KR102488611B1 - 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치 및 장치의 동작 방법 - Google Patents

원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치 및 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 주제어밸브의 개도 정도 및 보조제어밸브의 개도 정도를 조절하되, 주제어밸브에 적용할 개도 정도의 변화가 불감 영역에 해당하는지를 판단하여, 보조제어밸브에 적용할 개도 정도를 보상함으로써, 급격한 수위 진동이 발생하지 않도록 하는 장점이 있다.

Description

원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치 및 장치의 동작 방법{THE INTEGRATED CONTROL LOGIC DEVICE AND METHOD OF MAIN AND AUXILIARY CONTROL VALVES FOR THE STEAM GENERATOR LEVEL CONTROL OF THE NUCLEAR POWER PLNAT}
본 개시의 실시예들은 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치 및 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
원자력발전소는 보통 100개 이상의 개별적 기능을 가진 계통으로 구성된다. 이들은 크게 원자로를 중심으로 한 핵증기공급계통(NSSS: Nuclear Steam Supply System)과 증기를 공급받아 발전기를 돌려 전기를 생산하는 터빈, 발전기 계통 그리고 기타 부수 설비로 구분된다.
현재 한국 원자력발전소의 주종을 이루고 있는 가압경수형 발전소를 살펴보면 원자로를 중심으로 한 1차 계통, 증기 발생기, 터빈, 발전기 및 복수기를 포함한 2차 계통, 사고에 대비한 공학적 안전설비계통, 송배전 계통, 계측제어계통, 기타 보조계통들로 구성되어 있다.
원자력발전소 1, 2차 계통의 열전달은 원자로에서 발생된 열에 의해 가열된 물이 1차계통 냉각재 펌프에 의해 냉각재 배관을 따라 증기발생기의 열전달관으로 유입되면 2차계통 배관을 통하여 증기발생기로 유입되는 급수에 열을 전달하고 원자로로 되돌아가는 방식으로 구성되어 있다. 증기발생기가 이러한 열전달 기능을 안전하고 효율적으로 수행하기 위해서는 증기발생기 수위가 설정된 제어 범위 이내로 적절히 유지되어야만 한다. 따라서 증기발생기 수위의 안정적인 제어는 원자력발전소 운영에 핵심적인 기능중의 하나이다.
증기발생기 수위제어계통은 증기발생기 수위, 급수유량 및 증기유량을 입력신호로 비례적분(PI-Proportional Integral)제어기에 의해 자동제어를 수행하여 주제어밸브, 보조제어밸브 및 급수펌프를 구동함으로써 증기발생기 수위를 설정치 근방에 유지하도록 제어한다. 주제어밸브는 용량이 큰 밸브로서 제어밸브의 일반적인 특징인 정지 마찰 현상(stiction)의 영향이 비교적 크게 나타나 안정적인 수위제어에 악영향을 주고 있다. 그 결과로 APR1400의 경우 원자로출력 100%의 정상상태 운전에서 수위 설정치를 기준으로 약 2~4% 크기의 주기적인 수위 요동 문제를 발생하고 있다.
상기한 문제를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 주제어밸브의 개도 정도 및 보조제어밸브의 개도 정도를 조절하되, 주제어밸브에 적용할 개도 정도의 변화가 불감 영역에 해당하는지를 판단하여, 보조제어밸브에 적용할 개도 정도를 보상함으로써, 주제어밸브의 정지 마찰 현상으로 인한 수위 진동이 발생되지 않도록 하는 증기 발생기의 수위제어시스템 및 수위제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 실시 예들에 따른 원자력 발전소에서 수위진동을 방지하기 위한 증기 발생기의 수위제어시스템은 증기발생기 수위, 급수유량신호, 증기유량신호 및 원자로출력 신호를 이용하여 입력신호를 처리하는 입력신호 처리부; 원자로출력을 이용하여 수위 설정치를 계산하는 수위설정치 처리부; 상기 입력신호 처리부와 수위설정치 처리부의 결과값을 이용하여 주제어신호를 생성하는 제어부; 상기 제어부의 출력신호를 바탕으로 급수펌프의 속도를 계산하는 급수폄프 속도 결정부; 상기 제어부의 출력신호를 바탕으로 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 보조제어밸브 개도 결정부; 상기 제어부의 출력신호를 바탕으로 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 계산하는 주제어밸브 개도 결정부; 상기 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 입력과 주제어밸브 불감도 설정모듈의 출력인 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 사용하여 그들간의 차이 값이 설정된 주제어밸브 불감 정도(deadband) 이내일 경우는 일정한 제2 주제어밸브 개도 요구신호를 유지하고 불감도를 초과하는 경우에는 hysteresis 알고리즘에 따라 제2 주제어밸브 개도 요구신호를 계산하기 위한 주제어밸브 불감도 설정부; 상기 주제어밸브 불감도 설정부의 알고리즘에 따라 수정된 주제어밸브의 제2 개도 요구신호와 제1 개도 요구신호와의 차이값을 보조제어밸브의 개도 조정으로 보상하기 위한 보조제어밸브 개도 보상부; 상기 제1 보조제어밸브 개도 요구신호와 보조제어밸브 개도 보상신호 중 원자로 출력준위에 따라 최종적으로 제2 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 보조제어밸브 개도 선택부로 구성될 수 있다.
