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문제 정의
- 이에 따라 국내 모든 발전소에 공통적으로 적용이 가능한 감육배관 관리 표준기술체계 개발의 일환으로 '국내 원전 2차계통 배관 데이터베이스 구축 및 감육해석' 연구를 수행하고 있다. 본 고는 상기 연구 수행 중 국내 두 가지 유형의 원전을 대상으로 데이터베이스를 구축하고 감육해석을 수행한 결과를 소개하는데 중점을 두었다. 감육해석은 현재 전세계적으로 가장 널리 활용되고 있으며, 신뢰성도 충분히 입증된 CHECWORKS 코드를 활용하였다.
- 본 고에서는 상기 코드를 이용하여 감육해석을 수행하는 방법과 국내에서 운전되고 있는 가압경수로형 원전 및 가압중수로형 원전을 대상으로 수행한 감육해석 수행사례 그리고 본 연구의 최종목표인 2차측 감육배관 관리 표준기술체계 확립에 반영할 수 있을 지의 여부를 검토한다.
- 이는 CHECWORKS 코드를 이용하여 배관감육 현상을 해석한 결과가 최종적으로는 현장의 감육배관 관리에 반영되기 때문에 본 결과를 이용하여 정립할 감육배관 관리체계가 적절한지의 여부를 확인해 보기 위함이었다. 그림에서 볼 수 있듯이 코드예측 결과는 몇 개 부위를 제외하고는 대부분 실측결과 보다 약간 보수적으로 계산되었으며, 배관라인 부위별 감육률도 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
제안 방법
- HBD는 해당 호기의 2차계통 주기기와 배관계통의 배열 상황을 보여 주는 것으로서 CHECWORKS 전산코드의 Heat Balance Editor 기능을 이용하여 모델링 하였다. HBD는 해석이 수행되는 배관을 가시적으로 나타내어 줌으로써 배관감육 해석 및 관리를 용이하게 할 수 있도록 도와준다.
- 배관의 기초정보가 CHECWORKS 전산코드에 DB로 구축되면 2차계통 주요 배관부위에서 취득된 수화학 데이터를 이용하여 개별 배관의 감육해석에 운전환경이 반영될 수 있도록 수화학 해석을 수행한다. 배관감육 현상에 영향을 미치는 수화학 변수는 pH, 용존산소농도 및 하이드라진(N2H4) 농도로서 2차계통에 주입되는 pH 조절용 아민(암모니아; NH3)과 하이드라진, 용존산소, 철 등의 상호 화학반응 메카니즘은 다음과 같다.
- 농도 등이다. 복수계통에서의 Cold pH와 증기발생기 입구에서의 용존산소농도를 입력하고 아민의 종류를 선택한 후 수화학 해석을 수행함으로써 2차계통 증기사이클 내 전체 배관에서의 수화학 조건이 결정되고 결과가 각 배관 컴포넌트의 감육해석에 반영된다. 본 고에서 대상으로 하는 가압경수로형 원전은 제17차 계획예방 정비 기간 이후 2차계통 수처리 방식을 기존의 암모니아 수처리에서 에탄올아민 수처리 방식으로 변경하였기 때문에 각각에 대한 수처리 데이터 평균값을 입력하였으며, 가압중수로형 원전은 암모니아와 몰포린의 복합 수처리방식을 적용하고 있기 때문에 각 주기에 대한 수처리 데이터의 평균값을 입력하였다.
- 본 고는 CHECWORKS 전산코드를 활용하여 국내 특정 가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전 2차측 주요 배관의 감육해석 수행 결과를 수록한 것으로서 감육해석 결과는 국내 원전 2차측 배관의 효율적인 관리방안 수립에 활용되기 때문에 결과의 유용성과 감육경향 분석에 중점을 두었다.
