KR20010038695A - 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 관한 것으로, 원자로의 운전을 정지시킬 조건이 되면 스위치기어부에서 제어봉제어부로 인가되는 전원을 차단함과 동시에 전원차단감지신호를 발생하고 이 전원차단감지신호를 소정시간동안 지연시켜 발전소제어부로 인가함으로써, 원자로가 정지된 다음 소정시간 후에 터빈을 정지시킨다.

따라서, 원자로 정지 후 터빈이 정지될 때까지의 소정시간동안 터빈의 회전에 의해 발전기로부터 전력이 생산되어 노심냉각수단의 펌프로 공급되므로 원자로의 노심이 충분히 냉각될 수 있는 소정시간동안 냉각재가 순환되어 원자로를 안전하게 정지시킬 수 있다.

Description

신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치{APPARATUS FOR SAFETY STOPPING OPERATION OF TURBINE IN NUCLEAR POWER PLANT BY USING SIGNAL DELAY CIRCUIT}

본 발명은 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 관한 것으로, 원자로가 정지한 후 소정의 지연시간이 경과된 다음 터빈을 정지시킴으로써, 원자로가 정지될 때 전원공급의 중단에 의해 냉각재를 순환시키는 펌프의 구동이 동시에 정지되는 사고를 미연에 방지할 수 있는 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력발전설비는, 그 노심(爐心, Core)에서 핵연료(예를 들면, 우라늄 등)의 연쇄반응에 의해 열을 발생하는 원자로(原子爐, Nuclear Reactor)와, 냉각재를 순환시켜 상기 원자로의 노심에서 발생된 열을 흡수하여 하기의 증기발생기로 전달하는 노심냉각수단과, 이 노심냉각수단에 의해 전달되는 열에 의해 증기를 발생하는 증기발생기와, 이 증기발생기에서 발생되는 증기에 의해 회전되는 터빈과, 이 터빈이 회전될 때 발생되는 회전력을 이용해 전력을 생산하는 발전기로 구성된다.

여기서, 상기 노심냉각수단은, 냉각재를 순환시키기 위한 적어도 하나 이상의 펌프와, 원자로에서 가열된 냉각재가 상기 증기발생기로 공급되는 통로로서의 고온관과, 상기 증기발생기에서 열교환된 후 온도가 낮아진 냉각재가 다시 원자로로 유입되는 통로로서의 저온관과, 관로내의 냉각재를 소정압력(가압경수로형의 예를 들면, 대략 160 기압정도)이상으로 유지되도록 가압하여 냉각재의 비등을 방지하는 가압기 등으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 원자력발전설비는, 설계기준사고가 발생되면 제어봉을 원자로의 노심속으로 자유 낙하시켜 노심 내의 핵분열을 중단시킴과 동시에 터빈을 정지시켜 원자로의 운전을 정지하게 되는데, 이와 같이 원자력발전설비의 터빈에 대한 운전을 정지하는 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 대해 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치는, 원자로운전정지신호발생수단(100)과, 적어도 하나 이상의 모터발전부(Motor Generator Set; 이하, "MGS"라 약칭함, 110, 111)와, MGS-전원출력부(120)와, 복수의 스위치기어부(130∼133)와, 제어봉구동부(140)와, 발전소제어부(150) 및, 터빈제어부(160)로 구성된다.

상기 원자로운전정지신호발생수단(100)은, 원자로의 주요 상수들(예를 들면, 가압기 압력, 증기발생기 수위 등)이 설정치를 초과하면 원자로정지신호를 발생하는 것으로, 복수의 바이스테이블(Bistable; 10∼13)과 복수의 논리조합부(20∼25)와 복수의 조합계전기(Matrix Relay; 30∼35)와 복수의 개시계전부(40∼43)로 구성된다.

상기 복수개의 바이스테이블(10∼13)은 도시생략된 각 센서들(예를 들면, 가압기 압력감지센서, 증기발생기 수위감지센서 등)로부터 각각 원자로의 주요 상수들에 대한 측정신호를 입력받아 각 측정치가 원자로정지조건의 설정치에 도달되면 각각의 도시생략된 계전기(Relay)를 여자(勵磁)시킨다.

상기 복수의 논리조합부(20∼25)는 각기 다른 2채널의 바이스테이블에 연결된 2채널의 바이스테이블측 계전기가 모두 여자되면 각각에 연결된 복수개의 조합계전기(30∼35)를 각기 여자시킨다.

