KR20050119247A - 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형원자로 급수계통에서 동력변환계통의 고장 이외의 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생하는 경우 피동잔열제거계통 작동신호 발생 없이 급수를 안정적으로 공급하여 원자로를 냉각시키는 저유량 안전등급 급수시스템에 관한 것이다.
본 발명은 상기 급수제어밸브 전단의 분기점으로부터 분기되어 주급수배관의 노즐전단부로 연결되는 저유량 급수 배관; 상기 저유량 급수 배관에 구비되는 다중의 격리밸브; 상기 격리밸브 하류측에 구비되고 상기 저유량 급수배관의 급수유량을 조절하는 오리피스; 상기 오리피스 하류측에 구비되는 다중의 유량계측기; 상기 유량계측기 하류측에 구비되고 주급수배관과의 합류전 상류측에 구비되는 체크밸브; 및 상기 주급수배관의 유량계측신호를 이용하여 상기 오리피스에서의 유동저항을 조절하는 제어부; 를 포함하며, 상기 저유량 급수배관에서 측정된 급수유량 신호를 이용해 원자로 트립신호 및 피동잔열제거계통 작동신호를 생성하는, 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템을 제공한다.

Description

일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템 {THE LOW FLOW RATE SAFETY-GRADE FEEDWATER SYSTEM FOR INTEGRAL REACTOR}
본 발명은 일체형원자로에 대한 저유량 안전등급 급수 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일체형원자로 급수계통에서 동력변환계통의 고장 이외의 원인에 의해 원자로 트립(trip) 신호가 발생하는 경우 피동잔열제거계통 작동신호 발생 없이 급수를 안정적으로 공급하여 원자로를 냉각시키는 급수시스템에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소는 보통 100개 이상의 개별적 기능을 가진 계통으로 구성된다. 이들은 크게 원자로를 중심으로 한 핵증기공급계통과 증기를 공급받아 발전기를 돌리는 터빈,발전기계통 그리고 기타 부수설비로 구분된다.
여기서, 특히 원자로는 핵분열성 물질의 연쇄핵분열반응을 인공적으로 제어하여 열을 발생시키거나 방사성 동위원소 및 플루토늄의 생산, 또는 방사선장 형성 등의 여러 목적에 사용할 수 있도록 만들어진 장치이다.
도 1은 종래의 분리형(loop type) 가압수형 원자로(100)를 도시하고 있으며, 이는 격납용기(110)내에 원자로(120), 가압기(130), 증기발생기(140) 및 냉각재펌프(150)가 분리되어 배치되고 이들은 각각 배관을 통해 연결된다. 증기터빈(160)은 상기 증기발생기(140)로부터 증기를 공급받아 발전기(170)를 돌려 전기를 생산하게 되는 것이다. 이러한 원자로는 원자로 속의 압력을 고압으로 하여 물의 포화온도를 올려서 발생하는 증기의 온도를 높임으로써 공정 전체의 열효율을 좋게 한다.
도 2는 상기와 같은 분리형 원자로와 달리 배관없이 일체형으로 형성된 일체형 원자로의 단면을 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
일체형(integral type) 원자로(200)는 도시된 바와 같이 핵증기 공급계통(nuclear steam supply system)을 구성하는 가압기(230), 증기발생기(240), 냉각재펌프(250) 등의 주기기가 원자로(220)와 함께 동일한 한 개의 압력용기(210)에 배관없이 설치된다.
상기 원자로에서 가열된 냉각재는 냉각재펌프(250)로 공급되고, 이어서 상기 냉각재가 냉각재펌프(250)를 지나면서 흐름방향이 아래로 바뀌어 증기발생기(240) 상부 환형공동으로 공급된다. 상기 증기발생기(240)를 지나면서 열교환에 의해 냉각된 냉각재는 다시 원자로(220)로 공급되는 것이다.
상기와 같은 일체형 원자로(200)는 기존의 분리형 원자로의 대형 냉각재상실사고를 근원적으로 배제할 수 있다. 즉, 안전성이 뛰어나고 소형화가 가능하며 경제성을 크게 향상시키는 장점이 있다.
상기와 같은 일체형원자로의 종래 급수 시스템을 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
일체형원자로에 있어서 종래 급수시스템의 기능은 주급수계통(300)과 피동잔열제거계통(400)에 의해 수행된다.
