KR20120115753A - 원자로 보조급수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력 발전소의 보조급수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 증기 발생기의 적절한 수위조절을 위하여 사용되는 제어기로의 전원 공급을 가능하게 하고, 또한 상기 제어기에 의하여 보조펌프로 유입되는 증기량 제어를 가능하게 함으로써, 발전소 완전 전원 상실( SBO, Station Black Out)시에도 증기발생기의 수위 조절을 가능하게 하는 시스템에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 기존에 설치된 증기발생기 수위 조절용 제어기 자체에 전원공급을 할 수 있도록 하거나 혹은 비상용 제어기를 별도로 구비하여 이 비상용 제어기에 전원을 공급하도록 한다. 이 경우, 전원 공급원으로서는 첫째, 기존 비상급수계통에 마련된 터빈의 구동력을 이용하여 전원을 발생시키는 방법과 둘째, 전용 축전지를 별도로 마련하는 방법을 본 발명에서 제시하고자 한다.

Description

원자로 보조급수 시스템{Emergency feedwater system in nuclear power plant}

본 발명은 원자력 발전소에서 전원이 상실될 비상시를 대비하여 설치되어 있는 보조급수 시스템(혹은 비상급수 시스템)의 문제점을 개선하여, 비상 사태시에도 증기발생기의 수위 제어기능을 유지할 수 있는 원자로 보조급수 시스템에 관한 기술 분야에 속한다.

원자력 발전소에 설치된 터빈 구동 보조급수 시스템은 발전소의 전원이 완전히 상실되는 사고 발생시 유일하게 의존할 수 있는 안전 수단이다. 즉 터빈 구동 보조급수용 펌프의 구동력을 발생시키는 터빈은 완전전원 상실 사고 발생시라도 증기발생기로부터 장시간 안정적인 증기를 공급받아야 하는 것이다.

본 발명은 원자력 발전소의 보조급수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 증기 발생기의 적절한 수위조절을 위하여 사용되는 제어기로의 전원 공급을 가능하게 하고, 또한 상기 제어기에 의하여 보조펌프로 유입되는 증기량 제어를 가능하게 함으로써, 발전소 완전 전원 상실( SBO, Station Black Out)시에도 증기발생기의 수위 조절을 가능하게 하는 시스템에 관한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 기존에 설치된 증기발생기 수위 조절용 제어기 자체에 전원공급을 할 수 있도록 하거나 혹은 비상용 제어기를 별도로 구비하여 이 비상용 제어기에 전원을 공급하도록 한다.

이 경우, 전원 공급원으로서는 첫째, 기존 비상급수계통에 마련된 터빈의 구동력을 이용하여 전원을 발생시키는 방법과 둘째, 전용 축전지를 별도로 마련하는 방법을 본 발명에서 제시하고자 한다.

일반적으로 원자력 발전소는 원자로를 중심으로 한 핵증기 공급 계통과 증기를 공급받아 발전기를 구동하는 터빈, 발전기 그리고 비상급수 시스템 등을 포함한다. (도 1의 좌측 점선 박스 내부 참조)

정상적인 원자력 발전 중 원자로에서 발생되는 열 제거는 증기발생기에 물을 공급하는 1차적으로 공급하는 급수 계통과 정상적인 급수가 불가능한 경우를 대비한 비상급수(보조급수) 계통 및 원자로 냉각재가 섭씨 177도 이하 시에 열을 제거하는 잔열 제거 계통으로 구성된다.

비상급수 시스템은 운전 중의 급수 상실이나 증기발생기의 튜브가 누설된 경우 혹은 원자로 냉각재 상실 사고 및 발전소 완전 전원 상실 등의 사고시에 원자로 냉각재 계통의 열을 제거하고 원자로 노심이 냉각재로부터 노출되는 것을 방지하기 위하여 증기발생기에 비상급수를 공급하는 독립적인 동작을 수행한다.

도 1을 참조하면, 정상적인 발전소 상황하에서는 좌측 점선 내부와 같이, 원자로(110) 용기 주변에 증기발생기(120)가 설치되어 있고, 펌프 수단에 의하여 증기발생기와 원자로 용기 사이를 순환하는 냉각수가 함유된 배관이 위치하며, 증기발생기 내부의 수위 계측 및 발생증기량 계측 등은 제어기(300)에 의하여 이루어진다.