상기 복수의 개시계전부(40∼43)는 상기 복수의 조합계전기(30∼35)와 각기 연결되어 상기 복수의 조합계전기(30∼35) 중 소정갯수(예를 들면, 2개 정도) 이상이 여자되면 원자로정지신호를 발생한다.

한편, 상기 복수의 MGS(110, 111)는 제어봉구동부(140)로 소정형태의 전원(예를 들면, 3상 교류전원)을 발생하여 인가하며, 상기 MGS 출력전원부(120)는 MGS(110, 111)에서 발생된 전원을 소정의 제어수단(예를 들면, 다중보호다중독립채널제어부)으로부터의 제어신호에 의해 선택적으로 출력한다.

상기 복수의 스위치기어부(130∼133)는, 상기 복수의 개시계전부(40∼43) 각각으로부터 인가되는 각각의 원자로운전정지신호에 의해 동작되어 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(140)로 인가되는 전원을 차단한다.

상기 제어봉구동부(140)는 MGS(110, 111)로부터 인가되던 전원이 차단되면 제어봉을 원자로의 노심내로 자유낙하시켜 원자로의 운전을 정지시키며, MGS(110, 110)와 연결된 전원라인의 전압레벨을 검출하여 검출된 전압레벨이 소정레벨 미만의 저전압이면 전원차단감지신호를 발생하는 복수의 저전압계측기(141∼144)를 포함한다.

상기 발전소제어부(150)는 상기 제어봉구동부(140)에 포함된 복수의 저전압계측기(141∼144) 중 소정비율(예를 들면, 2/4 정도) 이상의 저전압계측기(141∼144)로부터 전원차단감지신호가 입력되면 터빈을 정지시키기 위한 터빈정지신호를 출력한다.

상기 터빈제어부(160)는 상기 발전소제어부(150)로부터 터빈정지신호가 출력되면 터빈을 정지시킨다.

이와 같이 구성된 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 대한 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 원자로의 주요 상수들(예를 들면, 가압기 압력, 증기발생기 수위 등)이 설정치를 초과하면 원자로정지신호발생수단(100)으로부터 복수의 스위치기어부(130∼133)로 원자로운전정지신호가 인가된다.

원자로정지신호발생수단(100)으로부터 복수의 스위치기어부(130∼133)로 원자로운전정지신호가 인가되면, 복수의 스위치기어부(130∼133) 각각은 내장된 스위칭소자를 오프시켜 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(140)로 인가되는 전원을 차단한다.

상기와 같이 복수의 스위치기어부(130∼133)에 의해 MGS(110, 111)로부터 인가되던 전원이 차단됨에 따라 제어봉구동부(140)에서는 제어봉을 원자로의 노심내로 자유낙하시키고, 제어봉이 자유낙하됨에 따라 원자로 노심 내의 핵반응이 중단되어 원자로가 정지한다.

이와 동시에 제어봉구동부(140) 내의 각 저전압계측기(141∼144)로부터 전원차단감지신호가 발전소제어부(150)로 인가되며, 발전소제어부(150)에서는 복수의 저전압계측기(141∼144) 중 소정비율이상의 저전압계측기로부터 전원차단감지신호가 입력되면 터빈제어부(160)로 터빈정지신호를 인가한다.

터빈제어부(160)에서는 상기 발전소제어부(150)로부터 인가되는 터빈정지신호에 의해 터빈을 정지시키며, 터빈이 정지됨에 따라 발전기로부터 전력생산이 중단된다.

즉, 제어봉의 낙하에 의해 원자로가 정지됨과 동시에 터빈이 정지하여 전력생산이 중단되는 것이다.

한편, 터빈이 정지하여 전력생산이 중단되면 전력계통에 남아있는 소외전원이 노심냉각수단으로 공급되어 펌프가 계속 구동됨으로써, 원자로가 정지된 후에도 냉각재가 계속적으로 순환하여 원자로의 노심온도가 핵연료의 건전성을 유지하기에 적합한 온도로 낮아지게 되어 있다.

상기한 바와 같이 종래의 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에서, 원자로가 정지됨과 동시에 터빈을 정지시켜 전력생산이 중단되도록 한 것은, 원자로가 정지됨과 동시에 터빈이 정지되더라도 원자로 노심이 충분히 냉각될 수 있는 소정시간동안 전력계통에 남아있는 소외전원이 노심냉각수단의 펌프로 공급될 수 있다는 가정에 의한 것이다.