도시된 바와 같이 주급수계통(300)은 급수펌프(320)로부터 주급수배관(310)을 통해 원자로 압력용기(210)내에 증기노즐(370)로 이어진다. 상기 주급수배관(310)에는 급수펌프(320), 급수제어계통의 입력신호를 생성하는 비안전등급 급수유량 계측기(330), 병렬로 설치된 급수제어밸브(340), 급수격리밸브(350), 및 체크밸브(360)가 구비된다. 이때, 급수유량제어는 한 개의 급수제어밸브(341)에 의해 수행되고 다른 한 개의 급수제어밸브(342)는 격리된 상태로 대기된다. 일반적으로 일체형원자로에서 급수유량은 기동운전 중 5 ∼ 20 %로 유지되고 출력운전 중에는 20 ∼ 100 % 사이에서 유지된다.
또한 피동잔열제거계통(400)은 급수저유량을 포함하는 원자로 동력변환계통고장 등의 원인에 의한 원자로 트립 신호가 발생하면 작동하는 공학적안전계통으로서, 자연대류를 이용하여 뜨거운 증기를 피동적으로 응축시켜 원자로를 냉각시키는 안전설비이다. 급수 저유량에 의한 피동잔열제거계통 작동설정치는 최소 운전급수유량 5 %보다 낮은 값으로 급수유량 계측기의 오차를 고려하여 결정된다.
급수 저유량을 포함하는 동력변환계통의 고장에 의해 원자로 트립 신호가 발생하면, 원자로가 트립되는 동시에 상기 피동잔열제거계통(400)이 작동되어 원자로를 냉각시킨다.
한편, 동력변환계통의 고장을 제외한 다른 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생하면, 급수유량을 새로운 설정치로 빠르게 접근해 가도록 하며 이때는 가능한 한 피동잔열제거계통을 작동시키지 않고 급수계통을 이용해 원자로를 냉각시키는 것이 경제성 측면에서 유리하다.
왜냐하면, 상기 피동잔열제거계통은 원자로 내부의 증기발생기 카세트와 보조건물에 위치한 응축열교환기를 이용해 자연순환 원리에 의해 작동되는 피동계통으로서 일단 작동하기 시작하면 구동전력을 필요로 하지 않은 상태에서 실패확률을 최소화하면서 원자로를 냉각시킨다는 장점이 있는 반면, 일단 작동하기 시작하면 원자로 냉각률 제어가 불가능하고 재기동 절차가 복잡하여 원자로 재기동을 위한 요구시간을 증가시키고 결과적으로 원자로의 이용률이 저하되는 단점이 있기 때문이다.
그러나 이러한 종래의 급수시스템은 동력변환계통의 고장을 제외한 다른 원인에 의한 원자로 트립 신호 발생시, 일반적인 급수유량계측기의 오차 및 급수제어계통의 성능을 고려할 경우 5% 이하에서 피동잔열제거계통의 작동을 유발하지 않는 피동잔열제거계통 작동신호 설정치를 구하기 어려운 문제가 있다.
또한 급수저유량에 의한 피동잔열제거계통 작동신호 설정치를 아무리 작은 값으로 설정하더라도 피동잔열제거계통 작동신호가 발생하기 쉬운 문제가 있다. 이는 급수유량 100%로 운전 중 원자로 트립 신호가 발생하여 급수유량을 5%로 급격히 감소시키는 과정 중 제어밸브의 언더쇼트(undershoot) 특성에 의해 초기에는 0% 근처로 접근한 뒤 점차 설정값인 5%로 안정화되기 때문이다.
따라서 상기와 같은 문제를 방지할 수 있는 일체형원자로에 대한 저유량 안전등급 급수 시스템이 당해 기술분야에서 요구되어 왔다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 일체형원자로 급수계통에서 급수펌프 후단측에 저유량 안전등급 급수계통을 더 구비함으로써 동력변환계통의 고장 이외의 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생하는 경우, 피동잔열제거계통 작동신호 발생 없이 급수를 안정적으로 공급하여 원자로를 냉각시키는 저유량 안전등급 급수시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여 본 발명은 급수펌프로부터 주급수배관을 통해 노즐까지 이어지는 주급수계통과 원자로 트립신호에 의해 작동하는 피동잔열제거계통을 포함하는 일체형원자로 급수시스템에 있어서, 상기 급수제어밸브 전단의 분기점으로부터 분기되어 주급수배관의 노즐전단부로 연결되는 저유량 급수 배관; 상기 저유량 급수 배관에 구비되는 다중의 격리밸브; 상기 격리밸브 하류측에 구비되고 상기 저유량 급수배관의 급수유량을 조절하는 오리피스; 상기 오리피스 하류측에 구비되는 다중의 유량계측기; 상기 유량계측기 하류측에 구비되고 주급수배관과의 합류전 상류측에 구비되는 체크밸브; 및 상기 주급수배관의 유량계측신호를 이용하여 상기 오리피스에서의 유동저항을 조절하는 제어부; 를 포함하며, 상기 저유량 급수배관에서 측정된 급수유량 신호를 이용해 원자로 트립신호 및 피동잔열제거계통 작동신호를 생성하는, 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 다중의 격리밸브는 제 1차 및 제 2차 밸브로 이루어지고, 상기 제 2차 밸브는 병렬적으로 두개의 격리밸브가 구비되는 것이 바람직하다.
