KR20010021738A - 운전 정지 냉각 펌프의 와류 탐지 시스템 - Google Patents

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Abstract

원자력 발전소의 미드루프 작동(midloop operation) 동안에 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프(32)의 공기 와류 및 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 시스템 및 방법에서, 상기 발전소는 배출 파이프의 하부 영역으로부터 배출 펌프(33)에 연결된 배출 파이프(28)를 구비하는 수평의 열관(hot leg)(18)을 포함하며, 유동 공백에 의해 유량계 초음파 신호에 발생하는 두절 현상을 측정하고 탐지하기 위해서 휴대 가능한 클램프-온(clamp-on) 초음파 유량계의 트랜스듀서(transducer)(42)를 배출 파이프(28)에 부착하는 단계, 및 상기 두절된 신호에 의해 촉발되는 원격 경보 장치를 제공하는 단계를 포함한다.

Description

운전 정지 냉각 펌프의 와류 탐지 시스템{SHUTDOWN COOLING PUMP VORTEX DETECTION SYSTEM}
가압수형 원자로(PWR : pressurized water reactor) 타입의 원자력 발전소에서, 기본적으로 붕소와 물로 이루어진 냉각제 유체는 원자로와 하나 또는 그 이상의 증기 발생기 사이의 폐쇄 순환 루프를 통해서 지속적으로 이송된다.
전력 생산이 이루어지는 동안, 가압 냉각제는 원자로에서 일어나는 열핵반응(thermonuclear)에 의해서 방출되는 열을 흡수한다. 그리고 나서 가열된 냉각제는 적절하게는 순환 루프의 "열관(hot leg)"이라고 공지된 주 파이프를 통해서 흐른다. 이 열관은 고온의 냉각제를 증기 발생기로 운반한다.
증기 발생기에서, 냉각제 유체는 열 교환기를 통해 순환한다. 열 교환기는 냉각제 유체를 냉각시키며, 냉각제로부터 제거된 열을 증기를 발생시키는데 사용한다. 이 증기는 결국 터빈을 구동하며, 전기를 발생시키는데 사용된다.
순환 냉각제가 열 교환기에 의해서 냉각되고 난 후에, 순환 펌프가 "흡입관(suction leg)"를 통해서 증기 발생기로부터 냉각제를 제거하며, "냉관(cold leg)"과 입구를 통해서 냉각제를 원자로로 귀환시킨다. 그리고 나서 냉각제는 원자로에서 재가열되며, 상기 사이클을 반복하게 된다.
하나 또는 그 이상의 루프를 통한 냉각제의 이와 같은 순환은 발전소의 작동에 있어서 상당히 중요하다. 순환 냉각제는 터빈을 구동하기 위해 증기를 발생시키는데 에너지가 사용되는 증기 발생기로 열 에너지를 운반할 뿐만 아니라, 순환 냉각제는 원자로의 노심(reactor core)이 과열되는 것을 또한 방지한다.
증기 발생기를 포함하여 원자력 발전소 시스템은 정기적인 정비를 필요로 한다. 특히, 유체 순환 시스템은 잠재적인 기능 저하 여부가 점검되어야 하며, 점검 및 정비가 건조 환경에서 이루어지도록 하기 위해서 노즐 댐(nozzle dam)이 증기 발생기에 설치되고 또한 제거되어야 한다.
노즐 댐을 설치하고 제거하기 위해서, 냉각제 유체는 증기 발생기로부터 배출되어야 한다. 이는 주 순환 루프, 및 결과적으로 열관 또는 주 파이프에 있는 유체의 높이를 낮추는 것을 요한다. "운전 정지"라 명명되는 상기와 같은 정비 기간 동안, 냉각제는 원자로 노심의 붕괴 열(decay heat)에 의해서 지속적으로 가열되지만, "운전 정지 냉각 시스템"으로 공지된 다른 열 교환기 및 보조 순환 시스템에 의해 냉각된다.
낮아진 물의 높이보다 위의 시스템 부분에서 정비 작업이 이루어지도록 운전 정지 원자로 시스템의 냉각제 또는 물의 높이를 낮추기 위해서, 물의 높이는 최소 높이로, 그리고 유동 속도는 적절한 노심 냉각을 지속적으로 제공할 수 있도록 제어되고 유지되어야 한다. 상기 최소 높이는 원자로 냉각제 시스템 주 루프 배관(열관)내의 거의 중간 지점이 되며, 일반적으로 "미드루프(midloop)"라 일컬어진다.
