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지유 간
5 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 20, No. 5 pp , ISSN / eissn 김시준경기대학교건축공학과 Seismic Performance Evaluation of the Li-Polymer Battery Rack System for Nuclear Power Plant Si-Jun Kim Department of Architectural Engineering, Kyonggi University 요약후쿠시마원전사고이후비상배터리시설에대한안전성강화가요구되면서리튬폴리머배터리를적용한새로운전원공급장치가국내에서세계최초로제안되었다. 그러나제안된기술을현장에적용하기위해서는배터리장치가설치되는랙시스템의내진안전성이요구된다. 본연구에서는세계최초로 72시간용량확보를위해개발된리튬폴리머배터리장치를대상으로지진발생시전원장치의안전성을확보하기위해설계된전원장치스트링및랙프레임에대한내진성능을평가하고자하였다. 실험결과 1) 단위랙시스템의공진대역은 9 Hz로서지진하중전후의고유진동수가변하지않음에따라설계지진하중에대한부재및부재간의연결부에대한안전성을확인할수있었다. 원전설계기준 OBE와 SSE에서의가속도응답결과 2) 스트링제작에의한진동저감효과가약 20% 정도보였으며, 3) OBE, SSE 조건에서의내진시험결과랙프레임시스템은설계지진에대해안전한것으로나타났다. 따라서본연구에서제시한랙시스템은요구지진력에대한구조적건전성이입증되었으므로원전시설에적용이가능한것으로나타났다. Abstract After the Fukushima nuclear accident, a new power supply using a lithium polymer battery has been proposed the first time in the world as the safety of the emergency battery facility has been required. It is required to have the safety of the rack system in which the battery device is installed in order to apply the proposed technology to the field. Therefore, the purpose of this study is to evaluate the seismic performance of string and rack frame for lithium-polymer battery devices developed for the first time in the world to satisfy 72 hours capacity. (1) The natural frequency of the unit rack system was 9 Hz, and the natural frequency before and after the earthquake load did not change. This means that the connection between members is secured against the design earthquake load. (2) he vibration reduction effect by string design was about 20%. (3) As a result of the seismic performance test under OBE and SSE conditions, the rack frame system was confirmed to be safe. Therefore, the proposed rack system can be applied to the nuclear power plant because the rack system has been verified structural safety to the required seismic forces. Keywords : Rack Frame, String, Seismic Performance, Resonance Frequency Band, Response Spectrum, Acceleration Response 본논문은 2015 년도산업통상자원부의제원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아 알씨디에이치와공동연구를통해수행된연구임 (No ) *Corresponding Author : Si-Jun Kim(Kyonggi Univ.) Tel: season@kgu.ac.kr Received March 12, 2019 Revised April 22, 2019 Accepted May 3, 2019 Published May 31,

한국산학기술학회논문지제 20 권제 5 호, 2019 1. 서론 최근 10년간 3.0이상의규모의국내지진발생은약 917건으로 2016년을기점으로 51.8% 의급격한증가를보이고있다 [1]. 특히주요원전시설과인접한포항, 경주인근에서지진의발생빈도수가높은만큼원전시설의안전에대한관심이커지고있는실정이다.

