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보규 반
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1 2004 춘계학술발표회논문집한국원자력학회 규제활용을위한공기구동액추에이터성능감시시스템개발 Development of An Air-Operated Actuator Performance Monitoring System for Regulatory Usage 성게용, 권석준 한국원자력안전기술원대전광역시유성구구성동 19 요 약 원전에서규제활용을위해공기구동액추에이터의성능을진단할수있는시스템을개발하였다. 이를위해 AOV 성능진단을위한필수요소및구동기성능영향변수들을살펴보고, 감시시스템의구성요소인실험장치및개발중인성능감시소프트웨어를소개하였다. AOV에서발생가능한고장에대해개발된시스템을통하여모의로분석해본결과고장상태및고장으로인한성능변화를확인할수있었다. 현재개발중인이시스템은차후보완및확장을통하여발전소규제및검사요원교육에활용될수있을것이다. Abstract The performance monitoring system of air-operated actuators for regulatory usage has been being developed. Essential elements and operating parameters affecting the actuator performance have been investigated to provide basic information for system development. The monitoring system including an air-operated actuator testing facility and analysis softwares for monitoring and evaluation are also introduced in this paper. As a result of simulated tests, it was known that the system could be a useful tool for the effective monitoring of actuator performance change and fault conditions. This system would be applied to regulatory inspection for utility's data validation and to the training of regulatory staff in future after some modification and expansion.

2 1. 서론 공기구동밸브 (Air-Operated Valve : AOV) 는전기구동기를적용하기어려운계통에서급속유로차단이나유량제어에자주적용되고있다. 가압경수로형원전에서는안전관련계통인보조급수계통, 가압기방출계통, 핵연료재장전수저장탱크계통등에설치되어있고, 비안전관련이라도급수및대기방출계통과같이위험도관점에서매우중요한 AOV들이상당수존재한다 [1]. AOV 및모터구동밸브 (MOV) 가설계기준 (Design Basis : DB) 조건에서운전요구성능을만족시키지못하는사례가많이발생되고, 이에따라미국사업자들은규제명령에의해 [2] 90년대중반까지 MOV에대한 DB 안전성평가를완료하였고, AOV에대해서는사업자자발적으로현재 DB 안전성평가를수행하고있다 [3]. 국내에서는 MOV DB 안전성평가에대한규제요건이 97년권고사항 [4] 으로발행된후, 04년에 MOV 안전성평가가완료될예정이다. 아울러국내 AOV DB 안전성평가이행을현재추진중에있다. 미국의 AOV 안전성평가수행사례를보면 [5], 설계기준조건에서요구힘을만족시키기위한충분한구동기용량을갖췄는지, 이에대한밸브설정이적절한지를확인하기위해 AOV의운전변수, 즉공급공기압력, 스템행정, 제어용공기압력, 제어스위치, 스템힘 ( 필요시 ) 등에대한신호를진단장비로분석하여구동기운전여유도및고장여부를진단하고있다. AOV는구동기유형 (stem-rising, butterfly) 과작동방식 ( 스프링 / 공기, direct/ reverse acting, single/double 등 ) 이매우다양하다. 또한공기및스프링으로작동되는구동기의경우, 개폐시양방향힘에대한제어가 MOV처럼상호독립적이지않고, 서로의존적이기때문에공기및스프링초기설정이비교적어렵다. 따라서 AOV 구동기종류에따라적절한초기설정및적합한성능계산식선정이매우중요하다. 본논문에서는 AOV의효과적규제를위하여현재개발중인 AOV 운전신호분석및감시시스템을소개하고, Bench-Set 설정및고장감시시스템, 다양한구동기종류에대한성능분석시스템등을소개하고자한다 ( 현재는 stem-rising 구동기에대해서만개발 ). 차후, 개발된시스템을활용하여사업자의 AOV 이행결과에대한선택적규제검증, 규제요원의교육등에활용하므로 AOV 규제기술제고에이바지할수있을것이다. 2. AOV 성능진단필수요소 AOV 작동과관련된주된힘은다이어프램이나피스톤의힘, 스프링의힘, 밸브스템패킹마찰력, 밸브디스크와스템의무게, 밸브디스크안착력그리고밸브유체력을포함한다. 구동기출력의용량은요구되는스템쓰러스트또는토크를초과하여야하며, 최대구동기출력은 AOV의쓰러스트또는토크용량 (rating) 을초과하지않아야한다. AOV를시험하는기본적인목적중하나는밸브가설계기준조건하에서요구되는기능을수행할수있는지를진단하는것이다. 이를위해 AOV에수행되는시험은 Bench Set