이때, 동력계통이상외 원인에 의한 원자로 트립신호 발생시 상기 저유량 급수배관상에 병렬로 설치된 제 2차 격리밸브 중 하나를 격리시켜 급수유량을 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.
또한 여기서, 상기 제어부는 평상 가동시 상기 주급수배관과 상기 저유량 급수배관의 유량비가 95 : 5 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 급수펌프로부터 공급되는 상기 주급수배관 유량이 적어도 5% 이하로 떨어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 의한 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템을 도시하고 있으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 급수시스템은 크게 주급수계통(300), 저유량 안전등급 급수계통(1) 및 피동잔열제거계통(400)으로 이루어진다. 상기 주급수계통(300)은 급수펌프(320), 급수제어계통의 입력신호를 생성하는 비안전등급 급수유량 계측기(330), 병렬로 설치된 급수제어밸브(340), 급수격리밸브(350), 및 체크밸브(360)를 포함한다. 이는 일반적인 일체형원자로의 주급수계통으로 이해될 수 있을 것이다.
상기 피동잔열제거계통(400)은 원자로의 동력변환계통이상시 트립신호에 의해 작동하는 것으로, 이 역시 일반적인 일체형원자로의 피동잔열제거계통을 이용한 것으로 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 있어서 기술적 특징은 저유량 안전 등급 급수계통에 있으며, 이하에서는 이에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 일체형원자로 급수 시스템에 있어서, 저유량 안전등급 급수계통을 포함할 수 있는데 상기 저유량 안전등급 급수계통(1)은 도 4에서 도시된 바와 같이, 급수제어밸브(340)전단의 분기점(A)으로부터 분기되어 주급수배관(310)의 노즐(370)전단부로 연결되는 저유량 급수 배관(10)이 구비된다.
상기 저유량 급수 배관(10)에는 다중의 격리밸브(20)가 구비되는데, 여기서, 상기 다중의 격리밸브(20)는 제 1차(21) 및 제 2차 밸브(22)로 이루어지고, 이때 상기 제 2차 밸브(22)는 병렬적으로 두개의 격리밸브(22a,22b)가 구비되는 것이 바람직할 것이다.
이는 동력계통 고장 이외의 원인에 의한 원자로 트립신호 발생시, 상기 제 2차 격리밸브(22a,22b) 중 하나(22a)를 격리시켜 급수유량을 일정하게 유지시키는 위함이다. 즉, 하나의 격리밸브(22a)를 격리시키고 나머지 하나의 격리밸브(22b)로만 공급시킴으로써 저유량 급수배관(10)의 적정 급수유량에 접근함에 대하여 과도응답(transient response)특성을 향상시킬 수 있다.
상기 다중의 격리밸브(20) 하류측에는 상기 저유량 안전등급 급수배관(10)의 급수유량을 조절하는 오리피스(30)가 배치된다. 이때, 상기 제 2차 밸브(22)가 병렬적으로 두개(22a,22b) 구비되는 경우는 상기 오리피스(30)도 역시 하류측에 각각(30a, 30b) 구비될 것이다.
상기 오리피스(30) 하류측에는 다중의 유량계측기(40)가 구비되고, 상기 유량계측기(40) 하류측에 주급수배관(310)과의 합류되기 전인 증기노즐(370)전단부에 역류를 방지하는 다수개의 체크밸브(50)가 배치될 것이다.
상기 저유량 안전등급 급수배관 상에 설치된 다중의 유량계측기(40)는 보호계통 입력신호로 활용되기 위한 저유량 급수배관(10)상의 급수유량을 측정한다.
즉, 상기 유량계측기(40)에서 계측된 급수유량이 설정치 이하(총급수유량의 5%)로 감소하면 원자로 트립신호 및 피동잔열제거계통(400) 작동신호가 발생하도록 하는 것이다.