도 1의 우측 점선 박스 내를 참조하면, 종래의 원자력 발전소의 비상사태 발생시 사용되는 보조급수 시스템은 증기발생기(120)에서 발생한 증기를 이용하여 구동하는 터빈(510)에서의 구동력에 의하여 펌프(520)를 가동시켜 보조급수탱크(530)으로부터 보조급수를 증기발생기(120)로 공급한다.

도 1에서는 이러한 종래의 보조급수(비상급수) 시스템의 계통(500) 및 원자력 발전계통(100)을 도시하고 것이다.

이러한 증기발생기(120)로 급수된 물은, 원자로(110)에서 발생되어 증기발생기로 이동된 잔열을 제거하여 방사능 물질 유출 사고를 미연에 방지할 수 있게 된다.

보조급수를 위한 펌프(520)은 모터구동 펌프와 터빈구동 펌프로 구성되어 있으며, 각각 독립적으로 작동한다.

발전소에서 비상 사태가 발생하였을 때, 발전소 내의 전원이 사용 가능한 상황이면 모터구동 펌프(미도시)에 의해서 보조 급수를 증기발생기로 공급하면 되지만 만약, 전원을 사용할 수 없는 상황이라면 상기 모터 구동펌프 작동에 의한 보조급수는 기대할 수 없게 된다.

이 경우 모터구동 펌프 대신, 증기발생기의 증기를 공급받아 작동되는 터빈(510) 및 터빈에 연결된 펌프(520)에 의해서 증기발생기로 보조급수를 공급하게 된다.

그러나 이러한 경우에도 제어기(300)는 작동되어야만, 증기발생기(120)의 수위 계측 및 비상급수 계통의 밸브(505)제어가 가능하여 정상적인 보조급수 동작이 이루어지게 되므로, 제어기(300) 동작을 위한 최소한의 가용 전원 또는 축전지 등이 있어야만 한다.

그런데, 발전소 내, 외부의 모든 전원이 전혀 공급되지 않는 상황에서는, 제어기(300)에 의한 증기발생기(120)의 수위 신호 계측 및 보조급수용 밸브(505) 제어가 불가능하게 되고. 그에 따라 증기발생기로의 보조급수 공급을 보장할 수 없게 되는 사태가 초래다.

본 발명은 종래 원자력 발전소의 보조급수 시스템의 문제점에 착안하여 안출된 것으로서, 그 목적을 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 원자력 발전소 완전 전원 상실의 경우에도 증기발생기로의 정상적인 보조급수가 가능한, 보조급수 시스템을 제시하는 것이다.

즉, 원자력 발전소 내부와 외부의 전원이 완전히 상실되어져, 제어기(300)에 의한 증기발생기 내 수위 계측 및 증기발생량 계측이 불가하거나, 보조급수 시스템 밸브 제어가 불가능하게 되는 상황을 대비하여, 제어기의 기능을 정상적으로 수행할 수 있도록 할 수 있는 전원 공급 시스템을 갖춘 보조급수 시스템을 제시하는 것이다.

둘째, 기존의 보조급수 시스템의 각종 장치들을 그대로 사용함과 동시에 단순한 장치의 추가, 변경만으로도 구현할 수 있어, 설치비용을 최소화 할 수 있는 원자력 발전소 보조급수 시스템을 제시하는 것이다.

세째, 가압경수로형 원자력 발전소에서 범용적으로 사용할 수 있는 원자력 발전소 보조급수 시스템을 제시하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 해결 수단을 제시하며, 기타 다른 해결수단은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 부분에서 상세히 설명하기로 한다.

즉 본 발명의 보조급수 시스템에서는, 비상급수계통(500) 내에 설치되며 증기발생기(120)로부터 공급되는 증기에 의해 작동되는 터빈(510);

상기 터빈(510)의 구동력을 전달받아 전기를 생성하는 발전기와 축전지를 포함하는 전원공급장치(550, 560);

상기 전원공급장치로부터 전원을 공급받아서, 증기발생기 내부의 수위계측 및 비상급수 계통으로 공급되는 증기량을 조절하는 밸브(505) 제어 기능을 수행하는 제어기(300);

상기 터빈(510)의 동력에 의해 증기발생기(120)로 급수를 하는 펌프(520);

를 포함하는 하는 원자력 발전소의 보조급수 시스템을 개발하였다.

또한, 상기 전원공급장치로서는 제어기 전용 축전지가 사용될 수도 있다.

한편, 기존의 제어기와는 별도로 독립적인 비상용제어기를 설치하여, 상기 전원공급장치로부터 전원을 공급받아서 비상시에도 안정적인 증기발생 및 증기발생기 내 수위를 적절히 유지할 수 있도록 한다.

