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KR100336332B1 - 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템 - Google Patents

원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템 Download PDF

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KR100336332B1
KR100336332B1 KR1020000003745A KR20000003745A KR100336332B1 KR 100336332 B1 KR100336332 B1 KR 100336332B1 KR 1020000003745 A KR1020000003745 A KR 1020000003745A KR 20000003745 A KR20000003745 A KR 20000003745A KR 100336332 B1 KR100336332 B1 KR 100336332B1
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KR
South Korea
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valve
pilot
pressurizer
pressure
safety
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KR1020000003745A
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김한곤
이상원
김병섭
조성제
이도환
Original Assignee
최양우
한국수력원자력 주식회사
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Abstract

본 발명은 가압 경수로형 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압을 제어하기 위한 밸브 시스템에 관한 것으로, 종래에는 스프링 구동 과압보호 밸브와, 모터 구동 안전 밸브가 각각 설치되어 있었으나, 이는 구성이 복잡하고 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있었다. 이에따라 본 발명은, 가압기(10)에 연결된 충전탱크(20)로부터 전달되는 가압기 압력에 의거해서 과압보호 압력 이상이 되면 파일롯트 밸브를 작동시키는 제1, 제2 파일롯트 캐비넷(30)(30')과; 상기 가압기(10)의 상부에 설치되어 상기 제1파일롯트 캐비넷(30)의 파일롯트 밸브의 작동에 의해 작동되어 메인 실린더와 가압기(10) 사이의 경로를 개폐하는 제1밸브(40)와; 그 제1밸브(40)의 메인 실린더와 메인 실린더가 직렬 연결되고 상기 제2파일롯트 캐비넷(30')의 파일롯트 밸브에 의해 작동되어 메인 실린더와 증기 배출배관의 연결 경로를 개폐하는 제2밸브(40')와; 상기 제1, 제2파일롯트 캐비넷(30)(30')의 파일롯트 밸브를 각각 운전제어반의 제어에 의해 전기적으로 제어하기 위한 제1, 제2솔레노이드(34)(34')가 더 포함되어 하나의 안전-격리 밸브가 구성되며, 동일구성으로 상기 가압기(10)의 상부에 4개의 안전-격리 밸브가 설치되어 과압보호 및 안전감압을 기능을 수행할 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다. 이에따라 밸브 시스템의 단순화 및 신뢰성을 높일 수 있게 된다.

Description

원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템{Pressurizer over-pressure protection and safety depressurization system for pressurized water reactor}
본 발명은 원자력 발전소에 있어서 가압기의 과압보호 및 안전 감압기능을 하나의 밸브가 대신함으로서 제어 및 계측 계통을 단순화하여 오동작의 가능성을 감소시킬 수 있도록 한 원자로 가압기의 고압보호 및 안전감압 밸브 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 경수로형 원자로에 있어서, 원자로 냉각재 계통(Reactor Coolant System)은 원자로와 증기발생기 사이의 압력을 일정하게 유지시킴과 아울러 안전 감압 등을 제어하기 위해서 가압기(Pressurizer)가 설치되며, 그 가압기의 압력을 조절하여 원자로 냉각재 계통의 압력을 조절하도록 되어 있다.
도 1은 종래 원자로 냉각재 계통 가압기의 과압보호 및 안전 감압 시스템 구성도이다.
원자로 냉각재 계통의 가압기(10)의 과압보호를 위해 일정한 압력 이상이 되면 스프링에 의해 자동으로 개폐되어 저장수조내로 분사기(4)를 통해 증기가스를 배출시키는 4개의 과압보호밸브(2)와, 상기 가압기(10)의 안전감압을 위해 모터에의해 구동되어 상기 과압보호밸브(2)에서 배출되는 증기가스와 함께 상기 저장수조내로 분사기(4)를 통해 증기가스를 배출시키는 2조의 안전갑압 밸브(1)와, 상기 가압기(10)의 압력 조절을 위해 모터에 의해 제어되어 상기 과압보호밸브(2) 경로에서 분기되어 원자로 드레인 탱크(5)로 증기가스를 배출시키기 위한 압력조절 밸브(3)로 구성된다.
이와같이 종래에는 과압보호밸브(2)로는 4개의 스프링 구동 안전밸브(PSV)가 설치되어 있으며, 안전감압밸브(1)로는 설계기준 초과사고인 완전급수 상실사고시 급속 감압기능을 수행하도록 설계되어 모터에 의해 구동되는 모터 구동 안전밸브(RDV)가 설치되어 있다.