상기 불감도 설정부는 상기 제어부로부터 상기 주제어밸브 제어 신호의 불감 정도 초과인 경우에는, 상기 주제어밸브 제어 신호를 상기 주 제어 밸브로 전송하고, 상기 주제어밸브 제어 신호가 불감 정도 이하인 경우에는 불감도 설정부의 출력 신호값인 제2 주제어밸브 개도 요구신호를 일정하게 유지하면서, 상기 주제어밸브 제어 신호 및 상기 불감도 적용한 신호를 보조제어밸브 보상부에서 입력으로 사용하여 보조제어밸브 개도의 보상값을 계산한 결과를 상기 보조제어밸브 개도 선택부로 전송할 수 있다.
상기 보조제어밸브 보상부는 상기 주제어밸브의 개도 정도가 제1 주 개도 정도에서 제2 주 개도 정도로 변화함에 따른 용량 변화 정도를 보상하도록 상기 보조제어밸브의 상기 제1 보조 개도 정도를 제2 보조 개도 정도로 정정할 수 있다.
상기 보조제어밸브 보상부는 상기 주제어밸브의 개도 정도가 제1 주 개도 정도에서 제2 주 개도 정도로 변화함에 따른 주제어밸브의 용량 변화 정도를 산출하고, 상기 용량 변화 정도를 상기 보조제어밸브의 단위 용량으로 나누어 상기 보조제어밸브의 상기 제2 보조 개도 정도를 제3 보조 개도 정도로 정정할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따른 원자력 발전소에서 수위진동을 방지하기 위한 증기 발생기의 수위제어방법은 급수펌프 속도 결정부가 급수펌프에서 급수가 제공되는 급수 속도 값을 획득하는 단계; 보조제어밸브 위치 결정부가 상기 보조제어밸브와 통신하여 상기 보조제어밸브의 제1 보조 개도 정도를 획득하는 단계; 주제어밸브 위치 결정부가 상기 주제어밸브와 통신하여 상기 주제어밸브의 제1 주 개도 정도를 획득하는 단계; 제어부가 증기발생기의 수위와 미리 설정된 평형수위설정치를 비교하고, 비교한 결과값 및 상기 급수 속도 값을 이용하여 상기 평형수위설정치에 도달하기 위한 상기 보조제어밸브의 제2 보조 개도 정도, 상기 주제어밸브의 제2 주 개도 정도를 결정하고, 상기 제2 보조 개도 정도로 수정하는 보조제어밸브 제어 신호를 생성하고, 상기 제2 주 개도 정도로 수정하는 주제어밸브 제어 신호를 생성하는 단계; 불감 판단부가 상기 주제어밸브 제어 신호에 포함된 제1 주 개도 정도 및 제2 주 개도 정도 사이의 차이 값이 기 설정된 불감 정도(deadband) 이하인지 여부를 판단하는 단계; 보조제어밸브 보상부가 상기 제어부로부터 상기 보조제어밸브 제어 신호를 수신하고, 제1 주 개도 정도 및 제2 주 개도 정도 사이의 차이 값이 불감 정도 이하인 경우에는, 상기 불감 판단부로부터 상기 주제어밸브 제어 신호 및 상기 불감 정도를 수신하고 상기 주제어밸브 제어 신호 및 상기 불감 정도를 고려하여 상기 보조제어밸브 제어 신호에 포함된 제2 보조 개도 정도를 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
주제어밸브 불감도 설정부의 출력 신호값인 제2 주제어밸브 개도 요구신호를 일정하게 유지하면서, 상기 주제어밸브 제어 신호 및 상기 불감도 적용한 신호를 보조제어밸브 보상부에서 입력으로 사용하여 보조제어밸브 개도의 보상값을 계산한 결과를 상기 보조제어밸브 개도 선택부로 전송할 수 있다.
