한국 표준형 원전 원자로 정지 후 2차측 증기방출 제어방법 개선 연구

Abstract

In a typical nuclear power plant, thermal energy in the reactor is transferred to the turbine via the steam generator. The waste heat which is not used for energy transfer is removed in the condenser by sea water. This process makes a steam cycle. If any of these goes abnormal, nuclear power plant will experience transition. Thus, major control systems make stable operation possible by means of proper and automatic control of plant variables. One of these control system, SBCS(Steam Bypass Control System) enables the thermal balance between primary and secondary system under load-decreasing condition such as turbine trip. And it controls RCS(Reactor Coolant System) temperature after reactor trip by regulating the amount of steam dump into the secondary system. But the RCS cooldown operation through SBCS involves many difficulties. Therefore, I set up optimized improvement plans for the way of steam dump control using SBCS system. I suggested two optimized improvement methods for the steam control in the secondary system. Both of plans used the existing variables and I checked their validity through the simulation test. The first method is to automatically decrease the main steam pressure setpoint by time period. And the second is to convert SBCS control variable from steam pressure to RCS average temperature and to decrease the temperature setpoint automatically by time. These tests were performed in a short period of time but it was sufficient to figure out that it works great with a good linearity. Automatically controlled SBCS valves enable that all crucial variables such as RCS inventory, pressure, and steam generator water level are properly controlled under these tested system. In OPR1000 nuclear power plant, operators experiences hard time for regulating SBCS manually to control the RCS temperature after the reactor trip. In order to solve this problem, I proposed setting the SBCS main variable to steam pressure or RCS temperature, and controlling automatically by using time-based function. Through the simulation tests using the simulator, it was found that these suggestions can prevent PTS caused by RCS overcooling or inadequate steam discharge to atmosphere. Through improvement of the equipment reliability and operation margin, I am certain that it can contribute to stable and safe plant operation.|서 론 원자력 발전소에서는 안정적인 전력 생산을 위해 원자로(Reactor)에서 일정한 열을 발생시키고 증기발생기(SG : Steam Generator)를 통해 터빈으로 전달하며, 에너지 전달 과정에서 이용되지 못한 폐열(廢熱)은 복수기(Condenser)에서 바닷물을 통해 제거하는 증기사이클(재생-재열 사이클)을 사용한다. 이러한 일련의 과정들 중에서 어느 하나라도 정상적인 상태를 벗어나게 되면 원자력 발전소는 과도상태(Transient)를 경험하게 되므로 주요 제어계통들이 이를 적절히 제어함으로서 안정적인 운전이 가능하게 된다. 이들 중 증기우회 제어계통(SBCS : Steam Bypass Control System)은 정상운전 중 2차측 터빈 정지 등의 부하감발 시에도 다른 제어계통들과 조화를 이루어 원자로정지 없이 1차계통과 2차계통의 열평형상태를 유지하는 역할을 수행하며 원자로 정지 후에는 2차측 증기방출을 제어함으로써 원자로 냉각재(RCS : Reactor Coolant System) 온도를 조절하는 중요한 계통이다. 하지만 이 계통을 통한 RCS 냉각운전 시 많은 어려움이 존재하는 바, 이에 증기우회 제어계통을 통한 2차측 증기방출 제어의 최적 개선방안을 수립하고자 한다.

RCS 냉각방법 원자로 정지 후 RCS 냉각은 증기발생기에 공급되는 급수와 방출되는 증기의 양을 조절하여 원자로에서 발생하는 잔열(Residual Heat)과 원자로 냉각재펌프(RCP : Reactor Coolant Pump)에서 발생하는 유동마찰열을 적절히 제거함으로써 달성되어진다. 하지만 증기우회 제어계통을 통한 RCS 냉각운전은 자동 제어기능이 없어 증기방출 제어밸브를 수동으로 조절함에 따라 다음과 같이 문제점이 존재한다. 첫째, 노심에서 발생되는 잔열 크기를 예측하기 힘들어 온도 제어의 선형성을 갖기 어렵다. 둘째, 지속적인 수동운전으로 인해 타 계통 감시에 어려움이 있다. 셋째, 가압열충격(PTS : Pressurized Thermal Shock)을 유발할 잠재적인 위험이 크다. 따라서 이번 연구에서는 2차측 증기방출 제어의 최적 개선방안으로 2가지를 제안하였다. 이 2가지 방법 모두 원자력발전소에서 사용되는 변수값을 이용하였으며 시뮬레이터를 통한 모의시험을 통해 그 타당성을 확인하였다. 첫번째는 증기우회 제어계통 주제어기의 주증기 압력 설정값을 시간에 따라 자동으로 감소하도록 설정하는 방법이다. 두번째는 증기우회 제어계통 주제어기의 제어값을 RCS 평균온도(Tavg)로 전환하고 설정값을 시간에 따라 자동으로 감소하도록 설정하는 방법이다.

결과 및 고찰 비록 짧은 시간이지만 두가지 방안 모두 제어의 선형성이 우수하다는 것을 확인하기에는 충분하였다. 또한 증기방출 제어밸브 자동 제어시 RCS 체적 및 압력, 증기발생기 수위 등 발전소 주요 변수가 해당 제어계통에 의해 적절하게 제어됨을 확인할 수 있었다. 하지만 첫번째 방식은 주제어기의 기존 제어변수를 이용하므로 설계변경이 용이하다는 장점에 반해 주증기 압력 변화에 따른 RCS 온도 변화가 선형적이지 않기 때문에 주증기 압력 구간별로 다른 냉각률을 사용하거나 별도의 냉각률 관련 함수를 사용해야 될 것으로 판단되며 두번째 방식은 제어의 선형성 측면에서는 유리하지만 다른 계통으로부터 제어신호를 받기 때문에 외부 영향에 제약을 받는 문제를 보완해야 할 것으로 판단된다.

결 론 현재 한국 표준형 원전에서는 증기우회 제어계통 수동운전을 통해 원자로 정지 후 RCS 온도를 제어하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 이를 개선하고자 이번 연구에서 증기우회 제어계통 주제어기의 제어 변수를 주증기 압력 또는 RCS 온도로 설정하고 이를 시간함수로 제어하는 방안을 제시하였다. 그리고 시뮬레이터를 이용한 모의시험을 통해 이 개선방안들이 RCS 과냉각에 의한 가압열충격(PTS) 방지 및 환경으로의 부적절한 증기방출 문제를 해결할 수 있음을 확인하였으며 또한 설비 신뢰성 및 운전 여유도 확보를 통해 발전소 안정운영에도 기여할 것이라 확신한다.