KR20230050864A - 원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 운용방법 - Google Patents

원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 운용방법 Download PDF

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Abstract

원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 그 운용방법을 제공한다. 원자력발전소 연계 수소생산시스템은 증기를 생산하는 원자로; 상기 원자로를 격리하는 격납구조물; 상기 원자로와 연동되고 수소를 생산하는 수전해장치; 상기 원자로의 상기 증기를 기반으로 전기를 생산하는 터빈; 기 터빈에서 생산된 전기를 수요처에 공급하는 스위치야드; 상기 스위치야드와 연동되고 소외 송전과 배전을 위한 전력망; 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받아 전력을 조절하는 전력조절부; 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장하는 수전해보조전원부; 및 상기 전력조절부를 거치는 전력을 적어도 상기 수전해장치로 분배하는 전력분배부를 포함한다.

Description

원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 운용방법{Hydrogen production system of linked to nuclear power plant and operation method thereof}
본 발명은 원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
원자력 발전소에 발생되는 증기와 전기에너지를 이용한 수소생산에 있어 별도의 독립전원 없이 원자력발전소에 생산되는 전기를 활용하여 시스템을 운전하게 된다. 그러나 이러한 방식은 갑작스러운 사고 발생(예: 소내 전원 상실, 불상의 이유로 수전해 시스템으로의 전원 공급 중단 및 소내 화재 등)시 발전소 필수계통은 안전급 비상전원 계통으로부터 전원을 공급받지만 비필수 계통인 수전해 시스템의 경우 갑작스러운 전원 상실 시 정지에 상당한 시간이 필요한 수전해 시스템의 특성상 건전성이 상실되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-192529호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 사고상황 발생시 이에 효과적으로 대처할 수 있는 방안을 마련하여 수전해 장치 건전성을 유지할 수 있는 원자력발전소 연계 수소생산시스템을 제공하는 것이다.
특히, 독립된 수전해 보조전원 장치를 두고 정상운전시에는 터빈에서 발생된 전기를 스위치 야드에서 수전받아 저장하고 필요시 수전해 장치로 전원을 공급해 사고상황을 대처할 수 있도록 하는 원자력발전소 연계 수소생산시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 면(aspect)에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템은 증기를 생산하는 원자로; 상기 원자로를 격리하는 격납구조물; 상기 원자로와 연동되고 수소를 생산하는 수전해장치; 상기 원자로의 상기 증기를 기반으로 전기를 생산하는 터빈; 상기 터빈에서 생산된 전기를 수요처에 공급하는 스위치야드; 상기 스위치야드와 연동되고 소외 송전과 배전을 위한 전력망; 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받아 전력을 조절하는 전력조절부; 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장하는 수전해보조전원부; 및 상기 전력조절부를 거치는 전력을 적어도 상기 수전해장치로 분배하는 전력분배부를 포함한다.
또한, 용수가 저장되는 저장탱크와, 상기 용수의 공급을 위한 용수공급밸브와, 상기 용수의 공급을 위한 용수공급펌프와, 상기 용수를 수전해에 적합한 순수로 제조하는 순수제조부와, 상기 수전해장치에서 생산되는 수소가 저장되는 수소저장탱크와, 상기 수전해장치에서 생산되는 산소가 저장되는 산소저장탱크와, 상기 수전해장치에 대한 보전용가스가 저장되는 보전용가스공급탱크를 더 포함한다.
또한, 상기 수소저장탱크과 상기 산소저장탱크로부터 발생되는 신호를 각각 계측하여 처리하는 계측신호처리부와, 상기 전력분배부, 상기 용수공급밸브, 상기 계측신호처리부의 동작제어를 기반으로 수소의 생산을 제어하는 수소생산제어부와, 상기 원자력발전소의 안전계통을 제어하는 안전계통제어부를 더 포함한다.