미드루프 작동이 이루어지는 동안, 냉각제 물은 노심을 냉각시키기 위해서 시스템을 통해서 순환된다. 전형적으로, 운전 정지 냉각 시스템에서 다른 열 교환기에 의해서 냉각시키고 뒤이어서 냉각된 물을 원자로 입구 및 그 결과 노심으로 재순환 시키기 위해, 노심으로부터 가열된 물을 흡입하기 위해서 하나 또는 그 이상의 주 루프 파이프 또는 관의 하부 영역과 통하도록 되어있는 배출 라인 또는 라인들이 존재한다.
만약 물의 높이가 너무나 아래로 낮아지게 되면, 또는 배출 유동 속도가 너무 높게 되면, 미드루프 작동이 이루어지는 동안 배출 라인에 코리올리 효과의 와류가 형성되는 것을 겪을 수 있다. 상기와 같은 와류는 시스템으로부터 배출될 수 있는 냉각제의 유동 속도를 제한하며, 결국에는 배출 펌프 내에 공동화 현상을 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 상기 두 가지 결과는 노심의 지속적인 냉각에 우려를 야기한다.
와류의 발생을 방지하기 위한 현재의 방법은 물의 높이를 가능한 한 높이 유지하고, 및/또는 유동 속도를 줄이는 것을 시도하게 되는데, 이는 정비 업무를 위해 물의 높이를 낮추어야 하는 필요성과 안전한 노심 냉각을 위해서 물의 높이를 높게 유지하고 충분한 유동 속도를 유지해야 하는 필요성의 사이에서 상충하게 된다.
사용되는 미드루프 측정 시스템은 물의 높이 탐지 및 상기 시스템의 와류의 상태 추정과 관련된다. 본 출원과 동일한 양도인에게 양도되고 1997년 1월 15일 출원된, 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호 제 08/783,978호는 주 파이프 또는 열관에 인접한 배출 파이프 내에 와류 차단기(vortex breaker)를 삽입함으로써 펌프의 공동화 현상을 감소시키는 시스템을 위한 것이다.
원자력 발전소에서, 많은 관심이, 특히 원자로 냉각제 시스템의 미드루프 물 높이 작동 중 운전 정지 냉각 시스템의 신뢰성에 주어졌다. 전형적인 가압수형 원자로(PWR) 원자력 증기 공급 시스템에서, 예를 들면 증기 발생기 노즐 댐의 설치와 제거를 위한 미드루프 작동은 매우 어려운 작동 과정일 수 있다. 전형적으로, 실제 물 높이의 허용된 공차는 거의 ±1 inch(약 25.4mm)이다. 발전소의 조작자는 상기 물 높이를 수동으로 제어해야 한다. 현재 사용되는 계기는 평균적인 원자로 냉각 시스템(RCS : reactor coolant system)의 물 높이와 운전 정지 냉각 펌프의 유동만을 측정한다.
상기 RCS의 물 높이 측정 정확도는 사용되는 계기의 기술 수준과, 온도, 압력 및 붕산 농도와 같은 공정 파라미터(process parameter) 변화에 의해서 제한된다. 운전 정지 냉각 펌프 유동 측정 경보는 공기가 이미 펌프로 들어가고 나서야 발생하며, 그래서 이는 공기 와류의 발생을 방지하는데 사용될 수 없다.
본 발명은 원자력 발전소의 운전 정지 냉각 시스템의 배출 펌프에 공기 와류와 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상(coriolis effect vortex-created cavitation)의 탐지 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 운전 정지 냉각 시스템과, 명료함을 위해서 하나의 증기 발생기에만 연결되어 도시된 배출 장치를 구비하는 두 개의 증기 발생기를 갖는 원자력 발전소를 도시하는 사시도.
도 2는 공기 와류와 코리올리 효과의 와류에 의해 야기되는 공동화 현상 탐지 시스템, 및 본 발명의 경보 장치가 부착되고 사용될 때의 도 1의 열관 및 배출 파이프의 일부분을 도시하는 부분 확대 단면도.
본 발명은 원자력 발전소의 운전 정지 냉각 시스템을 위한 것인데, 상기 시스템의 주 파이프 또는 열관 하부 영역에는 보조 열 교환기를 통해서 및 원자로의 입구로 다시 열관 유동의 일부를 순환시키기 위한 배출 장치와 펌프가 제공된다. 적절한 미드루프 물 높이를 형성하도록 물을 배출하기 위해 열 교환기를 바이패스(by-pass)하기 위한 장치가 또한 제공된다(미도시됨). 어떠한 경우라도, 배출 펌프는 증기 발생기의 정비를 위해 물 루프를 원하는 높이가 되도록 배출하고, 또한 냉각제를 운전 정지 냉각 시스템의 일부분인 원자로 노심으로 재순환시킨다. 따라서, 배출 펌프의 효율적인 성능은 필수적이다.