그러나, 전력계통의 전력공급라인이 불안정할 경우에는 소외전원이 펌프로 공급되지 못하고 도중에 상실될 수 있으며, 특히 원자력발전설비에 있어서 전력계통은 여타의 다른 설비에 비해 상대적으로 부품의 신뢰성이 낮은 비안전계통으로 분류되어 설치 운영되기 때문에 터빈정지 후에 소외전원이 소정시간동안 유지됨을 완전하게 보장할 수 없다.

상기와 같은 전력계통의 불안정성으로 인해 원자로 및 터빈이 정지된 다음 소외전원이 노심을 냉각시키기에 충분한 시간동안 유지되어 노심냉각수단의 펌프로 공급되지 못하면, 냉각재가 순환되지 못함에 따라 노심온도가 상승하여 노심 내의 핵연료에 대한 건전성에 부정적인 영향을 미친다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로, 원자로가 정지된 후에도 터빈을 소정의 지연시간동안 계속해서 동작시켜 전력이 생산되도록 함으로써, 소외전원이 상실되더라도 노심냉각수단의 펌프로 전원을 안정적으로 공급하여 원자로의 노심을 냉각시킬 수 있게 하는 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 대한 개략적인 블록구성도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 대한 개략적인 블록구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 스위치기어부의 일실시예를 보인 개략적인 블록구성도이다.

도 4는 도 2에 도시된 스위치기어부의 다른 실시예를 보인 개략적인 블록구성도이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

100: 원자로운전정지신호발생수단 110∼111: 모터발전부

150: 발전소제어부 160: 터빈제어부

200∼230: 스위치기어부 310: 저전압계측기

320: 신호지연회로부 330: 전류계측기

400: 제어봉구동부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치는, 소정의 제어수단으로부터 원자로정지신호가 입력되면 스위치기어부가 제어봉구동부로 인가되던 전원을 차단하여 원자로를 정지시킴과 동시에 전원차단감지수단에서 상기 전원의 차단상태에 상응하게 전원차단감지신호를 발생하여 이에 의해 터빈이 정지되는 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 있어서, 상기 전원차단감지수단은 상기 스위치기어부에 설치되고, 상기 스위치기어부는 상기 전원차단감지수단에서 발생된 전원차단감지신호를 소정시간동안 지연시켜 출력하는 신호지연회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 대한 개략적인 블록구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 안전 운전정지장치는, 원자로운전정지신호발생수단(100)과, 적어도 하나 이상의 MGS(110, 111)와, MGS-전원출력부(120)와, 복수의 스위치기어부(200∼230)와, 제어봉구동부(400)와, 발전소제어부(150) 및, 터빈제어부(160)로 구성된다.

상기 원자로운전정지신호발생수단(100)은, 원자로의 주요 상수들(예를 들면, 가압기 압력, 증기발생기 수위 등)이 설정치를 초과하면 각각 원자로운전정지신호를 출력하며, 상기 복수의 MGS(110, 111)는 제어봉구동부(400)로 소정형태의 전원(예를 들면, 3상 교류전원)을 발생하여 인가한다.

상기 MGS 출력전원부(120)는 MGS(110, 111)에서 발생된 전원을 소정의 제어수단(예를 들면, 다중보호다중독립채널제어부)으로부터의 제어신호에 의해 선택적으로 출력한다.

상기 복수의 스위치기어부(200∼230)는, 상기 운전정지신호발생수단(100)으로부터 인가되는 각각의 원자로운전정지신호에 의해 동작되어 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 인가되는 전원을 차단함과 동시에, 이러한 전원의 차단을 감지하여 전원차단감지신호를 발생한 다음 이를 소정시간동안 지연시켜 발전소제어부(150)로 입력하는 것으로 이에 대한 일실시예는 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3에 있어서, 상기 스위치기어부(200)에는 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 연결되는 3상전원라인(U, V, W)을 스위칭하는 복수의 스위칭소자(SW1∼SW3)와, 상기 3상전원라인(U, V, W)의 전압을 후술될 저전압계측기(310)로 선택적으로 인가하는 입력부(300)가 포함된다.

또한, 상기 스위치기어부(200)에는 상기 입력부(300)를 통해 인가되는 3상전원라인(U, V, W)의 전압레벨을 검출하여 검출된 전압레벨이 소정레벨미만의 저전압이면 전원차단감지신호를 발생하는 저전압계측기(310) 및, 이 저전압계측기(310)에서 발생된 전원차단감지신호를 소정시간(예를 들면, 3초 정도)동안 지연시킨 다음 발전소제어부(150)로 인가하는 신호지연회로부(320)가 포함된다. 여기서, 상기 복수의 스위치기어부(200∼230) 각각의 구성은 동일하다.

