LPMS 운영현황및개선방안 김선재기계해석실, 안전평가부 원자력안전기술정보회의 Apr. 8-9. 2, 2004
목차 원자로계통의건전성감시필요성 LPMS 개요 기능및감시원리 LPMS 관련규제요건 경보구성및신호검출방법 충격위치및충격질량추정방법 LPMS 설비현황및개선방안 LPMS 운영현황및개선방안 실시간감시및분석시스템 2
원자로시설의건전성감시필요성 방사능물질의누출을방지하기위한압력경계 사고징후를조기에감지하여이에대한예방조치를가능케함으로서설계기준사고발생을사전에방지할수있게함. 원자로시설의건전성을위협하는이상징후발생 최근영광 5,6 호기, 울진 5 호기열전달완충판이탈사례 건전성확보를위해서는지속적인건전성감시가필요함. 국내원전은가동년수가증가함에따라손상확률이증대되고있으므로적극적인건전성감시활동이요구됨. 신호측정및분석등의기반기술개발을통하여건전성감시기술의신뢰성을향상시키고있는추세임. 3
LPMS- 기능 기능 압력경계및그주요기기 (RPV, RCP, SG) 내부에금속성이물질이존재할때이를조기에감지할수있는기능제공, 금속성이물질로인한주요안전기기의고장및설계기준사고를방지할수있게함. 금속성이물질의위치및중량등을분석하는정보제공 감시원리 압력경계내부표면에금속성이물질이충돌하면그표면을따라충격파동이전파됨. 충격파동의이동으로압력경계에진동이발생하고압력경계외부표면에부착되어있는가속도계센서로감지 가속도계로감지된진동신호에대해, 센서간신호도달시간차, 주파수성분특성등의분석을통하여금속성이물질의위치및질량등을파악하게됨. 4
LPMS 감시원리 감시원리 E 1,, m, R ν 1 V 0 E 2, ν 2 금속충격 충격파동 충격파동의전달 진동 ( 가속도계 ) 5
LPMS- 관련규제요건 주요관련요건 Reg. Guide 1.133 Rev. 1, Loose Part Detection Program for the Primary System of Light-Water Cooled Reactors ASME Code OM Standard Part 12, Loose Part Monitoring in Light- Water Reactor Power Plants 요건의주요내용 계통탐지감도 : 0.25 lb ~ 30 lb (0.11 ~ 13.6 kg) 충격에너지범위 : 센서로부터 3 ft 이내의거리에서 0.5 ft-lb (0.68 J) 이상의운동에너지를갖는충격을감지 센서위치 : 금속성이물질이모일수있는구역 ( 원자로용기상부및하부공간, 증기발생기입구공간 ) 에최소한 2개의가속도계센서설치. 6
LPMS- 관련규제요건 경보체계는정상운전중통상적으로발생되는수력학적, 기계적그리고전기적인요인에의한배경잡음신호와충격신호가명확히구분될수있어야함. 경보체계는운전절차상피할수없는예상된운전조치 ( 예, 제어봉구동, 펌프기동등 ) 에의한거짓경보신호발생시에이를무시할수있는체계를갖추어야함. 주기적인점검요건에따라성능이점검되어야함. 1일 : 채널확인, 7일 : 음향경보확인, 31일 : 채널기능시험 91일 : 배경잡음확인, 18개월 : 채널교정시험 ( 강구충격시험 ) 7
LPMS- 경보신호특징 신호특징 Signal Feature 신호형태, Rising time, 최대가속도크기, 주파수성분 인접채널의최대가속도크기와도달시간차, 주파수성분의상호연관성 Occurrence Feature 발생위치와빈도 원자로의상태변수 ( 온도, 압력, 출력, 펌프운전이력등 ) 전파속도 주파수 전파되면서주위매질에에너지전달, 신호감쇠발생 8
LPMS- 경보신호검출방법 경보신호검출방법 Fixed Alarm : Instant Peak > Fixed Set point Floating Alarm : Short T.AVG > Long T.AVG + Floating Alarm Offset Fixed Set point Instant Peak Short Term AVG (640 µsec) Floating Alarm Offset Long Term AVG (10240 µsec) 9
경보신호판별 False/Confirmed Alarm Screen Criterion : 금속성이물질에의한충격신호특징을판별 RMS ratio, Impact Duration time, Inter Channel delay Ringing Frequency, Collection zone, Event count 금속성이물질충격? 구조물진동 구조물열팽창 충격신호 기타원인 10