- 복수계통에서의 Cold pH와 증기발생기 입구에서의 용존산소농도를 입력하고 아민의 종류를 선택한 후 수화학 해석을 수행함으로써 2차계통 증기사이클 내 전체 배관에서의 수화학 조건이 결정되고 결과가 각 배관 컴포넌트의 감육해석에 반영된다. 본 고에서 대상으로 하는 가압경수로형 원전은 제17차 계획예방 정비 기간 이후 2차계통 수처리 방식을 기존의 암모니아 수처리에서 에탄올아민 수처리 방식으로 변경하였기 때문에 각각에 대한 수처리 데이터 평균값을 입력하였으며, 가압중수로형 원전은 암모니아와 몰포린의 복합 수처리방식을 적용하고 있기 때문에 각 주기에 대한 수처리 데이터의 평균값을 입력하였다.
- 에서 언급한 바와 같이 수화학 해석과 네트웍 해석이 선행되어야 한다. 본 고에서 대상으로 하는 가압경수로형 원전은 제17차 계획예방정비 이후 2차계통 수처리 방식을 기존의 암모니아 수처리에서 에탄올 아민 수처리 방식으로 변경하였기 때문에 2회에 걸쳐 수화학 해석을 수행하였으며, 가압중수로형 원전은 복합 수처리 방식에 대하여 1회에 걸쳐 수화학 해석을 수행하였다. 네트웍 해석은 추기라인, 습분분리 배수/배기 라인, 1, 2단 재열기 배수/배기 라인 등을 대상으로 수행하였다.
- 운전기간 입 력시에는 운전시작 및 종료시점과 실제 운전시간, 해당 운전주기에 대한 수처리 방식이 동시에 고려된다. 본 고에서 제시하고 있는 가압경수로형 원전은 19주기 그리고 가압중수로형 원전은 14주기에 대하여 운전주기별 수화학 환경, 출력준위 및 운전시간을 입력하였다. 여기서 각 주기에 대한 운전시간은 발전기계통병입 상태에서 정상적인 출력운전이 이루어진 시간을 합산하여 입력한 것이다.
- 수화학 해석이 완료되면 배관라인 입출구 사이에서 압력과 엔탈피의 변화가 크게 나타날 수 있고 2상(Two Phase) 유체가 흐를 가능성이 있는 추기계통 라인 및 습분분리기 배수/배기 라인과 1, 2단 재열기 배수/배기 라인 등에서 입구측과 출구측의 알고 있는 유량, 엔탈피, 압력 등을 이용하여 네트웍 해석(Network Flow Analysis)을 수행한다. 네트웍 해석을 수행하지 않더라도 CHECWORKS 전산코드에서는 수동으로 입력된 데이터를 이용하여 감육해석을 수행할 수도 있지만 이는 보다 정확한 해석결과를 얻기 위함이다.
- 네트웍 해석은 추기라인, 습분분리 배수/배기 라인, 1, 2단 재열기 배수/배기 라인 등을 대상으로 수행하였다. 최종적으로 배관 감육해석은 상기에서 수행한 수화학해석과 네트웍 해석을 기초로 하여 가압경수로형 원전은 8개계통 144개 라인 3,643개 컴포넌트에 대하여 수행하였으며, 가압중수로형 원전은 11개계통 296개 라인 4,497개 컴포넌트에 대하여 수행하였다. 여기서 해석대상 계통 및 부위에서 차이가 나는 이유는 노형과 발전소 용량이 다르기 때문이다.
대상 데이터
- 라인은 2차계통을 구성하고 있는 주기기 사이를 연결하는 배관을 의미하며, 코드에는 각 라인명, 계통, 상(Phase)의 형태, 라인그룹, 배관 클래스, 안전등급을 입력한다. 가압경수로형 원전의 라인 데이터베이스는 2차측 8개 계통 배관을 41개 라인그룹과 194개의 라인으로 구분하였다. 그리고 가압중수로형 원전의 라인 데이터베이스는 2차측 11개 계통 배관을 33개 라인그룹과 296개의 라인으로 구분하였다.
