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문제 정의
- 플랜트 설비의 경우 회전기기류 및 유체에 의한 진동이 발생하기 때문에 발전소가 운전되는 동안 항상 진동조건에 노출되어 있다고 볼 수 있다. 따라서 본 시험에서는 일정한 진동조건에서 기기를 노화시켜 작동이 제대로 되는지를 확인한다. 진동 조건은 각 축당 0.
- 본 해설에서는 원전용 솔레노이드 밸브의 국산화 개발을 위한 설계부터 검증에 이르는 과정을 제시하였다. 기존 원전에 사용중인 해외 업체의 솔레노이드 밸브를 설계하기 위해 개발 사양과 주요 부품을 분석하고 조립 도면을 완성하였다.
- 본 해설에서는 해외 제품에 의존하고 있는 원전용 솔레노이드 밸브 국산화 개발을 위한 설계, 해석 및 성능시험 과정을 보여준다. 특히 원전 사용을 위해 필수과정인 기기검증의 절차, 항목, 방법, 시험장치 등을 소개한다.
가설 설정
- 설계기준사고 시험은 냉각재상실사고 시험, 고에너지관파단 시험, 주증기관파단 시험으로 구분되는데 기기검증 시험 전체 항목 중 가장 열악한 환경 조건이 바로 냉각재상실사고 시험이다. 이 시험은 냉각수가 격납건물 내에서 누출되었을 때의 사고를 가정하여 동일한 사고환경조건을 시편에 인가한다. 사고 초기에 고온/고압의 냉각수가 누출되면 냉각수는 증기로 변환되어 격납건물의 온도는 급격히 상승한다.
제안 방법
- 분석 대상 샘플 밸브의 표 1에서 제시한 기본적인 사양과 원전 적용을 위한 결합부위 및 크기 등을 고려하여 개발품 시작품을 제작하였다. 개발품의 코일 내열 등급은 180 ℃까지 사용 가능한 H종으로 하였으며, AC 전원에 비하여 단순하고 작동성이 양호하여 원전에서 많이 사용하고 있는 직류 전원으로 공급하도록 하였다. 정격 전압은 125 Vdc이지만, IEEE Std 946 규정에 따라 공급 전압범위는 90-140 Vdc이며 보수적 설계를 위하여 70-80 Vdc 에서 작동이 가능하도록 하였다.
- 기존 원전에 사용중인 해외 업체의 솔레노이드 밸브를 설계하기 위해 개발 사양과 주요 부품을 분석하고 조립 도면을 완성하였다. 그리고 전자장 해석, 유동해석, 열해석 등을 통해 설계 검증을 하였다. 설계 검증 후 제작된 시편의 성능확인을 위해 성능시험 설비를 구축하고 8종의 성능시험을 수행한 결과 모두 개발 사양을 만족하였다.
- 외부 환경에 의해 온도 변화가 적은 환경챔버 내에 시험 대상 솔레노이드 밸브를 설치하고 정격 전압을 인가한 후 밸브의 온도 값을 측정한다. 그리고 정격 전압을 인가하지 않았을 때의 온도 및 저항을 측정하고 솔레노이드 온도가 포화됐을 때의 온도 및 저항을 측정한 후 온도 상승치에 의해 계산된 값을 확인한다. 온도상승 시험 결과를 표 7에 제시하였다.
- 기기검증 수행을 위하여 관련 규정을 분석하여 기기검증 절차와 방법을 구체적으로 제시하였다. 제작된 시편으로 기기검증을 수행한 결과 기기검증의 허용기준을 모두 만족하였다.
- 본 해설에서는 원전용 솔레노이드 밸브의 국산화 개발을 위한 설계부터 검증에 이르는 과정을 제시하였다. 기존 원전에 사용중인 해외 업체의 솔레노이드 밸브를 설계하기 위해 개발 사양과 주요 부품을 분석하고 조립 도면을 완성하였다. 그리고 전자장 해석, 유동해석, 열해석 등을 통해 설계 검증을 하였다.
- 내진시험조건은 작동기준지진과 안전정지지진으로 구분하는데 작동기준지진은 발생하더라도 모든 기기가 안전하게 작동할 수 있어야 하며 안전정지 지진은 발전소가 안전하게 정지할 때까지 기기가 작동하여야 한다. 내진시험에서는 5번의 작동기준지진과 한 번의 안정정지지진 시험을 수행한다.
- 냉각재상실사고 시험 중 온도와 압력 환경조건이 가장 높을 때에 솔레노이드 밸브의 작동시험을 수행하며 이후 냉각재상실사고 시험이 끝날 때 까지 밸브를 주기적으로 작동하면서 성능을 점검한다. 솔레노이드 밸브의 작동성 시험은 그림 15와 같이 솔레노이드 밸브의 전원과 배관을 챔버 외부로 연결하여 외부에서 전원과 압력을 인가하여 솔레노이드 밸브가 정상적으로 동작하는지를 확인한다.