열관 배출 펌프에서 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 펌프의 공동화 현상은 배출 펌프의 유동 속도를 떨어뜨리고, 원하는 높이가 되도록 하는 과정을 지연시킴으로써 효율을 저하시킨다. 또한, 펌프의 공동화 현상은 냉각제를 운전 정지 냉각 시스템에 적절하게 순환시키는 펌프의 기능을 저하시킬 우려가 있다. 그래서, 펌프의 효율적인 성능은 필수적이다.
본 발명은 운전 정지 냉각의 전체 손실을 초래할 수도 있는 운전 정지 냉각 시스템 배관의 와류에 의해서 비말 동반되는(entrained) 공기의 직접 탐지를 제공한다는 점에서 독특하다. 조정 작업이 시기 적절한 방법으로 취해지도록, 위험스러울 정도로 낮은 원자로 냉각 시스템의 물 높이 조건을 원자력 발전소 조작자에게 경보해 주는데 추가적인 계기 시스템이 사용된다.
새로운 시스템 및 방법이 상업적으로 이용 가능한 휴대할 수 있는 클램프-온(clamp-on) 초음파 유량계에 존재하는 공기 와류의 탐지를 위해 사용된다. 이와 같은 계기는 공기 와류의 탐지를 위해 장착되며, 조작 담당자에게 구내 및 원거리 경보를 제공한다. 공기 와류는 유량계의 초음파 신호의 두절을 발생시키는 유동 공백(void)의 측정에 의해서 탐지된다. 경보는 각각의 신호 두절에 의해 촉발된다.
현재 사용되는 물 높이 측정 장치의 정확도는 온도, 압력 및 붕산 농도의 공정 파라미터 변화에 따라 달라진다. 그래서, 현재의 시스템에서는, 경보 목적의 운전 정지 냉각 펌프 유동 측정은 공기가 이미 펌프에 들어가고 난 후에야 이루어진다. 그래서, 상기 시스템은 공기 와류의 발생을 방지하는데 사용될 수 없다. 현재의 물 높이 및 펌프 유동 측정 장치를 갖는 본 발명의 시스템을 사용함으로써, 발전소의 조작자는 전체적으로 향상된 와류 발생 방지 시스템을 구비하게 되는데, 이는 잠재적으로 발전소의 위험한 상황, 및 이에 수반되는 광범위한 통제적인 정밀 검사 및 서류 작업을 피할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명을 병합한 원자력 발전소를 도시한다. 도면 번호 10은 일반적으로 물이 원자로(12)와 두 개의 증기 발생기(14, 16) 각각의 사이의 폐쇄 순환 루프를 통해서 지속적으로 이송되는 가압수형 원자로 타입의 발전소를 지칭한다.
원자로(12)로부터의 물 냉각제는 주 파이프 또는 열관(18)을 통해서 각 증기 발생기(14, 16)로 흐르는데, 이들 증기 발생기 각각은 유사한 배관을 갖는다.
예시를 위해서, 증기 발생기(16)의 경우에, 냉각 시스템의 순환 펌프(20)는 증기 발생기에서 냉각된 물을 흡입관 파이프(22)를 통해서, 및 냉관(24)과 입구(26)를 통해서 다시 원자로(12)로 순환시킨다.
운전 정지 냉각 시스템의 배출 파이프(28)는 실질적으로 수평의 주 파이프 또는 열관(18)의 하부 영역과 교차한다. 상기 주 파이프(18)의 하부 영역 내에 와류(30)가 존재한다.
주 파이프(18)로부터 배출 파이프(28)로의 유동은 와류(30)를 형성하는데, 상기 와류는 주 파이프(18)로부터 직접적인 유체 전달 관계를 갖는 배출 펌프(33)에 공동화 현상을 야기하며, 이곳에서 상기 와류는 주 파이프(18)의 하부 영역과 교차한다. 상기 와류(30)는 공백과 공동화 현상(32)을 발생시킴으로써 배출 파이프(28)와 배출 펌프(33)의 유동 속도를 억제한다. 배출 펌프(33)는 운전 정지 냉각 시스템의 물 냉각 기능을 수행하기 위해서 도관(28')을 통해서 상기 도관 하류의 보조 열 교환기(34)로 물을 방출한다.