충격위치추정 Hyperbola intersection method Time arrival impact location Peak amplitude impact location Circle Insertion 방법 r = g 1 r2 V t12 r r 1 2 ln b1 = ln b η 2 A r 1 Sensor A P 파 S 파 Sensor B t 1 r 1 = t 1 *Vp*Vs/(Vp-Vs) r r 1 2 = t 12 ( V V p p V V S ) S r 2 B t 12 t 2 r 2 = t 2 *Vp*Vs/(Vp-Vs) Circle Insertion 방법에의한위치추정 11
충격위치추정 Envelope Curve 방법 거리가멀어지면상승시간 (T r : 최대진폭이될때까지시간 ) 이길어지고, 신호진폭이서서히감소하는특징 0 ~ 1m 빠르게상승, 감쇄 20 msec about 3m 완만한상승, 수 msec 의상승시간 20 msec about 10 m 매우완만한상승감쇄 20 msec 이상계속됨 20 msec 12
충격질량추정 Mass Map 에의한평가 질량 = 함수 ( 중심주파수, 충격위치에서의최대가속도, 유속 ) FR 에의한평가 [0~6 khz], [0~15 khz] 사이의주파수성분 (APSD) 의크기비율 충격시간에의한평가 질량 충격 ( 접촉 ) 시간, 유속 Hertz 접촉이론에의한 iteration 평가 질량 = 함수 ( 중심주파수, 충격위치에서의최대가속도, 유속 ) 을만족할때까지 iteration 반복수행 13
감시설비설치 / 운영현황 국내원전별감시설비설치 / 운영현황 W,, F KSNP 건전성감시설비원전 LPMS IVMS ALMS RCPVMS 고리 1,2,3,4 O X O O 영광 1,2 O 영광 1 O O 울진 1,2 O 울진 1 O O 영광 3,4,5,6 O O O O 울진 3,4,5,6 O O O O 비고 월성 1,2,3,4 X X X O AGS, SPND O O 국내기술 ( 우리기술 ) 에의한추가설비공급 ABB CE 에의해설계공급 14
LPMS 계통구성 ABB CE Design Type 격납용기벽 2MSD 신호저장 감지기전치증폭기. 경보기 LPAP 분석컴퓨터 신호감지 입력신호증폭 충격신호검출 경보발생 충격신호판단 충격신호분석 IVMS ALMS RCPVMS 15
LPMS 계통구성 국내 Design Type ( 주 ) 우리기술 AMU AUDIO MONITOR VMEbus SCU MCU SENSOR 16CH PREAMP 16CH SCM 16CH DAM 16CH MCM TCP/IP PANEL PC MCR FMM AC BACKUP DEVICE STU DIOM PRINTER CRDM Inhibit AIM ALARM CONTROL PNL MCR 16
ABB-CE Design Type 영광 3,4, 울진 3,4 영광 5,6 울진 5,6 공급사 ABB-CE ABB-CE ABB-CE Loop, S/G 수 4, 2 Rx S/G 상부 shell 2(W), 하부 shell 2(W) 1 차측 : tube sheet 하부고온관측 1(W) 두개의저온관사이 1(W) 2 차측 : Economizer 상부 1(W), FW 노즐상부 1(W) 상부 shell 3(W), 하부 shell 3(W) 1 차측 : tube sheet 하부고온관 1(W) 2 차측 : Economizer 상부 1(W), 보수용출입구사이 1(W), tube bundle 상부 1(W) RCP Total - 12 - 케이싱부위 4(W) 12 18 참고 : D : direct stud, W : weld buildup, C : clamped 17
LPMS 센서설치위치 SG 1 원자로상부채널원자로하부채널 1A Ch 104 Ch 101 1B Ch 103 Ch 106 Ch 105 Ch 102 2B 2A SG 2 영광 5,6 & 울진 5,6 호기 LPMS 센서설치위치 18
국내 Design Type 영광 1,2 고리 3,4 고리 1,2 울진 1,2 공급사 W-H 우리기술 ( 주 ) W-H 우리기술 ( 주 ) W-H, 우리기술 ( 주 ) Framatome, 우리기술 ( 주 ) Loop, S/G 수 Rx S/G RCP Total 3, 3 2, 2 3, 3 상부인양고리 2(D) 상부인양고리 3(D) 하부 ICI tube 2(C) 하부 ICI tube 3(C) 1 차측 : 1 차측 : 고온관측 tube sheet 하부 (D), 고온관측 tube sheet 하부 (D) 저온관측 tube sheet 하부 (D) 2 차측 : 2 차측 : 고온관측 tube sheet 상부 (D) 고온관측 tube sheet 상부 (D) - - 10 10 12 15 참고 : D : direct stud, W : weld buildup, C : clamped 19
