2014. 10. 23 류호근 ( 주 ) 엠앤디대덕연구센타 (hgryu@e-mnd.com, 010-7551-8130)
원전가압기안전밸브추세변화 스프링구동방식의가압기안전밸브문제점대두 - 개방설정압력부근에서의누설밀봉저하, 개방시채터링에의한밸브손상가능성 - 설정치허용오차및시험절차에대한문제점 (Information Notice 91-74, NRC) 해외각국에서는가압기파일럿구동안전밸브 (POSRV) 로의대체방안강구 국내에서건설중인 APR-1400 및차세대원전의가압기과압방지설비로 POSRV 채택 엔진진단을수행할진단장비필요. 안전감압밸브 스프링구동파일럿밸브 스프링구동안전밸브안전감압밸브 (MOV) Pilot 구동안전밸브 주밸브 2
연구개발필요성 가압기 POSRV 는가압기상부에설치되어정해진설정압력에서반드시동작해야하는원자력발전소의가장중요한기기중하나 성능에대한철저한검증및관리가필요함 국내에최초로도입되는 SEMPELL 사 POSRV 의경우 현재대부분의원전에적용중인스프링구동 PSV 와구조및작동원리가상이한스프링구동 Pilot 밸브가 PSV 기능수행 전동기로구동되는안전감압밸브장착 - 기존의 PSV 진단장비로는스프링구동파일럿밸브와전동기구동안전감압밸브에대한성능확인시험이불가능 POSRV 의두가지주요기능인기인 1 가압기안전밸브기능 2 안전감압밸브기능의성능확인시험및 POSRV 상태진단이가능한 POSRV 맞춤형통합성능평가장비및개발이필요 국내신규원전적용및해외수출 국내도입고가의외국장비대체 UAE 등향후건설예정인해외신규원전에성능평가기술및장비수출 3
연구개발필요성 4
최종목표 POSRV 안전밸브기능과안전감압밸브기능의성능평가수행이가능한 POSRV 맞춤형고신뢰성성능평가기술및성능평가장비개발 5
최종목표 안전밸브기능및안전감압기능성능평가를수행할수있는 POSRV 맞춤형 성능평가기술및성능평가장비개발 POSRV 주요기능안전밸브기능안전감압기능 성능평가 항목 Pilot 밸브설정치시험 국내 외도입 진단장비 평가가능 개발장비 평가가능 밸브누설시험평가가능평가가능 주밸브작동시간시험밸브위치지시계작동성확인주밸브작동시험전동기구동밸브작동성시험전동기성능확인시험 평가가능 평가가능 평가불가능 평가가능 평가가능 평가가능 비고 - 고온정지조건에서설정치시험 - 밸브후단온도변화 - 음향측정 - 저압조건에서주밸브를개방작동시간확인 - 밸브개폐시위치지시계작동성확인 - 안전감압조건시주밸브개방작동확인 평가불가능 평가가능 - 전동기구동밸브설계기준 성능평가방법론적용 평가불가능 평가가능 - MCC 방법론적용 6
최종목표 User Interface 기반 S/W 개발 장비구동및데이터수집프로그램 성능및상태진단프로그램 장비동작, 센서설정등 장비구동 Time Time 데이터처리, Display 기능등 데이터수집 성능평가 S/W 구성 1. 가동중시험 / 성능평가 2. 기기동작 / 상태진단 3. 성능 / 상태변화경향 4. 운전 / 시험정보 경향분석 7
안전밸브성능평가기술개발 주밸브 스프링 Pilot 밸브 POSRV 성능평가 / 시험기술국산화개발스프링구동 Pilot 밸브성능평가 / 시험기술및장비개발 핵심기술 1 설정압력측정및평가 - Seat area of tested valve 2 보조장치 (Lifting Device) 개발 - 공기압 ( 유압 ) 제어기술 3 Spring Rate 측정및평가 4 Seat leakage 5 밸브위치 6 상태진단기술 8
안전감압밸브성능평가기술개발 전동기구동파일럿밸브 POSRV 시험장비및시험기술국산화개발전동기구동 Pilot 밸브성능평가 / 시험기술및장비개발 핵심기술 1 전동기구동밸브설계기준성능평가 2 전동기구동밸브성능저하평가 3 전류, 전압측정을통한성능평가 (MCC방법론) 4 Seat leakage 5 상태진단기술 9