상기 보상하는 단계는 상기 주제어밸브의 개도 정도가 제1 주 개도 정도에서 제2 주 개도 정도로 변화함에 따른 용량 변화 정도를 보상하도록 상기 보조제어밸브의 상기 제2 보조 개도 정도를 제3 보조 개도 정도로 정정할 수 있다.
상기 보상하는 단계는 상기 주제어밸브의 개도 정도가 제1 주 개도 정도에서 제2 주 개도 정도로 변화함에 따른 주제어밸브의 용량 변화 정도를 산출하고, 상기 용량 변화 정도를 상기 보조제어밸브의 단위 용량으로 나누어 상기 보조제어밸브의 상기 제2 보조 개도 정도를 제3 보조 개도 정도로 정정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 방법 중 어느 하나의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장될 수 있다.
이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.
본 발명에 따르면, 주제어밸브의 개도 정도 및 보조제어밸브의 개도 정도를 조절하되, 주제어밸브에 적용할 개도 정도의 변화가 불감 영역에 해당하는지를 판단하여, 보조제어밸브에 적용할 개도 정도를 보상함으로써, 주제어밸브의 정지 마찰 현상으로 인한 수위 진동이 발생되지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 주제어밸브의 개도 정도 및 보조제어밸브의 개도 정도를 조절하되, 주제어밸브에 적용할 개도 정도의 변화가 불감 영역에 해당하는지를 판단함으로써, 정상상태 운전에서 주제어밸브의 움직임을 최소화 하고 상대적으로 용량 및 정지 마찰 현상이 작은 보조제어밸브로 조절제어를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 과도 상태 발생시 종래의 제어 성능을 확보하면서 정상상태 운전시에는 보조제어밸브를 이용하여 수위 조절을 함으로써, 상대적으로 작은 보조제어밸브의 정지 마찰 현상으로 인해 증기발생기의 수위제어로직의 안정성을 최대화 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 보조제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)은 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)의 1/5에 불과하며, 주제어밸브에 비해서, 5배의 정밀도를 가지고 수위 제어를 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 보조제어밸브를 통해 수위를 조절함으로써, 주제어밸브의 사용 횟수를 줄일 수 있고, 주제어밸브의 교환주기를 증가 시킬 수 있고, 주제어밸브의 교체에 따른 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 증기발생기 수위제어계통의 제어 논리 구성도이다.
도 2는 본 발명의 증기발생기 수위제어계통의 통합 제어 방법의 구성도이다.
도 3은 본 개시의 실시 예들에 따른 증기 발생기의 수위제어시스템의 블록도이다.
이하 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 "학습", "러닝" 등의 용어는 인간의 교육 활동과 같은 정신적 작용을 지칭하도록 의도된 것이 아닌 절차에 따른 컴퓨팅(computing)을 통하여 기계 학습(machine learning)을 수행함을 일컫는 용어로 해석한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 원전의 증기발생기 수위제어계통은 증기발생기 수위, 급수유량, 증기유량 및 원자로 출력을 입력으로 하여 제어부에 의해 자동 제어를 수행할 수 있다. 증기발생기에 대한 제어부는 출력을 이용하여 주제어밸브, 보조제어밸브 및 급수펌프를 구동함으로써, 증기발생기 수위를 설정치 근방에 유지하도록 제어할 수 있다.
원전 운전시 주제어밸브의 유지보수를 통해 정지 마찰 현상(stiction)을 완화할 수 있다. 정상 상태 운전에서 주제어밸브의 움직임을 최소화하여 용량이 작은 보조제어밸브로 수위를 조절할 수 있다.
정상 상태에서는 큰 폭의 급수유량 조절이 필요치 않은 경우에는, 수위가 평형수위설정치 근방인 경우에는 주제어밸브의 개도 조절을 최소화한 상태에서 보조제어밸브의 개도 조절만으로, 수위를 제어할 수 있다. 수위 상태가 과도 상태인 경우에는, 주제어밸브의 개도 정도를 조절하여 수위를 조절할 수 있다.
주제어밸브의 개도 변화가 불감 정도(deadband)의 이하로 요구되는 경우에는 보조제어밸브의 개도 조절 만으로 증기발생기의 수위를 제어할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 증기 발생기의 수위제어시스템 및 수위제어방법은 국내에서 운영중인 OPR1000, APR1400, 고리 2호기, 3호기, 4호기 및 영광 1호기, 2호기 등의 WEC 원전 및 수출형 APR1000 원전 등 대부분의 원전에 적용할 수 있다. 또한 공증된 설계 개선 항목으로 적용될 수 있으므로 해외 사업개발에 기여할 수 있을 것으로 기대될 수 있다.