본 발명의 효과를 요약하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 보조급수 시스템은 원자력 발전소 완전 전원 상실의 경우에도 증기발생기로의 정상적인 보조급수가 가능한 장점이 있다. 즉, 종래의 기술에 의한다면 원자력 발전소 내,외부의 전원이 완전히 상실되어 증기발생기 내 수위 계측 및 증기발생기 압력 등의 계측이 불가하거나, 보조급수 시스템 밸브 제어가 불가능하게 되는 상황이 발생하더라도, 본 발명을 통하여 상기 기능들을 정상적으로 수행할 수 있다.

둘째, 본 발명은 기존 원자력 발전소 내 설치된 설비들을 완전히 개조하는 것이 아니라, 기존의 설비, 장치들을 그대로 사용함과 동시에 단순한 장치의 추가, 변경만으로도 용이하게 구현할 수 있어, 설치비용을 최소화 할 수 있다는 현저한 이점을 발휘한다.

세째, 본 발명에 의한 보조급수 시스템은 가압경수로형 원자력 발전소에서 범용적으로 사용할 수 있어서, 원자력 사고에 대비할 수 있는 핵심기술의 우선적 확보라는 큰 의미가 있는 발명이다.

도 1은 종래의 원자력 발전소의 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

다만, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예들에 한정됨은 아니고, 특허청구범위로부터 파악되는 본 발명의 권리범위와 비교하여, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자 수준에서 변형, 부가, 삭제, 치환 가능한 발명 등 모든 균등한 수준의 발명에 대하여는, 모두 본 발명의 권리 범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래의 원자력 발전소의 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면,

도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 보조급수 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 중에서, '보조급수'와 '비상급수' 그리고 '시스템'과 '계통'은 동일한 의미로서 혼용됨을 미리 밝혀 둔다.

전술한 바와 같이, 도 1과 같은 종래의 비상급수계통(500)에서는 발전소 내, 외부의 비상전원을 포함한 모든 전원이 완전히 상실된 직후에는, 증기발생기(120) 수위 신호가 제어기(300)로 전달되지 아니하여 그 수위 계측이 불가능 상태로 되고, 또한 제어기 (300)는 전혀 밸브(505)를 제어할 수 없는 상태가 되어, 증기발생기 내 수위 통제가 불가능한 상태가 되며, 밸브(505)가 개방되어 있는 경우 증기발생기 내 수위가 과도하게 된다. (만약 밸브(505)가 닫혀 있는 경우라면 원자로에서 발생한 잔열 제거는 불가능함)

그 결과(밸브(505)가 개방되어 있는 경우), 증기발생기(120)에서 발생되는 증기의 양이 감소하고, 증기발생기 내부에 습분(濕分)이 발생되어 주 터빈(130)의 작동에 악영향을 끼치게 되며, 증기발생기에서의 증기 발생량이 줄어들게 됨으로써, 비상급수 계통(500)의 터빈(510)을 작동시킬 증기량도 부족하여 곧 비상급수계통(500)은 그 기능을 완전히 상실하게 되는 과정을 겪게 된다.

상술된 과정은 도 1에 요약되어져 있다.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명에서는 기존의 원자력 발전소에서 공급되는 전원, 비상전원 및 비상시 각종 설비에 공급되기 위한 범용적 축전지 등이 모두 가용 불가한 경우를 대비한 새로운 보조급수 시스템을 제시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예(도 2)에서는 발전소가 완전 전원 상실인 경우라도 제어기(300)의 기능을 유지하도록, 전원공급장치(510, 550, 560 포함)가 비상 급수 계통(500)에 독립적으로 구비되어 있다.

상기 전원공급장치(510, 550, 560)는 오직 터빈(510)의 동력에 의존하여, 전기를 발생시키는데 그 과정은 아래와 같다.

증기발생기(120)에서는 완전 전원 상실 상황에서도 증기를 발생시키게 되면, 그 중 일부는 밸브(505)를 지나 터빈(510)을 구동시키게 된다. 이러한 터빈(510)의 회전 동력을 이용하여 발전기(550)에서 전기를 생성해 낼 수 있게 되며,

제어기 전용 축전지(560)에서 전기를 축전함과 동시에 제어기(300)으로 필요한 전원을 공급할 수 있게 된다.

제어기(300)에서는 많은 전기량을 필요로 하지 않으므로, 완전 전원 상실의 경우에라도 터빈(510) 동력을 이용한 전기 생성 방식을 본 발명에서 채택한 것이다.

