KR20230127470A - 원자력발전소 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 및 관리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원자력발전소 복수탈염설비(CPP)의 에탄올아민(ETA)형 운전 및 관리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CPP에 Na 함량을 제한한 고순도 이온교환수지를 장입하여 운전함으로써 ETA형 운전시 증기발생기 수질 악화를 방지하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 기술에 따르면, CPP의 이온교환수지 재생주기를 획기적으로 연장함으로써 재생공정에서 발생되는 화학폐수 발생을 저감하고, 유해화학물질 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, CPP의 이온교환수지를 ETA형으로 운전함으로써 발전소 계통 재료 부식 저감을 위한 pH 상향 운전이 용이해지는 장점이 발현된다.
본 발명의 기술에 따르면, CPP의 이온교환수지 재생주기를 획기적으로 연장함으로써 재생공정에서 발생되는 화학폐수 발생을 저감하고, 유해화학물질 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, CPP의 이온교환수지를 ETA형으로 운전함으로써 발전소 계통 재료 부식 저감을 위한 pH 상향 운전이 용이해지는 장점이 발현된다.
Description
본 발명은 원자력발전소 복수탈염설비(Condensate Polishing Plant, 이하 CPP)의 에탄올아민(Ethanolamine, C2H4OHNH2, 이하 ETA)형 운전 및 관리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 CPP에 Na 함량을 제한한 고순도 이온교환수지를 장입하여 운전함으로써 ETA형 운전시 증기발생기 수질 악화를 방지하는 방법에 관한 것이다.
원자력발전소에서는 급수의 불순물을 연속적으로 정화하고, 수증기를 냉각시켜 물로 되돌리는 장치인 복수기의 해수누설 시 긴급 정화를 위하여 복수탈염설비(CPP)가 운전된다. 국내 원자력발전소 CPP는 H+형 양이온교환수지와 OH-형 음이온교환수지가 충전된 5대 이상의 탈염기로 구성되어 있다.
일반적으로 CPP 운전방법은 수소형(Hydrogen-form, 이하 H형) 운전이다. 이는 CPP내 양이온교환수지의 H형 교환기가 모두 다른 양이온에 의해 교환 및 포화(saturation)되면, 이온교환수지를 재생함으로써 양이온교환기를 H형으로 유지하는 방법이다. 수소형 운전방법은 Na 등의 불순물에 대한 이온교환 선택도가 우수하여 양질의 계통수를 생산할 수 있다. 양이온교환수지의 포화 여부는 CPP 탈염기 출구수의 수질을 감시하여 판단하며, 이의 감시항목과 기준값은 다음과 같다.
- 총전도도(Total Conductivity, TC) : ≤0.1 μS/㎝,
- 양이온전도도(Cation Conductivity, CC) : ≤0.1 μS/㎝
원자력발전소 2차계통 물에는 Na 등의 불순물이 0.1 ppb 미만으로 매우 낮은 농도로 유지된다. 하지만 pH 조절을 위해 에탄올아민 등의 약품이 처리되며, 이는 계통수 중에 ppm 단위의 농도로 가장 지배적인 양이온으로 존재한다. 이로 인해 CPP의 양이온교환수지가 불순물보다 ETA에 의해 조기에 포화되고, 이에 따라 5~10일 주기로 이온교환수지의 잦은 재생이 수반되고 있다. 이온교환수지 재생시에는 재생약품으로 황산(H2SO4), 수산화나트륨(NaOH) 등의 유해화학물질이 사용되고, 다량의 화학폐수가 발생하기 때문에 이로 인한 경제적 비용과 폐수처리의 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 원자력발전소 CPP ETA형 운전의 적용 및 관리방법을 제시함으로써 기존 수소형 운전시의 잦은 수지 재생으로 인한 유해화학물질 사용 및 화학폐수 발생 문제를 개선하고 증기발생기 수질 악화를 방지하는 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원자력발전소 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 및 관리 방법으로, (1) 에탄올아민(Ethanolamine, ETA)을 함유하는 계통수가 흐르도록 이온교환수지를 포함하는 탈염기의 밸브를 개방하여 복수탈염설비의 운전을 시작하는 단계; (2) 상기 이온교환수지를 계통수 중의 에탄올아민으로 포화시키는 단계; 및 (3) 상기 이온교환수지의 에탄올아민 포화여부를 확인하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (1) 단계는, 증기발생기를 포함한 2차계통의 수질이 정상범위로서, 증기발생기 취출수 Na 농도 ≤ 0.8 ppb, Cl 농도 ≤ 1.6 ppb, SO4 농도 ≤ 1.7 ppb 범위에서 안정적으로 유지될 때 탈염기의 밸브를 개방하는 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 (3) 단계는, 탈염기 입구수 대비 출구수의 ETA 농도비가 1 이상인 경우 포화인 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 (3) 단계 이후, (4) 탈염기 출구 및 계통수 이상시 조치하는 단계;를 더 수행할 수 있고, 상기 이상은 복수탈염설비 출구의 총전도도가 1 내지 10 μS/㎝, 양이온전도도 ≤ 0.2 μS/㎝, 증기발생기 나트륨(Na) 농도 ≤ 0.8 ppb인 것일 수 있다.
