KR20190079994A

KR20190079994A - 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어 방법

Info

Publication number: KR20190079994A
Application number: KR1020170182143A
Authority: KR
Inventors: 김재형; 이상혁
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-08
Also published as: KR102078193B1

Abstract

원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어 방법에서, 상기 유동차단 시험용 제어 시스템은 원자력 발전소의 작동 환경을 모사하고, 저장탱크, 제어밸브, 시험 밸브 및 제어부를 포함한다. 상기 저장탱크는 유체를 저장하며, 저장된 유체를 제1 압력으로 제공한다. 상기 제어밸브는 개도가 제어됨에 따라, 상기 제1 압력으로 제공된 유체를 제2 압력으로 토출한다. 상기 시험 밸브는 상류의 상기 제2 압력과 하류의 제3 압력의 차이인 차압이 설정되어, 유동차단 시험의 대상이 된다. 상기 제어부는 상기 시험 밸브의 유량으로부터 상기 제어밸브의 유량계수 및 상기 제어밸브의 개도를 계산하며, PID(proportional integral derivative control) 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하여, 상기 제어밸브의 개도를 제어한다.

Description

원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어 방법{CONTROL SYSTEM FOR FLOW INTERRUPTION TEST ON NUCLEAR POWER PLANT AND METHOD FOR CONTROLLING FLOW INTERRUPTION TEST USING THE SAME}

본 발명은 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 유동차단 시험 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 발전소의 환경과 유사한 조건으로 모사하여 원전기기에 사용되는 밸브에 대한 성능평가를 수행하기 위한 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어밸브에 관한 것이다.

원자력 발전소에 사용되는 원전기기는 성능평가가 필수적이며, 특히 원전용 밸브는 ASME QME-1에 따라 검증되어야 하는데, 상기 ASME QME-1에 의한 유동 차단 시험의 경우, 실제 운전조건에서 설정된 최대차압을 시험대상 밸브의 양단에 인가하면서 밸브를 작동시키며 시험을 수행하여야 한다.

그러나, 실제 원전의 운전 조건을 고려하면, 특히, 밸브의 시험을 수행하는 경우, 즉, 유동차단 시험의 경우, 밸브 양단의 차압을 크게 유지하는 것이 매우 중요한데 이러한 조건을 만족시킬 수 있는 시험 또는 모사 시스템을 구성하는 것은 용이하지 않다.

종래의 경우, 밸브의 상류의 압력을 시험에 요구되는 최대차압보다 크게 설정하고 인가되는 압력을 감압하여 사용하면서, 상기 감압에서의 제어를 PID 제어방식을 사용하는 방법이 있었다.

그러나, PID 제어만을 이용하여 감압을 제어하는 경우, 유동차단 시험이 매우 짧은 시간에 수행되는 것을 고려할 때, PID 제어만으로는 짧은 시간 동안 차압을 유지하기 어려운 문제가 있으며, 유동차단 시험에 있어서 시험밸브는 개방과 폐쇄가 반복되므로 유량의 변화가 매우 심하여 이를 PID 제어만으로 제어하는 것은 한계가 있다.

나아가, PID 제어에 사용되는 게인(gain)은 시스템의 거동특성에 따라 달라지는데, 이에 따라 유동차단 시험에 있어서, PID 제어에 사용되는 에러신호에 곱해지는 비례게인, 미분게인 및 적분게인을 구하는 것이 어려운 문제가 있다.

또한, 유동차단 시험에서는 밸브의 유량공급 특성에 따라 PID 제어의 특성이 달라져야 하며 이에 대한 고려없는 단순한 제어의 경우 일관성이 없으며 재현성이 저하되는 문제가 있다.

