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수 질량에 의한 원전 증기발생기 수위제어

전문가 제언: ○ 원자력 발전소에서 증기발생기(SG)는 매우 중요한 장치로서 부하변동 시 플랜트 응답을 결정하는 요소가 된다. SG 수위는 급수조절에 의해 일정한 수위를 유지한다. 수위가 너무 낮으면 핵연료 파손을 막기 위해 플랜트 보호계통에 의해 자동으로 원자로가 정지된다. 반면 수위가 너무 높으면 습기가 터빈으로 넘어가는 것을 막기 위해 터빈을 정지시킨다. 따라서 SG 수위를 설정치로 유지하는 것은 전체 플랜트의 가용성과 안전성을 위해 매우 중요하다.

○ SG 수위는 증기유량과 공급되는 급수량에 의해 결정된다. 그러나 부하변동에 의한 과도현상에서는 수위는 튜브 번들영역의 2상 혼합의 열역학 특성에 의한 “팽창과 수축(swell and shrink)” 현상으로 인한 역 반응이 나타난다. 즉 증기유량이 증가하면 증기압이 감소하여 기포가 증가하여 수위는 처음에 증가하게 된다. 반대로 증기유량이 감소하면 증기압력이 증가하여 기포가 붕괴되어 수위가 감소하게 된다. 또한 급수유량이 증가하면 저온의 급수로 인해 기포가 붕괴되어 수위는 감소한다. 반대로 급수유량이 감소하면 반대 현상이 일어난다.

○ 그런데 이런 현상은 저출력 운전 특히 플랜트 기동과 과도현상에서 높은 제어루프 이득일 때 두드러진다. 따라서 제어기는 저출력(20% 이하)에서 충분한 운전 마진을 갖고 수위가 요동하지 않도록 설계되어야 한다. 기존 PI 제어기를 디지털 제어기로 대체하여 기존 제어기의 단점을 보완하는 방법도 있지만 근본적인 팽창과 수축현상을 해결하지는 못한다.

○ 따라서 SG의 다운커머 수위제어 대신에 수 질량 재고 제어(water mass inventory control) 계통을 도입하여 저출력 또는 플랜트 과도현상 시에 이러한 팽창과 수축현상에 무관하게 수위를 측정할 수 있는 방법이 제안되고 있다. 이 글에서는 제안된 피드퍼워드 신경망에 의한 수 질량 추정(water mass estimator) 방법은 SG 수위제어에 기존 PI 제어기를 이용하여 추가 비용도 감소하고, 전체 제어루프 이득도 충분히 커서 부하변동에 대한 응답성도 좋은 편이다.

저자: Wei Dong, J. Michael Doster, Charles W. Mayo
자료유형: 학술정보