1 차년도연구개발내용 안전밸브 ( 주밸브 + 스프링구동 Pilot 밸브 ) 성능평가기술및방법론개발 평가방법론 특허, 논문조사국내외기술분석시험기준조사 Data 취득 필요 Data Data 취득방법론 Data 평가 안전밸브성능평가기술 / 성능평가시스템개발 POSRV 밸브특성분석평가방법분석 MCC 기법분석 장비개발 시험장비설계동작시험지적재산권확보 10
국내외특허및연구자료분석 POSRV 성능평가장비의지적재산권확보고신뢰성통합성능평가장비개발 다양한유형의안전밸브에대하여성능평가시험이가능하며최신연구결과가접목된 국내 외특허의권리범위와차별화리프트디바이스제어시스템안전밸브 / 안전감압밸브동시진단 음향방출법을이용한밸브누설시험모터구동밸브설계기준성능평가 MCC 기법 국내 외 POSRV 관련특허 347 건연구논문 101 건분석 11
국내외특허및연구자료분석 POSRV 성능평가장비의차별화방안도출 관련특허 구분 특허번호출원일 출원인 핵심요지 개발장비와의연관성 성능평가 [EP]0245947 1987.04.08 Anderson Greenwood & Co 압력방출밸브의성능시험장치 일부연관성있음 장비및성능 [EP]0503819 1992.03.14 Dresser Industries Inc. Pilot 개방을위해피스톤에의해작동가능한밸브수단을포함하는것을특징으로하는시험시스템 일부연관성있음 평가기술개발 [KR]0061682 2001-07-07 한전기공 ( 주 ) 가압기의설정압시험및조정과시트누설시험을위한안전밸브시험장치에관한것 일부연관성있음 12
지적재산권확보 - 기존의기술과차별화된고신뢰도통합성능평가장비개발 - 지적재산권확보 ( 국내외특허출원중 ) 유량제어방법 압력제어방법 13
POSRV 설계및시험기술기준 분류기준 ASME KEPIC 설계기준 NB-3100, 3600 MNB-3100,3500 가동중검사 Section XI MIB 가동중시험 OM MOC, MOD, MOH, MOP MOZ 성능시험 ( 성능검증 ) PTC 25.3, QME-1 MFC 원자력발전소에설치되어운전중인 POSRV 에관한시험기술기준은 가동중시험및성능시험임 POSRV 의과압보호기능및안전감압기능에대한성능평가수행 14
과압보호기능성능평가시험항목및성능평가방법 검사및시험항목육안검사시트기밀성시험설정압력시험 성능평가방법 (ASME OM, KEPIC MOD) 시험전밸브의손상여부성능평가시험전 / 후의평가기준이됨일정압력하에서시트를통한유체누설여부, 누설량측정정하여진압력에서의개방및닫힘여부를평가설정압력이상으로계통가압또는정상운전이하압력에서보조장비이용 ( 보조장치사용경우 ±1% 정밀도 ) 평가항목육안검사누설량, 온도음향설정압력되닫힘압력주밸브 Lift Blowdown 초과압력 동작시험설정압력에대한밸브의완전개방및완전닫힘주밸브 Lift Dead Time 측정 Pilot 밸브동작후주밸브의응답시간측정 주밸브 Lift 행정시간 위치지시계작동확인 POSRV 닫힘상태는온라인상으로주제어실에서확인이가능하여야함 주제어실확인 15
안전감압기능성능평가시험항목및성능평가방법 검사및시험항목성능평가방법 (ASME OM, KEPIC MOC) 평가항목 동작시험 Dead Time 측정시트누설시험차압시험위치지시시험 밸브의기능수행에필요한위치로의전행정동작시험수행모터구동밸브동작후주밸브의응답시간측정설계기준조건시모터구동밸브의시트를통한유체누설여부판단및누설량측정설계기준차압에대한밸브의열림또는닫힘능력평가 ( 모터구동밸브안전성평가방법에의하여평가 ) 밸브동작을정확히지시하는지확인 행정시간밸브행정위치주밸브 Lift 행정시간누설량, 온도음향밸브운전여유도행정위치위치지시계동작 16