상기 4개의 과압보호밸브(2)는 원자로 냉각재 계통의 과압방지 기능을 수행하며, 스프링 구동방식으로 스프링에 가해지는 하중이 설정되어 있어 스프링 압력 초과시 밸브가 개방되어 과압방지 기능을 수행한다. 이와같이 스프링에 의해 일정압력 이상시 자동으로 개방되어 과압보호를 수행하고 개방시간이 매우 짧다는 장점이 있어서 현재까지의 원자로 가압기의 과압보호 밸브로서 주로 설치 운영되고 있다. 그러나 스프링 구동 안전밸브는 오동작 확률이 높으며, 일차계통 압력상승시 누설(Leak) 발생 확률이 높으며, 유지보수가 어려운 단점이 있다.
한편, 상기 3개의 안전감압밸브(1)(3)는 급수완전상실 사고발생시 일차측을 갑압하여 안전주입펌프 작동에 의한 피드 앤 블리드(Feed and Bleed) 운전을 할 수 있도록 한다. 원자로 냉각재 계통의 압력을 수동으로 감압하기 위해서 모터구동밸브를 수동으로 개방한다. 그러나 가동중 원전의 55%가 정상운전시 차단(Block off)상태로 운전되고 있으므로 비상시 작동에 대해 밸브 자체의 신뢰도가 떨어지는 단점이 있고, 모터구동에 따른 운전시간이 느리고 동작의 정확성이 떨어지는 단점이 있다.
이에따라 본 발명은, 스프링 구동형 과압보호밸브와 모터 구동형 안전감압밸브가 담당해왔던 과압보호기능과 안전감압 기능을 한 종류의 밸브가 대신하도록 함으로써 제어 및 계측 계통을 간순화하여 오동작의 가능성을 감소시키고, 모터가 아닌 솔레노이드를 채택하여 주급수 상실등이 설계기준 초과 사고 발생시 원자로 냉각재 계통을 신속히 감압하며, 안전 감압 밸브의 장점인 이상유체를 허용하여 가압기 체적감소 등의 효과를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.
이와같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 과압보호와 안전감압 기능을 위해 POSRV(Pilot Operated Safety Relief Valve)를 4개를 설치하여 구성한다. 그 POSRV는 가압기 과압보호밸브 및 안전감압밸브 계통을 통합하여 계통을 단순화하고 스프링 장착 안전밸브에 비해 신뢰도 증가, 가동중 검사 가능, 밀봉능력 우수 등의 장점을 가진다.
본 발명의 가압기 안전 밸브(POSRV)는 직렬로 연결된 안전밸브와 격리밸브가 서로 접합되어 하나의 밸브 집합체를 이루고 있으며, 가압기 상부에는 이러한 밸브 집합체가 4곳의 서로 다른 위치에 설치되어 있으며 안전밸브와 격리밸브는 동일한 형태와 구조로 구성된다.
도 1은 종래 원자로 냉각재 계통 가압기의 과압보호 및 안전 감압 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 가압기 과압보호 및 안전 감압제어 시스템 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 안전-격리 밸브의 일부 구성을 보인 구성도.
도 4의 (a) 내지 (e)는 본 발명에 의한 안전-격리밸브의 작동을 단계적으로 설명하기 위한 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 안전-격리밸브의 작동 단계별 밸브 상태를 표시한 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 가압기 20 : 충전탱크
21 : 압력전달 배관 30, 30' : 제1, 제2 파일롯트 캐비넷
31 : 구동밸브 32, R1 : 제1파일롯트 밸브
33, R2 : 제2파일롯트 밸브 34, 34' : 제1, 제2솔레노이드
40, 40' : 제1, 제2밸브 41 : 밸브 실린더
42 : 밸브 피스톤 43 : 밸브 디스크
44 : 메인 실린더
이하, 본발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 가압기 과압보호 및 안전 감압제어 시스템 구성도로서, 가압기의 상부에 두 개의 POSRV 즉, 안전밸브와 격리밸브가 직렬 연결되어 하나의 밸브 집합체를 구성하고, 4개의 안전-격리 밸브 집합체가 설치되어 구성된다. 본 발명을 설명함에 있어서 안전밸브와 격리밸브를 제1밸브 및 제2밸브로 지칭하여 설명하고, 밸브 집합체를 안전-격리 밸브라고 칭하여 설명한다.
