<기술논문> DOI:10.3795/KSME-B.2008.32.5.400
공기구동 밸브 성능평가 프로그램 개발
양 상 민†․박 종 근*
(2007년 11월 5일 접수, 2008년 2월 11일 심사완료)
Development of Performance Evaluation Program for Air-Operated Valve
Sang Min Yang and Jong Kun Park
Key Words: Air-operated Valve(공기구동 밸브), Performance Evaluation(성능평가), Diagnosis(진단)
Abstract
Air-operated valve is one of principal valves that are used to control fluid flow in nuclear power plants. It is necessary to evaluate periodically the performance of the AOV(Air-Operated Valve) which is used for controlling flow and pressure in nuclear power plants. In this study, we developed the integrated program HAES including hardware system to evaluate the performance of AOV.
HAES(HANVIT AOV Evaluation System) consists of many modules such as valve information, thrust and torque analysis, actuator analysis, weak analysis and margin analysis. We applied with the test valve and showed that results evaluated by HAES is similar to those offered in the plant.
† 책임저자, 회원, (주)한빛파워서비스 AOV팀 E-mail : [email protected]
TEL : (042)821-7625 FAX : (042)821-5670 * 비회원, (주)한빛파워서비스 AOV팀
1. 서 론
미국 등 원자력 선진국에서는 오래전부터 원자 력 시설의 안전운전을 위한 관리를 체계적으로 수행해 왔다. 국내에는 모터구동밸브의 설계기준 안전성 평가에 대한 규제 요건이 1997년 권고사 항으로 발행된 후 1999년부터 안전관련 모터구동 밸브의 설계기준 성능평가 수행되어 왔으며 공기 구동 밸브도 과기부고시 2004-14(안전관련 펌프 및 밸브의 가동 중 시험에 대한 규정)에 따라 사 업자가 2007년부터 안전성 평가를 수행하고 있 다.(1,2)
한 성능평가 프로그램으로 Kalsi Engineering사 에서 개발한 KVAP과 Duke Engineering & Service 사가 개발한 ACE 외에 EPRI의 PPM 등이 있
다.(3,4) 외국에서 개발된 성능평가 프로그램은 개
발된 나라의 평가방법 및 절차에 따라 개발되어 국내 원자력 발전소의 운전환경을 충분히 고려하 지 못하는 경우가 많고 밸브 성능평가를 위해 필 요한 절차들이 다수의 응용프로그램에 의해 독립 적으로 수행됨으로써 최종 결과인 밸브의 운전여 유도를 도출하는데 많은 어려움이 있다. 이러한 복잡한 절차는 밸브 성능평가에 참여하는 인력들 이 각 업무에 따른 프로그램 기능을 익히고 주어 진 절차에 따라 수행된 결과를 통합하여 계산함 으로써 많은 시간과 절차가 필요하였다.
본 연구에서 개발한 HAES( HANVIT AOV Evaluation System)는 공기구동 밸브의 성능평가를 수행하는데 필요한 각 절차를 하나의 프로그램으 로 통합함으로써 단일 프로그램에서 각 절차의 수행결과를 확인하고 단계별로 그 결과의 타당성 을 검토할 수 있는 장점이 있다.
2. HAES의 운영체제 및 방법
HAES는 원자력발전소의 안전에 중요한 기기인
AOV 성능 평가 결과 제공 HTML, Chart FX
Fig. 1 The Schematic of HAES operating system
공기구동 밸브의 성능평가를 수행할 수 있는 프 로그램이다. 전체 시스템은 데이터베이스 서버와 서버 운용 클라이언트 프로그램으로 구성되어 있 으며 데이터베이스 서버는 공기구동 밸브의 성능 평가에 관련된 밸브 설계 데이터와 해석 데이터 등 밸브에 대한 전반적인 데이터가 저장되며 시 스템 운영에 필요한 운영 데이터 및 사용자 데이 터도 포함하고 있다. 클라이언트 프로그램은 데 이터베이스 서버에 접속하여 공기구동 밸브의 성 능평가와 관련된 자료를 검색 조건에 따라 프로 그램 내부로 가져오거나 새로운 자료를 데이터베 이스에 저장하는 역할을 한다. 또한 단일 데이터 베이스 서버에 여러 개의 클라이언트 프로그램이 접속하여 밸브의 평가 데이터를 가져오고 새로운 밸브 데이터의 입력 및 수행된 결과를 저장하는 밸브 정보 관리 기능도 수행한다. Fig. 1은 공기 구동 밸브의 성능평가 프로그램인 HAES의 운영 체계를 보여 주고 있다.