2 한국산학기술학회논문지제 20 권제 5 호, 서론 최근 10년간 3.0이상의규모의국내지진발생은약 917건으로 2016년을기점으로 51.8% 의급격한증가를보이고있다 [1]. 특히주요원전시설과인접한포항, 경주인근에서지진의발생빈도수가높은만큼원전시설의안전에대한관심이커지고있는실정이다. 일본의후쿠시마원전사고후원전에대한국제적인규제가강화되고있으며, 국내의경우원전시설의내진성능강화에대한필요성이더욱요구되고있다 [2]. 후쿠시마원전사고는지진과해일로인해소외전원과비상디젤발전기및축전지의기능이상실되어발전소정전사고가일어나게되고이것이폭발의큰원인으로조사되었다 [3]. 미국원자력규제위원회 (Nuclear Regulatory Comission, 이하 NRC) 에서는후쿠시마원전사고를계기로원전운영국가와원전운영사업자에게발전소정전사고시냉각및냉각재상실사고를방지하기위해최소 8시간동안사고완화대응방안을확보하고이러한기능을 72시간으로연장하도록하는방안을권고하고있다 [4]. 현재국내원전의경우비상디젤발전기, 대체교류발전기및축전지를이용해대응방안을확보하고있으나, 대부분축전지의용량은 2~4시간으로부족하고, 특히신고리 5, 6호기의경우 24시간의용량 (2시간 full load, 22시간 load shedding program) 을확보하고있으나, 최근한국원자력안전기술원 (KINS) 에서는 24시간 Full Load 운전을요구하고있어이에대한대책이필요한실정이다. 따라서국내원전은 24시간 Full Load 운전할수있는방안을간구해야하며, 이와더불어 72시간이상 (24시간 full load+48시간 load shedding program) 의용량을확보할수있는시스템이필요하다 [5]. 이러한요구를수용하기위해서는기존의납축전지가아닌새로운배터리시스템을적용해야하며, 이를위해서는원자력사업특성상배터리의안전성을확보할수있는방안마련이필수적이고원자력발전소의배터리장치가설치되는랙 (rack) 프레임의내진안전성이반드시기준에의거검증되어야한다 [6]. 따라서본연구에서는 72시간비상전원용량을확보하기위해세계최초로개발된리튬폴리머기반배터리시스템에대해원자력발전소에적용가능여부를검증하기위해서새로운형상으로설계된스트링 (string) 및랙 (rack) 프레임에대한내진성능을평가하고그안전성을검증하고자한다. 2. 내진성능검증 리튬폴리머배터리랙은안전관련기기로서지진발생시그리고이후에도구조적건전성과기능성이유지됨을입증하여야하며, IEEE 의기술기준요건에따라내진검증이수행된다. 리튬폴리머배터리랙은신고리 5, 6호기검증요건을고려하여 FRS(Floor Response Spectra) 에 1.4배를적용하며, KEPIC END 1100(IEEE ) 항에따라 10% 여유도를추가한 RRS(Required Response Spectra) 를적용한다. 원전설계기준인운전정지지진 (Operating Basis Earthquake : OBE) 은안전정지지진 (Safe Shutdown Earthquake : SSE) 의 50% 를사용하며, 적용되는감쇠계수는 Table 1과같다. Table 1. Using Damping Factor in Seismic Design Event Damping Factor OBE 2% SSE 3% Fig. 1. Seismic Qualification Test of Lithium Polymer Battery Rack System 리튬폴리머배터리랙의내진검증은형식시험을통하여수행되며 Fig. 1의절차에따라수행된다. 초기성능및내진후성능시험은리튬폴리머배터리장치의작동성능시험에관한것이며, 본연구의대상인랙시스템에대한내진성능시험은 STEP 3에서실험및평가된다. 14

3. 랙시스템설계및제작 비상전원배터리룸은 Fig. 2에서보는바와같이여러개의랙들이모여구성되며, 랙은여러개의전원모듈이장착되어진다. 일반적인랙시스템은 Fig. 3(a) 와같이랙프레임에전원모듈이개별적으로장착되어진구조를가진다.

3(b) 와같이전원모듈장치들이외부충격및화재등에직접적으로노출되지않도록전원모듈 8개가카트리지형태로장착될수있는스트링 (string) 을설계하여내환경및내진성능을확보하고자하였다. 또한랙프레임은 4개의스티링이일체형직렬방식으로장착될수있도록설계하였으며, 기본구조형식은 Fig. 4와같다.

랙프레임은스트링 4개가장착되기때문에프레임의자중과스트링무게를고려해수직프레임을 4각파이프 2개가결합된 2중구조로구성하였으며, 하부프레임은 M16 볼트 10개를이용해바닥에체결할수있도록설계하였다.