이상과 같이, 종래 원전용 밸브의 모사 시험에 있어서, PID 제어만 적용하는 것은 실제 원전 상태를 모사하는 것에는 한계가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0909443호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 유량 변화가 심한 유동차단 시험에서도 차압을 보다 효과적으로 유지할 수 있고, 제어오류의 효과적인 보상이 가능하며, 일관성을 유지하면서도 재현성을 향상시킬 수 있는 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템을 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어 방법에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 유동차단 시험용 제어 시스템은 원자력 발전소의 작동 환경을 모사하고, 저장탱크, 제어밸브, 시험 밸브 및 제어부를 포함한다. 상기 저장탱크는 유체를 저장하며, 저장된 유체를 제1 압력으로 제공한다. 상기 제어밸브는 개도가 제어됨에 따라, 상기 제1 압력으로 제공된 유체를 제2 압력으로 토출한다. 상기 시험 밸브는 상류의 상기 제2 압력과 하류의 제3 압력의 차이인 차압이 설정되어, 유동차단 시험의 대상이 된다. 상기 제어부는 상기 시험 밸브의 유량으로부터 상기 제어밸브의 유량계수 및 상기 제어밸브의 개도를 계산하며, PID(proportional integral derivative control) 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하여, 상기 제어밸브의 개도를 제어한다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 시험 밸브의 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브에 흐른다고 가정하여 상기 제어밸브의 유량계수를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 제어밸브의 유량계수를 바탕으로 상기 제어밸브의 개도를 계산하며, 상기 계산된 개도가 갖는 오차를 최소화하기 위하여, PID 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 시험밸브의 상류의 제2 압력 신호를 입력받아, 상기 PID 제어를 수행하여 상기 설정된 상기 시험밸브의 차압을 유지하도록 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산할 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 유동차단 시험 제어방법은 원자력 발전소의 작동 환경을 모사한 유동차단 시험용 제어시스템을 제어하며, 시험밸브 상류의 목표 압력을 설정한다. 상기 시험밸브에 흐르는 유량을 계산한다. 상기 시험밸브의 유량을 바탕으로 제어밸브의 유량계수를 계산한다. 상기 제어밸브의 유량계수를 바탕으로 상기 제어밸브의 개도를 계산한다. PID 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산한다.

일 실시예에서, 상기 시험밸브에 흐르는 유량을 계산하는 단계는, 상기 시험밸브의 개도에 따른 유량계수를 측정하는 단계, 및 상기 시험밸브의 상류의 제2 압력과 하류의 제3 압력의 차이인 차압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 시험밸브에 흐르는 유량(Qm)은,

식 (1)

{Cv: 시험밸브 개도에 따른 유량계수, dp: 시험밸브 차압,

: 시험밸브에 흐르는 유체의 밀도}

상기 식 (1)로 계산될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어밸브의 유량계수를 계산하는 단계에서, 상기 시험밸브의 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브에 흐른다고 가정하여 상기 제어밸브의 유량계수를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어밸브의 유량계수(Cvc)는,

식 (2)

{Qm: 시험밸브에 흐르는 유량, dpc: 제어밸브 차압,

: 제어밸브에 흐르는 유체의 밀도}

상기 식 (2)로 계산될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어밸브의 개도(Ac)는,

식 (3)

식 (4)

식 (5)

{Rc: 제어밸브 특성값, Cvc: 제어밸브 유량계수, Cvcmax: 제어밸브 개도가 100%인 경우 유량계수}

상기 식 (3) 내지 식 (5)들로 계산될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 단계는, 상기 시험밸브의 상류의 제2 압력 신호를 입력받아, 상기 PID 제어를 수행하여 상기 설정된 상기 시험밸브의 목표 압력을 유지하도록 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 시험밸브에 흐르는 유량을 주기적으로 계산하여 상기 제어밸브의 개도를 계산하는 단계를 반복할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 PID 제어만을 이용하여 제어밸브의 개도를 계산하는 경우의 문제를 해결하여, 실제 흐르는 유량을 바탕으로 제어 밸브의 개도를 물리적인 법칙에 의해 우선 계산하여 제어를 수행하고, 이 경우 발생되는 오차나 오류를 PID 제어를 이용하여 추가로 제어하여 제어 밸브의 개도를 미세하게 조정할 수 있으므로, 보다 정확하게 시험 밸브의 상류에 설정된 목표 압력을 추종할 수 있다.