또한, 상기 수전해보조전원부는 상기 수소생산시스템의 정상운전상태인경우, 공급되는 전력을 저장하며, 상기 전력분배부는 상기 수소생산제어부의 수소생산을 위한 제어신호를 기반으로 수전해의 수행을 위한 전력분배를 수행하며, 상기 용수공급밸브는 상기 전력분배부로부터 분배되는 전력을 기반으로 밸브를 개방하여 상기 용수가 상기 순수제조부로 공급되도록 하고, 상기 수전해장치는 상기 순수제조부로부터 공급되는 순수를 기반으로 수전해를 수행하며, 상기 수소저장탱크와 상기 산소저장탱크는 상기 수전해장치의 수전해를 기반으로 각각 수소와 산소가 저장되고, 상기 계측신호처리부는 상기 수소저장탱크와 상시 산소저장탱크 각각의 수소와 산소에 대응하는 계측정보를 생성하며, 상기 수소생산제어부는 상기 계측정보를 기반으로 상기 수전해장치를 통한 수소생산량을 제어한다.
또한, 상기 안전계통제어부는 상기 원자력발전소의 사고발생에 대응하여 안전계통의 제어를 위한 안전제어신호를 생성하며, 상기 수소생산제어부는 상기 안전제어신호를 기반으로 상기 용수공급밸브가 닫힘 동작되도록 하며, 상기 안전제어신호 생성시점에서 상기 수전해를 위한 적어도 일부 동작을 위한 전력공급은 중단된 상태일 수 있다.
또한, 상기 수전해보조전원부는 상기 안전제어신호를 기반으로 상기 수전해장치의 안전정지를 위한 안전정지모드용 전력을 공급하거나, 상기 수전해장치의 보전운전을 위한 보전운전모드용 전력을 공급하며, 상기 안전정지모드는, 상기 수전해장치의 기 설정된 제1기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치의 정지를 위한 구동전력을 제외한 부가계통의 전력이 요구되지 않는 것이며, 상기 보전운전모드는, 상기 수전해장치의 상기 제1기간보다 단기로 기 설정된 제2기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치가 즉각적인 운전이 가능한 대기상태로 운전되도록 하기 위한 것일 수 있다.
또한, 상기 수전해장치는 상기 보전운전모드에서 상기 즉각적인 운전을 위하여 상기 보전용가스공급탱크로부터 상기 보전용가스를 공급받는다.
또한, 상기 수전해장치는 상기 안전정지모드 보다 상기 보전운전모드가 우선하여 수행되며, 상기 원자력발전소의 사고발생에 관한 원인파악에 기반하여 수동적 혹은 자동적으로 상기 보전운전모드와 상기 안전정지모드 중 어느 하나로 동작된다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 면(aspect)에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템 운용방법은 원자로의 증기가 생산되는 단계, 터빈이 상기 원자로의 증기를 기반으로 전기를 생산하는 단계, 스위치야드가 상기 터빈에서 생산된 전기를 수요처로 공급하는 단계 및 전력조절부가 상기 스위치야드로부터 공급된 전기의 전력을 조절하는 단계, 전력분배부가 상기 전력조절부를 거치는 전력을 수전해장치로 분배하는 단계, 상기 수전해장치가 스위치야드를 매개로 공급된 전기를 기반으로 수전해를 수행하는 단계, 및 전력망이 상기 스위치야드와 연동되어 소외 송전과 배전을 수행하는 단계 및 수전해보조전원부가 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 본 발명의 원자력발전소 연계 수소생산시스템 및 운용방법에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
본 발명은 사고상황 발생시 이에 효과적으로 대처할 수 있는 방안을 마련하여 수전해 장치 건전성을 유지할 수 있는 원자력발전소 연계 수소생산시스템을 제공할 수 있다.
또한, 독립된 수전해 보조전원 장치를 두고 정상운전시에는 터빈에서 발생된 전기를 스위치 야드에서 수전받아 저장하고 필요시 수전해 장치로 전원을 공급해 사고상황을 대처할 수 있도록 하는 원자력발전소 연계 수소생산시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템의 구성들을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 따른 구성들을 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1에 따른 구성들의 사고발생 시 작동 상태를 도시한 블록도이다.