바람직하게, 상기 (1) 단계의 이온교환수지는 나트륨(Na) 함량을 최대 0.5 ppm으로 제한하는 것일 수 있다.
본 발명의 기술에 따르면, 기존 CPP 수소형 운전시에는 ETA 포화시점(5~10일 단위)에 기준하여 재생이 이루어졌으나 본 발명의 CPP ETA형 운전시에는 ETA 포화 후에도 증기발생기 수질(Na 농도)에 기준하여 지속적으로 운전함으로써 CPP의 이온교환수지 재생주기를 획기적으로 연장할 수 있으며 이를 통해 재생공정에서 발생되는 화학폐수 발생을 저감하고, 유해화학물질 사용량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, CPP의 이온교환수지를 ETA형으로 운전함으로써 발전소 계통 재료 부식 저감을 위한 pH 상향 운전이 용이해지는 장점이 발현된다.
도 1은 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전방법에 대한 흐름도이다.
도 2는 ETA형 수지의 이온교환 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 ETA형 수지의 탈염기내 이온교환 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 ETA형 수지의 이온교환 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 ETA형 수지의 탈염기내 이온교환 모식도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
원자력발전은 1차 계통(원자로 및 주변기기)인 원자로에서 발생한 증기의 힘으로 2차 계통(터빈 및 주변기기)에 설치된 고압용 저압용 터빈을 회전시켜 발전기를 돌려 전기를 생산하는 구조를 갖는다.
본 발명은 2차계통의 CPP에 Na 함량을 0.5 ppm 이내로 제한한 고순도 이온교환수지를 장입하여 운전함으로써 에탄올아민(ETA)형 운전시 증기발생기 수질 악화를 방지하는 방법을 제공한다. 또한, CPP ETA형 운전을 위한 탈염기 투입, 계통 포화, 포화여부 확인 및 운전 중 수질 감시 방법을 제공한다.
본 발명에서 ETA형 운전이란, 양이온교환수지의 이온교환기를 수소(H+)에서 ETA·H+로 치환된 상태로 운전하는 것으로, 양이온수지가 포화된 이후에도 지속적으로 운전하는 방식을 의미한다. 기존의 CPP 운전개념으로는 수지가 아민으로 포화된 후에는 Na 등의 불순물에 대한 제거능을 소실하는 것으로 여겨왔으나, 포화된 후에도 작용기에 따라 불순물에 대한 선택도가 더 큰 경우 지속적인 제거반응이 유지될 수 있다. 국내 경수로원전은 2차계통 pH 조절제로 대부분 ETA를 단독 아민으로 사용하고 있으며, 하이드라진을 환원제로 주입하고 있다. 하이드라진의 열분해로 생성된 암모니아가 계통내 상존하고 있으나, ETA의 농도가 지배적이므로 탈염기 양이온수지의 ETA형 운전이 적용 가능하다. CPP ETA형 운전을 적용할 경우, 기존의 CPP 수소형 운전 대비 계통수 중 양이온성 불순물에 대한 제거능이 일부 감소할 수 있으므로 증기발생기를 포함한 2차계통 수질 감시를 강화하여야 한다. 이때 양이온성 불순물 중 특히 Na은 증기발생기 건전성 관리를 위한 주요 수질 관리항목(Control parameter)이며, 원자력발전소에서는 Na 온라인 감시기를 통해 실시간으로 추세를 확인할 수 있기 때문에 CPP ETA형 운전시 탈염기 성능 감시를 위한 대표 지표로 삼을 수 있다.
