도 변화량을 측정한다.
도 2에서는 편의상 열화상 프레임(42) 내에 설정된 하나의 관심 영역(43)을 원형 점선으로 표시하였으나, 실제 열화상 프레임(42) 내에는 살수 노즐(20)의 개수에 대응하는 복수의 관심 영역(43)이 설정된다.
도 3은 살수 노즐 계통을 도시한 구성도이다.
도 3을 참고하면, 살수 노즐 계통은 배관(10)과 살수 노즐(20)을 포함한다. 살수 노즐(20)은 배관(10)에 연결된 노즐 배관(21)과, 노즐 몸체(22)의 내부 직경이 점진적으로 작아지는 깔때기 형상의 노즐 단부(23)를 포함한다. 배관(10)에 공급된 압축 공기는 노즐 배관(21)과 노즐 단부(23)를 통해 분출된다.
압축 공기의 압력은 5kg/cm2일 수 있고, 살수 노즐(20)의 주변은 대기압이며, 압축 공기와 주변 온도는 모두 25℃로 설정될 수 있다.
도 3에서 P1은 노즐 단부(23)로 진입하는 압축 공기의 압력으로서 살수 노즐(20)의 입구 압력이라 한다. P2는 노즐 단부(23)를 통과하는 압축 공기의 압력으로서 살수 노즐(20)의 출구 압력이라 한다. P3는 살수 노즐(20) 바깥의 대기 압력을 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시한 노즐 단부의 부분 확대도이다.
도 4를 참고하면, T1은 살수 노즐(20)의 입구 온도로서 노즐 몸체(22)의 온도를 나타낸다. T2는 살수 노즐(20)의 출구 온도로서 노즐 단부(23)의 온도를 나타낸다. 그리고 x 화살표 방향은 노즐 몸체(22)의 열전달 방향을 나타낸다.
다시 도 2를 참고하면, 전자 계산부(50)는 유동 임계압력 계산부(53)와 온도 변화 예측부(54)를 포함한다. 유동 임계압력 계산부(53)는 현지 대기압과 살수 노즐 계통에 가해지는 내부 압력을 이용하여 노즐 단부(23)의 유동 임계압력을 계산한다. 온도 변화 예측부(54)는 온도 변화 예측 알고리즘을 내장하고 있으며, 주변 온도와 살수 노즐(20)의 초기 온도를 입력 받아 시간에 따른 온도 변화 추이를 예측한다.
압축성 유동의 경우, 하류측 압력(살수 노즐 바깥의 대기 압력, P3)이 압축성 유체(압축 공기)의 임계압력보다 작으면, 살수 노즐(20)의 출구 압력은 유속이 음속이 되는 압력인 임계압력과 동일하게 되고, 이 때의 유동을 질식 유동(Choked Flow)라고 한다. 반대로 하류측 압력이 압축성 유체의 임계압력보다 큰 경우, 살수 노즐(20)의 출구 압력은 하류측 압력과 동일하게 형성된다.
따라서, 온도 변화 예측부(54)는 해당 조건에서의 임계압력과 하류측 압력을 비교하여 살수 노즐(20)의 출구 압력(P2)과 온도(T2)를 산정하고, 시간에 따른 살수 노즐(20)의 온도 변화를 예측할 수 있다.
먼저, 유동 임계압력 계산부(53)는 아래 수학식 1을 이용하여 압축성 유동의 임계압력(Pc)을 계산할 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00006
여기서, k는 유체의 비열비(Cp/Cv)로서 압축 공기의 경우 1.4이며, P1은 살수 노즐(20)의 입구 압력을 나타낸다. 비열비에서 Cp는 정압비열이고, Cv는 정적비열을 나타낸다.
질식 유동 조건(Pc > P3)인 경우, 살수 노즐(20)의 출구 압력(P2)은 임계압력(Pc)이 되고, 이때 살수 노즐(20)의 출구 온도(T2)는 아래 수학식 2로 계산될 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00007
여기서, k는 유체의 비열비(Cp/Cv)로서 압축 공기의 경우 1.4이며, T1은 살수 노즐(20)의 입구 온도를 나타낸다.
전술한 수학식 1과 수학식 2에 의해 살수 노즐(20) 출구에서의 표면 온도가 도출되었으므로, 살수 노즐(20) 내부의 열전도를 도 4의 x 방향에 따른 1차원 전도로 가정하면, 과도 상태(비정상 상태)의 온도 분포에 대한 편미분 방정식을 아래 수학식 3과 같이 설정할 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00008
여기서, α는 k/(ρ·Cp)이다. ρ는 유체(압축 공기)의 밀도이고, Cp는 유체(압축 공기)의 정압비열을 나타낸다.
그리고 수학식 3은 라플라스(Laplace) 변환을 거쳐 아래 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112018000422102-pat00009
여기서, erf는 가우스 오차함수(Gaussian error function)이며, 값이 주어져 있다. 온도 변화 예측부(54)는 전술한 수학식 2 내지 4를 이용하여 시간에 따른 살수 노즐(20)의 온도 변화를 예측한다. 도 5는 온도 변화 예측부(54)가 예측한 살수 노즐(20)의 온도 변화 추이를 나타낸 그래프이다.