3 3. 랙시스템설계및제작 비상전원배터리룸은 Fig. 2에서보는바와같이여러개의랙들이모여구성되며, 랙은여러개의전원모듈이장착되어진다. 일반적인랙시스템은 Fig. 3(a) 와같이랙프레임에전원모듈이개별적으로장착되어진구조를가진다. 이러한시스템은각각의전원모듈을장착및탈착하기에편리할수있으나, 지진이나화재발생시내진및내화성능확보에취약할수있다. 본연구에서는 Fig. 3(b) 와같이전원모듈장치들이외부충격및화재등에직접적으로노출되지않도록전원모듈 8개가카트리지형태로장착될수있는스트링 (string) 을설계하여내환경및내진성능을확보하고자하였다. 또한랙프레임은 4개의스티링이일체형직렬방식으로장착될수있도록설계하였으며, 기본구조형식은 Fig. 4와같다. 랙프레임의설계에있어가장중요한요건은지진발생시전원장치의안정적인고정과보호그리고전원공급을유지하는것이다. 랙프레임은스트링 4개가장착되기때문에프레임의자중과스트링무게를고려해수직프레임을 4각파이프 2개가결합된 2중구조로구성하였으며, 하부프레임은 M16 볼트 10개를이용해바닥에체결할수있도록설계하였다. 스트링은랙프레임에슬라이딩방식으로결합되며, 전, 후, 좌, 우, 4방향에대해 1차고정이되도록하였고, 측면좌우에는고정레일을장착해상, 하, 좌, 우 4방향을고정한다음가이드프레임을부착해전, 후방향의이동이발생하지않도록 2차고정하였다. Fig. 3. Module Installation Type 4. 내진성능시험 4.1 시험준비 내진성능시험장비 내진시험에활용한장비의구성은 Fig. 5와같으며, 설비사양은 Table 2와같다. 내진시험설비는데이터취득장치와함께구성되어있으며, 32채널을동시에디지털신호를취득할수있다. 전용소프트웨어인 STE Pro를사용하여시험설비제어를하며, 가속도계에서계측된디지털신호를최대 2400 Hz까지신호처리를할수있다. Fig. 2. Lithium Polymer Battery System Component Fig. 4. Rack frame Design 15

한국산학기술학회논문지제 20 권제 5 호, 2019 Fig. 5. Composition of equipment for Seismic Test Table 2. Equipment Specifications for Seismic Test Type Company Specification MTS systems Corporation Size of Table 2.

6과같이진동대가가진되는방향과동일한방향을고려하여베이스플레이트 (base plate) 와함께설치하였다. 베이스플레이트는 M12 볼트 44개를사용하여토크 770 kgf cm로내진시험테이블과거동이일치하도록흔들림없게고정하였다. 베이스플레이트와실험체는 M16 볼트 10개를사용하여토크 1940 kgf cm로장착하였다.

4 한국산학기술학회논문지제 20 권제 5 호, 2019 Fig. 5. Composition of equipment for Seismic Test Table 2. Equipment Specifications for Seismic Test Type Company Specification MTS systems Corporation Size of Table 2.2 m 2.2m Max. Weight Frequency DOF Max. Displacement Acceleration (Max. Load) Z Z 2 ton 0.8 ~ 100 Hz 6 DOF ± 125 mm ± 110 mm ± 140 mm 7.8 g 7.5 g 8.2 g 실험체설치내진성능실험을위한실험체는 Fig. 6과같이진동대가가진되는방향과동일한방향을고려하여베이스플레이트 (base plate) 와함께설치하였다. 베이스플레이트는 M12 볼트 44개를사용하여토크 770 kgf cm로내진시험테이블과거동이일치하도록흔들림없게고정하였다. 베이스플레이트와실험체는 M16 볼트 10개를사용하여토크 1940 kgf cm로장착하였다. 진동대제어는진동대아래에부착되어있는컨트롤가속도계의응답과 MTS의 STE Pro의명령을피드백하여제어한다. 별도의가속도계를테이블상단에부착하여, 테이블가진신호와테이블상단에서계측된가진신호를상호비교하여신호의유효성을확인하였다. 사용된가속도계는 Table 3과같이총 15개를설치하여가속도를측정하였다. Fig. 6. Seismic Test Setting Table 3. accelerometer No. channel Location Direction 1 2 Table 3 Z 4 5 Top of the Rack 6 Z 7 8 Middle of the Rack 9 Z Bottom of the Rack 12 Z String 15 Z 4.2 내진시험및결과 공진시험공진시험은단축가진으로수행하며, OBE시험전과 SSE시험후로수행하였다. 저준위정현파 (sine wave) 진동 ( 대략 0.2 g) 으로수행하며, 분당 2 옥타브의주사비율 (sweep rate) 을적용하여각축당 1 ~ 50 Hz까지주어진내진검증주파수범위내에서수행하였다. 공진시험결과는 Fig. 7과 Table 4와같이, 방향모두 9 Hz 로나타났으며났다. 설계지진이작용하기전과후에대하여랙시스템의고유진동수가 9 Hz로변하지않음에따라설계지진력에대하여랙시스템의손상피해 ( 부재의이탈, 변형, 파손등 ) 는없는것으로확인되었다. 16