한편, 상기 제어봉구동부(400)는 MGS(110, 111)로부터의 전원이 차단되면 제어봉을 원자로의 노심내로 자유낙하시켜 원자로의 운전을 정지시키는데, 종래와는 달리 내부에 저전압감지기를 포함하지 않는다.

상기 발전소제어부(150)는 상기 복수의 스위치기어부(200∼230) 중 소정비율(예를 들면, 2/4 정도) 이상의 스위치기어부로부터 전원차단감지신호가 입력되면 터빈을 정지시키기 위한 터빈정지신호를 출력하고, 상기 터빈제어부(160)는 발전소제어부(150)로부터 터빈정지신호가 인가되면 터빈을 정지시킨다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 동작예를 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 원자로운전정지신호발생수단(100)에서는 도시생략된 센서들(예를 들면, 가압기 압력감지센서, 증기발생기 수위감지센서 등)들로부터 인가되는 원자로관련 감지신호에 의해 원자로의 주요 상수들(예를 들면, 가압기 압력, 증기발생기 수위 등)을 설정치와 비교하여, 비교결과 원자로의 주요 상수가 설정치를 초과하면 복수의 스위치기어부(200∼230)로 원자로운전정지신호를 각각 인가한다.

원자로운전정지신호발생수단(100)으로부터 복수의 스위치기어부(200∼230)로 원자로운전정지신호가 인가되면, 복수의 스위치기어부(200∼230) 각각은 내장된 스위칭소자(SW1∼SW3)를 오프시켜 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 인가되는 전원을 차단한다.

상기와 같이 복수의 스위치기어부(200∼230)에 의해 MGS(110, 111)로부터 인가되던 전원이 차단됨에 따라 제어봉구동부(400)에서는 제어봉을 원자로의 노심내로 자유낙하시키고, 제어봉이 자유낙하됨에 따라 원자로 노심 내의 핵반응이 중단되어 원자로가 정지한다.

이와 동시에 각 스위치기어부(200∼230) 내의 저전압계측기(310)에서는 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 연결되는 3상전원라인(U, V, W)의 전압레벨을 검출하는데, 이때 스위칭소자(SW1∼SW3)가 오프되어 있음으로 인해 검출되는 전압레벨은 소정레벨 미만이 되어 저전압계측기(310)로부터 전원차단감지신호가 발생된다.

상기 저전압계측기(310)로부터 발생된 전원차단감지신호는 신호지연회로부(320)로 인가되어 이 신호지연회로부(320)에서 소정시간(예를 들면, 3초정도)동안 신호의 출력이 지연된 다음 발전소제어부(150)로 입력된다.

발전소제어부(150)에서는 스위치기어부(200∼230) 중 소정비율(예를 들면, 2/4 정도)이상의 스위치기어부로부터 전원차단감지신호가 입력되면 터빈제어부(160)로 터빈정지신호를 인가한다.

상기 발전소제어부(150)로부터 인가되는 터빈정지신호에 의해 터빈제어부(160)에서는 터빈을 정지시키며, 터빈이 정지됨에 따라 발전기로부터 전력생산이 중단된다.

즉, 본 발명은, 원자로의 운전을 정지시킬 조건이 되면 스위치기어부에서는 제어봉제어부로 인가되는 전원을 차단함과 동시에 전원차단감지신호를 발생하며 이 전원차단감지신호를 소정시간동안 지연시켜 발전소제어부로 인가함으로써, 원자로가 정지된 다음 소정시간 후에 터빈을 정지시킨다.

이에 따라, 원자로 정지 후 터빈이 정지될 때까지의 소정시간동안 터빈의 회전에 의해 발전기로부터 전력이 생산되어 노심냉각수단의 펌프로 공급되므로 원자로의 노심이 충분히 냉각될 수 있는 소정시간동안 냉각재가 순환되어 원자로를 안전하게 정지시킬 수 있다.