제어기(300)는 비록 원자력발전소 소내전원/비상전원(200)의 전원공급을 받지 않더라도 전원공급장치(510,550,560)로부터 전원을 공급받을 수 있게 되고, 증기발생기(120) 내부의 수위 신호 및 증기발생량 계측이 가능하게 된다.

또한, 제어기(300)는 도 1과 같은 종래 기술에서는

축전지를 포함한 발전소 내, 외부 전원이 완전히 상실되었을 경우 제어하지 못하였던, 비상급수 계통의 밸브(505)를 제어할 수 있고, 비상급수 계통에서 공급되는 급수량을 계측하게 되는 등 완벽한 보조급수 시스템 제어가 가능하게 되어, 결국 증기발생기(120) 내부의 수위 조절이 가능하다.

증기발생기 내부의 수위 조절이 가능하다는 것은 곧 원자로의 잔열을 지속적으로 제거할 수 있다는 의미이며 나아가 원자로에서의 방사능 누출 사고를 막을 수 있는 효과를 발휘하게 되는 것이다.

본 제1 실시예에 따른 보조급수 시스템을 요약하면, 비상급수 계통 내에 제어기로 전원을 공급할 수 있는 전원공급장치를 독립적으로 설치하되, 그 전원은 비상급수 계통 내 터빈(510) 동력을 이용하며, 증기발생기 내부의 적절한 수위조절을 위하여 i) 증기발생기 내부의 상황을 계측 ii) 비상급수 계통으로부터 증기발생기로 적절한 양의 급수 iii) 비상급수계통에서 증기발생기로 공급되는 급수량 계측 등이 가능하게 된다.

도 3에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 보조급수 시스템의 개략도이다. 본 실시예에서는 도 2의 제1 실시예와는 달리, 제어기전용 축전지(580)으로부터 제어기(300)는 전원을 공급받게 된다.

기존의 원자력 발전소에서는 내, 외부 전원 공급이 상실될 때를 대비하여 각종 설비에 전원을 공급할 범용적 축전지를 사용하고 있지만, 본 실시예에서는 보조급수 시스템을 가동시키기 위한 제어기(300, 도 3) 전용의 축전지(580)를 포함한 비상급수 계통을 제시하고자 한다.

즉, 도 2에서 터빈(510)의 동력을 이용하여 제어기(300)로의 전원공급을 하는 대신에 본 실시예에서는 제어기전용 축전지(580)를 사용하여, 제어기(300)가 필요로 하는 전원은 제어기전용 축전지(580)로부터 독점적으로 공급받도록 하는 것이다.

이러한 구성을 포함한 본 실시예는 비록 단순하여 착상이 용이할 것으로 보이지만, 실질적으로 제어기(300)만을 위한 전용축전지(580)의 설치는 원자력발전소에서 설치한 사례가 없었으며, 기존의 원자력 발전소에서는 비상시를 대비하여 각종 설비에 공통적으로 전원을 공급하는 축전지가 있었지만, 장시간 동안 밸브(505) 제어를 위한 전원공급이 어려웠고, 제어기(300)만의 전용적인 것이 아니어서 제어기로의 전원공급은 축전지를 포함한 완전 전원 상실시, 제어기(300)의 작동 유지를 위한 효과적인 수단이 되지 못하였다.

이에 본 실시예에서는 도 3에서와 같은 제어기전용 축전지(580)를 비상급수계통(500) 내에 포함하여, 전술된 바와 같은 증기발생기 수위 측정, 비상급수 계통으로부터 증기발생기로의 급수량 제어/측정 등의 기능을 제어기(300)가 수행할 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명의 제3, 제4 실시예에 대하여 설명한다.

도 4 및 도 5에서는 각각 본 발명의 제3, 제4 실시예에 대하여 도시하고 있다. 도 2, 도3 에서 도시된 실시예와는 달리 본 실시예들에서는 비상용제어기(570)를 비상급수 계통 내에 독립적으로 설치되는 것이다.

도 4를 참조하면, 기존의 제어기(300)와 병행하여, 비상용제어기(570)이 설치되며, 발전소내전원 및 비상전원(200) 공급이 중단되어, 기존의 제어기(300)가 증기발생기로부터 수위신호를 받아들이지 못하거나, 밸브(505) 조절을 하지 못하는 경우라도, 비상용제어기(570)가 작동하여 상기 기능을 수행할 수 있도록 하는 것이다.