도 1은 종래의 증기발생기 수위제어계통의 제어 논리 구성도이다.
증기발생기 수위제어계통의 제어 논리 구성도는 원자로출력을 이용하여 수위 설정치를 계산하는 수위설정치 처리부(11), 및 증기발생기 수위, 급수유량, 증기유량 및 원자로출력을 입력하여 입력신호를 처리하는 입력신호 처리부(12)를 포함할 수 있다.
제어부(13)는 입력신호 및 수위설정치를 이용하여 주제어신호를 생성할 수 있다.
급수펌프 속도 결정부(14)는 주제어신호를 기초로 급수펌프의 속도를 산출한다.
보조제어밸브 개도 결정부(15)는 주제어신호를 기초로 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하여, 보조제어밸브로 전송할 수 있다.
주제어밸브 개도 결정부(16)는 주제어신호를 기초로 제1 주제어밸브 개도 요구 신호를 생성하여, 주제어밸브로 전송할 수 있다.
종래의 증기발생기 수위제어계통의 제어 논리 구성도는 주제어신호를 기초로 주제어밸브, 보조제어밸브 및 급수펌프를 구동시키는 제어 신호를 생성함으로써 증기발생기 수위를 설정치 근방에 유지하도록 제어하는 계통이다. 종래의 증기발생기 수위제어계통은 기 설정된 용량 예를 들어, 20% 이상의 고출력에서 주제어밸브만을 조절함으로써 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)에 의해 정상상태에서 증기발생기 수위의 진동현상이 발생하고 있다.
원전 운전시 주제어밸브의 유지보수를 통해 정지 마찰 현상(stiction)현상이 최소화되도록 노력하고 있으나 뚜렷한 한계가 존재하였다.
따라서, 본 발명의 실시 예들에 따르면, 이 문제를 해결하기 위해 정상상태 운전에서 주제어밸브의 움직임을 최소화 하고 상대적으로 용량이 작은 보조제어밸브로 조절제어를 수행할 수 있는 방법을 제안한다.
이를 통해, 주제어밸브의 교환주기를 증가 시킬 수 있고, 주제어밸브의 교체에 따른 비용을 줄일 수 있다.
종래의 원전의 증기발생기 수위제어계통은 증기발생기 수위, 급수유량 및 증기유량을 입력신호로 비례적분(PI-Proportional Integral)제어기에 의해 자동제어를 수행하여 주제어밸브, 보조제어밸브 및 급수펌프를 구동함으로써 증기발생기 수위를 설정치 근방에 유지하도록 제어한다.
원자로 출력이 높은 영역(예를 들어, 약 20%이상)에서는 보조제어밸브를 일정개도로 고정하여 운전하고 주제어밸브만을 이용하여 수위를 제어할 수 있다.
주제어밸브는 조절 용량이 큰 밸브로서 제어밸브의 일반적인 특징인 정지 마찰 현상(stiction)의 영향이 비교적 크게 나타나고 있다. 그 결과로 APR1400의 경우 원자로출력 100%의 정상상태 운전에서 수위 설정치를 기준으로 약 2~4% 크기의 주기적인 수위의 요동이 발생되고 있다.
증기발생기 주제어밸브 또는 보조제어밸브와 같은 조절제어 밸브들은 히스테리시스(hysteresis), 불감 영역(deadband), 백 래시(backlash) 및 중립 영역(deadzone) 등의 비선형적인 거동특성을 포함하는 정지 마찰 현상(stiction)을 갖는다.
주제어밸브 또는 보조제어밸브 등의 조절제어 밸브들은 밸브위치 요구신호에 따라서 위치가 조절되는 정확도에는 한계가 있다. 또한, 주제어밸브 또는 보조제어밸브에 대한 정확도의 한계로 인해, 밸브들을 이용한 공정제어 루프를 구성할 경우 밸브의 정지 마찰 현상(stiction)에 의한 공정제어 영향을 최소화할 필요가 있다.
또한, 원전의 증기발생기 수위제어의 경우 20% 이상의 출력준위의 안정상태에서 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)에 의해 소정의 주기로 요동하는 현상이 관찰된다. 좀더 구체적으로, 100% 출력준위에서 최대 +4%의 요동이 관찰될 수 있다. 이는 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)에 의한 결과로 분석된다.
