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02
'15
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IMI
안전하게 원자력 설비 제어 가능
임계 플로우(Critical Flow) 제어 솔루션 분야의 세계적인 공급업체인 IMI 크리티컬 엔지니어링(IMI Critical Engineering)의 조쉬 루엔버거(Josh Leuenberger)는 원자력 분야에서 특히 안전에 민감한 밸브에 대해 그 어느 때보다 엄격해지고 있는 요건과 어떻게 이 분야의 선도적인 기업들이 새로운 솔루션과 기술로 이에 대응해 나가고 있는지를 살펴보았다.
밸브 타입과 상관없이 특정 밸브 설계 및 소재 선택은 안전 관련 작업이든 아니든 상당한 영향을 미치게 된다. 만약 그렇다면, 이 밸브는 전세계적으로 집행되고 있는 미국 NRC(US Nuclear Regulatory Commission) 10CFR Part 50 Appendix B 요건을 준수해야만 한다. Appendix B는 모든 핵심 설계 및 엔지니어링, 생산공정이 안전과 관련된 장비들의 성능을 보장하도록 충분히 제어될 수 있도록 방대한 품질 확인 요건을 명기하고 있다. 하지만 이를 넘어서 시스템 설계자는 밸브가 어떻게, 그리고 어떠한 상황 하에서 안전 기능을 수행하는지를 비롯해 애플리케이션에 대한 매우 구체적인 사항들을 밸브 공급업체에게 제공해야만 하며, 공급업체는 이에 맞게 밸브를 설계할 수 있다.
원자로 설계의 특별한 경향은 웨스팅하우스(Westinghouse)사의 AP1000과 같은 시스템으로 대별되는데, 이는 펌프보다는 중력을 통해 물을 이동시키는 것과 같은 수동 안전 시스템 사용을 훨씬 더 강조하고 있으며, 이러한 시스템과 함께 동작하도록 적용되는 밸브 설계에 있어 AC 전력 사용이나 필요한 작업자의 개입을 최소화 해준다. 또한 제어 룸에서 실시간 설비 정보에 대한 요구가 증가하면서 디지털 밸브 포지셔너의 개발도 가속화되고 있다. 이러한 스마트 제어 시스템은 신호를 해석하는 것은 물론, 필요에 따라 밸브를 활성화하고, 밸브의 움직임을 기록하고, 유지관리 진단을 수행하기도 한다.
원자력 설비의 설계 및 동작 요건은 매우 다양하기 때문에 공급업체 카탈로그에서 표준 밸브 제품을 선택하는 것은 일반적으로 안전관련 애플리케이션의 개별화된 특정 사양을 만족시키기에 적절하지 않으며, 맞춤식 밸브 설계가 이 분야에서는 갈수록 일반화되고 있다.
잘 맞지 않거나 잘못 지정된 밸브는 다른 시스템 컴포넌트와의 효율성 및 서비스 수명에 영향을 미치고, 상당한 수준의 노이즈 및 진동이 유발될 수 있으며, 고장으로 인한 비극적인 결과는 그 누구도 용납하지 않을 것이다.
이것이 의미하는 것은, 새로운 혹은 기존의 시스템 애플리케이션 모두, 시작 단계에서 해당 공급업체들을 참여시켜 밸브 사양을 작성하고 이에 대한 개별적인 책임을 지도록 하는 것이 필요하다는 것이다. 유연성이 없는 사양은 과도하게 복잡한 컴포넌트 및 불필요한 비용을 수반시키거나 또는 핵심 기능 누락을 비롯해 진행 중에 보다 심각한 문제 등의 결과를 초래할 수 있다. 전문 밸브 공급업체는 애플리케이션을 완벽하게 파악하고, 고객이 어떠한 작업에 밸브를 필요로 하는지를 검토한 다음, 이에 따라 설계를 하고, 밸브를 실제 동작 환경에서도 구동 가능한지 확인하기 위해 방대한 테스트를 수행한다.
이는 각각 원자로 당 1GW 이상의 용량의 가진 2개의 BWR(Boiling Water Reactor)이 있는 미국 원자력 발전소와 관련된 최근 애플리케이션을 통해 알 수 있다. 이 발전소는 출력이 12% 증가된 것으로 추산되는 늘어난 출력으로 가동이 진행되었으며, 시스템 온도도 이에 상응하여 높아졌기 때문에 훨씬 뛰어난 냉각 성능도 필요했다.