그리하여, 상대적으로 압력 및 유량의 변화가 큰 원전 모사 시험 밸브에서의 제어를 거시적인 관점에서 물리적인 법칙으로 추종하고, 나아가, 상대적으로 변화가 적은 제어에 있어서 효과적인 PID 제어를 미시적인 관점에서 적용하여, PID 제어의 장점을 더욱 활용할 수 있어, 보다 정확하게 일관성을 유지하면서도 재현성을 향상시킬 수 있는 목표 압력의 추종이 가능하다.

특히, 상대적으로 압력 및 유량의 변화가 큰 시스템에서의 추종이 어려운 문제를 해결하여, 물리적인 법칙을 통해 평균적인 유량과 압력을 제어하며 미세한 오류를 PID 제어 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 시험 밸브의 목표 압력의 유지가 효과적으로 제어되므로, 궁극적으로 원자력 발전소의 작동 환경이 모사된 상태에서, 시험 밸브의 성능에 대한 시험을 보다 정확하게 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1을 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2의 시험밸브에 흐르는 유량을 계산하는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 종래 PID 제어만을 적용한 경우, 압력 오차, 저장탱크 압력 및 상류 압력을 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 도 2의 제어방법을 적용한 경우, 압력 오차, 저장탱크 압력 및 상류 압력을 도시한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템을 도시한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템(10)(이하, 제어 시스템(10)이라 함)은, 원자력 발전소에서 사용되는 원전기기 중의 하나인 원전용 밸브에 대한 성능 시험을 위해, 원자력 발전소의 사용 환경을 모사한 시스템에 대한 제어를 수행하는 제어 시스템에 관한 것이다.

즉, 상기 제어 시스템(10)은 원자력 발전소의 사용 환경과 유사하게 모사된 시스템을 포함하여, 평가 대상인 원전용 밸브를 보다 정확하게 평가하기 위한 제어 시스템이라 할 수 있다.

일반적으로, 원자력 발전소에 사용되는 원전용 밸브의 경우, ASME QME-1에 따라 검증되어야 하며, 상기 ASME QME-1에 따른 검증에 있어서, 유동차단 시험은 매우 중요한 시험이다.

상기 유동차단 시험은, 실제 원자력 발전소의 운전조건에서 설정된 최대 차압, 즉 밸브의 양 단의 압력차를, 시험 대상 밸브의 양단에 인가하면서 작동성을 평가하는 것을 특징으로 한다.

이러한 유동차단 시험에 있어서, 실제 원자력 발전소의 작동 조건이 고온 고압이며, 양단의 차압이나 유량의 변화가 크므로 이를 유사하게 모사하며 시험 대상 밸브의 성능을 평가하는 것이 매우 중요하다.

이에 따라, 본 실시예에서의 상기 제어 시스템(10)은 저장탱크(100), 제어밸브(200), 시험밸브(300), 제어부(400) 및 유로부(500)를 포함하여, 원자력 발전소의 사용 환경 중, 원전용 밸브의 평가를 위한 환경을 모사하고, 원전에서의 작동 조건으로서 특히 차압과 유량의 변화가 큰 상황을 효과적으로 모사함으로써, 시험 대상 밸브에 대한 성능 평가를 효과적으로 수행할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 저장탱크(100)는 내부에 유체가 저장되는 탱크로서, 상기 제어밸브(200) 및 상기 시험밸브(300)의 일단에 위치하여, 상기 제어밸브(200)와는 상기 유로부(500)의 제1 유로(510)와 연결된다.