3 시험, 정적시험, 동적시험이있고, 이를근거로구동기출력성능평가, 운전여유도계산및고장진단을수행한다. 2.1 벤치셋 (Bench Set) 압력설정 Spring Return 또는 Spring Biased 다이어프램및피스톤형식의구동기는벤치셋압력범위선정을통하여작동범위가설정된다. 벤치셋은스템패킹마찰력과같은외부힘이없는상태에서구동기스템의정격행정을움직이는데필요한공기압력범위를나타낸다. Air-to-Open 밸브에서벤치셋시작압력은스프링에의한안착부하를극복할수있는충분한추가압력이제공되도록설정되어야하고, Air-to-Close 밸브에서도벤치셋끝압력은스프링부하, 밸브마찰부하, 안착부하를고려하여충분한추가압력이제공될수있도록설정되어야한다. 만약스프링의용량이커지면동일한행정거리를유지하기위해초기벤치셋압력범위도조정되어야한다. 따라서벤치셋압력설정은 AOV의작동에있어매우중요하며성능및고장진단에있어서가장기본이되는정보이다. 2.2 정적진단신호분석 정적시험 (static test) 에서는배관내유체의흐름이나차압이없는상태에서밸브가작동되는동안시험데이터가취득된다. 취득된데이터에서밸브의고장, 손상또는성능저하가발견될수있다. AOV 정적시험을수행하는동안취득되어야하는운전변수는다음과같다. Control signal : AOV 제어장비에서 Positioner로보내지는제어신호 (ma). Control air pressure : I/P( 전류 / 압력 ) Converter에서발생되는계기용제어공기압. Supply air pressure : Electro-Pneumatic Positioner에공급되는계기용공기압. Diaphragm pressure : 구동기다이어프램에공급되는 Positioner 출력공기압. Stem displacement : 스템의위치 Stem thrust : 스템의쓰러스트. 공급공기압력 다이어프램압력 고장및성능진단 제어공기압력 밸브스템위치 성능여유도계산 동작제어신호 그림 1. AOV 성능및고장진단

4 이운전변수들을이용하여성능진단및운전여유도계산에필요한다음항목들이계산될수있다. 가. 벤치셋 (Bench Set) : 밸브여닫힘행정시밸브행정에대한압력트레이스의중심에평균선을형성함으로, 밸브및구동기마찰력의효과는제거되며, 벤치셋은평균데이터선과스템완전개폐위치양끝단의교차점에서의평균공기압으로설정된다. 나. 스템패킹마찰 (Stem packing friction) : 정적시험조건에서밸브가열리고닫히는행정압력차의 1/2 다이어프램유효면적으로계산될수있다. 정적시험의총마찰력의대부분은스템패킹마찰력에기인한다. 다. 안착부하 (Seat load) : 밸브닫힘행정에서밸브디스크가밸브시트에접촉하는점에서부가적인다이어프램압력은시트접촉부하를만들어낸다. 라. 스프링율 (Spring Rate) : 스프링율은스템이움직이는동안여닫힘행정의공기압력의변화율 유효다이어프램면적과같다. 마. 밸브행정거리및시간 : 스템위치신호를이용하여밸브행정거리및시간측정이가능하다. 바. 공기공급압력 : 공급공기압신호를이용하여, 밸브작동동안적합한공급공기압력원의용량을알수있다. 과도한공기압력강하또는느린압력회복시간은공급공기배관이충분한양의공기를공급하지못함을의미하므로더큰공기배관으로교체되거나공기승압기가설치되어야한다. 2.3 동적진단신호분석 AOV 설정의적절함은실제운전조건 ( 동적시험 ) 하에서진단시험을수행함으로써확인될수있다. 동적시험의목적은제한된계통조건에서특정 AOV가열리고닫히는기능을할수있음을보이는것이다. 따라서동적시험은유체의흐름, 유체조건, 온도그리고차압과같은가장가혹한계통조건이포함되도록설계된상태에서수행되어야한다. 동적시험데이터를정적시험과비교함으로써, 스템탈출부하 (Stem Ejection Load), 디스크-가이드또는디스크-시트간의마찰, 동적밸브스템패킹부하등과같은유체와차압에의하여발생하는힘을극복하는데필요로되는부가적인구동기쓰러스트또는토크를계산할수있다. AOV가동적시험되는동안기록되어야할운전변수는 2.2 항의정적시험변수들외에다음과같은사항이포함된다.