Fig. 2는 HAES의 소프트웨어 인터페이스의 구 성도로 Windows 운영체제 기반의 MS-SQL 데이 터베이스 서버와 .net Framework 기반의 C#프로 그래밍 기법을 적용한 웹 환경의 인터페이스를 구축하였다. 데이터베이스 서버는 사용자 정보, 밸브 기초 설계 자료, 밸브정보, 진단시험 정보 그리고 과거 평가자료를 관리하는 부분으로 이루 어져 있다. 이러한 데이터는 클라이언트 프로그 램이 요구하는 조건에 따라 관리되고 새로운 내 용의 추가 및 수정 사항이 있을 경우 웹을 이용 하여 실시간으로 업데이트가 가능하다. 따라서 본 시스템을 활용하면 공기구동 밸브의 성능 평 가뿐만 아니라 국내 전 원전에 운영 중인 밸브의
Fig. 2 Software interface diagram of HAES
각종 정보와 성능평가 결과의 효율적인 관리가 가능해 진다.
3. HAES의 구성 모듈
3.1 데이터베이스 관리 모듈
데이터베이스 관리 모듈은 네트워크를 이용하 여 데이터베이스 서버와의 통신을 담당하는 모듈 이다. 데이터베이스 서버는 네트워크상에 독립적 으로 존재하며 HAES의 클라이언트 소프트웨어는 데이터베이스 관리 모듈을 이용하여 사용자 인증 및 밸브 성능평가를 위한 설계자료, 시험자료, 분 석 보고서 자료 등의 검색, 입력, 수정, 삭제 등 이 가능하다. 네트워크에 연결된 클라이언트 환 경에서 프로그램을 실행하면 HAES는 자동적으로 데이터베이스 서버에 접속하여 사용자 인증 과정 을 수행한다.
로그인 과정이 완료된 후 사용자는 성능 평가 를 수행하고자 하는 밸브를 데이터베이스 서버로 부터 검색 하여 평가 대상밸브로 지정하는 과정 이 요구된다. 밸브 정보와 관련된 모든 업무는 HAES의 밸브 관리 메뉴에서 수행되어 진다. 밸 브 검색메뉴에서는 밸브의 검색, 관리 밸브 등록, 밸브정보 수정 이력, 평가 대상밸브 지정 등의 기능을 수행한다. 신규밸브 등록메뉴에서는 공기 구동 밸브를 구동기와 밸브로 구분하여 각 설계 자료를 데이터베이스 서버에 저장하는 기능을 수 행한다. Fig. 3은 밸브 관리 메뉴에서 밸브 검색 을 수행하는 화면이다.
Fig. 3 Valve search frame of HAES
3.2 유동부 분석 모듈
유동부 분석 모듈은 다른 모듈과 달리 독립적 으로도 실행 가능한 ISFM(Interface Signal Flow Method) 프로그램을 포함하고 있다. ISFM은 GUI 환경으로 구성된 프로그램 모듈로 원전 계통을 반영하여 밸브 전후단의 차압을 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램이다. ISFM은 GUI 프로그래 밍 및 그래픽 라이브러리를 사용하여 사용자의 시각적 정보 입수 능력을 최대한 활용할 수 있는 대화형 차압계산 소프트웨어를 추구하였다.
Fig. 4는 ISFM을 실행한 화면을 보여 주고 있 다. 사용자가 모델 선택 후 공급원의 초기압력, 방출원의 압력, 대상 밸브의 종류 및 치수, 파이 프의 재질 및 치수, 배관의 구성요소 등을 입력 한 후 데이터베이스에 저장된 파이프의 거칠기, 손실계수 등과 같은 배관정보를 이용하여 밸브의 차압과 유량을 계산할 수 있다. ISFM에서 분석된 밸브의 차압결과는 쓰러스트/토크 분석을 위한 밸브정보로 이용된다. Fig. 5는 유동부 분석을 수 행한 후 출력되는 개도별 전, 후단 차압 및 유량 분석결과를 보여주는 HAES의 화면이다.