- 가압경수로형 원전의 라인 데이터베이스는 2차측 8개 계통 배관을 41개 라인그룹과 194개의 라인으로 구분하였다. 그리고 가압중수로형 원전의 라인 데이터베이스는 2차측 11개 계통 배관을 33개 라인그룹과 296개의 라인으로 구분하였다.
- 본 고에서 대상으로 하는 가압경수로형 원전은 제17차 계획예방정비 이후 2차계통 수처리 방식을 기존의 암모니아 수처리에서 에탄올 아민 수처리 방식으로 변경하였기 때문에 2회에 걸쳐 수화학 해석을 수행하였으며, 가압중수로형 원전은 복합 수처리 방식에 대하여 1회에 걸쳐 수화학 해석을 수행하였다. 네트웍 해석은 추기라인, 습분분리 배수/배기 라인, 1, 2단 재열기 배수/배기 라인 등을 대상으로 수행하였다. 최종적으로 배관 감육해석은 상기에서 수행한 수화학해석과 네트웍 해석을 기초로 하여 가압경수로형 원전은 8개계통 144개 라인 3,643개 컴포넌트에 대하여 수행하였으며, 가압중수로형 원전은 11개계통 296개 라인 4,497개 컴포넌트에 대하여 수행하였다.
이론/모형
- 본 고는 상기 연구 수행 중 국내 두 가지 유형의 원전을 대상으로 데이터베이스를 구축하고 감육해석을 수행한 결과를 소개하는데 중점을 두었다. 감육해석은 현재 전세계적으로 가장 널리 활용되고 있으며, 신뢰성도 충분히 입증된 CHECWORKS 코드를 활용하였다.
성능/효과
- 이는 노형에 따른 감육현상의 심화 정도와 감육현상이 심하게 발생되는 배관계통을 확인해 보기 위함이다. 감육률이 큰 순서대로 1번부터 100번까지를 정렬해 본 결과, 전반적으로 가압경수로형 원전 2차계통 배관의 감육률이 가압중수로형 보다 큰 것으로 확인되었다.
- 국내 두 가지 노형에 대하여 감육해석을 수행한 결과, 가압경수로형 원전에서는 주급수계통과 추기 증기계통이 그리고 가압중수로형 원전에서는 주급수계통과 복수계통에서 감육률이 상대적으로 크게 계산된 것을 확인할 수 있었다. 또한 가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전 2차계통 배관의 감육현상은 계통별로 정확히 일치하지는 않았지만 복수계통의 저압 가열기 3번 출구 배관라인과 주급수계통의 주급수펌프 출구에서 증기발생기까지의 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있다는 유사성을 확인할 수 있었다.
- 또한 가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전 2차계통 배관의 감육현상은 계통별로 정확히 일치하지는 않았지만 복수계통의 저압 가열기 3번 출구 배관라인과 주급수계통의 주급수펌프 출구에서 증기발생기까지의 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있다는 유사성을 확인할 수 있었다. 그리고 가압경수로형 원전을 대상으로 수행한 해석결과를 실측 데이터에 근거한 감육률과 비교한 결과 전반적으로 실측치 보다 30% 정도 보수적으로 예측하고 있는 것을 확인하였으며, 컴포넌트 부위별 감육경향도 유사한 분포를 보이고 있었다. 이러한 결과에 미루어 볼 때 본 연구의 최종 목표인 2차측 감육배관 관리 표준기술체계 확립을 위하여 CHECWORKS 코드의 결과를 충분히 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 상기 4개 계통 중 가압경수로형 원전은 주급수계통과 추기증기계통이 다른 계통보다 감육이 심하게 나타나는 것을 알 수 있었으며, 가압중수로형 원전은 주급수계통과 복수계통에서 감육률이 큰 것으로 확인되었다.