5 4.2.2 가진시험가진시험은 3축동시가진하여, OBE 5회, SSE 1회를수행하였다. 1회당시험시간은강진 (Strong Motion) 20 초를포함하여 30 초이상이되도록인공지진파를생성하여수행하였다. 주파수범위는 1에서 50 Hz까지 1/48 옥타브간격으로설정하여제어하였으며, 시험응답스펙트럼 (TRS) 은 OBE는 2 %, SSE는 3 % 감쇠계수 (Damping Factor) 를적용하여 1/6 옥타브간격으로주파수 1 ~ 50 Hz 범위로분석하여시험응답스펙트럼의요구응답스펙트럼 (RRS) 포락유무및교차상관함수 0.3 이하를만족하는지확인하였다. 여기서요구음답스펙트럼 (FRS) 을산정하기위해한국전력기술 ( 주 ) 에서제공한보조건물 78-0 SSE FRS를활용하였다. Fig. 7. Resonance Test Table 4. Resonance Frequency Before OBE Test After SSE Test Type Dir. Dir. Top of the Rack Middle of the Rack Bottom of the Rack - - String Top of the Rack Middle of the Rack Bottom of the Rack - - String 시험결과 Fig. 8과같이시험응답스펙트럼은요구응답스펙트럼을시험주파수대역에서포락하였으며, 진동대가진의 3직교축의독립성은교차상관함수 0.3 이하가됨을확인하였다. OBE 5회시험에대한최대가속도결과는 Table 5와같으며, 진동대의경우 방향 1.3g, 방향 0.75g, Z방향은 1.46g의 5회평균값을나타냈다. 랙프레임의경우상부, 중간, 하부에따라최대가속도값이다르게나타났으며, 랙프레임상부의경우 방향 3g, 방향 2.56g, Z방향 1.49g의평균값을보였다. 랙프레임의중간, 하부로내려갈수록가속도응답은작게나타 Fig. 8. Seismic(OBE, SSE) Test 17