다시 도 2를 참고하면, 전자 계산부(50)는 살수 노즐(20)에서 분사되는 압축 공기의 유동량(체적 유량)을 산출하는 유동량 산출부(55)를 포함한다. 유동량 산출부(55)는 아래 수학식 5에 의해 압축 공기의 유동량(Volume)을 산출할 수 있다. 압축 공기의 유동량은 살수 유량에 대응한다.
Figure 112018000422102-pat00010
여기서, Sect.Area는 살수 노즐(20)의 출구 단면적을 나타내고, C=f(speed, t, T)는 시간(t)에 따른 살수 노즐(20)의 온도(T)와 압축 공기의 속도(speed) 실험식을 나타낸다.
전술한 수학식 4를 이용하면 살수 노즐(20)의 온도(T) 변화에 따른 시간(t)을 계산할 수 있고, 실험을 통하여 각 시간대별 살수 노즐(20)의 온도(T)와 압축 공기의 속도(speed)를 실험적으로 산출하여 실험식 C=f(speed, t, T)를 수립할 수 있다.
작업자는 유동량 산출부(55)의 산출 결과로부터 각 살수 노즐(20)의 작동 상태를 진단할 수 있다. 예를 들어, 특정 살수 노즐(20)의 산출 유동량이 기준치 이하이거나 다른 살수 노즐(20)의 유동량보다 현저하게 낮은 경우, 해당 살수 노즐(20)의 작동 상태를 불량으로 진단할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에서는 작업자가 외팔보 형태의 크레인에 탑승하지 않고, 폴라 크레인(30) 상에서 살수 노즐(20)을 촬영하는 작업으로 살수 노즐(20)의 작동 상태를 원격으로 진단할 수 있다. 또한, 열화상 카메라(40)로 여러 개의 살수 노즐(20)을 동시에 촬영하고, 여러 개 살수 노즐(20)에 대한 유동량 산출이 가능하므로 검사 시간을 단축할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 배관 20: 살수 노즐
30: 폴라 크레인 40: 열화상 카메라
41: 검출 영역 42: 열화상 프레임
43: 관심 영역 50: 전자 계산부
51: 메모리 52: 온도 변화량 측정부
53: 유동 임계압력 계산부 54: 온도 변화 예측부
55: 유동량 산출부 100: 격납 건물

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 살수 노즐의 온도 변화를 원격으로 검출하는 열화상 카메라; 및
    상기 열화상 카메라가 취득한 열화상 데이터로부터 상기 살수 노즐의 작동 상태 진단을 위한 정보를 제공하는 전자 계산부를 포함하며,
    상기 전자 계산부는,
    상기 열화상 데이터를 저장하는 메모리;
    상기 열화상 카메라의 초당 영상 취득 개수를 참고하여 상기 살수 노즐의 온도 변화량을 측정하는 온도 변화량 측정부;
    현지 대기압과 살수 노즐 계통에 가해지는 내부 압력을 입력 받아 상기 살수 노즐 단부의 유동 임계압력을 계산하는 유동 임계압력 계산부;
    주변 온도와 상기 살수 노즐의 초기 온도를 입력 받고, 온도 변화 예측 알고리즘에 의해 상기 살수 노즐의 온도 변화 추이를 예측하는 온도 변화 예측부; 및
    상기 살수 노즐에서 분사되는 압축 공기의 유동량을 산출하는 유동량 산출부
    를 포함하는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도 변화량 측정부는 상기 열화상 카메라가 촬영한 검출 영역 내에 온도 변화가 감지되는 영역 발생 시 상기 메모리에 저장된 상기 열화상 데이터에서 관심 영역을 자동으로 설정하며, 각 관심 영역의 온도 변화량을 측정하는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유동 임계압력 계산부는 하기 수학식 (1)에 의해 상기 살수 노즐의 유동 임계압력(Pc)을 계산하는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템.
    Figure 112018000422102-pat00011
    --- (1)
    여기서, k는 유체의 비열비로서 압축 공기의 경우 1.4이며, P1은 살수 노즐의 입구 압력을 나타낸다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도 변화 예측부는 하기 수학식 (2), (3), (4)에 의해 상기 살수 노즐의 온도 변화를 예측하는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템.
    Figure 112018000422102-pat00012
    --- (2)
    Figure 112018000422102-pat00013
    --- (3)
    Figure 112018000422102-pat00014
    --- (4)
    여기서, k는 유체의 비열비로서 압축 공기의 경우 1.4이고, T1은 살수 노즐의 입구 온도이며, α는 k/(ρ·Cp)(ρ는 압축 공기의 밀도, Cp는 압축 공기의 정압비열)이고, erf는 가우스 오차함수를 나타낸다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유동량 산출부는 하기 수학식 (5)에 의해 압축 공기의 유동량(Volume)을 산출하는 격납 건물의 살수 노즐 원격 진단 시스템.
    Figure 112018000422102-pat00015
    --- (5)
    여기서, Sect.Area는 상기 살수 노즐의 출구 단면적을 나타내고, C=f(speed, t, T)는 시간(t)에 따른 상기 살수 노즐의 온도(T)와 압축 공기의 속도(speed) 실험식을 나타낸다.
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