5 밸브디스크차압 유체온도및유량 스템쓰러스트 ( 혹은토크 ) 밸브배관상부압력 (Upstream Line pressure) 2.4 구동기출력성능평가 Rising 스템형구동기출력은쓰러스트값으로계산되고 Rotary형구동기출력은토크값으로계산된다. 구동기최소출력은밸브를열림에서닫힘으로혹은닫힘에서열림으로동작시키기위한성능을평가하기위함이며, 구동기최대출력은구조적인건전성한계와비교하기위함이다. 구동기출력을밸브열림 / 닫힘요구힘과비교함으로밸브운전여유도를도출할수있다. 2.5 고장진단 위의벤치셋시험, 정적진단신호분석, 동적진단신호분석, 구동기출력성능평가를통해건전한상태의 AOV에대한기본데이터를저장한다. 이를기준으로주기적인시험분석을시행해 AOV 성능의변화를비교분석함으로써 AOV의성능및고장을진단할수있다. 3. AOV 성능감시시스템구성 3.1 실험장치구성 AOV 성능감시시스템은 AOV의특성신호를디지털데이터로변환취득하여, 이를분석소프트웨어로분석함으로써이루어진다. 이를위해, 그림 2와같이실험세트를구성하였다. 실험에사용한 AOV는 Reverse- Diaphragm 구동기를장착하고있고, Globe 밸브와연결되어있다. 주변장치는 Pressure regulator, I/P converter를내장하고있는 Positioner가설치되어있고, Positioner에위치센서가부착되어있다. Regulator를통해공급되는압력, I/P converter의출력인 Control pressure, 구동기로공급되는 Output pressure(diaphragm) 의 3부분압력을측정하기위해 Positioner 입출력단에서신호를분기시켰고, Pressure sensor와연결시켰다. Pressure measuring device에서는 Pressure sensor에 24V의전원을공급하여 4~20mA의전류출력을입력받고, DAS(Data Acquisition System) 로상응하는전압신호를출력한다. Pressure measuring device로부터출력된압력신호및 Position 신호를 DAS(Data Acquisition System) 를통해디지털데이터로취득하고, 개발중인 AOV 분석소프트웨어를사용하여분석하였다.

5가지이다. 그림 3-(a) 프로그램에서이들신호를시간의함수로, 시간에따른측정신호를관찰함으로써각신호의건전성을판단할수있다.

6 그림 2. AOV 성능및특성분석실험장치 3.2 분석소프트웨어 가. 신호취득및감시 ( 그림 3) : Controller에서제어신호를공급하여 AOV를구동함으로측정된신호는제어신호, 공급공기압력, 제어공기압력, 다이어프램압력, 스템변위의 5가지이다. 그림 3-(a) 프로그램에서이들신호를시간의함수로, 시간에따른측정신호를관찰함으로써각신호의건전성을판단할수있다. 그림 3-(b) 에서측정신호들을조합하고, 재구성하여전반적인 AOV의특성, I/P converter의특성, Positioner의특성, 밸브의특성을보여줄수있다. 이는 AOV의정상상태의결과로결함을판단하는기본데이터로사용된다. (a) Data trace (b) Data plot 그림 3. AOV 분석소프트웨어 ( 신호취득및감시 )

나. 신호분석 : 그림 4-(a) 의프로그램에서밸브특성신호를분석하여 Bench set, 스템패킹마찰력, Seat Load,

Data plot( 고장신호 ) 그림 4. AOV 분석소프트웨어 ( 신호분석 ) 다.