이 경우, 상기 저장탱크(100)의 크기 및 용량은, 시험 평가에서 요구되는 압력과 유량을 제공할 수 있을 정도로 설계될 수 있으며, 이에 따라, 상기 저장탱크(100)는 상기 제1 유로(510)를 통해 상기 제어밸브(200)로 제1 압력(P1)으로 유체를 제공할 수 있다.

상기 제어밸브(200)는 상기 제어부(400)에 의해 개도(open rate)가 제어되며, 구체적인 상기 제어밸브(200)의 개도의 제어방법에 대하여는 후술한다.

상기 제어밸브(200)는 상기 저장탱크(100)와는 제1 유로(510)를 통해 연결되고, 상기 시험밸브(300)와는 상기 유로부(500)의 제2 유로(520)를 통해 연결된다.

이 경우, 이미 설명한 바와 같이 상기 제1 유로(510)의 유체의 압력이 제1 압력(P1)으로 정의되고, 상기 제2 유로(520)의 유체의 압력이 제2 압력(P2)으로 정되면, 상기 제어부(400)에 의해 개도가 제어됨으로써, 상기 제1 압력(P1)으로 제공되는 유체가 제2 압력(P2)으로 상기 시험밸브(300)로 제공된다.

즉, 상기 제어밸브(200)는 상기 제어부(400)에 의해 개도가 제어됨으로써, 상기 시험밸브(300)에 인가되는 목표 압력에 부합하도록 상기 제2 압력(P2)을 제어하게 된다.

결국, 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어하는 것은 상기 시험밸브(200)에 인가되는 압력을 제어하는 것으로, 상기 시험밸브(200)에 인가되어야 할 목표 압력을 일정하게 유지하기 위해, 상기 제어밸브(200)의 개도는 다양하게 제어되어야 한다.

상기 시험밸브(300)는 원전용 밸브로서 유동차단 시험의 대상이 되는 밸브이다.

상기 시험밸브(300)는 상류는 제2 유로(520)에 의해 상기 제어밸브(200)와 연결되며, 하류는 제3 유로(530)로 연결된다.

이 경우, 도시하지는 않았으나, 상기 제3 유로(530)는 저장탱크(100)와 연결되어, 시험에 사용된 유체가 다시 저장탱크(100)로 제공될 수 있다.

상기 시험밸브(300)에 대한 시험 및 평가는 상기 시험밸브(300)의 양단, 즉 상류와 하류에 압력의 차이를 인가함으로써 수행되며, 상기 상류인 제2 유로(520)의 압력을 제2 압력(P2), 상기 하류인 제3 유로(530)의 압력을 제3 압력(P3)으로 정의하면, 상기 제2 압력과 상기 제3 압력의 차이인 차압을 통해 상기 시험밸브(300)에 대한 성능 평가를 수행하게 된다.

이 경우, 상기 시험밸브(300)에 대한 성능 평가를 위해 필요한 차압은 이미 설정값으로 제공되며, 상기 제3 압력(P3)이 일정하게 유지된다면, 결국 상기 시험밸브(300)에 대한 시험 및 평가는 상기 제2 압력(P2)을 목표 압력으로 유지함으로써 수행될 수 있다.

이상과 같이, 상기 시험밸브(300)에 대한 성능 평가는, 제2 압력(P2)을 기 설정된 설정값으로 유지함으로써 수행될 수 있으며, 이는 상기 시험밸브(300)의 개도가 다양하게 설정되는 상태에서도 상기 제2 압력(P2)을 설정된 값으로 유지하는 것이 핵심이다.

결국, 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어함으로써, 다양한 환경에서 상기 제2 압력(P2)을 시험을 위해 설정된 설정값으로 유지하여, 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 설정값으로 유지하는 것이 필요하다.

상기 제어부(400)는 상기 제어밸브(200) 및 상기 시험밸브(300)를 제어한다. 즉, 상기 제어부(400)에서 특히 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어함으로써, 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 시험을 위해 설정된 설정값으로 유지하도록 한다.