정지 마찰 현상(stiction)을 상세히 설명하자면, 증기발생기 수위의 설정치가 50%이고 현재의 측정값이 46%인 경우, 증기발생기 수위제어계통의 제어부는 증기발생기 수위를 설정치인 50%로 맞추기 위해 출력을 서서히 증가시킬 수 있다. 이런 경우에, 주제어밸브의 개도는 밸브의 정지 마찰 특성(stiction)에 의해 제자리에 머물러 있다가 제어부 출력이 일정 이상 증가할 경우 불연속적인 움직임으로 급속히 새로운 개도로 개방 이동할 수 있다. 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)을 통해, 큰 용량의 주제어밸브의 개도는 증기발생기 수위를 기 설정된 설정치의 평형 상태로 유지하기 위해 요구되는 급수유량보다 많은 급수를 발생시키는 주제어밸브의 개도가 발생할 수 있다. 요구되는 급수유량보다 미소하게 많은 유량이 주제어밸브의 개도로 형성되므로 일정시간이 경과되면 증기발생기의 수위는 증가할 수 있다. 이런 경우, 정해진 설정치인 50%를 초과하여 최대 54%까지 증가하게 될 수 있다.
제어부의 출력을 감소시키고 일정시간 경과 후에 불연속적으로 주제어밸브의 개도로 이동함으로써 요구되는 정도보다 큰 정도로 급수를 줄이게 될 수 있다. 이런 경우, 증기발생기의 수위는 정해진 설정치 보다 낮아지게 된다.
따라서, 100% 출력운전에서 약 2분의 주기로 증기발생기의 수위가 최대 50
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4%의 진폭으로 요동하는 현상이 발생할 수 있다.
이러한 증기발생기의 수위가 일정 이상의 요동을 갖게 되면 수위제어의 허용한계를 위반하거나, 이차계통 열출력 계산에 주요 입력으로 사용되는 급수유량 신호가 비교적 큰 폭으로 진동함으로써 운전 여유도 계산에 영향을 줄 수 있다.
또한 주제어밸브의 정기적인 유지보수를 수행하는 과정에서 밸브의 정지 마찰 현상(stiction)을 최소화하는데 많은 노력과 수고가 필요하다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른, 원자력 발전소에서 수위진동을 방지하기 위한 증기 발생기의 수위제어시스템의 블록도이다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 수위 조절과 관련하여 큰 수위 조절이 없는 정상상태에서는 기 설정된 크기 이상의 급수유량 조절이 필요치 않는 경우에는 상대적으로 조절 용량이 큰 주제어밸브는 평형상태 근방에서 움직임을 멈추도록 하고 조절 용량이 작은 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시 예들에 따르면, 주제어밸브를 조절함에 따른 정지 마찰 현상(stiction) 특성에 의한 공정 제어의 영향을 최소화 할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 과도 상태 발생시 종래의 제어 성능을 확보하면서 정상상태 운전시에는 보조제어밸브를 이용하여 수위 조절을 함으로써, 증기발생기의 수위제어로직의 안정성을 최대화 할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 과도상태가 발생할 경우 급수유량 변화가 크게 요구되므로, 과도상태의 제어모드에서는 조절 용량이 큰 주제어밸브로 급수유량을 제어할 수 있다.
통합 밸브제어논리 장치는 이후 과도상태가 안정화되어 정상상태로 진입하게 되면, 소정의 일정 범위 내의 위치조절 요구신호를 수신하고, 상기 요구신호에 응답하여, 주제어밸브가 움직이지 않고, 보조제어밸브로 조절하게 하는, 불감 정도를 판단하는 기능(deadband)을 포함할 수 있다. 위치조절 요구 신호에는 불감 정도를 판단하는 기능이 추가될 수 있다.
통합 밸브제어논리 장치는 불감 정도를 판단하는 기능(deadband)의 입력 신호(제1 주제어밸브 개도 요구신호) 및 출력 신호(제2 주제어밸브 개도 요구신호) 사이의 차이 값에 비례하여 차이 값에 해당하는 보조제어밸브의 위치를 조절하는 보조제어밸브 개도 보상신호를 생성할 수 있다. 또한, 이런 경우에 통합 밸브제어논리 장치는 기 설치된 보조제어밸브 보상 프로그램을 통해 보조제어밸브 개도 보상 신호를 생성하고, 보조제어밸브 개도 보상 신호를 보조제어밸브로 전송하여 보조제어밸브를 제어한다. 여기서, 보조제어밸브 보상 프로그램은 중앙 위치인 50%를 기준으로
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50% 범위에 해당하는 경우, 주제어밸브를 대체하여 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)이 발생하는 최대 밸브 위치 범위(APR1400의 경우 5%)를 설정하고, 상기 최대 밸브 위치 범위를 기준으로, 불감 정도(deadband)의 범위를 설정할 수 있다. 불감 설정치의 범위는 관리자에 의해 변경 가능하다.