가압기(10)의 고압증기의 일부를 배관을 통해 공급받아 물로 충전시키는 충전탱크(20)와, 그 충전탱크(20)로부터 전달되는 가압기 압력에 의거해서 가압기(10)의 과압보호 압력 이상이 되면 파일롯트 밸브를 작동시키는 제1, 제2 파일롯트 캐비넷(30)(30')과, 상기 가압기(10)의 상부에 설치되어 밸브 실린더가 연결되어 그 밸브 실린더내의 밸브 피스톤(42)이 상기 제1파일롯트 캐비넷(30)의 파일롯트 밸브의 작동에 의해 작동되어 메인 실린더와 가압기(10) 사이의 경로를 개폐하는 제1밸브(40)와, 그 제1밸브(40)의 메인 실린더와 메인 실린더가 직렬 연결되고 밸브 실린더의 일측 단부가 증기배출 배관으로 연결되며 상기 제2파일롯트 캐비넷(30')의 파일롯트 밸브에 의해 밸브 실린더 내의 밸브 피스톤이 작동되어 메인 실린더와 증기 배출배관의 연결 경로를 개폐하는 제2밸브(40')와, 상기 제1, 제2파일롯트 캐비넷(30)(30')의 파일롯트 밸브를 각각 운전제어반의 제어에 의해 전기적으로 제어하기 위한 제1, 제2솔레노이드(34)(34')가 더 포함되어 하나의 안전-격리 밸브가 구성되며, 동일구성으로 상기 가압기(10)의 상부에 4개의 안전-격리 밸브가설치되어 과압보호 및 안전감압을 기능을 수행할 수 있도록 구성된다.
도 3은 본 발명에 의한 안전-격리 밸브의 일부 구성을 보인 구성도로서, 안전-격리 밸브(40)의 바디내에 밸브 실린더(41)가 형성되어 하단부는 가압기(10)의 상부에 연결되고 상단부는 밸브 피스톤(42)이 설치되어 서비스 라인(45)을 통해 파일롯트 캐비넷(30)에 연결되며, 그 밸브 실린더(42)의 중간에 일측으로 개구된 메인실린더(44)가 형성되고, 그 메인실린더(44)내에 상기 밸브 피스톤(42)에 의해 하부 또는 상부로 이동되어 메인 실린더(44)와 가압기(10) 사이를 개폐하는 밸브 디스크(43)가 설치되어 구성된다.
그리고, 상기 파일롯트 캐비넷은, 파일롯트 캐비넷 바디내에 서로 분리된 두 개의 파일롯트 실린더가 형성되어 상기 충전탱크(20)의 압력 전달배관(21)이 상기 제1파일롯트 실린더의 입력측에 연결되며, 상기 제2파일롯트 실린더의 출력측에 IRWST(4)에 연결되는 배출배관(35)이 연결되고, 그 제1, 제2 파일롯트 실린더에 각각 제1, 제2파일롯트 밸브(32 ; R1)(33 ; R2)가 설치되며, 상기 충전 탱크(20)의 압력 전달배관(21)이 연결되어 그 압력 전달배관의 압력과 스프링의 압력 비교에 의해 작동되는 구동 샤프트의 물리적인 힘에 의해 상기 제1, 제2파일롯트 밸브(32)(33)를 서로 배타적으로 개/폐를 시키는 구동밸브(31)가 설치되고, 상기 제1 파일롯트 실린더의 출력과 상기 제2 파일롯트 밸브의 입력측이 공통으로 상기 밸브(40)의 서비스 라인(42)에 연결되며, 상기 구동밸브(31)의 구동 샤프트를 전기적인 힘에 의해 작동시키기 위한 솔레노이드(34)가 설치되어 구성된다.
그리고, 상기 제1밸브(40)의 메인 실린더(44)에는 제2밸브(40')의 메인실린더가 직렬연결되고, 그 제2밸브(40')의 밸브 실린더 하단은 방출배관으로 연결되어 IRWST측에 가압기(10)의 증기를 방출하도록 구성되며, 상기 도3의 제1파일롯트 밸브(30)와 동일구성으로 이루어진 제2파일롯트 캐비넷(30')이 설치되어 그 제2밸브(40')를 제어하도록 구성된다.
이와같이 구성된 본 발명에 의하면, 제1밸브(40)와 제2밸브(40')는 서로 직렬연결되고, 제1, 제2캐비넷(30)(30')은 충전탱크(20)의 압력 전달배관(21)에 연결되어 제1밸브(40) 및 제2밸브(40')의 밸브 피스톤(42)(42')을 제어하도록 구성된다.