POSRV 설계및동작원리분석 제조업체구조구성기능개방특성 Sempell ;POSRV - Main V/V Spring-loaded pilot V/V Motor operated isolation V/V - Pilot operated system이밸브몸체에장착 / 유로가짧음 - 정확한동작을제공 - RCS 과압방지를위한안전밸브기능 - 모터구동 Pilot 밸브에의한수동안전감압기능 - Dead time : 0.2/0.4s (Open/Close) - Maximum stroke time : 0.3/0.5s - Flow rate: 540,000lb/hr - Steam, Water 및 Two-Phase - Operation Pressure: 2,235psig - Operation Temperature: 653 Sebim ;POSRV - Main V/V Pilot operated V/V 3-way solenoid valve - Pilot operated system이밸브외부에있어, 유로가 - RCS 과압방지를위한안전밸브기능 - 솔레노이드구동 Pilot 밸브에의한안 - Dead time : 0.3s (Open/Close) - Stroke time : 1.7s (Open/Close) - Flow rate: 540,000lb/hr - Steam, Water 및 Two-Phase Sempell 사의보다김. 전감압기능 - Operation Temperature: 1050 CCI ;POSRV - Spring-loaded pilot V/V Motor-operated pilot V/V Solenoid operated pilot V/V - 가압기안전및방출밸브기능, Feed-and-Bleed" - Dead time : 0.2/0.4s - Stroking time: 0.5/0.5~1.0s - Flow rate: 540,000lb/hr - Steam, Water 및 Two-Phase 17
POSRV 설계및동작원리분석 POSRV 구성 - Main Valve - Spring Pilot Valve - Motor Operating Valve Motor Operating Valve Spring Pilot Valve Main Valve 18
POSRV 설계및동작원리분석 안전밸브기능 ( 과압보호기능 ) : Main Valve + Spring Pilot Valve 정상운전 KEPCO E&C 자료참조 주밸브개방 19
POSRV 설계및동작원리분석 안전감압기능 : Main Valve + Motor operated Pilot Valve 정상운전 KEPCO E&C 자료참조 RCS 계통안전감압필요시 주밸브개방 20
안전밸브기능 ( 과압보호기능 ) 성능평가 육안검사 시트기밀성시험 설정압력시험 동작시험 Dead Time 분석 위치지시계작동확인 21
POSRV 과압보호성능평가시험개요도 보조장비를이용한과압보호성능평가시험 - 계통에일정압력가압후보조장비를이용하여설정압력시험 System Pressure Air Pressure Sensor Signal Control Signal Pressure Gauge LVDT Thermocouple Acoustic Emission 4 5 6 7 1 2 3 배기 Data Acquisition System 8 9 1: Main Valve 2: Spring-Loaded Pilot Valve 3:Pressurizer 4: Control Line 5: Lifting Device 6: Test Unit (Air Pressure Control Unit) 7: Air Supply Unit 8: Data Acquisition System 9: Control PC 22
안전밸브설정압력시험 직접가압방식설정압력시험 ( 설정압력이상계통가압 ) PSV 개방특성 - 1구간 : 계통압력 > 설정압력 (PSV Pop Open) - 2구간 : PSV Full Open - 3구간 : 계통압력 < 설정압력 (PSV Close) 3 1 2 안전밸브유효면적변화 23
안전밸브설정압력시험 직접가압방식설정압력시험 ( 설정압력이상계통가압 ) ASME PTC 25 - 시험유체 : 비압축성유체 (N2, Water) - U자형루프씰설치 - 밸브 Inlet 노즐근접에서압력측정 24