제어부(130)의 원자로 출력의 변화가 기설정된 기준 범위, 예를 들어, 20% 이하일 경우에는 보조제어밸브 만을 이용하여 조절하고, 주제어밸브의 위치는 평형위치 근방에 놓으며, 주제어밸브의 움직임을 멈출 수 있다. 보조제어밸브 만으로 조절하는 경우에는, 주제어밸브 불감도 설정부(161)는 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 생성되지 않을 수 있다. 주제어밸브 불감도 설정부(161)는 제1 주제어밸브 개도 요구 신호에 불감 정도의 설정이 가능한 hysteresis 알고리즘을 적용하여 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 산출할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 주제어밸브에 대한 불감 설정치(deadband)를 예를 들어,
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5%로 설정할 수 있다. 이때, 보조제어밸브 보상 프로그램은 발생된 주제어밸브에 대한 위치 요구신호의 오차 값을 산출할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다. 보조제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)은 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)의 1/5에 불과하며, 주제어밸브에 비해서, 5배의 정밀도를 가지고 수위 제어를 할 수 있다.
보조제어밸브 보상 프로그램은 하나 이상의 연속된 선분으로 구성되며, 각 선분의 입력 데이터는 통합 밸브제어 논리 장치에 의해 제어되는 총 급수유량이 제어부(130)의 출력에 최대한 선형적으로 비례하도록 최적화할 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따르면, 증기발생기 수위제어계통에서는 연속적이고 선형적인 급수유량 제어가 가능할 수 있다. 보조제어밸브 보상 프로그램은 원자로의 출력이 입력신호 처리부(120)는 증기발생기 수위, 급수유량신호, 증기유량신호 및 원자로출력 신호를 이용하여 입력신호를 처리한다.
수위설정치 처리부(110)는 원자로출력을 이용하여 증기발생기의 수위 설정치를 계산한다. 증기발생기의 수위 설정치는 현재 원자로출력을 기초로 최적의 증기발생기의 수위를 말한다.
제어부(130)는 입력신호 처리부(120)와 수위설정치 처리부(110)의 결과값을 이용하여 주제어신호를 생성한다.
급수펌프 속도 결정부(140)는 주제어신호를 바탕으로 급수펌프의 속도를 계산한다. 급수펌프 속도 결정부(140)는 주제어신호를 기초로, 급수펌프의 속도를 산출한다. 이때, 급수펌프 속도 결정부(140)는 주제어신호와 급수펌프의 속도 사이의 대응 관계를 나타내는 테이블, 관계식, 알고리즘 등을 이용하여 주제어신호를 기초로 급수펌프의 속도를 산출할 수 있다.
보조제어밸브 개도 결정부(150)는 주제어신호를 바탕으로 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성한다. 보조제어밸브 개도 결정부(150)는 주제어신호와 보조제어밸브 개도 요구신호 사이의 대응 관계를 나타내는 테이블, 관계식, 알고리즘 등을 이용하여 주제어신호를 기초로 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성할 수 있다.
주제어밸브 개도 결정부(160)는 주제어신호를 바탕으로 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 계산한다. 보조제어밸브 개도 결정부(150)는 주제어신호들과 주제어밸브 개도 요구신호들 사이의 대응 관계를 나타내는 테이블, 관계식, 알고리즘 등을 이용하여 입력된 주제어신호를 기초로 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 생성할 수 있다.
주제어밸브 불감도 설정부(161)는 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 기초로 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 생성할 수 있다. 제2 주제어밸브 개도 요구신호는 설정된 주제어밸브 불감도 설정치 및 주제어밸브 불감 정도를 고려하여 결정될 수 있다. 생성된 제2 주제어밸브 개도 요구신호는 주제어밸브로 전달될 수 있다.
보조제어밸브 개도 보상부(170)는 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 수신하고, 주제어밸브 불감도 설정부(161)에 의해 생성된 제2 주제어밸브 개도 요구신호를 수신하고, 제1 및 제2 주제어밸브 개도 요구신호 사이의 차이값을 보조제어밸브의 개도 조정으로 변환하는 보조제어밸브 개도 보상신호를 생성한다.
보조제어밸브 개도 보상부(170)는 제1 주제어밸브 개도 요구 신호와 제2 주제어밸브 요구 신호의 차이값을 입력으로 하여 출력과의 대응 관계를 나타내는 테이블, 관계식, 알고리즘 등을 이용하여 보조제어밸브의 보상신호를 계산할 수 있다.