- 그리고 외부 누설시험은 밸브 내 안전작동압력을 인가한 상태에서 밸브 몸체에서 누설이 있는 지를 확인한다. 몸체 및 몸체-구동기 결합부위까지 물에 잠기도록 한 후 밸브가 닫힌 상태에서 실린더 포트와 배기포트로 안전작동압력의 1.5배(30.6 bar)를 인가하여 몸체로부터 누설이 있는 지를 확인한다. 본 시험을 위해 그림 12와 같이 시험장치를 제작하였다.
- 사고정지지진 시험은 배관에 장착되는 배관장착기기와 구조물에서 장착되는 설비장착기기로 항목이 구분되어 있다. 배관장착기기의 경우 단일주파수 실험을 수행하는데, 본 시험은 일정 주파수에서 15초 이상 사인 진동파를 인가하며 2 Hz 에서 32 Hz 까지 1/3 Octave/min씩 증가시킨다. 설비장착기기의 경우 반드시 양축 또는 3축에 진동을 인가하는 복합주파수 실험을 수행한다.
- 또한 원전의 방사선 환경을 고려하여 비금속재료로 Ethylene propylene과 Viton fluoroelastomer을 사용하고 있다. 밸브 설계를 위해 가동중 원전에서 사용중인 해외사의 솔레노이드 밸브 샘플을 확보 후 분석하여 주요 부품과 재질을 표 2와 같이 정리하였으며, 그림 1과 같이 조립 도면을 작성하였다.
- 코일 온도는 20 ℃를 기준으로 하며, 측정은 코일의 온도 상승이 무시되는 시간 내에 완료해야 한다. 본 시험에서는 시편에 정격전압 125 Vdc를 인가하여 코일의 전류 값을 측정하였다. 각 시편에 대한 시험결과를 표 4에 정리하였다.
- 작동전압시험(DC operating voltage test)은 솔레노이드 밸브에 전원을 인가하여 밸브의 개폐 상태를 확인하는 시험이다. 본 시험은 취출전압시험(Pull-in voltage test)와 낙하전압시험(Drop-out voltage test)로 구분한다. 취출전압시험은 최대 작동압력을 인가한 상태에서 플런저가 작동하기 시작하는 최소 전압을 측정한다.
- 최근 Park 등은 솔레노이드 밸브를 설계하는 과정을 체계화하여 그림 3과 같은 절차를 제시하였다[3]. 본 해설서에는 구체적인 설계 과정은 생략하였다.
- 분석 대상 샘플 밸브의 표 1에서 제시한 기본적인 사양과 원전 적용을 위한 결합부위 및 크기 등을 고려하여 개발품 시작품을 제작하였다. 개발품의 코일 내열 등급은 180 ℃까지 사용 가능한 H종으로 하였으며, AC 전원에 비하여 단순하고 작동성이 양호하여 원전에서 많이 사용하고 있는 직류 전원으로 공급하도록 하였다.
- 샘플 솔레노이드 밸브의 응답시간(response time)을 측정하기 위해 변위-스텝 응답특성 실험을 수행하였다. 솔레노이드 밸브의 응답시간이란 플러저가 완전닫힘(full close) 상태에서 완전개방(full open) 상태로 전환되기까지 걸리는 시간을 의미한다.
- 샘플의 성능 특성을 파악하기 위해 소비전력과 응답시간을 측정하였다.
- 솔레노이드 밸브의 성능시험은 5가지 항목이며 각 항목에 따른 허용기준은 표 8과 같다. 성능시험은 기기검증 시험 전후 실시하며, 각 환경시험 전후 그리고 환경시험 중에서 일부 항목에 대해 실시한다.
- 솔레노이드 밸브 설계 후 타당성을 검증하기 위해 전자장, 열, 유동에 대해 CFD 해석을 수행하였다.
- 냉각재상실사고 시험 중 온도와 압력 환경조건이 가장 높을 때에 솔레노이드 밸브의 작동시험을 수행하며 이후 냉각재상실사고 시험이 끝날 때 까지 밸브를 주기적으로 작동하면서 성능을 점검한다. 솔레노이드 밸브의 작동성 시험은 그림 15와 같이 솔레노이드 밸브의 전원과 배관을 챔버 외부로 연결하여 외부에서 전원과 압력을 인가하여 솔레노이드 밸브가 정상적으로 동작하는지를 확인한다.