LPMS 센서설치위치 Accelerometer Direct Stud CRDM penetration Lifting Lug S TUBE SHEET P Hot leg Cold leg ICI Guide tube Direct Stud Clamp & Direct Stud 영광 1,2 & 고리 3,4 호기 LPMS 센서설치위치 20
설비현황및문제점 ABB CE Design Type 설비 NIMS(NSSS Integrity Monitoring System) : LPMS, IVMS, ALMS, RCPVMS 통합시스템으로 W/S(VAX) 기반에서운영됨 제한된분석방법 ( 주파수성분분석, best matching pattern) 만제공되며, 새로운분석알고리즘과분석도구 (tool) 개발 / 적용이불가능함 GUI (Graphic User Interface) 의편의성미흡 저장된경보신호의데이터호환성문제 경보신호분석과연관된원자로의압력, 온도, 출력변동, 주요펌프의작동이력등의운전상태변수값부재 고주파대역이배제된 0.5~15 khz 대역의신호사용 국내 Design Type 국내기술 ( 우리기술 ) 에의해 1996( 영광 1,2) 년부터설치운영중 PC(Windows) 기반으로경보신호데이터호환용이 GUI (Graphic User Interface) 의편의성 위치추정 ( 도달시간차 ) 및질량추정알고리즘일부포함 데이터수집및인터넷전송방법적용용이 저장된경보신호의데이터호환성문제 21
설비개선방안 개선모델 PC 기반으로확장및 upgrade 편의성확보 표준화된 LPMS data 저장방식으로통한데이터호환성문제해결 Confirmed/False 경보신호에대한판별알고리즘개선필요 고주파대역이포함된신호사용 사용자중심의 GUI 개발필요 새로운분석알고리즘과분석도구 (tool) 개발 / 적용이가능한구조. 위치추정및질량추정알고리즘포함 데이터수집및인터넷전송방법적용용이 (Remote Online Monitoring 적용가능성 ) 주기적기능점검을위한 Trend Analysis 기능 경보신호분석과연관된원자로의압력, 온도, 출력변동, 주요펌프의작동이력등의운전상태변수값저장기능 22
운영현황및문제점 운영부서 계측제어부, 호기당 1 인담당 경보발생빈도및분석업무에비하여업무투여시간의부족 신호분석전문가육성프로그램 기계진동및파동이론, 신호처리기법에대한전문지식필요 발생경보에대한이력관리를통한신호분석경험축적필요 타원전의유사신호에대한기술정보교류필요 정기적인세미나및실무교육필요 23
운영현황및문제점 신호분석현황 False/Confirmed Alarm 분류신호중 False Alarm 미고려 경보발생시규제기관 ( 현장주재관 ) 보고조치 ( 영광5 후속조치 ) 외부신호분석전문가를활용하는분석지원체제운영중 경보발생시신호판별및분석절차서미흡 주기적기능점검 영광6, 울진5 사례 : 계통의감지기능저하 / 상실발생 적시에발견되지못하고사후신호분석과정에서발견 현행주기적기능점검방법및운영상의한계 24
운영개선방안 운영인력의전문화 지속적이고정기적인교육프로그램및기술정보교류 기계부및발전부와연계하여신호분석수행필요 신호분석능력제고 False Alarm의분석 실효성있는판별알고리즘의선택적적용필요 원자로과도운전조건발생시 False Alarm 분석확대필요 발전소전운전과정에대한경보신호를발생유형별로 DB를구축하여경보신호의진위분석에활용 (Pilot Plant) 타원전의유사신호에대하여구축된 DB를활용하여경보신호의진위분석활용 금속충격신호를판별하는 경보신호분석지침 마련필요 경보신호분석자료 ( 경험 ) 축적및관리절차마련필요 25
운영개선방안 신호분석능력제고 LPMS Mock-Up 또는건설원전을활용한다양한충격시험자료확보 주기적기능점검 계통감시기능및센서건전성확인을위한시험방법개발 전원전대상으로주기점검절차서개발보완필요 배경잡음데이터및센서특성의경향분석필요 월성원전에대한 LPMS 의설치여부 설치타당성에대한조사및검토필요 26
실시간감시및분석시스템 Web 기반의건전성감시및분석시스템 프랑스 : DEVIANT( 81), SDECE( 88), PSAD( 97) by EdF 독일 : KUS 95 27
감시및분석시스템구성 구성모듈 Communication via TCP/IP 현장데이터수집 / 전송 PC와데이터전송 TCP/IP 또는 VPN 활용 Data Acquisition & DB Management 수집된데이터를원전별, 감시설비별, 운전주기별, 경보발생이벤트별로분류하여 DB에저장하고관리 Data Processing and Analysis 신호처리기법및분석도구를이용하여데이터분석 새로운알고리즘및분석도구확장성수용 Monitoring & Presentation 신호추이, 분석결과등을 Web 문서로표현. 28