도 4 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템 운용방법을 순차적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템(100)은 원자로(110), 격납구조물(115), 수전해장치(150), 터빈(120), 스위치야드(125), 전력망(130), 전력조절부(135), 수전해보조전원부(126), 전력분배부(140), 순수제조부(145), 수전해장치(150) 보전용가스공급탱크(158), 수소저장탱크(160), 산소저장탱크(165), 용수공급펌프(170), 용수공급밸브(175) 및 용수저장탱크(180)를 포함한다.
여기서 원자력발전소 연계 수소생산시스템(100)의 상기 원자로(110)는 상기 증기를 생산한다.상기 격납구조물(115)은 상기 원자로(110)를 외부와 격리한다. 상기 수전해장치(150)는 상기 원자로(110)와 연동되고 수소를 생산한다.
상기 터빈(120)은 상기 원자로(110)의 상기 증기를 기반으로 전기를 생산한다. 상기 스위치야드(125)는 상기 터빈(120)에서 생산된 전기를 수요처에 공급한다.
아울러 상기 전력망(130)은 상기 스위치야드(125)와 연동되고 소외 송전과 배전을 위한 역할을 한다. 상기 전력조절부(135)는 상기 스위치야드(125)로부터 전기를 공급받아 전력을 조절한다.
상기 수전해보조전원부(126)는 상기 스위치야드(125)로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장한다. 상기 전력분배부(140)는 상기 전력조절부(135)를 거치는 전력을 적어도 상기 수전해장치(150)로 분배한다.
한편 상기 용수저장탱크(180)는 상기 용수가 저장되고 상기 용수공급펌프(170)와 상기 용수공급밸브(175)는 상기 용수의 공급을 위한 역할을 수행한다.
상기 순수제조부(145)는 상기 용수를 수전해에 적합한 순수로 제조한다. 상기 수소저장탱크(160)는 상기 수전해장치(150)에서 생산되는 수소가 저장된다. 상기 산소저장탱크(165)는 상기 수전해장치(150)에서 생산되는 산소가 저장된다.
아울러 상기 보전용가스공급탱크(158)는 상기 수전해장치(150)에 대한 보전용가스가 저장된다. 상기 계측신호처리부(155)는 상기 수소저장탱크(160)과 상기 산소저장탱크(165)로부터 발생되는 신호(예: 설치된 계측수단(미도시)의 신호 등)를 각각 계측하여 처리한다.
상기 수소생산제어부(148)는 상기 전력분배부(140), 상기 용수공급밸브(175), 상기 계측신호처리부(155)의 동작제어를 기반으로 수소의 생산을 제어한다.
여기서 상기 안전계통제어부(185)는 상기 원자력발전소의 안전계통을 제어한다. 상기 수전해보조전원부(130)는 상기 수소생산시스템의 정상운전상태인경우, 공급되는 전력을 저장한다.
상기 전력분배부(140)는 상기 수소생산제어부(148)의 수소생산을 위한 제어신호를 기반으로 수전해의 수행을 위한 전력분배를 수행한다. 상기 용수공급밸브(175)는 상기 전력분배부(140)로부터 분배되는 전력을 기반으로 밸브를 개방하여 상기 용수가 상기 순수제조부로 공급되도록 한다.
이러한 상기 수전해장치(150)는 상기 순수제조부로부터 공급되는 순수를 기반으로 수전해를 수행한다. 상기 수소저장탱크(160)와 상기 산소저장탱크(165)는 상기 수전해장치(150)의 수전해를 기반으로 각각 수소와 산소가 저장된다.
상기 계측신호처리부(155)는 상기 수소저장탱크(160)와 상기 산소저장탱크(165) 각각의 수소와 산소에 대응하는 계측정보를 생성한다. 상기 수소생산제어부(148)는 상기 계측정보를 기반으로 상기 수전해장치(150)를 통한 수소생산량을 제어한다.
상기 안전계통제어부(185)는 상기 원자력발전소의 사고발생에 대응하여 안전계통의 제어를 위한 안전제어신호를 생성한다. 상기 수소생산제어부(148)는 상기 안전제어신호를 기반으로 상기 용수공급밸브(175)가 닫힘 동작되도록 한다.