안전밸브설정압력시험 보조장비 (Auxiliary Device) 를이용한설정압력시험 설정압력계산 - 계통압력에의한힘 + 보조인양력 > 스프링힘 정확한설정압력을계산하기위해서는 a POSRV Inlet 또는계통압력 b 보조장비의인양력 c 밸브위치 d 유효면적의정확한측정또는계산이매우중요 25
안전밸브설정압력시험 PSV 디스크유효면적계산 설계데이터 유동해석결과 오리피스지름 (in) 2.154 - 디스크바깥지름 (in) 2.2 - 디스크유효지름 (in) 2.277 2.284 유효면적 (in^2) 4.072 4.097 26
설정압력시험평가 Sempell사설정압력시험조건 : - POSRV Inlet에작용하는압력 : 135.99 bar - 보조장비실린더압력 : 0.75 bar - 보조장비디스크면적 : 16,000 평가항목 밸브디스크유효면적 (mmmm 2 ) 설정압력 = 개방압력 (bbbbbb) Sempell 사결과 개발한방법론적용분석결과 비고 346.360 346.357 계산결과 169.230 169.223 계산결과 27
주밸브작동시간및 Dead Time 분석 디스크행정변위및압력데이터를이용밸브의개방특성분석 28
성능평가 Data 취득 안전밸브 안전감압밸브 주요측정 / 계산항목 계통압력 스프링구동 Pilot 밸브의설정치압력 / Reseat 압력 스프링상수 / 주밸브의행정시간및 Dead time 주밸브및파이롯트밸브의행정거리 Percent Blowdown( 계산치 ) 주밸브및안전감압밸브시트누설 시험밸브의유효면적 ( 계산치 ) 보조장비인양력 ( 측정또는계산치 모터입력전류 / 전압 모터 Torque / Stem Thrust 운전여유도 비고압력측정압력및 lift 압력및 lift, 행정시간 lift 압력및 lift 밸브 Outlet 온도 / 방출음향설계값및유동해석 Load cell, Cylinder 압력 MCC 진단기법모터구동밸브설계기준성능평가방법 29
안전밸브성능평가용시스템개발 안전밸브성능평가용시스템은보조장비와 Pop-Up 장치로구성 설계및제작은 ASME B&PV Code 및 KEPIC을기술기준으로설계 측정데이터를위한계측기설치위치는 ASME PTC 19에따라결정 기본설계항목 최대설정압력 실린더가압 실린더디스크단면적 Lift Force (System Pressure : 0 psi 일때 ) Lift Stroke 실린더볼륨 기본설계값 3,000 pppppp 0 psi ~ 290 pppppp 10,258 mmmm 22 1024 kkkkkk Max. 20 mmmm 205,160 mmmm 33 - 신고리 3,4 호기 POSRV 를기준으로기본설계 - 신고리 3,4 호기 POSRV 설정압력 2,455 psi 30
안전밸브성능평가용시스템개발 보조장비 (lift Device) 설계및제작 실린더타입, 다이아프램타입 사용유체 : N2, Air 및유압 Lift Device 31
안전밸브성능평가용시스템개발 보조장비제어시스템 보조장비의정밀제어를위해미세유량제어방법과미세압력제어방법을사용정확한설정압력을측정할수있도록구성 Air 및 N2 제어부 압력제어방법 유압제어부 유량제어방법 32
안전밸브성능평가용시스템개발 보조장비제어시스템 Lift Device Control 화면 33
안전밸브성능평가용시스템개발 보조장비보조장비 Data 수집장치 시험중실시간 (1000개/sec) 으로각센서데이터를취득 주요데이터들은화면에실시간으로디스플레이 Data 수집장치의주요취득 Data 설계사항 - PC를이용하여 Lift 시험이제어 - 센서데이터샘플링취득수량은초당 1000개 ( 각센서마다데이터샘플링취득수량조절가능 ) - 설정압력, 되닫힘압력, Bowdown, Overpressure, Cylinder Supply Pressure, Cylinder Inlet/Outlet Pressure, Cylinder Disk 면적, Disk Lift 거리, 총행정시간, 스프링구동 Pilot 밸브의 Disk 유효면적등이측정또는계산 34