6 한국산학기술학회논문지제 20 권제 5 호, 2019 Table 5. OBE and SSE Test Result Sensor Location Direction OBE1 OBE2 OBE3 OBE4 OBE5 SSE Table Z Top of the Rack Z Middle of the Rack Z Bottom of the Rack Z String Z 났으며, 하부의경우경계조건에서진동대와의일체성에의해진동대의결과에근사한값을보였다. 스트링의최대가속도결과는렉프레임상단 (4단) 에위치한것으로, 렉프레임상단의최대가속도값 (, 방향 ) 에비하여약 20% 의저감효과를보였다. 이러한결과는전원모듈장치의안전성확보를위해설계된스트링의내진성능효과를입증한것으로서, 단위랙시스템이아닌여러개의랙이모여설치되는전체시스템에서는강성및질량증가등의영향성에따라그효과가더크게나타날것으로판단된다. SSE 시험결과진동대에서의최대가속도는 방향 1.95g, 방향 1.73g, Z방향은 1.95g로나타났으며, 랙프레임의경우상부측 방향 5.90g, 방향 4.90g, Z방향 3.04으로 OBE에서측정된최대가속도값대비약 1.5 ~ 2배높은경향성을보였다. 이러한결과는전원모듈장치의안전성확보를위해설계된스트링의내진성능효과를입증한것으로서, 단위랙시스템이아닌여러개의랙이모여설치되는전체시스템에서는강성및질량증가등의영향성에따라그효과가더클것으로판단된다. SSE 시험결과진동대에서의최대가속도는 방향 1.95g, 방향 1.73g, Z방향은 1.95g로나타났으며, 랙프레임의경우상부측 방향 5.90g, 방향 4.90g, Z방향 3.04으로 OBE에서측정된최대가속도값대비약 1.5 ~ 2배높은경향성을보였다. 5. 결론 리튬폴리머배터리장치의내진안전성을확보하기위해설계된랙시스템의내진성능시험에대한결과는다음과같다. 1) 랙시스템의공진시험은 OBE시험전과 SSE시험후에수행하였으며, 두시험모두 9 Hz의공진대역을나타내었다. 2) 공진시험결과공진대역의변화가없는것은설계지진력 (OBE, SSE) 에대한랙시스템의구조적안전성이확보됨을나타낸다. 3) 가진시험결과설계지진력 OBE, SSE에대하여시험응답스펙트럼 (TRS) 은요구응답스펙트럼 (RRS) 을모두포락하여생성되었다. 4) OBE에대한가진시험에서가장큰가속도응답값은랙시스템상단에서나타났으며, 상단 (4단) 에위치한스트링의최대가속도응답값은상단의랙프레임의결과대비약 20% 저감된결과를보였다. 5) SSE에대한시험결과 OBE 시험결과대비약 1.5 ~ 2배높은경향성을보였다. 6) 공진시험및내진시험후랙시스템의변형, 접합부상태등에대한건전성평가에서랙프레임및스 18

7 트링의손상된부분은발견하지못하였다. 7) 따라서리튬폴리머배터리전원공급장치를대상으로지진발생시전원장치의안전성을확보하기위해설계된스트링및랙프레임에대한내진성능이검증된것으로나타났다. References [1] H. J. Park, H. S. Kim, Status of earthquake occurrence and seismic design criteria, Proceeding of Autumn Annual Conference of KHA, Vol.2, pp , [2] S. H. Eem, I. K. Choi, Sesmic Reponse Analysis of Nuclear Power Plant Structures and Equipment due to the Pohang Earthquake, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.22 No.3, pp , Apr DOI : 김시준 (Si-Jun Kim) [ 정회원 ] 2008년 2월 : 연세대학교건축공학과 ( 공학석사 ) 2013년 2월 : 연세대학교건축공학과 ( 공학박사 ) 2018년 3월 ~ 현재 : 경기대학교건축공학과조교수 < 관심분야 > 구조진동, 구조물유지관리 [3] NERP, Government of Japan, Report of Japanese Government to the IAEA Ministerial Conference on Nuclear Safety The Accident at TEPCO s Fukushima Nuclear Power Stations, 2011 [4] United States Nuclear Regulatory Commission, Recomendation Enhancing Reactor Safety in the 21 st Century, U.S.NRC, 2011 [5] W. R. Kim, C. K. Chang, The Utilization of Energy Storage System(ESS) as Emergency Power Source for Nuclear Power Plant, Journal of Power System Research Association Summer Conference, The Korean Institute of Electrical Engineers, pp , Jul [6] G. H. Lee, J. M. Kim, S.. Kim, Seismic Retrofitting of Cabinet Structures in Nuclear Power Plant, Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol.7, No.4, pp.31-37, Aug [7] United States Nuclear Regulatory Commission, Regulatory Guide 1.60: Design Response Spectra for Seismic Design of Nuclear Power Plants. U.S.NRC, c2014. [8] ASCE/SEI 43-05, Seismic design criteria for structures, systems, and components in nuclear facilities, ASCE/SEI,

Microsoft Word - 1-차우창.doc

Microsoft Word - 1-차우창.doc Journal of the Ergonomics Society of Korea Vol. 28, No. 2 pp.1-8, May 2009 1 하이브리드 환경하의 인간기계시스템 제어실 평가에 관한 연구 차 우 창 김 남 철 금오공과대학교 산업시스템공학과 A Study of the Evaluation for the Control Room in Human Machine