- 계산된 것을 확인할 수 있었다. 또한 가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전 2차계통 배관의 감육현상은 계통별로 정확히 일치하지는 않았지만 복수계통의 저압 가열기 3번 출구 배관라인과 주급수계통의 주급수펌프 출구에서 증기발생기까지의 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있다는 유사성을 확인할 수 있었다. 그리고 가압경수로형 원전을 대상으로 수행한 해석결과를 실측 데이터에 근거한 감육률과 비교한 결과 전반적으로 실측치 보다 30% 정도 보수적으로 예측하고 있는 것을 확인하였으며, 컴포넌트 부위별 감육경향도 유사한 분포를 보이고 있었다.
- 그림에서 +50% 선과 -50% 선은 EPRI에서 제시한 코드 해석결과의 유효범위를 제시한 것으로서 EPRI에서 많은 실험과 실제 데이터를 코드해석 결과와 비교해 본 결과 대부분 상기 ± 50% 범위 내에 포함된다는 것을 의미한다. 본 연구의 비교 결과는 코드 예측값이 약간 위쪽으로 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 CHECWORKS 코드가 상기 3개 계통에서는 약간 보수적으로 예측하고 있음을 의미한다.
- 상기에서 볼 수 있듯이 가압경수로형 원전과 가압중수로형 원전 2차계통 배관의 감육현상은 계통별로 정확히 일치하지는 않았지만 복수계통의 저압 가열기 3번 출구 배관라인과 주급수계통의 주급수펌프에서 증기발생기까지의 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있다는 유사성을 확인할 수 있었다. 한편, 주증기계통에서는 가압중수로형 원전의 Vender 도면 정보부족으로 정확한 비교는 할 수 없었지만 온도저하에 따라 습분함량이 증가하는 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있는 것도 확인할 수 있었다.
- 수 있었다. 한편, 주증기계통에서는 가압중수로형 원전의 Vender 도면 정보부족으로 정확한 비교는 할 수 없었지만 온도저하에 따라 습분함량이 증가하는 배관라인에서 감육률이 크게 계산되고 있는 것도 확인할 수 있었다. 반면 두 노형 모두 각 계통에서 컴포넌트 형상에 따른 감육률은 일정한 경향을 보이지 않고 있었다.
후속연구
- EPRI에서 개발한 CHECWORKS 전산코드는 원전 2차측 배관의 온도, 압력, 엔탈피, Steam Quality, pH, 유속, 배관형상 등의 운전 조건을 반영하여 검사대상 배관 우선순위 결정에 필요한 배관 컴포넌트별 감육률 예측, 배관 교체여부 판정, 검사주기 설정을 위한 잔여수명 예측 등에 이용될 수 있으며, 발전소 배관 데이터베이스의 기능과 배관설계 기술개선 등에도 활용할 수 있다. CHECWORKS 전산코드는 크게 해석 (Analysis) 기능과 지원(Support) 기능으로 구분할 수 있다.
- 여기서 예측치와 현저한 차이를 보이는 부위는 UT 측정에러, 제작공차, 다른 손상원인에 의한 두께감육 등으로 인한 오차인 것으로 추정된다. 상기 결과들로 미루어볼 때 본 연구의 최종 결과물인 코드해석 결과와 과거 실측이력을 적절하게 반영하여 실제 원전 2차측의 감육배관 관리체계 정립에 활용할 경우 기존의 비효율적인 배관관리 방식보다 많은 시간과 소요인력을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 가압경수로형 원전을 대상으로 수행한 해석결과를 실측 데이터에 근거한 감육률과 비교한 결과 전반적으로 실측치 보다 30% 정도 보수적으로 예측하고 있는 것을 확인하였으며, 컴포넌트 부위별 감육경향도 유사한 분포를 보이고 있었다. 이러한 결과에 미루어 볼 때 본 연구의 최종 목표인 2차측 감육배관 관리 표준기술체계 확립을 위하여 CHECWORKS 코드의 결과를 충분히 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
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