7 나. 신호분석 : 그림 4-(a) 의프로그램에서밸브특성신호를분석하여 Bench set, 스템패킹마찰력, Seat Load, Spring rate, 행정거리등의운전변수값들을계산할수있다. 그리고정상신호에대해고장신호를비교분석할수있다 ( 그림 4-(b, c, d)). (a) Benchset 분석 (b) Benchset 분석 ( 고장신호 ) (c) Data trace ( 고장신호 ) (d) Data plot( 고장신호 ) 그림 4. AOV 분석소프트웨어 ( 신호분석 ) 다. 구동기성능분석 : AOV 구동기의종류는표 1과같이매우다양하며그에따라성능계산도복잡하다. 그림 5의프로그램에서 AOV의구동기의종류를선택하고 ( 그림 5-(a)), 취득된운전변수값과밸브의제원을이용하여출력성능을계산 ( 그림 5-(b)) 하므로, 다양한구동기용량계산에용이하게접근할수있다.

AOV 모의신호분석예 AOV의성능감시시스템의기능을확인하기위해실제발생가능한고장을모의실험하여정상상태의신호와비교분석하였다. 4.

8 표 1. 구동기의종류 구동기의종류 Diaphragm 구동기 공기 Cylinder 구동기 출력증강기없음 출력증강기있음 스프링없음 Double 스프링있음 Single Direct Reverse Direct Reverse Double Single Direct Reverse Direct Reverse Ended Ended (a) 구동기종류선택 (b) Reverse Diaphragm 그림 5. AOV 분석소프트웨어 ( 구동기성능분석 ) 4. AOV 모의신호분석예 AOV의성능감시시스템의기능을확인하기위해실제발생가능한고장을모의실험하여정상상태의신호와비교분석하였다. 4.1 모의고장실험 AOV 운전중에발생가능한고장에는여러가지가있지만, 그중구동기로공급되는공기압의누설의경우를가정하고, AOV 실험장치에모의로고장을내어특성신호의변화를관찰하였다. Positioner로부터 Actuator의 Diaphragm으로연결되는공기압튜브의연결너트를 50% 정도를풀어서 Diaphragm 공급압력이누설되는상황을만들었다.

9 4.2 실험결과및분석 Diaphragm pressure의누설로인한운전변수들의변화와 AOV의성능의변화를그림 4-(c) 를통해살펴보면 ( 검은색선 : 정상상태의신호, 붉은색선 : 고장상태의신호 ), Supply pressure( 공급공기압 ) 와 Diaphragm pressure 그리고 Displacement( 밸브스템변위 ) 가현저하게변한것을알수있다. 이는공기압튜브의고장으로인해 Actuator에 Diaphragm pressure의공급이제한을받았고, Control signal에대한 Actuator의정상적인출력 (Displacement) 이이루어지지않아 Positioner에서공기압 (Supply air pressure) 을더욱소모하게되는현상으로나타나게됨을의미한다. 그림 4-(d) 에서 Diaphragm pressure의누설로인해 AOV 부속에대한특성들의변화를분석해볼수있다 ( 검은색선 : 정상상태의신호, 붉은색선 : 고장상태의신호 ). Control pressure와 Displacement 조합그래프인좌상그림을보면, 동일 control pressure에대한 AOV의출력인 Displacement의응답이정상적인값에미치지못하고있고, 동일한 Displacement 값을얻기위해보다큰 Control pressure가요구되는것을볼수있다. 그리고 Control pressure와 Control signal(current) 의조합신호인우상그림은큰변화가있지는않지만, 동일한 Control signal에대해 I/P Converter가약간증가된 Control pressure를출력하고있는것을알수있다. Control pressure와 Diaphragm pressure의조합신호인좌하그림에서는 Control pressure에대한 Positioner의출력 (Diaphragm pressure) 이현저히감소한것을알수있고, Displacement와 Diaphragm pressure의조합신호인우하그림을통해 AOV가충분한행정이이루어지지않음을알수있어, 정상적인운전이이루어지지않고있다는것을판단할수있다. 표 2는그림 4-(a) 의 AOV Analysis 프로그램을통해시험 AOV의운전변수값의변화를분석한결과이다. Upper Benchset, Benchset Stroke Length, Spring Rate, Stroke Length의운전변수값이고장전후로현저히바뀐것을확인하므로고장으로인한 AOV 의성능의변화가발생한것을판단할수있다. 표 2. 고장전후의운전변수 운전변수 ( 단위 ) 분석값 ( 정상 / 고장 ) Upper Benchset (bar) / Lower Benchset (bar) / Benchset Stroke Length (cm) / Stem Packing Friction (bar cm 2 ) / Seat Load (bar cm 2 ) / Spring Rate (bar cm) / Stroke Length (cm) / 2.642