도 1은 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전방법에 대한 흐름도를 나타낸 것이다. 먼저, CPP ETA형 운전의 적용에 앞서, 계통 수질 정화 과정을 거쳐 수질을 안정적으로 유지할 수 있는지 확인한다(특히 증기 발생기 Na 0.5 ppb 미만 확인). 수질이 안정적으로 유지되지 않았을 경우 계통 수질 정화 과정을 반복하고, 안정적으로 유지가 된 경우 CPP ETA형 운전용 탈염기를 계통에 투입한다(In-Service). 탈염기 ETA 포화가 진행되고 탈염기측 입구수와 출구수의 ETA 농도 분석결과 ETA의 농도비(출구수/입구수)가 1 이상일 경우 ETA 포화가 완료된 것으로 판단하고 CPP ETA형 운전을 유지하며, ETA의 농도비(출구수/입구수)가 1 미만일 계통 운전을 계속 하면서 포화여부를 감시한다. 탈염기의 ETA 포화가 완료되고 ETA형 운전을 유지하는 중에는 증기발생기 포함 계통 수질이 악화될 수 있으므로 수질 악화 기준으로서, 증기발생기 Na 농도가 0.8 ppb를 초과할 경우 CPP 대기 탈염기를 추가 투입하여 병렬운전을 가동시킨다. 이후, 증기발생기 Na의 농도가 0.8 ppb 초과 및 지속적으로 증가할 경우, CPP ETA형 운전을 정지시킨다(CPP 수소형 운전 복귀 및 계통 정화).
도 2는 복수탈염기 양이온수지의 ETA 포화시 이온교환 반응을 나타낸 것이다. 도 2(a)에 있어 기존 CPP 수소형 운전은 양이온교환수지 작용기의 수소이온(H+)과 수중의 양이온성 불순물(예: Na+)과의 교환으로 불순물 제거가 이루어지나 제안하는 CPP ETA형 운전은 도 2(b)와 같이 양이온교환수지를 계통수 중 ETA로 포화시켜 작용기가 ETA형(ETA·H+)인 상태에서 ETA·H+와 수중의 양이온성 불순물(예: Na+)과의 교환으로 불순물 제거가 이루어진다.
도 3은 ETA형 수지의 CPP 탈염기내 이온교환 모식도를 나타낸 것이다. 도 3(a)는 양이온교환수지가 장입된 양이온탈염기의 ETA형 운전시 이온교환의 모식도이고, 도 3(b)는 양이온교환수지와 음이온교환수지가 함께 장입된 혼상탈염기의 ETA형 운전시 이온교환의 모식도이다.
CPP를 ETA형으로 운전할 경우 기존 H형 운전 대비 이온성 불순물에 대한 제거성능이 감소하여 탈염기 출구수의 불순물 일부 누출로 인해 증기발생기 수질이 악화될 수 있다. 특히 기존 CPP 재생공정을 통해 재생된 이온교환수지의 경우 NaOH와 같은 재생약품에 의한 오염으로 불순물(특히, Na) 재고량이 높아, ETA 포화시 이의 누출로 증기발생기 수질 악화를 유발할 수 있다. 이를 예방하기 위해, CPP ETA형 운전용 탈염기는 다음과 같이 불순물 함량을 최소화한 고순도 이온교환수지로 사전에 교체한 후 계통 운전한다.
<CPP ETA형 운전을 위한 양이온교환수지 규격>
- H+로의 이온 교환(Ionic Converstion) : min. 99.9 Eqv.%
- 나트륨(Sodium) : max. 0.5 ppm
실시예. 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 방법
복수탈염설비(CPP) ETA형 운전을 위한 탈염기 투입, 계통 포화, 포화여부 확인 및 운전 중 수질감시 방법에 대한 세부 단계는 다음과 같다.
(1) CPP의 ETA형 운전을 위해 탈염기 투입 시점을 결정하는 단계
증기발생기를 포함한 2차계통 수질이 정상범위 내(WANO Chemistry Performance Index 기준, 증기발생기 취출수 Na ≤ 0.8 ppb, Cl ≤ 1.6 ppb, SO4 ≤ 1.7 ppb) 안정적으로 유지되며, 특히 증기발생기 취출수의 Na 농도가 0.5 ppb 미만으로 낮게 유지될 때 투입을 결정한다.