보조제어밸브 개도 선택부(151)는 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 수신하고, 보조제어밸브 개도 보상신호를 수신하며, 상기 제1 보조제어밸브 개도 요구신호 및 상기 보조제어밸브 개도 보상신호를 고려하여 보조제어밸브에 전송할 제2 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성한다.
도 3은 본 개시의 실시 예들에 따른 증기 발생기의 수위제어시스템의 블록도이다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 수위 조절과 관련하여 큰 수위 조절이 없는 정상상태에서는 기 설정된 크기 이상의 급수유량 조절이 필요치 않는 경우에는 상대적으로 조절 용량이 큰 주제어밸브는 평형상태 근방에서 움직임을 멈추도록 하고 조절 용량이 작은 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다. 또한, 본 개시의 실시 예들에 따르면, 주제어밸브를 조절함에 따른 정지 마찰 현상(stiction) 특성에 의한 공정 제어의 영향을 최소화 할 수 있다.
본 개시의 실시 예들에 따르면, 과도 상태 발생시 종래의 제어 성능을 확보하면서 정상상태 운전시에는 보조제어밸브를 이용하여 수위 조절을 함으로써, 증기발생기의 수위제어로직의 안정성을 최대화 할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 과도상태가 발생할 경우 급수유량 변화가 크게 요구되므로, 과도상태의 제어모드에서는 조절 용량이 큰 주제어밸브로 급수유량을 제어할 수 있다.
통합 밸브제어논리(10)는 이후 과도상태가 안정화되어 정상상태로 진입하게 되면, 소정의 일정 범위 내의 위치조절 요구신호를 수신하고, 상기 요구신호에 응답하여, 주제어밸브가 움직이지 않고, 보조제어밸브로 조절하게 하는, 불감 정도를 판단하는 기능(deadband)을 포함할 수 있다. 위치조절 요구 신호에는 불감 정도를 판단하는 기능이 추가될 수 있다.
통합 밸브제어논리(10)는 불감도 설정치(불감 정도)를 판단하는 기능(deadband)의 주제어밸브에 대한 입력 신호 및 실제 조절된 결과의 출력 신호 사이의 차이 값에 비례하여 차이 값에 해당하는 보조제어밸브의 위치를 조절할 수 있다. 또한, 이런 경우에 통합 밸브제어논리(10)는 기 설치된 보조제어밸브 보상 프로그램을 통해 보조제어밸브를 제어한다. 여기서, 보조제어밸브 보상 프로그램은 중앙 위치인 50%를 기준으로
Figure 112022098895917-pat00004
50% 범위에 해당하는 경우, 주제어밸브를 대체하여 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)이 발생하는 최대 밸브 위치 범위(APR1400의 경우 5%)를 설정하고, 상기 최대 밸브 위치 범위를 기준으로, 불감도 설정치(deadband)의 범위을 설정할 수 있다. PI 제어기(6')의 출력의 변화가 기설정된 기준 범위, 예를 들어,
Figure 112022098895917-pat00005
5% 범위 이내로 변할 경우에는 보조제어밸브 만을 이용하여 조절하고, 주제어밸브의 위치는 평형위치 근방에 놓으며, 주제어밸브의 움직임을 멈출 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 주제어밸브에 대한 불감 정도(deadband)를 예를 들어, 5%로 설정할 수 있다. 이때, 보조제어밸브 보상 프로그램은 발생된 주제어밸브에 대한 위치 요구신호의 오차 값을 산출할 수 있다.
본 실시 예들에 따르면, 보조제어밸브를 이용하여 조절제어를 수행할 수 있다. 보조제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)은 주제어밸브의 정지 마찰 현상(stiction)의 1/5에 불과하며, 주제어밸브에 비해서, 5배의 정밀도를 가지고 수위 제어를 할 수 있다.