이 경우, 상기 제어부(400)는 상기 시험밸브(300)의 유량으로부터 상기 제어밸브(200)의 유량계수 및 개도를 계산하며, PID(proportional integral derivative control) 제어를 통해 상기 제어밸브(200)의 개도를 추가로 계산하여, 최종적으로 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어한다.

보다 구체적인, 상기 제어부(400)의 제어 방법에 대하여는 후술한다.

상기 유로부(500)는, 제1 내지 제3 유로들(510, 520, 530)을 포함하며, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 유로(510)는 제1 압력(P1)으로 상기 저장탱크(100) 및 상기 제어밸브(200)를 연결하며, 상기 제2 유로(520)는 제2 압력(P2)으로 상기 제어밸브(200)와 상기 시험밸브(300)를 연결하며, 상기 제3 유로(530)는 제3 압력(P3)으로 상기 시험밸브(300)와 외부를 연결한다.

도 2는 도 1을 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어방법을 도시한 흐름도이다. 도 3은 도 2의 시험밸브에 흐르는 유량을 계산하는 단계를 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 상기 원전기기의 유동차단 시험용 제어시스템(10)을 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어방법에서는, 우선, 상기 시험밸브(300) 상류의 목표 압력을 설정한다(단계 S10).

앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서의 유동차단 시험의 대상이 되는 상기 시험밸브(300)의 성능 평가는 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 유지시키면서 수행되는 것이 필요하며, 이를 위해, 상기 제3 압력(P3)이 일정하다고 가정하면, 상기 제2 압력(P2)에 대한 목표 압력을 설정하는 것이 필요하다.

즉, 상기 제2 압력(P2)에 대한 목표 압력을 설정하는 것이 곧, 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 설정하는 것을 의미하게 되며, 이와 달리, 상기 제3 압력(P3)이 변화된다면 상기 제2 압력(P2)을 목표 압력으로 설정하지 않고 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 목표 차압으로 설정하는 것으로 대체할 수 있다.

이 후, 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량을 계산한다(단계 S20).

이 경우, 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량을 계산하기 위해서는, 상기 시험밸브(300)의 개도에 따른 유량계수를 측정하는 것이 필요하다(단계 S21).

상기 시험밸브(300)의 개도에 따른 유량계수(Cv)는, 도시하지는 않았으나, 별도의 유량계를 이용하여 측정할 수 있다.

이 후, 상기 시험밸브(300)의 양단의 차압(dp)을 측정한다(단계 S22).

상기 시험밸브(300)의 양단의 차압을 측정하기 위해서는, 상류의 상기 제2 압력(P2) 및 하류의 상기 제3 압력(P3)을 각각 측정한 후, 차압을 연산하여 도출할 수 있다.

이와 같이, 상기 시험밸브(300)의 개도에 따른 유량계수(Cv) 및 양단의 차압(dp)을 측정한 후, 하식 식 (1)을 통해 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량(Qm)을 계산할 수 있다.

식 (1)

{Cv: 시험밸브 개도에 따른 유량계수, dp: 시험밸브 차압,

: 시험밸브에 흐르는 유체의 밀도}

이 경우, 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유체의 밀도는, 사용되는 유체에 따라 열역학적 상태방정식을 통해 도출될 수 있다.

이 후, 도 2를 참조하면, 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량(Qm)으로부터 상기 제어밸브(200)의 유량계수(Cvc)를 계산한다(단계 S30).

상기 제어밸브(200)의 유량계수(Cvc)를 계산하는 경우, 상기 제1 유로(510), 상기 제2 유로(520) 및 상기 제3 유로(530)가 동일한 크기인 것을 고려하여 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브(200)에 흐른다고 가정할 수 있다.

즉, 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브(200)에 흐른다고 가정하면, 상기 제어밸브(200)의 유량계수(Cvc)는 하기 식 (2)를 통해 도출될 수 있다.