(2) 탈염기를 계통수 중의 ETA로 포화시키는 단계
ETA 포화에 소요되는 시간은 탈염기 입구수의 ETA 농도와 탈염기 통과유량을 통해 예측 가능하다. 예를 들어, 양이온 교환당량이 2.4 eq/L인 양이온교환수지 2,000 L가 충전된 탈염기일 때, 탈염기 입구수의 ETA 농도가 4 ppm(mg/kg)이고, 탈염기 통과유량이 500 ton/hr일 경우, 약 6일이 소요된다.
[계산 예시]
ⅰ) 탈염기의 양이온 총 교환당량 : 2.4 eq/L × 2,000 L = 4,800 eq
ⅱ) 탈염기로 시간당 유입되는 ETA 당량 :
4 mg/kg ÷ 61.1 g/eq × 500,000 kg/hr × 0.001 g/mg = 32.7 eq/hr
ⅲ) 탈염기의 ETA 포화 소요일 : ⅰ) ÷ ⅱ) ≒ 6 일
(3) 포화 운전 중인 복수탈염기 출구의 수질 분석을 통해 포화 여부를 확인하는 단계
포화 중인 탈염기 입구수와 출구수의 ETA 농도를 주기적으로 확인하여 입구수 대비 출구수의 ETA 농도비를 통해 포화 여부를 확인한다.
* ETA 농도비(출구수/입구수) : ≥ 1
(4) ETA 포화 후 탈염기 출구 및 계통 수질 감시 및 이상시 조치하는 단계
(CPP 출구) 총전도도 : 1~10 μS/㎝, 양이온전도도(CC) : ≤ 0.2 μS/㎝
ETA형 운전 중에는 탈염기 출구로 ETA가 누출되므로, 상기와 같이 탈염기 출구수 수질 관리기준을 운영한다.
증기발생기 Na 농도 0.8 ppb 초과시 CPP 대기(standby) 탈염기 추가 투입 병렬운전을 하여 계통을 정화하고, 증기발생기 Na 농도가 0.8 ppb 초과 후에도 지속 증가시 CPP ETA형 운전을 정지하고, 이후 CPP 수소형 운전으로 복귀하고, 계통을 정화한다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
Claims (5)
- (1) 에탄올아민(Ethanolamine, ETA)을 함유하는 계통수가 흐르도록 이온교환수지를 포함하는 탈염기의 밸브를 개방하여 복수탈염설비의 운전을 시작하는 단계;
(2) 상기 이온교환수지를 계통수 중의 에탄올아민으로 포화시키는 단계; 및
(3) 상기 이온교환수지의 에탄올아민 포화여부를 확인하는 단계;를 포함하는 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 및 관리방법. - 제1항에 있어서,
상기 (1) 단계는, 증기발생기를 포함한 2차계통의 수질이 정상범위로서, 증기발생기 취출수 Na 농도 ≤ 0.8 ppb, Cl 농도 ≤ 1.6 ppb, SO4 농도 ≤ 1.7 ppb 범위에서 안정적으로 유지될 때 탈염기의 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 및 관리방법. - 제1항에 있어서,
상기 (3) 단계는, 탈염기 입구수 대비 출구수의 ETA 농도비가 1 이상인 경우 포화인 것을 특징으로 하는 복수탈염설비의 에탄올아민형 운전 및 관리방법. - 제1항에 있어서,
상기 (3) 단계 이후,
(4) 탈염기 출구 및 계통수 이상시 조치하는 단계;를 더 수행할 수 있고, 상기 이상은 복수탈염설비 출구의 총전도도가 1 내지 10 μS/㎝, 양이온전도도 ≤ 0.2 μS/㎝, 증기발생기 나트륨(Na) 농도 ≤ 0.8 ppb인 것을 특징으로 하는 복수탈염설비 에탄올아민형 운전 및 관리방법. - 제1항에 있어서,
상기 (1) 단계의 이온교환수지는 나트륨(Na) 함량을 최대 0.5 ppm으로 제한하는 것을 특징으로 하는 복수탈염설비 에탄올아민형 운전 및 관리방법.
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| KR101054375B1 (ko) | 2008-06-19 | 2011-08-04 | (주)에이엠티기술 | 복수탈염설비 재생폐수와 난분해성 폐수의 전기화학적처리장치 및 처리방법 |
| KR101533979B1 (ko) | 2013-07-09 | 2015-07-06 | 한국수력원자력 주식회사 | 에탄올아민이 함유된 원자력발전소 2차 계통 폐수 처리 공정 |
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