배출 파이프 부분(28")에 있는 밸브(36)에 의해서 열 교환기(34)의 물은 배출 장치(38)로 또는 파이프(40) 부분으로 유도되는데, 상기 파이프는 운전 정지 기간 동안 또는 안전상의 이유로 보조 열 교환기의 용량이 요구되는 긴급한 경우에 노심을 냉각시키도록 원자로(12)의 입구(26)를 통해서 재순환시키기 위해서 주 파이프 냉관(24)에 연결된다.
도 2에서, 주 파이프(18)와 배출 파이프(22)의 결합부에 와류(30)가 확대되어 도시되어 있다. 미드루프 작동을 위한 주 파이프(18)의 냉각제의 전형적인 높이가 도면 번호 31로 지칭되어 있다. 와류(30)로부터 비말 동반되는 공기는 배출 파이프(28)와 펌프(33)에 공백과 공동화 현상(32)을 발생시킨다.
휴대 가능한 클램프-온 초음파 유량계(40)는 트랜스듀서(transducer)이며, 끈(strap) 또는 체인(44)에 의해 배출 파이프(28)에 부착된 센서를 구비한다. 트랜스듀서 케이블(46)은 내부에 장착된 구내 경보 장치(48), 및 미드루프 작동의 냉각제 유동 높이(31)를 조절하고 제어하는데 일조하기 위해 제어실에 위치될 수 있는 원격 경보 장치(50)를 구비하는 유량계(40)에 연결된다.
선호되는 클램프-온 휴대용 유량계는 뉴욕 11788, 호포우지(Haupauge), 플랜트 에버뉴 155번지 소재의 컨트롤로트론(Controlotron) 사로부터 구입 가능한 컨트롤로트론 시스템 1010 DP이다. 상기 유량계는 브로우셔에 1010DP-1로 지정되어 있으며, 한 부가 여기에 첨부되어 있고, 본 개시의 일부로 인정된다.
본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범주에서 벗어남이 없이, 많은 변형과 변경이 당업자에게 분명하게 되고, 기대될 수 있다.

Claims (5)

  1. 원자력 발전소의 미드루프 작동(midloop operation) 동안에 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프의 공기 와류 및 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 시스템에 있어서,
    원자로로부터 증기 발생기로 냉각제를 유도하는 주 파이프로서, 실질적으로 수평이며 상부 영역과 하부 영역을 구비하는, 상기 주 파이프와,
    상기 하부 영역으로부터 배출 펌프로 냉각제를 유도하기 위해 상기 주 파이프의 하부 영역에 연결된 배출 파이프와,
    유량계 신호의 유동 공백에 의해 발생하는 두절 현상(flow-void-created-disruption)을 측정하고 탐지하기 위해서 상기 주 파이프와 상기 배출 펌프 사이의 상기 배출 파이프에 센서가 부착된 휴대 가능한 클램프-온(clamp-on) 초음파 유량계, 및
    상기 두절된 신호에 의해 촉발되는 경보 장치를 포함하는, 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프의 공기 와류 및 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 경보 장치는 상기 주 파이프 내의 냉각제 레벨을 유지함으로써 정확한 미드루프 작동을 허용하도록 상기 유량계로부터 원거리에 있는, 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 휴대 가능한 클램프-온 초음파 유량계는 상업적으로 이용 가능한 제품인, 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 시스템.
  4. 원자력 발전소의 미드루프 작동 동안에 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프의 공기 와류와 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 방법으로서, 상기 발전소는 원자로로부터 증기 발생기로 냉각제를 유도하기 위한 주 파이프를 포함하는데, 상기 주 파이프는 실질적으로 수평이며, 또한 상부 영역 및 하부 영역으로부터 배출 펌프로 냉각제를 유도하기 위해 상기 주 파이프의 상기 하부 영역에 연결된 배출 파이프를 구비하는 상기 하부 영역을 구비하는, 상기 원자력 발전소의 미드루프 작동 동안에 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프의 공기 와류와 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 방법에 있어서,
    휴대 가능한 클램프-온 초음파 유량계의 센서를 상기 주 파이프와 상기 배출 펌프 사이의 상기 배출 파이프에 부착하는 단계와,
    상기 유량계의 초음파 신호에 유동 공백에 의해 발생하는 두절 현상을 측정하고 탐지하는 단계, 및
    상기 두절된 신호에 의해 촉발되는 경보 장치를 제공하는 단계를 포함하는, 원자력 발전소의 미드루프 작동 동안에 운전 정지 냉각 시스템 배출 펌프의 공기 와류 및 코리올리 효과의 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 경보 장치에 응답하여 상기 주 파이프의 미드루프 작동 냉각제 유동 레벨을 조절하는 단계를 포함하는, 와류에 의해 발생하는 공동화 현상을 탐지하는 방법.
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