식 (2)

{Qm: 시험밸브에 흐르는 유량, dpc: 제어밸브 차압,

: 제어밸브에 흐르는 유체의 밀도}

이 경우, 상기 저장탱크(100)의 압력을 통해 상기 제어밸브(200) 양단의 차압(dpc)을 도출할 수 있으며, 상기 제어밸브(200)에 흐르는 유체는 상기 시험밸브(300)에 흐르는 유체와 동일하므로 유체의 밀도(

)는 이미 구한 시험밸브(300)에 흐르는 밀도(

)와 동일하다.

이 후, 도 2를 참조하면, 상기 제어밸브(200)의 유량계수(Cvc)를 바탕으로 상기 제어밸브(200)의 개도를 계산한다(단계 S40).

이 경우, 상기 제어밸브(200)가 선행밸브라고 가정하면, 상기 제어밸브(200)의 개도(Ac)는 하기 식 (3) 내지 식 (5)를 통해 계산된다.

식 (3)

식 (4)

식 (5)

이 경우, 상기 제어밸브(200)의 특성값(Rc)은 유체의 종류, 온도, 압력, 압력차 등 유량과 관련된 조건들이 일정한 경우, 밸브를 모두 열었을 때의 유량에 대한 밸브를 모두 닫았을 때의 유량의 비(比)인 레인저빌리티(rangeability)이다. 또한, 상기 레인저빌리티는 미리 실험적으로 도출하거나 공급자의 데이터를 바탕으로 그 값의 도출이 가능하다.

따라서, 상기 식 (3) 내지 식 (5)를 통해, 즉, 물리적인 법칙을 이용하여, 상기 제어밸브(200)의 개도(Ac)를 1차적으로 도출할 수 있으며, 상기 제어부(400)에서는 상기 도출된 상기 제어밸브(200)의 개도(Ac)를 바탕으로 상기 제어밸브(200)를 제어한다.

다만, 상기 물리적 법칙에 의해 도출된 제어밸브(200)의 개도(Ac)를 바탕으로 제어하는 경우, 거시적인 상기 제어밸브(200)의 개도의 제어는 가능하지만, 실제 미시적인 제어밸브(200)의 개도의 제어는 어렵다.

즉, 상기 제어밸브(200)를 포함한 각 구성요소들의 시간지연이나 다양한 물리적인 왜란 발생, 예를 들어, 유체의 상변화, 응축, 열전달 등의 인자들로 인한 오차가 누적되며, 특히나 실제 압력 및 유량의 변화가 큰 환경에서 이러한 오차는 상기 제어밸브(200)의 개도를 정확하게 제어하는 것을 어렵게 만든다.

이에 따라, 도 2를 참조하면, 본 실시예에서는, PID 제어를 통해 상기 제어밸브(200)의 개도를 추가로 계산한다(단계 S50).

즉, 상기 시험밸브(300)의 상류의 제2 압력(P2)에 대한 측정값과 상기 기 설정된 상기 시험밸브(300) 상류의 목표 압력을 비교하여, 오차값을 연산하고, 이러한 압력 오차를 입력 데이터로 PID(proportional integral derivative control) 제어를 수행하여, 상기 압력 오차를 최소화한다.

그리하여, 상기 제어밸브(200)의 개도에 대한 거시적인 제어를 통해 대략 80~90% 정도의 정확도로 개도를 제어하는 것에 추가하여, 나머지 10~20% 정도의 오차에 대하여 상기 PID 제어를 통해 개도 제어의 정확성을 향상시킬 수 있다.

이 경우, 상기 PID 제어의 구체적인 방법은 종래 알려진 제어 방법으로서 중복적인 설명은 생략한다.

이상과 같이, 상기 제어부(400)에서는 상기 제어밸브(200)의 개도에 대한 제어를 수행한다.

한편, 상기 시험밸브(300)를 통과하는 유량은 일정하지 않으며, 상기 시험밸브(300)의 개도는 물론 상기 제어밸브(200)의 개도에 따라 변화하게 된다.