도 4의 (a) 내지 (e)는 본 발명에 의한 안전-격리 밸브의 작동을 단계적으로 설명하기 위한 설명도이고, 도 5는 본 발명에 의한 안전-격리 밸브의 작동 단계별 밸브 상태를 표시한 도면이다. 여기서, 가압기(10)의 압력에 대해 구동밸브(31)의 스프링 압력을 조절하여 제1파일롯트 밸브(R1)는 압력 P1에서 닫히고, 압력 PS에서 열리도록 하고, 제2 파일롯트 밸브(R2)는 압력 PT에서 열리고, 압력 P2에서 닫히도록 설계한다. 이때 압력 PS는 가압기(10)의 허용압력이고, 압력 PT는 고압보호를 위한 한계압력으로 설정하며, 압력은 PS - P1 - P2 - PT 순으로 상승되는 것으로 가정하여 설명하였다. 이하의 설명에서 제1, 제2파일롯트 밸브(32)(33)은 제1, 제2파일롯트밸브(R1), (R2)로 표기하여 설명한다.
먼저 도 4의 (a)는 가압기(10)의 허용압력(PS)인 경우로서, 압력전달배관(21)의 압력이 구동밸브(31)의 스프링 압력보다 낮아 제1파일롯트 밸브(R1)는 열려 있고, 제2파일롯트밸브(R2)가 닫혀진 상태이다. 이에따라 상기 압력전달 배관의 압력이 제1실린더를 통해서 밸브(40)의 서비스라인(45)에 가해지므로, 밸브(40)의 밸브 피스톤(42)은 하향으로 압력을 받기 때문에 밸브 디스크(43)가 닫혀진 상태에 있게된다.
이후, 가압기(10)의 압력이 P1 단계로 상승되면, 도 4의 (b)와 같이 상기 제1파일롯트 밸브(R1)은 닫혀지고, 이때에 제2파일롯트 밸브(R2)도 닫힌 상태를 유지하므로 메인 실린더(44)의 밸브 디스크(43)는 닫혀진 상태를 유지한다.
도 4의 (c)와 같이 계속하여 가압기(10)의 압력이 P2를 지나 과압 보호작동 압력인 PT까지 상승하면, 압력 전달 배관(21)의 압력이 구동밸브(31)의 스프링 압력보다 월등히 높아져서 제1파일롯트 밸브(R1)은 닫힘상태를, 제2파일로트 밸브(R2)는 열림상태로 작동시킨다. 이에따라 압력전달밸브(21)의 압력은 제1파이롯트 밸브(R1)에 의해 차단되고 제2파일롯트 밸브(R2)가 열리면서 방출배관(35)과 밸브(40)의 서비스 라인(45)을 연결시키므로 그 밸브(40)의 서비스 라인(45)의 압력이 방출배관(35)의 압력 즉, 대기압 상태가 되므로 밸브 피스톤(42)은 가압기(10)의 압력에 의해 상향으로 이동되어 밸브 디스크(43)를 열어주게 된다. 그러므로 메인 실린더(44)를 통해 직렬연결된 제2밸브(40')로 가압기(10)의 증기가 방출되어 그 제2밸브(40')의 밸브 실린더를 통해서 방출배관으로 가압기(10)의 증기가 방출되어 압력이 낮아지게된다. 물론 제2밸브(40')도 제1밸브(40)의 파일롯트 캐비넷과 동일한 작용을하여 밸브디스크를 열어주므로 가압기(10)의 증기가 방출되는 것이다.
이와같이 가압기(10)의 압력이 과압보호 한계 압력(PT)을 유지하는 동안은계속 압력 방출상태(도 4의 (c) 및 (d))를 유지하며, 가압기(10)의 압력이 소정 압력 P2로 떨어지면 상기 제2 파일롯트 밸브(R2)가 닫혀지고, 이때에 제1파일롯트 밸브(R1)도 닫힌 상태를 유지한다.
이후, 가압기(10)의 압력이 허용압력 PS이하로 떨어지면 제1파일롯트 밸브(R1)이 다시 열리고, 제2파일롯트 밸브(R2)는 닫힌 상태를 유지하므로 도 4의 (e)와 같은 상태로서 초기 상태를 유지하게 된다.
따라서, 구동밸브(31)의 스프링압력과 가압기(10)의 압력에 의해 자동으로 고압보호 작동이 이루어진다.
한편, 안전 감압시 상기한 구동밸브(31)를 강제로 작동시켜야 하는데 이때에는 솔레노이드(34)를 작동시켜 제1, 제2파일롯트 밸브(R1, R2)를 순차적으로 작동시키게 된다. 즉, 솔레노이드(34)를 작동시키면 먼저 상기 제1 파일롯트 밸브(R1)가 열림상태에서 닫힘상태로 변하고, 이어서 제2 파이롯트 밸브(R2)가 열려서 도 4의 (c) 및 (d)와 같은 상태가 되어 증기 방출에 의해 감압동작이 이루어진다. 이후 정상 압력상태에서 솔레노이드(34)를 오프 시키게 되면, 제2 파일롯트 밸브(R2)가 닫힌후 제1 파일롯트 밸브(R1)가 열려서 정상상태로서 대기하게 된다.