3.3 쓰러스트/토크 분석 모듈
쓰러스트/토크 분석은 밸브의 요구쓰러스트/토 크 평가를 수행하는 밸브 분석과 구동기의 출력 성능을 평가하는 구동기 분석의 하위 메뉴로 구 성되어 있다. 쓰러스트/토크 분석 모듈은 공기구 동 밸브의 설계정보 및 유동부 분석에서 계산한 밸브의 차압 데이터를 입력 받아 밸브의 요구 쓰 러스트/토크와 구동기의 최대 및 최소 출력성능 을 분석하는 모듈이다. 밸브의 요구 쓰러스트/토 크 평가는 총 7가지(글로브 5종, 게이트 1종, 버
Fig. 4 ISFM execution frame of HAES
Fig. 5 ISFM analysis frame of HAES
터플라이 1종)로 구분한 해석 코드에 의하여 각 유형에 대한 쓰러스트/토크를 평가한다. Fig. 6과 Fig. 7은 쓰러스트/토크 분석에서 밸브 분석을 수 행하는 밸브의 설계정보와 분석결과를 보여 주고 있다. 구동기의 출력 성능 평가는 총 16가지의 구동기 모델(선형밸브 10종, 회전형밸브 6종)로 나누어진 해석 코드를 이용하여 계산을 수행한 다. Fig. 8은 구동기 분석을 수행하는 화면이고 Fig. 9는 구동기 분석을 수행 후 분석결과를 출력 한 화면이다.
구조부 분석은 공기구동 밸브를 구동기(다이어 프램, 실린더, 스카치 요크, 로터리, 랙&피니언)와 밸브(글로브, 게이트, 버터플라이)로 구분하여 각 취약부 요소에 대한 구조해석을 수행하는 모듈이 다. 구조부 분석 모듈은 각 요소의 최대응력을 계산하고 재료의 항복강도와 비교하여 최대 허용 쓰러스트를 계산하는 기능을 수행한다. Fig. 10은 구조부 분석을 수행한 결과를 보여 주고 있다.
Fig. 6 Valve design information frame of HAES
Fig. 7 Valve analysis frame of HAES
Fig. 8 Actuator design information frame of HAES
3.4 운전여유도 분석 모듈
운전여유도 분석 모듈에서는 상위 모듈에서 수 행한 계산 결과를 취합하고 대상 밸브에서 고려 해야할 불확실도를 각 요소에 추가하여 밸브의 운전여유도를 계산하는 모듈이다. 밸브의 운전 여유도를 분석하기 위해서는 유동부 분석과 쓰러
Fig. 9 Actuator analysis frame of HAES
Fig. 10 Structure analysis frame of HAES
Fig. 11 Margin analysis frame of HAES
스트/토크분석의 절차를 수행하거나 이전에 수행 된 데이터를 요구한다.
Fig. 11은 운전여유도 분석 메뉴로 전 단계에서 수행한 밸브 분석 결과를 사용자에게 보여주고 불확실도를 입력하는 화면이다.
Fig. 12는 운전여유도 분석 결과를 보고서 형태 로 출력하는 화면이고 Fig. 13은 운전여유도 분석
Fig. 12 Result report frame of HAES
Fig. 13 Analysis chart frame of HAES
결과를 그래프로 출력한 화면이다. 운전여유도 의 분석결과는 데이터베이스 서버에 저장되며 도표와 차트를 이용하여 운전여유도 분석 보고 서를 출력한다. 운전여유도 분석 보고서는 HAES 의 최종 출력 결과물로 사용자의 요구에 따라 데이터베이스 서버의 개인 보관함에 저장할 수 있으며 인쇄명령을 사용하여 외부 매체로 출력 할 수 있다.
4. 원전밸브를 적용한 유효성 검증
본 연구에서 개발한 HAES를 발전소에 설치된 공기구동 밸브에 적용하여 그 결과를 플랜트에서 제공한 결과와 비교함으로써 개발된 프로그램의 유효성을 검증하였다. 대상 밸브는 크기가 25 ㎜ 인 다이어프램 구동형 글로브 밸브로 설계정보는 Table 1과 같다.