안전밸브성능평가용시스템개발 Pop up Test 장비설계및제작 루프씰설계 : 1 in/300#, 6 in 3000# 가압방식 : 수압제어 Pop-Up Test 설비 35
안전밸브성능평가용시스템성능시험 PSV Set Point 시험 - 밸브유형크기 : 수직형안전밸브 / 1 inch - 루프씰압력 (Pop-Up Test) : 20 bar - 시험편설정압력 / 사용유체 : 30 bar / Air or Gas - 시험유체 : N2 36
안전밸브성능평가용시스템성능시험 PSV Set Point 시험 37
POSRV 성능평가장비를이용한설정압력분석 PSV Set Point 시험결과 Gas로 10 bar 까지가압후, 제작된보조장비를이용시험편안전밸브를개방하면서설정압력시험수행 PSV Set Point 시험결과 - 개방압력 : 34.1 bar - 닫힘압력 : 32.9 bar 38
안전밸브성능평가용시스템성능시험 시트누설시험결과 음향센서및온도차를이용한누설검출방법적용 누설로인한유체유동은밸브내부에서음향소스로작용 누설이발생치않은경우 누설이발생한경우 39
안전밸브성능평가용시스템성능시험 시트누설시험 40
안전감압밸브성능평가시험개요도 MCC 기법을이용한안전감압밸브성능평가시험 System Pressure Sensor Signal Pressure Gauge LVDT Thermocouple Thrust Gauge I/V Sensor Acoustic Emission 1 4 2 MCC 5 3 배기 Data Acquisition System 6 7 1: Main Valve 2: Double Motor Operated Pilot Valves 3:Pressurizer, 4: Control Line 5: Motor Control Center 6: Data Acquisition System 7: Control PC 41
안전감압밸브성능평가 안전감압밸브 ( 모터구동밸브 ) 전압강하해석 모터구동밸브의운전성을검증하기위하여전자기과도현상해석프로그램인 EMTP-RV를이용하여모터구동기의출력토크 (Torque) 의모의해석및분석수행 Input Voltage V ab1, V bc1, V ca1 Output Voltage V ab2, V bc2, V ca2 Average Voltage 안전감압밸브 ( 모터구동밸브 ) 모터토크계산 459.8 416.3 42
POSRV 성능평가기술및성능평가관련국내외연구자료및특허분석을통하여 국내외특허들과차별화된 POSRV 통합성능평가장비의개발기술확보 POSRV 의주요기능인과압보호기능관한가동중시험및성능시험을수행하고 평가할수있는안전밸브성능평가방법론을개발하고방법론의타당성을확인 ASME B&PV Code 및 KEPIC을기술기준에근거한보조장비, Pop-Up 시험장비및제어시스템을설계 / 제작하였으며, 제작된보조장`비및제어시스템을활용하여차년도에 POSRV 성능평가기술및진단장비개발을위한안전밸브의성능평가시험을수행할예정임. 차년도에는안전감압밸브에대한성능평가기술및시험장비개발을통하여 안전밸브및안전감압밸브를동시에성능평가할수있는통합성능평가시스템을 구축할예정임. 43
차년도목표 : 안전밸브및안전감압밸브성능평가장비시작품개발 1. 안전밸브성능평가기술및시스템검증실험 - 안전밸브성능평가기술검증 - 안전밸브성능평가시스템성능시험 - 안전밸브성능저하평가시험 2. 안전감압밸브 ( 주밸브 + 전동기구동밸브 ) 기술및시스템검증실험 - 안전감압밸브성능평가기술검증 - 안전감압밸브성능평가기술및시스템검증실험 3. POSRV 성능평가 S/W 개발 - DAQ System 및성능시험 / 상태진단 S/W 개발 44