따라서, 상기 단계들을 통하여 제어되는 상기 제어밸브(200)의 개도는 반복적으로 조정되어야 한다.

이에 따라, 상기 제어밸브(200)의 개도를 계산하는 상기 단계들(단계 S20 내지 단계 S50)은 반복되면서, 매 순간 상기 제어밸브(200)의 개도를 도출하며, 이를 바탕으로 상기 제어부(400)는 상기 제어밸브(200)를 제어하게 된다.

도 4a 및 도 4b는 종래 PID 제어만을 적용한 경우, 압력 오차, 저장탱크 압력 및 상류 압력을 도시한 그래프이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 종래 PID 제어만을 이용하여 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어한 결과로서, 상기 측정된 제2 압력(P2)과 목표 압력의 차이인 압력 오류값에 0.02를 곱하여 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어한 결과를 나타낸다.

도 4a를 통해 확인되는 바와 같이, 시간이 지남에 따라 상기 시험밸브(300) 상류의 압력(P2)이 목표 압력을 추종하지 못하며, 목표 압력과의 차이인 오차가 증가하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4b를 통해 확인되는 바와 같이, 시간이 지남에 따라 상기 저장탱크(100)의 압력, 즉 제1 압력(P1)이 감소함에 따라 상기 시험밸브(300) 상류의 압력(P2) 역시 감소하여, 상기 제2 압력(P2)이 목표 압력을 유지하는 것과 달리 오히려 상기 제1 압력(P1)을 추종하는 결과를 확인할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 도 2의 제어방법을 적용한 경우, 압력 오차, 저장탱크 압력 및 상류 압력을 도시한 그래프이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 실시예에 의한 유동차단 시험 제어방법을 통해 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어한 결과로서, 1차적으로는 물리적인 계산법에 의해 거시적으로 상기 제어밸브(200)의 개도를 계산하고, 추가적으로 PID 제어를 통해 미시적으로 상기 제어밸브(200)의 개도를 계산한 결과를 나타낸다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 유동차단 시험 제어방법을 통해 상기 제어밸브(200)의 개도를 제어한 결과, 시간이 지남에 따라 상기 시험밸브(300) 상류의 압력(P2)이 목표 압력을 정확하게 추종함에 따라, 상기 상류의 압력(P2)과 목표 압력의 차이인 압력 오차가 거의 없음을 확인할 수 있다.

또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 시간이 지남에 따라 상기 저장탱크(100)의 압력, 즉 제1 압력(P1)이 감소함에도 불구하고, 상기 시험밸브(300) 상류의 압력(P2)은 일정하게 유지되어, 상기 목표 압력을 정확하게 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상과 같이, 특히, PID 제어가 상대적으로 오차의 양이 적은 경우에 제어의 정확성인 높아지는 것을 고려하여, 본 실시예에서는, 상기 제어 밸브(200)의 개도를 1차적으로 시험 밸브(300)의 유량으로부터 연산한 결과를 바탕으로 제어하고, 나머지 여러 변수들에 의한 오차를 PID 제어를 적용하여 최소화함으로써, 보다 정확하게 유동차단 시험에서의 상기 시험밸브(300) 상류의 목표 압력을 유지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 종래 PID 제어만을 이용하여 제어밸브의 개도를 계산하는 경우의 문제를 해결하여, 실제 흐르는 유량을 바탕으로 제어 밸브의 개도를 물리적인 법칙에 의해 우선 계산하여 제어를 수행하고, 이 경우 발생되는 오차나 오류를 PID 제어를 이용하여 추가로 제어하여 제어 밸브의 개도를 미세하게 조정할 수 있으므로, 보다 정확하게 시험 밸브의 상류에 설정된 목표 압력을 추종할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 원전기기의 유동차단 시험용 제어 시스템 및 이를 이용한 원전기기의 유동차단 시험 제어 방법은 원전 모사를 통한 유동차단 시험에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.