아울러 여기서 상기 안전제어신호 생성시점에서 상기 수전해를 위한 적어도 일부 동작을 위한 전력공급은 중단된 상태일 수 있다.
상기 수전해보조전원부는 상기 안전제어신호를 기반으로 상기 수전해장치(150)의 안전정지를 위한 안전정지모드용 전력을 공급하거나, 상기 수전해장치(150)의 보전운전을 위한 보전운전모드용 전력을 공급한다.
한편 상기 안전정지모드는 상기 수전해장치(150)의 기 설정된 제1기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치(150)의 정지를 위한 구동전력을 제외한 부가계통의 전력이 요구되지 않는 것일 수 있다.
상기 보전운전모드는 상기 수전해장치(150)의 상기 제1기간보다 단기로 기 설정된 제2기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치(150)가 즉각적인 운전이 가능한 대기상태로 운전되도록 하기 위한 것일 수 있다.
아울러 상기 수전해장치(150)는 상기 보전운전모드에서 상기 즉각적인 운전을 위하여 상기 보전용가스공급탱크(158)로부터 상기 보전용가스를 공급받는다.
상기 수전해장치(150)는 상기 안전정지모드 보다 상기 보전운전모드가 우선하여 수행된다. 상기 수전해장치(150)는 상기 원자력발전소의 사고발생에 관한 원인파악에 기반하여 수동적 혹은 자동적으로 상기 보전운전모드와 상기 안전정지모드 중 어느 하나로 동작된다.
도 4를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 원자력발전소 연계 수소생산시스템 운용방법(S100)은 S110 내지 S180을 포함한다.
먼저 S110에서 원자로(110)의 증기가 생산된다. S120에서 터빈(120)이 상기 원자로(110)의 증기를 기반으로 전기를 생산한다. S130에서 스위치야드(125)가 상기 터빈(120)에서 생산된 전기를 수요처로 공급한다.
S140에서 전력조절부(135)가 상기 스위치야드(125)로부터 공급된 전기의 전력을 조절한다. S150에서 전력분배부(140)가 상기 전력조절부(135)를 거치는 전력을 수전해장치(150)로 분배한다.
S160에서 상기 수전해장치(150)가 스위치야드(125)를 매개로 공급된 전기를 기반으로 수전해를 수행한다. S170에서 전력망(130)이 상기 스위치야드(125)와 연동되어 소외 송전과 배전을 수행한다. S180에서 수전해보조전원부(126)가 상기 스위치야드(125)로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장한다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 원자로 115: 격납구조물
120: 터빈 130: 전력망
135: 전력조절부 140: 전력분배부
150: 수전해장치 155: 계측신호처리부
160: 수소저장탱크 165: 산소저장탱크
170: 용수공급펌프 175: 용수공급밸브
180: 용수저장탱크

Claims (8)

  1. 원자력발전소 연계 수소생산시스템으로서,
    증기를 생산하는 원자로;
    상기 원자로를 격리하는 격납구조물;
    상기 원자로와 연동되고 수소를 생산하는 수전해장치;
    상기 원자로의 상기 증기를 기반으로 전기를 생산하는 터빈;
    상기 터빈에서 생산된 전기를 수요처에 공급하는 스위치야드;
    상기 스위치야드와 연동되고 소외 송전과 배전을 위한 전력망;
    상기 스위치야드로부터 전기를 공급받아 전력을 조절하는 전력조절부;
    상기 스위치야드로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장하는 수전해보조전원부; 및
    상기 전력조절부를 거치는 전력을 적어도 상기 수전해장치로 분배하는 전력분배부를 포함하는, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    용수가 저장되는 저장탱크와,
    상기 용수의 공급을 위한 용수공급밸브와,
    상기 용수의 공급을 위한 용수공급펌프와,
    상기 용수를 수전해에 적합한 순수로 제조하는 순수제조부와,
    상기 수전해장치에서 생산되는 수소가 저장되는 수소저장탱크와,
    상기 수전해장치에서 생산되는 산소가 저장되는 산소저장탱크와,