특히, 이 발전소는 이론적인 사고 시나리오에 따라 부가적인 열 추출을 제공할 수 있어야 하며, 이는 출력 증가를 위해 중요한 문제인 전기부하를 줄여서 냉각 펌프 이용을 더 적게 만들어주는 것도 해당한다. 하나의 펌프가 이용할 수 없게 된다면, 새로운 파이프 및 제어 밸브가 루프를 교차 접속할 수 있도록 함으로써 상호연결을 추가하여 해결이 가능하며, 2개의 열 교환기는 하나의 펌프로 구동이 가능해 냉각 성능을 증대시킨다. 하지만 이러한 새로운 동작 모드에서 플로우의 균형을 신중하게 유지하기 위해 필요한 제어 밸브는 중요한 도전과제들이 수반된다.
먼저, 이 밸브는 공동성 플로우(Cavitating Flow) 영역에서 동작되기 때문에 캐비테이션 보호를 위해 다층(multi-stage) 트림이 필요하다. 또한 원자로를 모니터링하기 위해 배치된 수중 원격 검사 카메라의 이미지는 빠른 유체속도로 인해 영향을 받을 수 있기 때문에 유출 속도를 최소화하기 위해 더 많은 트림 스테이지가 필요하다.
가장 까다로운 문제는 특유의 매우 정밀한 유량계수에 대한 요건이다. 완전 폐쇄된 위치에서 밸브는 펌프를 보호하고, 4,000gpm 미만에서 발생하는 진동을 방지하기 위해 4,000gpm에서 4,100gpm 사이로 통과되어야 한다. 밸브는 시트에서 벗어날 수 있기 때문에 특정 Cv v. 스트로크 프로파일이 필요하다. 밸브는 제어룸의 작업자가 플로우 밸런스를 위해 밸브를 열고 닫기 위해 조그(jog) 제어로 원격으로 제어된다. 두 개의 특정 플로우 영역에서 유동률을 초당 100gpm의 모터 구동으로 변경할 필요가 있다. 또한 포팅된 케이즈의 대형 윈도우는 최악의 비상사태에 맞는 냉각 용량을 위해 100% 리던던트 싱글-스테이즈 플로우를 제공하기 위해 상단에 배치되었다.
이 밸브는 지진 사고 이전, 이후 또는 과정 중에 동작할 수 있도록 매우 견고하게 설계되었다. 밸브 트림은 고유의 플로우 프로파일을 제공하기 위해 6개로 구별된 플로우 제어 영역을 갖추었으며, 폐쇄 상태에서 정밀한 4,000gpm 유동율을 보장하기 위해 플로우 요소를 최소화했다. 디스크 스택이라 불리는 특성화된 트림은 각각 여러 길고 복잡한 경로가 새겨져 만들진 개별 금속성 디스크들을 쌓아 올려 다중-경로, 다중-스테이지 설계를 처리한 다음, 견고한 제어 요소를 형성하기 위해 함께 열접합을 했다. 각 디스크는 각기 다른 스테이지로 설계가 가능하기 때문에 Cv 커브 상의 슬로프는 개별 애플리케이션 요건에 맞게 특성화가 가능하며, 밸브 스트로크 전반에 걸쳐 가변적인 유동 저항을 제공할 수 있다.
정확한 플로우 제어는 이 애플리케이션에서 매우 중요하기 때문에, IMI 크리티컬 엔지니어링은 실제 하드웨어 플로우 성능을 검증하기 위해 전반적인 테스트 프로그램을 개발했다. 테스트는 초기 Cv 테스트 데이터를 기반으로 디스크 스택을 미세 조정하기 위한 제조 공정에서의 추가 단계에서 정확한 실제 Cv를 측정한 다음, 설치하기 전에 밸브를 검증하기 위한 최종 확인 테스트가 진행된다. 이 프로젝트의 초기부터 공급업체가 개입함으로써 특정 애플리케이션 요건을 해결하고, 용도에 적합한 맞춤형 솔루션을 달성할 수 있었다.
보다 자세한 정보는 웹사이트 www.imi-critical.com에서 확인할 수 있다.