10 : 유동차단 시험용 제어 시스템
100 : 저장탱크 200 : 제어밸브
300 : 시험밸브 400 : 제어부
500 : 유로부 510 : 제1 유로
520 : 제2 유로 530 : 제3 유로

Claims

원자력 발전소의 작동 환경을 모사한 유동차단 시험용 제어시스템에서,
유체를 저장하며, 저장된 유체를 제1 압력으로 제공하는 저장탱크;
개도가 제어됨에 따라, 상기 제1 압력으로 제공된 유체를 제2 압력으로 토출하는 제어밸브;
상류의 상기 제2 압력과 하류의 제3 압력의 차이인 차압이 설정되어, 유동차단 시험의 대상이 되는 시험 밸브; 및
상기 시험 밸브의 유량으로부터 상기 제어밸브의 유량계수 및 상기 제어밸브의 개도를 계산하며, PID(proportional integral derivative control) 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하여, 상기 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하는 유동차단 시험용 제어시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 시험 밸브의 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브에 흐른다고 가정하여 상기 제어밸브의 유량계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험용 제어시스템.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 제어밸브의 유량계수를 바탕으로 상기 제어밸브의 개도를 계산하며, 상기 계산된 개도가 갖는 오차를 최소화하기 위하여, PID 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험용 제어시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 시험밸브의 상류의 제2 압력 신호를 입력받아, 상기 PID 제어를 수행하여 상기 설정된 상기 시험밸브의 차압을 유지하도록 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험용 제어시스템.
원자력 발전소의 작동 환경을 모사한 유동차단 시험용 제어시스템을 제어하며,
시험밸브 상류의 목표 압력을 설정하는 단계;
상기 시험밸브에 흐르는 유량을 계산하는 단계;
상기 시험밸브의 유량을 바탕으로 제어밸브의 유량계수를 계산하는 단계;
상기 제어밸브의 유량계수를 바탕으로 상기 제어밸브의 개도를 계산하는 단계; 및
PID 제어를 통해 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 단계를 포함하는 유동차단 시험 제어방법.
제5항에 있어서, 상기 시험밸브에 흐르는 유량을 계산하는 단계는,
상기 시험밸브의 개도에 따른 유량계수를 측정하는 단계; 및
상기 시험밸브의 상류의 제2 압력과 하류의 제3 압력의 차이인 차압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제6항에 있어서,
상기 시험밸브에 흐르는 유량(Qm)은,

식 (1)
{Cv: 시험밸브 개도에 따른 유량계수, dp: 시험밸브 차압,
: 시험밸브에 흐르는 유체의 밀도}
상기 식 (1)로 계산되는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제5항에 있어서, 상기 제어밸브의 유량계수를 계산하는 단계에서,
상기 시험밸브의 유량과 동일한 유량이 상기 제어밸브에 흐른다고 가정하여 상기 제어밸브의 유량계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 제어밸브의 유량계수(Cvc)는,

식 (2)
{Qm: 시험밸브에 흐르는 유량, dpc: 제어밸브 차압,
: 제어밸브에 흐르는 유체의 밀도}
상기 식 (2)로 계산되는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제5항에 있어서,
상기 제어밸브의 개도(Ac)는,

식 (3)

식 (4)

식 (5)
{Rc: 제어밸브 특성값, Cvc: 제어밸브 유량계수, Cvcmax: 제어밸브 개도가 100%인 경우 유량계수}
상기 식 (3) 내지 식 (5)들로 계산되는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제5항에 있어서, 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 단계는,
상기 시험밸브의 상류의 제2 압력 신호를 입력받아, 상기 PID 제어를 수행하여 상기 설정된 상기 시험밸브의 목표 압력을 유지하도록 상기 제어밸브의 개도를 추가로 계산하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.
제5항에 있어서,
상기 시험밸브에 흐르는 유량을 주기적으로 계산하여 상기 제어밸브의 개도를 계산하는 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 유동차단 시험 제어방법.