상기 비상용 제어기(570)는 도 2에서 제시된 전원공급장치인 터빈(510), 발전기(550) 및 제어기전용 축전지(560)으로부터 전원을 공급받아 작동되므로, 완전 전원 상실과는 무관하게 비상용 제어기(570)가 작동 가능한 이점이 있다. 이러한 비상용 제어기는 만약에 대비하여 두개 이상 복수개로 구비될 수도 있음은 물론이다.

기존에 설치된 제어기(300)의 안전성을 추가적으로 확보해야 할 필요가 있을 경우에도, 도 4와 같은 독립적인 비상용제어기(570) 및 전원공급장치 (510,550,560)의 설치의 필요성은 증대될 것이다.

비상용제어기(570)는 증기발생기(120) 내부의 수위계측 그리고 비상급수계통 내 밸브(505) 제어 등 기존 제어기(300)와 동일한 기능을 수행할 수 있다.

한편, 제4실시예에서는 비상용제어기(570)는 도 5에서와 같이 전원을 제어기전용축전지(580)으로부터 독점적으로 공급받도록 구성되어져 있다. 즉, 도 4(제3 실시예)와는 전원공급 방법에만 차이가 있으며, 도 3에 도시된 제2실시예와는 제어기전용축전지(580)가 비상급수 계통에 설치된다는 점에서는 동일하지만, 전원을 공급받는 것이 기존의 제어기(300)가 아니라, 이와 별도의 비상용제어기(570)라는 점에서 차이가 있다. 본 실시예의 제어기전용축전지(580)에 관한 설명은 전술된 것으로서 이하 중복되는 설명은 생략한다.

이상 본 발명의 4가지 실시예의 구성 및 기능에 대하여 상세히 설명 하였으며, 본 발명을 통한 원자력 발전소에서의 완전전원 상실 등의 비상시 본 발명이 발휘할 수 있는 효과들을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 보조급수 시스템은 원자력 발전소 완전 전원 상실의 경우에도 증기발생기로의 정상적인 보조급수가 가능한 장점이 있다. 즉, 종래의 기술에 의한다면 원자력 발전소 내,외부의 전원이 완전히 상실되어져 제어기에 의한 증기발생기 내 수위 계측 및 증기발생량 계측이 불가하거나, 보조급수 시스템 밸브 제어가 불가능하게 되는 상황이 발생하더라도, 본 발명을 통하여 상기 기능들을 정상적으로 수행할 수 있다.

둘째, 본 발명은 기존 원자력 발전소 내 설치된 설비들을 완전히 개조하는 것이 아니라, 기존의 설비, 장치들을 그대로 사용함과 동시에 단순한 장치의 추가, 변경만으로도 용이하게 구현할 수 있어, 설치비용을 최소화 할 수 있다는 현저한 이점을 발휘한다.

세째, 본 발명에 의한 보조급수 시스템은 가압경수로형 원자력 발전소에서 범용적으로 사용할 수 있어서, 원자력 사고에 대비할 수 있는 핵심기술의 우선적 확보라는 큰 의미가 있는 발명이다.

100:원자력발전계통
110:원자로
120:증기발생기
130:주 터빈
140, 550:발전기
200:원자력발전소비상전원
300:제어기
500:비상급수계통
510:터빈
520:펌프
530:보조급수탱크
505:밸브
550:발전기
560, 580: 제어기전용 축전지
570:비상용 제어기

Claims (4)

1. 원자력 발전소의 보조급수 시스템에 있어서,
   비상급수계통(500) 내에 설치되며, 증기발생기(120)로부터 공급되는 증기에 의해 작동되는 터빈(510);
   제어기로 전원을 공급하는 전원공급장치;
   상기 전원공급장치로부터 전원을 공급받아서, 증기발생기 내부의 수위계측 및 비상급수 계통 내 밸브(505)제어기능을 수행하는 제어기(300);
   상기 터빈(510)의 동력에 의해 증기발생기(120)로 급수를 하는 펌프(520);
   를 포함하는 원자력 발전소의 보조급수 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기는 원자력 발전소 내에 기존 설치된 제어기(300)이거나 또는 상기 제어기(300)와는 별도로 형성되는 비상용제어기(570)인 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 보조급수 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기로 전원을 공급하는 전원공급장치는,
   제어기 전용 축전지(580)인 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 보조급수 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어기로 전원을 공급하는 전원공급장치는,
   상기 터빈(510)의 구동력을 전달받아 전기를 생성하는 발전기(550) 및 상기 발전기(550)에서 생성된 전기를 축전하는 제어기전용 축전지(560)인 것을 특징으로 하는 원자력 발전소의 보조급수 시스템.

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