- 시편들의 응답시간을 측정하기 위해 변위-스텝 응답특성 시험을 수행하였다. 스텝응답 시험은 플런저 변위와 밸브부 유량 흐름의 움직임으로 측정하였다. 시험 대상 밸브에 정격전압 125 V를 100 m㎐의 정형파로 가했을 때 과도응답(Tdd, Td, τ, Ts) 시간을 확인하였다.
- 시작품의 성능확인을 위해 밸브 2종(PM01, PM02)에 대하여 동작시험, 소비전력시험, 절연저항 시험, 내전압시험, 동작시험, 응답속도시험, 누설시험, 온도시험 등의 성능실험을 수행하였다.
- 시편들의 응답시간을 측정하기 위해 변위-스텝 응답특성 시험을 수행하였다. 스텝응답 시험은 플런저 변위와 밸브부 유량 흐름의 움직임으로 측정하였다.
- 시험 대상 밸브에 정격전압 125 V를 100 m㎐의 정형파로 가했을 때 과도응답(Tdd, Td, τ, Ts) 시간을 확인하였다.
- 온도상승 시험은 가동 철심을 고정 철심에 흡착한 위치로 유지하고, 정격 전압을 계속 인가하여 환경 온도가 상승 후 일정하게 유지되었을 때 코일의 온도 상승치를 저항법에 의해 측정한다. 외부 환경에 의해 온도 변화가 적은 환경챔버 내에 시험 대상 솔레노이드 밸브를 설치하고 정격 전압을 인가한 후 밸브의 온도 값을 측정한다. 그리고 정격 전압을 인가하지 않았을 때의 온도 및 저항을 측정하고 솔레노이드 온도가 포화됐을 때의 온도 및 저항을 측정한 후 온도 상승치에 의해 계산된 값을 확인한다.
- 분석 대상 밸브의 유량계수(Cv)를 포함한 유동 특성을 파악하기 위하여 ANSYS CFX를 통하여 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 위해 샘플 밸브의 몸체를 레이저로 스캔하여 그림 9와 같이 3D 모델링하였다.
- 28% 증가시켰다. 이러한 표면적 증가에 의한 열 방출기능형상의 효과를 검증하기 위해 전산해석을 수행하였다.
- 개발품의 코일 내열 등급은 180 ℃까지 사용 가능한 H종으로 하였으며, AC 전원에 비하여 단순하고 작동성이 양호하여 원전에서 많이 사용하고 있는 직류 전원으로 공급하도록 하였다. 정격 전압은 125 Vdc이지만, IEEE Std 946 규정에 따라 공급 전압범위는 90-140 Vdc이며 보수적 설계를 위하여 70-80 Vdc 에서 작동이 가능하도록 하였다. 제작된 솔레노이드 밸브를 그림 11에 제시하였다.
- 코일의 온도상승 값을 측정하기 위해 온도상승 시험을 수행하였다. 온도상승 시험은 가동 철심을 고정 철심에 흡착한 위치로 유지하고, 정격 전압을 계속 인가하여 환경 온도가 상승 후 일정하게 유지되었을 때 코일의 온도 상승치를 저항법에 의해 측정한다.
- 본 해설에서는 해외 제품에 의존하고 있는 원전용 솔레노이드 밸브 국산화 개발을 위한 설계, 해석 및 성능시험 과정을 보여준다. 특히 원전 사용을 위해 필수과정인 기기검증의 절차, 항목, 방법, 시험장치 등을 소개한다.
- 전자장 해석을 위해 구동기를 그림 5와 같이 2D로 모델링하여 격자를 구성하였다. 해석시 입력조건으로 실측 데이터에 근거하여 코일의 전류 값은 0.139 A와 코일을 감은 횟수인 8,500 턴을 사용하였으며 플런저와 플런저 코어와의 공극은 0.5 mm로 설정하였다. 해석결과 플런저의 흡인력은 38.
데이터처리
- Ansoft사의 Maxwell 3D 소프트웨어를 사용하여 전자장 해석을 수행하였다. 구동기의 재질 중 표 2에 제시한 SUS 430F와 SUS 24L은 자성재료로서 전자장 해석을 위해 관련 물성치가 필요하다.
- 분석 대상 밸브의 유량계수(Cv)를 포함한 유동 특성을 파악하기 위하여 ANSYS CFX를 통하여 유동해석을 수행하였다. 유동해석을 위해 샘플 밸브의 몸체를 레이저로 스캔하여 그림 9와 같이 3D 모델링하였다.
이론/모형
- 열노화시험을 위해 원.전 설계수명인 40년 동안의 시험을 수행할 수 없기 때문에 재료의 반응속도와 온도와의 관계를 나타내는 아레니우스 공식을 사용하여 그 시간을 단축하여 사용한다[4].