이와같이 본 발명에 의한 안전-격리 밸브 시스템을 사용하게 되면, 과압보호 동작에서는 자동으로 동작되고, 안전감압이 필요한 경우 솔레노이드를 이용하여 파일롯트 밸브를 외부에서 제어하여 안전감압을 수행할 수 있게 되므로, 한 종류의밸브만으로 과압보호 및 안전 감압 기능을 수행할 수 있게 된다. 이에따라 밸브 배열의 단순화와 제어 및 계측 계통의 단순화에 의한 오동작 감소, 배관 단순화, 신속한 감압, 이상 유동 허용에 의한 가압기 체적 감소가능 및 누설율 감소 등의 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 가압 경수로형 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압을 제어하기 위한 밸브 시스템에 있어서,
    가압기(10)의 고압증기의 일부를 배관을 통해 공급받아 물로 충전시키는 충전탱크(20)와;
    그 충전탱크(20)로부터 전달되는 가압기 압력에 의거해서 가압기(10)의 과압보호 압력 이상이 되면 파일롯트 밸브를 작동시키는 제1, 제2 파일롯트 캐비넷(30)(30')과;
    상기 가압기(10)의 상부에 설치되어 밸브 실린더가 연결되어 그 밸브 실린더내의 밸브 피스톤(42)이 상기 제1파일롯트 캐비넷(30)의 파일롯트 밸브의 작동에 의해 작동되어 메인 실린더와 가압기(10) 사이의 경로를 개폐하는 제1밸브(40)와;
    그 제1밸브(40)의 메인 실린더와 메인 실린더가 직렬 연결되고 밸브 실린더의 일측 단부가 증기배출 배관으로 연결되며 상기 제2파일롯트 캐비넷(30')의 파일롯트 밸브에 의해 밸브 실린더 내의 밸브 피스톤이 작동되어 메인 실린더와 증기 배출배관의 연결 경로를 개폐하는 제2밸브(40')와;
    상기 제1, 제2파일롯트 캐비넷(30)(30')의 파일롯트 밸브를 각각 운전제어반의 제어에 의해 전기적으로 제어하기 위한 제1, 제2솔레노이드(34)(34')가 더 포함되어 하나의 안전-격리 밸브가 구성되며,
    동일구성으로 상기 가압기(10)의 상부에 4개의 안전-격리 밸브가 설치되어과압보호 및 안전감압을 기능을 수행할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1밸브는,
    바디내에 밸브 실린더(41)가 형성되어 하단부는 가압기(10)의 상부에 연결되고 상단부는 밸브 피스톤(42)이 설치되어 서비스 라인(45)을 통해 파일롯트 캐비넷(30)에 연결되며, 그 밸브 실린더(42)의 중간에 일측으로 개구된 메인실린더(44)가 형성되고, 그 메인실린더(44)내에 상기 밸브 피스톤(42)에 의해 하부 또는 상부로 이동되어 메인 실린더(44)와 가압기(10) 사이를 개폐하는 밸브 디스크(43)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 파일롯트 캐비넷은,
    파일롯트 캐비넷 바디내에 서로 분리된 두 개의 파일롯트 실린더가 형성되어 상기 충전탱크(20)의 압력 전달배관(21)이 상기 제1파일롯트 실린더의 입력측에 연결되며, 상기 제2파일롯트 실린더의 출력측에 IRWST(4)에 연결되는 배출배관(35)이 연결되고, 그 제1, 제2 파일롯트 실린더에 각각 제1, 제2파일롯트 밸브(32)(33)가 설치되며, 상기 충전 탱크(20)의 압력 전달배관(21)이 연결되어 그 압력 전달배관의 압력과 스프링의 압력 비교에 의해 작동되는 구동 샤프트의 물리적인 힘에 의해 상기 제1, 제2파일롯트 밸브(32)(33)를 서로 배타적으로 개/폐를 시키는 구동밸브(31)가 설치되고, 상기 제1 파일롯트 실린더의 출력과 상기 제2 파일롯트 밸브의 입력측이 공통으로 상기 밸브(40)의 서비스 라인(42)에 연결되고, 상기 구동밸브(31)의 구동 샤프트를 안전감압을 위한 동작시 전기적인 제어신호에 의해 구동시키기 위한 솔레노이드(34)가 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 원자로 가압기의 과압보호 및 안전 감압 밸브 시스템.
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