보조제어밸브 보상 프로그램은 하나 이상의 연속된 선분으로 구성되며, 각 선분의 입력 데이터는 통합 밸브제어 논리(10)에 의해 제어되는 총 급수유량이 PI 제어기(6)의 출력에 최대한 선형적으로 비례하도록 최적화할 수 있다. 본 개시의 실시 예들에 따르면, 증기발생기 수위제어계통에서는 연속적이고 선형적인 급수유량 제어가 가능할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 수위설정치 처리부 120: 입력신호 처리부
130: 제어부 140: 급수펌프 속도 결정부
150: 보조제어밸브 개도 결정부 160: 주제어밸브 개도 결정부

Claims (4)

  1. 증기발생기 현재 수위, 급수유량신호, 증기유량신호 및 원자로출력 신호를 이용하여 입력신호를 처리하는 입력신호 처리부;
    원자로 출력을 이용하여 수위 설정치를 계산하는 수위설정치 처리부;
    상기 입력신호 처리부와 상기 수위설정치 처리부의 결과값을 이용하여 주제어신호를 생성하는 제어부;
    상기 주제어신호를 기초로 급수펌프의 속도를 계산하는 급수폄프 속도 결정부;
    상기 주제어신호를 기초로 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 보조제어밸브 개도 결정부;
    상기 주제어신호를 기초로 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 계산하는 주제어밸브 개도 결정부;
    기 설정된 주제어밸브 불감도 설정치(deadband) 및 상기 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 고려하여, 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 생성하고, 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 주제어밸브로 전송하는 주제어밸브 불감도 설정부;
    상기 주제어밸브 불감도 설정부에 의해 수정된 제2 주제어밸브 개도 요구신호와 제1 주제어밸브 개도 요구신호 사이의 차이값을 보조제어밸브의 개도 조정으로 변환하는 보조제어밸브 개도 보상신호를 생성하는 보조제어밸브 개도 보상부; 및
    상기 제1 보조제어밸브 개도 요구신호와 상기 보조제어밸브 개도 보상신호를 고려하여 보조제어밸브에 전송할 제2 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 보조제어밸브 개도 선택부;를 포함하고,
    상기 주제어밸브 불감도 설정치는,
    주제어밸브의 정지 마찰 현상이 발생하는 최대 밸브 위치 범위를 기준으로 범위로 설정되며, 관리자에 의해 변경 가능한 것인, 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주제어밸브 불감도 설정부는
    상기 제1 주제어밸브 개도 요구 신호에 불감도 설정치의 설정이 가능한 hysteresis 알고리즘을 적용하여 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 산출하는, 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치.
  3. 입력신호 처리부, 수위설정치 처리부, 제어부, 급수펌프 속도 결정부, 보조제어밸브 개도 결정부, 주제어밸브 개도 결정부, 주제어밸브 불감도 설정부, 보조제어밸브 개도 보상부, 보조제어밸브 개도 선택부를 포함하는 통합 제어논리 장치의 방법에 있어서,
    상기 입력신호 처리부가 증기발생기 수위, 급수유량신호, 증기유량신호 및 원자로출력 신호를 이용하여 입력신호를 처리하는 단계;
    상기 수위설정치 처리부가 원자로출력을 이용하여 수위 설정치를 계산하는 단계;
    상기 제어부가 상기 입력신호 처리부와 상기 수위설정치 처리부의 결과값을 이용하여 주제어신호를 생성하는 단계;
    상기 급수펌프 속도 결정부가 상기 주제어신호를 바탕으로 급수펌프의 속도를 계산하는 단계;
    상기 보조제어밸브 개도 결정부가 상기 주제어신호를 바탕으로 제1 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 단계;
    상기 주제어밸브 개도 결정부가 상기 주제어신호를 바탕으로 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 계산하는 단계;
    상기 주제어밸브 불감도 설정부가 기 설정된 주제어밸브 불감 설정치(deadband) 및 상기 제1 주제어밸브 개도 요구신호를 고려하여, 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 생성하고, 제2 주제어밸브 개도 요구 신호를 주제어밸브로 전송하는 단계;
    상기 보조제어밸브 개도 보상부가 상기 주제어밸브 불감도 설정부에 의해 수정된 제2 주제어밸브 개도 요구신호와 제1 주제어밸브 개도 요구신호 사이의 차이값을 보조제어밸브의 개도 조정으로 변환하는 보조제어밸브 개도 보상신호를 생성하는 단계; 및
    상기 보조제어밸브 개도 선택부가 상기 제1 보조제어밸브 개도 요구신호와 상기 보조제어밸브 개도 보상신호를 고려하여 보조제어밸브에 전송할 제2 보조제어밸브 개도 요구신호를 생성하는 단계;를 포함하고,
    상기 주제어밸브 불감도 설정치는,
    주제어밸브의 정지 마찰 현상이 발생하는 최대 밸브 위치 범위를 기준으로 범위로 설정되며, 관리자에 의해 변경 가능한 것인, 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치의 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 주제어밸브 개도 요구 신호와 제2 주제어밸브 요구 신호의 차이값을 입력으로 하여 출력과의 대응 관계를 나타내는 테이블, 관계식, 알고리즘 등을 이용하여 보조제어밸브의 보상신호를 계산하는 단계를 더 포함하는, 원자력발전소 증기발생기 수위 제어를 위한 주제어밸브와 보조제어밸브의 통합 제어논리 장치의 동작 방법.
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