특히, 본 발명은 저유량급수배관(10)에 배치된 상기 유량계측기(40)의 측정범위가 0 ∼ 10 %이므로, 0 ∼ 100 %의 측정범위를 가지는 주급수배관(310)에 설치된 비안전등급 급수유량계측기(330)에 비해 상대적으로 높은 정확도를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 저유량 안전등급 급수계통(1)은 도시되지는 않았지만 상기 주급수배관(310)의 유량계측신호를 이용하여 상기 오리피스(30)에서의 유동저항을 조절하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명은, 상기 저유량 안전등급 급수계통(1)을 구비함으로써 평상 가동시 뿐만 아니라 주급수계통의 고장 등의 경우 저유량급수배관(10)을 통해 주급수배관(310)으로 급수유량 5% ~ 10% 를 계속 안정적으로 공급할 수 있다. 따라서, 이로 인해 동력계통 고장 이외 원인으로 인한 원자로 트립 신호시 피동잔열제거계통 작동신호의 발생을 방지할 수 있고 원자로를 계속 가동시킬 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템의 작동을 도 4를 참조하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일체형원자로 급수 시스템에 있어서, 상기 급수펌프(320)에 의해 공급된 급수는 주급수계통(300)과 저유량 안전등급 급수계통(1)으로 유량비 95 : 5가 유지되면서 공급될 것이다.
이는 동력변환계통고장 이외의 트립신호가 발생한 경우, 주급수계통의 트립시에도 저유량 안전등급 급수계통(1)으로 항상 5% ~10%의 급수유량을 유지시킴으로써 원자로 전면 트립을 방지하기 위함이다.
상기 저유량급수배관의 급수유량은 분기점(A) 후단의 저유량 안전등급 급수 배관(10)에 설치된 오리피스(30)의 유동저항에 의해 조절된다.
이는 주급수배관(310)상에 설치된 비안전등급 급수유량계측기(330) 측정값이 100% 일 경우, 저유량 급수배관(10)상에 설치된 저유량 급수유량계측기(50)의 측정값이 5%가 되도록 상기 제어부(미도시)에 의해 결정될 것이다.
이처럼, 상기 제어부(미도시)는 비안전등급 급수유량 계측기(330)에서 얻어지는 총급수유량을 운전원이 설정한 값으로 안정적으로 유지하기 위해, 급수제어밸브(340)의 개도 조정을 위한 입력신호로서 분기점(A) 이전의 급수유량계측기(330)에서 측정된 전체 유량신호를 이용하는 것이 바람직하다. 또한 급수유량 계측기(330)에서 얻어진 상기 입력신호는 원자로출력제어계통에서 원자로 출력을 제어하기 위한 기준값으로도 활용된다.
출력운전(급수유량 20 ∼ 100 %) 및 기동운전(급수유량 5 ∼ 20 %) 중 급수유량제어는 급수제어밸브(340) 중 하나(341)에 의해 수행되고, 다른 하나(342)는 격리된 상태로 유지된다.
앞서 설명된 바와 같이 저유량급수배관(10)으로 총급수유량의 5%가 공급되는데, 이는 평상 가동시 상기 저유량 안전등급 급수계통(1)의 모두 개방된 다중 격리밸브(20)를 지나 노즐(370)전단부측 주급수배관(310)으로 합류된다.
그러나, 동력변환계통의 고장을 제외한 다른 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생하면, 상기 주급수계통상에 개방되어있던 급수제어밸브(341)는 10% / 초의 비율로 완전히 격리되고, 이에 따라 모든 급수는 저유량 안전등급 급수배관(10)을 통해 공급된다.
상기 급수제어밸브(340)가 완전히 격리되면, 분기점(A) 전단의 압력은 급수펌프(31)의 특성곡선에 의해 증가되고, 이에 의해 저유량 안전등급 급수배관(10)을 통한 급수유량이 증가할 것이다.
이때는, 앞서 설명된 바와 같이 병렬로 구비된 상기 제 2차 밸브(22a,22b) 중 하나(22a)를 격리시키는 것이 바람직하다. 상기 급수격리밸브(22a)가 격리되면, 상기 제어부(미도시)로부터 신호받은 상기 오리피스(30b)의 유동저항은 저유량 안전등급 배관(10)을 통한 급수유량이 5%가 되도록 정해지고, 상기 저유량급수배관으로 5%가 급수된다.
정리하면, 동력변환계통의 고장을 제외한 다른 원인에 의해 원자로 트립 신호 발생시 급수제어밸브(341)가 닫히면, 상기 급수격리밸브(22a)를 격리시키고, 상기 제어부(미도시)로부터 신호받은 상기 오리피스(30b)의 유동저항에 의해 저유량 안전등급 배관(10)으로 급수유량이 적어도 5% 이상의 값을 유지하게 되는 것이다.