밸브의 성능평가는 불확실도를 고려하여 밸브
Table 1 Specifications of test valve and actuator
Valve
type size stem dia.
packing friction
: Globe : 25 ㎜ : 12.7 ㎜ : 2224 N
Actuator type
effective area acting type air pressure travel spring rate spring preload
: diaphragm : 677 ㎝2 : reverse : 2.11
: 19.05 ㎜ : 183.8 N/㎜
: 7660 N
uncertainty
air pressure spring preload spring rate actuator area
: 5 % : 10 % : 10 % : 5 %
의 열림과 닫힘 행정에 대한 운전여유도를 계산 하였다. 플랜트에서 제공한 밸브의 운전여유도 와 본 연구에서 개발한 HAES를 적용하여 수행 한 결과에서 밸브의 열림시에 밸브의 요구힘과 구동기의 출력힘이 동일한 결과를 보여 주고 있 다. 이것은 밸브의 열림시 밸브의 전단과 후단 의 차압으로 인해 자동작용(self-action)이 발생하 므로 플랜트에서는 열림시 요구힘을 패킹마찰력 으로 대체함으로써 가장 보수적인 설계값을 적 용하였고 HAES에서도 동일절차를 적용하였기 때문이다. 또한 구동기의 출력힘에 대해 플랜트 와 HAES이 결과가 동일한 것은 구동기의 유효 면적, 스프링계수 및 프리로드 그리고 구동기의 공기압력에 대해 동일한 설계값을 적용했기 때 문이다. 또한 열림시 100%의 밸브의 운전여유도 결과에서 두 결과가 모두 음의 값으로 표현되는 것은 패킹마찰력이 매우 보수적으로 적용됨으로 써 역여유도가 발생한 것이다. 따라서 이러한 경우 밸브의 진단시험을 통해 얻은 실제 패킹마 찰력을 적용하여 다시 운전여유도를 계산한다.
닫힘시의 100%의 운전여유도 결과는 플랜트에 서 제공값이 34.5 %이고 HAES의 해석결과는 38.2 %로 미소한 범위내에서 차이가 발생하였다.
이것은 밸브의 전단과 후단의 유체압력에 의한 힘을 계산하는 과정에서 발생한 것으로 전체 요 구힘의 0.8% 오차이다. 따라서 밸브의 성능평가 를 계산할 때 고려하는 불확실성에 비해 매우 작은 영향으로 판단된다.
force(N) close 0 1241 0 1218 required
force(N)
open 2224 2224 2224 2224 close 3967 4408 3442 4369 actuator
force(N)
open 6352 2846 6352 2846 close 11160 7659 11160 7659 margin(%) open 129 -30.3 129 -30.3 close - 34.5 179 38.2
5. 결 론
본 연구에서는 공기구동 밸브의 성능평가를 위 한 프로그램을 개발하였다. 개발된 공기구동 밸브 성능평가 프로그램(HAES)을 적용하여 플랜트에 설치되어 있는 공기구동 밸브를 대상으로 현장 적용성 시험을 수행하였으며 플랜트에서 제공한 결과와 비교함으로써 그 유효성을 검증하고 있다.
S. K., 2001, "A Safety Evaluation of Motor -Operated Valves of Nuclear Power Plants by Using PPM," Proceedings of KSME, pp. 718~723.
(2) Cho, T. D., Yang, S. M., Lee, H. Y. and Ko, S.
H., 2007, "A Study on the Force Balance of an Unbalanced Globe Valve," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 21, No. 5, pp.
814~820.
(3) Kim, D. W. and Yoo, S. Y., 2007, "Effects of Differential Pressure on the Performance of Motor Operated Flexible Wedge Gate Valve," Trans. of the KSME(B), Vol. 31, No. 2, pp. 151~158.
(4) Yang, S. M. and Shin, S. K., 2007, "Develop ment of Diagnosis System for Diaphragm Operated Globe Valve," Trans. of the KSME(A), Vol. 31, No.
9, pp. 975~980.
