일반기술

금속파편 충격신호를 감지하기 위한 금속파편 감시장치 및 그 감시방법

원자력발전소 1차계통(원자로냉각계통)은 고압구조물의 폐회로 형식으로 되어 있다. 고압구조물내에서 금속파편(금속성 이물질)이 존재하는 경우 구조물과 충돌하여 심한 손상을 입힐 수 있기 때문에 금속파편의 충돌신호를 고압구조물 외부에 부착된 가속도 센서를 이용하여 취득하여 금속파편의 존재 유무 및 특성을 파악하기 위하여 원자력발전소에는 LPMS(Loose Part Monitering System)시스템이 설치되어 있다. 금속파편의 발생 시에 충격 가속도신호를 연속적으로 탐지, 저장하여 모든 채널에 대하여 동시에 신호 분석을 수행한다면, 금속파편의 존재유무를 신속하고 신뢰성 있게 파악할 수 있다. 본 간이용 LPMS Data Logger는 기존의 발전소 LPMS장비에 영향을 주지 않도록 절연증폭기를 사용하여 병렬로 연결하며, 충격신호를 실시간으로 탐지하여 80 msec 구간으로 연속적으로 저장할 수 있다. 특히 기존 장비보다 2배의 빠른 속도(200 kHz)로 신호 샘플링을 취득하며, 24채널을 구비하여 추기로 센서를 설치할 경우에 채널 확장을 쉽게 구현할 수 있도록 하였다. 또한 모든 채널의 신호를 동시에 표시 및 분석할 수 있도록 하였으며, 충격신호의 판별알고리즘을 탑재하고, 다른 정밀 신호분석 장비에도 쉽게 적용할 수 있도록 호환 가능한 형태로 신호 데이터를 출력할 수 있는 기능을 구비하였다. 해당 기술은 원자력 발전소의 1차 계통인 원자로 냉각 계통 내부의 금속 파편 충격 신호를 감지하는 금속 파편 감시 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자력 발전소 1차 계통 외부에 설치한 센서로부터 파편 충격 신호의 트리거링(triggering)을 감지하여 금속 파편 충격 이벤트 발생을 저장하고 분석하는 금속 파편 감시 장치 및 금속 파편 충격 이벤트 감시 방법에 관한 것이다. 원자력발전소는 보통 100개 이상의 개별적 기능을 가진 계통으로 구성된다. 이들은 크게 원자로를 중심으로 한 핵 증기 공급계(NSSS:Nuclear Steam Supply System)와 증기를 공급 받아 발전기를 돌리는 터빈·발전기계통 그리고 기타 부수설비로 구분된다. 현재 한국 원자력발전소의 주종을 이루고 있는 가압 경수로형 발전소를 살펴보면 원자로를 중심으로 한 1차 계통, 증기발생기, 터빈, 발전기 및 복수기를 포함한 2차 계통, 사고에 대비한 공학적 안전설비계통, 송배전계통, 계측제어계통, 기타 보조계통들로 구성되어 있다. 도 1은 원자력 발전소의 1차 계통 및 2차 계통의 주요 기기의 구성을 도시한 도면이다. 원자력 발전소의 1차 계통은 크게 원자로(130), 가압기(140), 냉각재 펌프(150), 증기 발생기(160)를 포함하여 구성될 수있다. 그 동작을 간단히 살펴보면, 원자로(130)는 핵연료(120)가 핵 분열함으로써 약 섭씨 1000도의 열을 발생하며 냉각재의 온도를 약 300℃로 높여 주는 역할을 하고, 가압기(140)에서는 냉각재인 물이 100℃ 이상에서도 끓지 않도록 냉각재를 160kg/cm2(경수로) 또는 110kg/cm2(중수로)로 압력을 가해 준다. 증기 발생기(160)는 화력 발전소의 보일러 기능을 수행하는 것으로, 뜨거워진 1차 계통의 냉각재로부터 2차 계통의 급수에 열을 전달시켜 급수를 증기로 변환시켜 준다. 냉각재 펌프(150)는 원자로(130)로부터 증기 발생기(160)를 거쳐 나온 1차 계통의 냉각재를 원자로(130)속으로 다시 순환 시키는 기능을 수행한다. 또한, 원자력 발전소의 2차 계통은 크게 터빈(170), 발전기(180), 복수기(190), 급수 펌프(191)을 포함하여 구성된다. 상기와 같은 원자력발전소 1차 계통(원자로 냉각 계통)은 고압 구조물의 폐회로 형식으로 되어 있다. 고압 구조물 내에서 금속성 이물질인 금속파편이 존재하는 경우 구조물과 충돌하여 심한 손상을 입힐 수 있기 때문에 금속파편의 충격신호를 고압 구조물 외부에 부착된 가속도 센서를 이용하여 취득하여 금속파편의 존재 유무 및 특성을 파악하기 위하여 원자력발전소에는 금속 파편 감시 장치인 LPMS(Loose Part Monitoring System) 시스템이 설치되어 있다. 등록특허 10-0662083 기존 기술에 원자력 발전소에는 NIMS(NSSS Integrated Monitoring System)의 일부로 LPMS시스템이 설치되어 운영되고 있으며, 100 KHz로 샘플링 한 신호를 대역통과필터를 이용하여 필터링한 후 충격 이벤트의 판별을 수행하고, 이벤트가 발생하면 필터링된 신호를 저장한다. 그런데, 상기와 같은 기존 기술에 LPMS시스템은 필터링된 신호만을 저장하여 상기 필터링된 신호를 통해 금속 파편 충격 이벤트를 감지하고 분석함으로써, 거짓 충격신호의 존재유무를 판별하는 기능이 취약하다는 단점이 있다. 또한, 기존의 LPMS 시스템은 100KHz의 협소한 주파수 대역으로 파편 충격 신호를 샘플링함으로써 충격 이벤트를 감지하는데 따른 비효율성이 제기되고 있다. 또한, 현재 원자력 발전소에 설치되어 있는 LPMS시스템은 대부분 80년대 이전에 설치된 것으로서, 시스템의 운영기반이 386 컴퓨터에 의존함으로써 데이터 처리 능력 수준이 상당히 떨어지는 것으로 보고되고 있다. 예를 들어, 금속 파편 충격 신호는 상당히 짧은 시간마다 많은 데이터를 발생시키는데, 금속 파편 충격 이벤트가 발생하여 경고 신호가 발생하더라도,시스템 운영체제의 데이터 처리능력이 떨어져서 경고 신호에 대응하는 금속 파편 충격 신호를 저장하지 못하여 신호 데이터를 제대로 분석할 수 없는 문제가 발생하기도 한다. 상기와 같은 이유로, 보다 효율적으로 빠른 시간 내에 많은 금속 파편 충격 이벤트를 감지하고 동시에 저장할 수 있는 LPMS 시스템에 대한 개발이 국가의 제1 에너지원인 원자력 발전소 계통에서 절실히 요구되고 있는 실정이다.