    상기 수전해장치에 대한 보전용가스가 저장되는 보전용가스공급탱크를 더 포함하는, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수소저장탱크과 상기 산소저장탱크로부터 발생되는 신호를 각각 계측하여 처리하는 계측신호처리부와,
    상기 전력분배부, 상기 용수공급밸브, 상기 계측신호처리부의 동작제어를 기반으로 수소의 생산을 제어하는 수소생산제어부와,
    상기 원자력발전소의 안전계통을 제어하는 안전계통제어부를 더 포함하는, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수전해보조전원부는 상기 수소생산시스템의 정상운전상태인경우, 공급되는 전력을 저장하며,
    상기 전력분배부는 상기 수소생산제어부의 수소생산을 위한 제어신호를 기반으로 수전해의 수행을 위한 전력분배를 수행하며,
    상기 용수공급밸브는 상기 전력분배부로부터 분배되는 전력을 기반으로 밸브를 개방하여 상기 용수가 상기 순수제조부로 공급되도록 하고,
    상기 수전해장치는 상기 순수제조부로부터 공급되는 순수를 기반으로 수전해를 수행하며,
    상기 수소저장탱크와 상기 산소저장탱크는 상기 수전해장치의 수전해를 기반으로 각각 수소와 산소가 저장되고,
    상기 계측신호처리부는 상기 수소저장탱크와 상기 산소저장탱크 각각의 수소와 산소에 대응하는 계측정보를 생성하며,
    상기 수소생산제어부는 상기 계측정보를 기반으로 상기 수전해장치를 통한 수소생산량을 제어하는, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 안전계통제어부는 상기 원자력발전소의 사고발생에 대응하여 안전계통의 제어를 위한 안전제어신호를 생성하며,
    상기 수소생산제어부는 상기 안전제어신호를 기반으로 상기 용수공급밸브가 닫힘 동작되도록 하며,
    상기 안전제어신호 생성시점에서 상기 수전해를 위한 적어도 일부 동작을 위한 전력공급은 중단된 상태인, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수전해보조전원부는,
    상기 안전제어신호를 기반으로 상기 수전해장치의 안전정지를 위한 안전정지모드용 전력을 공급하거나, 상기 수전해장치의 보전운전을 위한 보전운전모드용 전력을 공급하며,
    상기 안전정지모드는,
    상기 수전해장치의 기 설정된 제1기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치의 정지를 위한 구동전력을 제외한 부가계통의 전력이 요구되지 않는 것이며,
    상기 보전운전모드는,
    상기 수전해장치의 상기 제1기간보다 단기로 기 설정된 제2기간의 미사용을 위한 것으로서, 상기 수전해장치가 즉각적인 운전이 가능한 대기상태로 운전되도록 하기 위한 것인, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수전해장치는 상기 보전운전모드에서 상기 즉각적인 운전을 위하여 상기 보전용가스공급탱크로부터 상기 보전용가스를 공급받는, 원자력발전소 연계 수소생산시스템.
  8. 원자력발전소 연계 수소생산시스템 운용방법으로서,
    원자로의 증기가 생산되는 단계;
    터빈이 상기 원자로의 증기를 기반으로 전기를 생산하는 단계;
    스위치야드가 상기 터빈에서 생산된 전기를 수요처로 공급하는 단계; 및
    전력조절부가 상기 스위치야드로부터 공급된 전기의 전력을 조절하는 단계;
    전력분배부가 상기 전력조절부를 거치는 전력을 수전해장치로 분배하는 단계;
    상기 수전해장치가 스위치야드를 매개로 공급된 전기를 기반으로 수전해를 수행하는 단계; 및
    전력망이 상기 스위치야드와 연동되어 소외 송전과 배전을 수행하는 단계;
    수전해보조전원부가 상기 스위치야드로부터 전기를 공급받고, 공급된 전기를 저장하는 단계를 포함하며, 원자력발전소 연계 수소생산시스템 운용방법.
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KR102205038B1 (ko) * 2020-06-03 2021-01-19 한국해양과학기술원 불연속 신재생에너지 기반 수소 생산 시스템

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