이처럼, 본 발명은 동력변환계통의 고장을 제외한 다른 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생시, 저유량 안전등급 급수계통에 의해 과도기간 중 유량을 항상 5 % 이상의 값을 유지하게 되어 종래와 같이 제어밸브의 언더쇼트(undershoot)에 의한 피동잔열제거계통(400) 작동신호 발생의 문제가 생기지 않는다.
또한, 본 발명은 상기 급수제어밸브(341)가 고장을 일으키더라도 저유량 안전등급급수계통에 의해 과도기간 중 유량을 항상 5% ~ 10% 의 값을 유지하여 급수 저유량 신호가 발생하지 않고, 원자로 트립 없이 지속적으로 운전이 가능하다. 결국, 원자로를 정지시키지 않고 대기중인 급수제어밸브(342)를 이용하여 출력을 계속 낼 수 있어 원자로의 이용률을 향상시킬 수 있다.
이상은 본 발명에 대하여 실시예를 통하여 상세히 설명한 것으로, 이는 예시이며 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 의한 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템은 동력변환계통의 고장 이외의 원인에 의해 원자로 트립 신호가 발생하는 경우 피동잔열제거계통 작동신호 발생 없이 급수를 안정적으로 공급하여 원자로를 냉각시킬 수 있을 뿐만 아니라 원자로의 이용률을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 저유량 안전등급 급수계통을 구비함으로써 과도기간 중 언더쇼트에 의한 피동잔열제거계통 작동신호 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이에 더하여, 본 발명에 의하면 저유량 안전등급 급수배관 상에 설치된 급수유량 계측기를 통해 원자로 트립신호 및 피동잔열제거계통 작동신호 발생시킴에 있어서 상대적으로 높은 정확도를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 분리형 원자로를 개략적으로 도시한다.
도 2는 일반적인 일체형 원자로의 단면을 도시한다.
도 3은 종래의 일체형 원자로 급수 시스템의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 의한 일체형 원자로 급수 시스템의 흐름도를 개략적으로 도시한다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100... 분리형 원자로 200... 일체형 원자로
110, 210... 격납(압력)용기 120, 220... 원자로(노심)
130, 230... 가압기 140, 240... 증기발생기
150, 250... 냉각재펌프 160... 증기터빈
170... 발전기 300... 주급수계통
310... 주급수배관 320... 급수펌프
330... 비안전등급급수유량계측기 340... 급수제어밸브
350... 급수격리밸브 360... 체크밸브
370... 증기노즐 400... 피동잔열제거계통
1... 저유량안전등급급수계통 10... 저유량급수배관
20... 격리밸브 30... 오리피스
40... 유량계측기 50... 체크밸브

Claims (5)

  1. 급수펌프로부터 주급수배관을 통해 노즐까지 이어지는 주급수계통과 원자로 트립 신호에 의해 작동하는 피동잔열제거계통을 포함하는 일체형원자로 급수시스템에 있어서,
    상기 급수제어밸브 전단의 분기점으로부터 분기되어 주급수배관의 노즐전단부로 연결되는 저유량 급수 배관;
    상기 저유량 급수 배관에 구비되는 다중의 격리밸브;
    상기 격리밸브 하류측에 구비되고 상기 저유량 급수배관의 급수유량을 조절하는 오리피스;
    상기 오리피스 하류측에 구비되는 다중의 유량계측기;
    상기 유량계측기 하류측에 구비되고 주급수배관과의 합류전 상류측에 구비되는 체크밸브; 및
    상기 주급수배관의 유량계측신호를 이용하여 상기 오리피스에서의 유동저항을 조절하는 제어부; 를 포함하며,
    상기 저유량 배관에서 측정된 급수유량 신호를 이용해 원자로 트립신호 및 피동잔열제거계통 작동신호를 생성하는 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다중의 격리밸브는 제 1차 및 제 2차 밸브로 이루어지고, 상기 제 2차 밸브는 병렬적으로 구비된 두개의 격리밸브인 것을 특징으로 하는 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    원자로 트립신호 발생시 상기 저유량 배관상에 병렬로 설치된 제 2차 격리밸브 중 하나를 격리시켜 급수유량을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 일체형 원자로 저유량 안전등급 급수 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 급수시스템의 평상 가동시 상기 주급수배관과 상기 저유량 급수배관의 유량비가 95 : 5 가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 일체형원자로 급수 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 급수펌프로부터 공급되는 상기 주급수배관 유량이 적어도 5% 이하로 떨어지지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 일체형원자로 급수 시스템.
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