한편, 도 4는 도 2에 도시된 스위치기어부의 다른 실시예를 보인 개략적인 블록구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치기어부(200*)는, MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 연결되는 3상전원라인(U, V, W)을 스위칭하는 복수의 스위칭소자(SW1∼SW3)와, 상기 3상전원라인(U, V, W)의 전류치를 검출하여 검출된 전류치를 그에 상응하는 전압레벨의 전류감지신호로 변환하는 복수의 전류변압기(Current Transformer; CT1∼CT3)와, 이 복수의 전류변압기(CT1∼CT3)로부터 변환된 전류감지신호를 후술될 전류계측기(330)로 선택적으로 인가하는 입력부(300)가 포함된다.

또한, 상기 스위치기어부(200*)에는 상기 입력부(300)를 통해 인가되는 3상전원라인(U, V, W)의 전류감지신호에 의해 3상전원라인(U, V, W)의 전류치를 판별하여 판별된 전류치가 소정값 미만의 저전류이면 전원차단감지신호를 발생하는 전류계측기(330) 및, 이 전류계측기(330)에서 발생된 전원차단감지신호를 소정시간(예를 들면, 3초 정도)동안 지연시켜 발전소제어부(150)로 인가하는 신호지연회로부(120)가 포함된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시예에 따른 스위치기어부(200*)의 동작을 설명하면 다음과 같다.

원자로정지신호발생수단(100)으로부터 원자로정지신호가 입력되면, 내장된 스위칭소자(SW1∼SW3)를 오프시켜 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 인가되는 전원을 차단한다.

이와 동시에 각 전류변압기(CT1∼CT3)에서는 MGS(110, 111)로부터 제어봉구동부(400)로 연결되는 3상전원라인(U, V, W)의 전류치에 상응하는 전압레벨의 전류감지신호를 발생하여 입력부(300)를 매개로 전류계측기(330)로 인가한다.

전류계측기(330)에서는 상기 각 전류변압기(CT1∼CT3)로부터 인가된 전류감지신호에 의해 상기 3상전원라인(U, V, W)의 전류치를 판별하여 판별된 전류치가 소정값 미만의 저전류이면 전원차단감지신호가 발생된다.

상기 전류계측기(330)로부터 발생된 전원차단감지신호는 신호지연회로부(320)로 인가되어 이 신호지연회로부(320)에서 소정시간(예를 들면, 3초정도)동안 신호의 출력이 지연된 다음 발전소제어부(150)로 입력된다.

여타의 다른 동작과정은 상술한 본 발명의 실시예와 동일하므로 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전원차단감지수단으로부터 발생된 전원차단신호를 신호지연회로부를 통해 소정시간동안 지연시켜 출력하여 원자로가 정지된 후에도 소정시간동안 터빈이 계속적으로 회전하여 전력을 생산하도록 함으로써, 소외전원이 상실되는 사고가 발생되는 경우에도 소정시간동안 펌프에 전원을 계속 공급하여 동작시킬 수 있어 원자로를 안전하게 정지시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 부품의 신뢰성이 높은 안전계통인 스위치 기어부에 신호지연회로를 설치하기 때문에 원자력 발전소의 안전해석을 수행할 때 소정의 지연회로를 신뢰하여 해석할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 소정의 제어수단으로부터 원자로정지신호가 입력되면 스위치기어부가 제어봉구동부로 인가되던 전원을 차단하여 원자로를 정지시킴과 동시에 전원차단감지수단에서 상기 전원의 차단상태에 상응하게 전원차단감지신호를 발생하여 이에 의해 터빈이 정지되는 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치에 있어서,

   상기 전원차단감지수단은 상기 스위치기어부에 설치되고,

   상기 스위치기어부는 상기 전원차단감지수단에서 발생된 전원차단감지신호를 소정시간 동안 지연시켜 출력하는 신호지연회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전원차단감지수단은,

   상기 제어봉구동부의 입력측 전원라인에 접속된 접속선 및,

   상기 접속선을 통해 상기 입력측 전원라인의 전압레벨을 검출하여 검출된 전압레벨이 소정레벨 미만의 저전압이면 전원차단감지신호를 발생하는 저전압계측기로 구성된 것을 특징으로 하는 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전원차단감지수단은,

   상기 제어봉구동부의 입력측 전원라인에 대한 전류치를 검출하여 검출된 전류치를 그에 상응하는 전압레벨의 전류감지신호로 변환하는 전류변압기 및,

   상기 전류감지신호에 의해 전류치를 판별하여 판별된 전류치가 소정값 미만의 저전류이면 전원차단감지신호를 발생하는 전류계측기로 구성된 것을 특징으로 하는 신호지연회로를 이용한 원자력발전설비의 터빈 운전정지장치.