10 그림 5의 AOV 출력성능계산프로그램에위에서얻은시험 AOV 운전변수 ( 정상및누설시 ) 들을입력해서표 3와같은결과를얻었다 ( 단, 이값은 Diaphragm의면적의오차와공급공기압의변동오차등의오차값이없다고가정한것으로정확한출력값이아닌비교분석을위한값이다 ). Reverse- Actuator의특성상밸브 stem의완전 Extended와 Retract 시작위치에서는 Diaphragm 압력과는상관없이스프링의힘에영향을받기때문에구동기출력값은큰변화가없고, 완전 Retracted와 Extend 시작위치에서의출력값이고장전후로감소한것을확인할수있다. 이값들은 AOV의성능여유도를구하는데사용되는데, 고장으로인한출력값의변화가성능여유도에큰영향을줄수있다는것을알수있다. 표 3. AOV 정상및누설고장시각위치별출력값비교. ( 단위 : bar cm 2 ) 스템의위치 가용구동력 출력값 ( Available Force) 정상 고장 완전 Extended 스프링 완전 Retracted 공기 Retract 시작위치 공기 Extend 시작위치 스프링 이상과같이 AOV의모의고장실험을통해 AOV의고장으로인한성능의변화를개발중인분석소프트웨어를이용하여분석해보았다. 다른고장의유형에대해실험결과를보이지는않았지만, 실험장치에서측정된운전변수들을프로그램을통해분석함으로써 AOV에발생한고장및성능의변화를그래프및수치상으로적절히확인할수있다는것을알수있었다. 5. 결론및차후연구내용 본연구에서는현재개발중인 AOV 구동기에대한성능감시시스템을통해 AOV의고장진단및성능의거동을확인해보았다. 이를위해 AOV 성능진단을위한필수요소및성능영향변수들을살펴보고, 실험장치구성및개발중인성능감시소프트웨어를소개하였다. AOV에서공급공기누설고장에대해개발된시스템을통하여모의로분석해본결과고장상태및고장으로인한성능의변화를확인할수있었다. 본연구결과를토대로차후 Rotary 밸브유형에대한성능진단 Software, 공기압력및스프링에대한초

11 기설정치 Set-Up box 소프트웨어를추가로개발하고, 동적실험및다양한고장모의실험을통하여개발된시스템을확인, 보완하므로규제기술력제고및규제요원훈련등규제활용도를최대한높일수있을것이다. 6. 참고문헌 [1] NUREG/CR-6654, " A study of AOV in U. S. NPPs", USNRC ( 00.2) [2] USNRC, Generic Letter 및 Supplements 1~7, " Safety-Related Motor-Operated Valve Testing and Surveillance" ( 89. 7) [3] NRC RIS , " Resolution of Generic Safety Issue 156 : Performance of Safety-Related Power-Operated Valves Under Design Basis Conditions" ( ) [4] 과학기술부규제권고사항, 문서번호 : 원검 ( ) [5] Joint Owners Group AOV Program (Rev.1), Duke Eng. ( ) [6] J.Holer, Final Report, "Air-Operated Valve Evaluation Guide", EPRI. ( 99.5) [7] Patric Marchand, "Graphics and GUIs with MATLAB, CRC Press LLC. ( 99)

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