- 절연저항 시험과 내전압시험은 전원입력부와 하우징 간의 절연능력을 평가하는 시험으로 시험규격 KS C 4532에 의해 시험을 수행하였다. 절연저항 시험은 전원입력부와 하우징에 500 Vdc 전압을 인가하여 20초 이상이 경과하였을 때 절연저항 값이 개발 목표인 1 GΩ 이상이 나오는 지를 확인한다.
성능/효과
- 그리고 내전압시험은 전원입력부와 하우징에 1,500 Vac 전압을 인가한 상태에서 60초 동안 누설전류가 10 mA 이하로 유지되는지를 판별하는 시험이다. 각 시편에 대한 절연저항시험과 내전압시험의 결과 모두 허용기준을 만족하였다.
- 샘플 밸브의 소비전력을 측정한 결과 전압을 124.9 V 인가하였을 때 전류는 0.12 A, 소비 전력은 15.3 W로 측정되었다. 대상 밸브의 카탈로그에 제시된 사양은 전류 0.
- 그리고 전자장 해석, 유동해석, 열해석 등을 통해 설계 검증을 하였다. 설계 검증 후 제작된 시편의 성능확인을 위해 성능시험 설비를 구축하고 8종의 성능시험을 수행한 결과 모두 개발 사양을 만족하였다.
- 동작시험은 솔레노이드 밸브에 정격 전압의 85-110%를 가했을 때의 열고 닫히는 반복 동작을 확인하는 시험이다. 시험결과 대상 시편 모두 정격 전압의 85 %일 때와 110 %를 가했을 때 정상적으로 동작하는 것을 확인할 수 있었다.
- 하우징 하부의 온도가 높은 이유는 코일의 하부가 하우징 하부와 접촉되어 있어, 열이 전도를 통해 전달되므로 공기층을 통해 코일의 열이 전달되는 하우징 상부보다 높은 것으로 판단된다. 온도가 가장 높은 영역은 두 모델 모두 코일의 동일한 위치에서 발생하고 있으며, flat housing의 코일 최대 온도는 114.2℃, corrugated housing의 경우에는 107.4 ℃으로 결과적으로 면적 증가에 의해 약 6.8 ℃ 코일 온도가 감소하였다.
- 응답속도 시험결과 표 5에 제시한 것과 같이 시작품이 샘플보다 약 22.7 % ∼489 % 개선되었다.
- 개발된 원전용 솔레노이드 밸브 시작품에 대해 기기검증을 수행하였으며 해당 시험 중 성능시험 결과를 표 9에 정리하였다. 일반환경 및 사고시험 전후 성능시험을 수행한 결과 모두 허용기준을 만족하는 것을 확인하였다.
- 기기검증 수행을 위하여 관련 규정을 분석하여 기기검증 절차와 방법을 구체적으로 제시하였다. 제작된 시편으로 기기검증을 수행한 결과 기기검증의 허용기준을 모두 만족하였다.
- 해석결과 두 모델의 온도분포는 그림 8과 같이 비슷한 경향을 보였으며, 하우징의 표면온도는 상대적으로 하우징 상부가 하부보다 더 낮았다. 하우징 하부의 온도가 높은 이유는 코일의 하부가 하우징 하부와 접촉되어 있어, 열이 전도를 통해 전달되므로 공기층을 통해 코일의 열이 전달되는 하우징 상부보다 높은 것으로 판단된다.
후속연구
- 개발된 최종모델을 원자력발전소에 적용하기 위해서는 원자력 규정 및 법규에 따라 원자력 발전소의 일반 및 사고환경조건에서도 솔레노이드 밸브가 주어진 안전 기능을 제대로 수행하는지를 확인하는 기기검증 시험을 수행해야 한다. 기기검증 시험은 크게 열, 방사선, 진동, 마모 등의 환경에서 제대로 작동하는지를 확인하는 일반환경시험과 사고환경시험으로 나뉜다[3].
- 원자력발전소에서 사용되는 솔레노이드 밸브는 배관계통의 유체흐름의 개폐나 유량을 자동 제어하는 안전 관련 기기(safe related equipment)이다. 따라서 본 기기는 원전의 일반환경인 방사선, 열, 진동뿐만 아니라 사고환경인 내진사고와 설계기준사고 등과 같은 특수 환경 조건에서 안전 기능을 수행할 수 있도록 제작하는 것이 필요하다. 그리고 제작된 기기가 원전의 설계조건에서 안전기능을 수행하는지를 확인하는 기기검증(Equipment Qualification, EQ) 과정을 거쳐야만 한다.
- 원전용 기기의 국산화 개발을 위해서는 설계, 제작, 검증, 시험설비 등의 기술이 뒷받침 되어한다. 본 해설에서 제시한 원전용 솔레노이드 밸브에 대한 국산화 개발 과정 및 관련 기술은 향후 원전용 솔레노이드 밸브 및 유사 밸브의 상용화 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대한다.
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