원전에서의 제어시스템 2010. 10. 1. 지능제어연구실 이창구

목 차 1. 원자력발전소 개요 및 구성 공정 제어 기술 원자력발전소 제어계통

1. 원자력발전소 개요 및 구성 가. 원자력발전 이란 ? 나. 원자력발전소 구조 다. 핵증기공급계통 라. 안전 기준 가. 원자력발전 이란 ? 나. 원자력발전소 구조 다. 핵증기공급계통 라. 안전 기준 마. 주요 설계 요건

1. 원자력발전소 개요 및 구성 가. 원자력발전 이란 ? 우라늄 핵분열 시 발생하는 열로 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 가. 원자력발전 이란 ? 우라늄 핵분열 시 발생하는 열로 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 구동하여 전기를 생산하는 것

1. 원자력발전소 개요 및 구성 국내 원자력발전 현황 [2005년말 기준] 설비 용량 : 17 백만 kW (전체의 28.5%) 발전 용량 : 3,646 억 kWh (전체의 40.3%)

1. 원자력발전소 개요 및 구성 나. 원자력발전소 구조 (가압경수로형)

1. 원자력발전소 개요 및 구성 나. 원자력발전소 구조 (가압경수로형) 일차측 순환 유로 원자로냉각재계통 냉각재(방사성 유체) 가 원자로용기 내 우라늄 연료의 핵분열로 생긴 열을 획득하여 증기발생기에서 열교환 함. (2차측에 증기를 발생시킴.) 2) 이차측 터빈-발전기 싸이클 비방사성 유체(방사능을 띠지 않은 순수)가 증기발생기의 관외측을 거치면서 일차측 냉각재와 튜브를 통한 열 교환에 의하여 비등이 발생하고 고에너지 증기가 터빈 발전기를 구동하여 전기를 생산함. (열 에너지 → 기계 에너지 → 전기 에너지)

1. 원자력발전소 개요 및 구성 나. 원자력발전소 구조 (가압경수로형) 2) 이차측 터빈-발전기 싸이클

1. 원자력발전소 개요 및 구성 다. 핵증기 공급계통 원자로 증기발생기 원자로냉각재 펌프 가압기 기타

1. 원자력발전소 개요 및 구성 다. 핵증기공급계통 (Nuclear Steam Supply System) 원자로 노심 유라늄 핵연료 집합체 노심 반응도(노심 발생 열의 양) 조절 기능 : 중성자 흡수 제어봉 원자로 냉각재의 붕산 농도 원자로 용기 핵분열이 발생하는 노심을 내장함.

1. 원자력발전소 개요 및 구성 다. 핵증기공급계통 (Nuclear Steam Supply System) 증기발생기 일차측과 이차측 유체 간 열교환 습분분리장치 : 이차측 발생 증기의 함유 습분량을 0.25 % 이하로 유지

1. 원자력발전소 개요 및 구성 다. 핵증기공급계통 (Nuclear Steam Supply System) 원자로 냉각재 펌프 고온, 고압의 원자로냉각재를 증기발생기에서 취수하여 원자로로 토출함. 수직형 밀봉 펌프 가압기 원자로냉각재의 완충 탱크(Surge Tank) 역할 원자로냉각재 유로 중 원자로 출구관 중 하나와 연결됨.

1. 원자력발전소 개요 및 구성 다. 핵증기공급계통 (Nuclear Steam Supply System) 원자로 보조계통 화학 및 체적 제어계통 : 원자로냉각재의 순도와 붕산농도를 조절하고, 원자로냉각재 양을 자동 조절함. 제어봉 구동장치 핵연료취급계통 원자로 공학적 안전 설비 주증기 계통 주급수 계통 기 타 계측제어계통

1. 원자력발전소 개요 및 구성 라. 안전 기준 원자력 안전 목표 : 방사선 위험에 대한 효율적인 방어 대책을 수립하고 유지함으로써 작업종사자와 주민 및 주변 환경을 보호 발전소 운전 중 작업종사자 및 주민의 방사선 피폭을 설정된 한계치 이하로 유지 사고 방지 설계 시 고려된 사고 관련 사태로 인한 방사선 영향이 작음을 보장 심층 방어(Defense-in-Depth) 품질 보증 및 관리 발전소 가동 중 기기 교정, 시험, 보수, 수리, 검사 및 감시 설비 보유

1. 원자력발전소 개요 및 구성 심층 방어 개념 – (가) 다단계 방호 단계 개 념 목 표 핵심 수단 1 정상 상태 유지 개 념 목 표 핵심 수단 1 정상 상태 유지 이상 작동 및 고장 예방 - 보수적 설계 - 고품질의 건설 및 운전 2 이상 상태 조기 대응 이상 운전상태 제어 및 고장 탐지 제어 및 보호계통 감시계통 3 사고 방지 사고를 설계기준 이내로 제어 공학적 안전설비 사고 관리 4 사고 완화 중대사고 제어 추가 안전설비 5 소외 대응 조치 방사성물질 대량 유출 및 방사화학적 영향 완화 - 소외 비상조치

1. 원자력발전소 개요 및 구성 심층 방어 개념 – (나) 다중 방벽 1. 핵연료 소결체 2. 핵연료 피복관 1. 핵연료 소결체 2. 핵연료 피복관 3. 원자로냉각재 압력경계 4. 격납 건물

1. 원자력발전소 개요 및 구성 마. 주요 설계 요건 [계통 및 기기 신뢰성 확보 관련] 다중성 (Redundancy) 안전 기능 수행에 필요한 최소 기기의 집합보다 많은 기기를 설계 한 집합의 기기가 고장 나거나 사용할 수 없을 때에도, 그 기능이 상실 되지 않음을 보장 단일 고장 기준 (Single Failure Criteria) 기기 조립체가 발생 가능한 단일 고장에도 불구하고 본래의 목적을 달성하도록 설계 기준 만족 여부 확인

1. 원자력발전소 개요 및 구성 마. 주요 설계 요건 [계통 및 기기 신뢰성 확보 관련] 다양성 (Diversity) 서로 다른 속성의 계통이나 기기를 적용하여 동일한 안전 기능을 수행하도록 설계 공통 원인 고장의 잠재성 배제 독립성 (Independence) 다중 계통/기기 간, 서로 다른 안전 등급의 계통/기기 간 기능적 분리 및 물리적 격리

1. 원자력발전소 개요 및 구성 마. 주요 설계 요건 [계통 및 기기 신뢰성 확보 관련] 고장 시 안전 설계 (Fail-Safe Design) 계통/기기 고장 시 추가 조치 없이 발전소가 안전한 상태로 이행하도록 설계 공통 원인 고장 (Common Cause Failure) 배제 하나의 특별한 사건 또는 원인으로 다수의 계통/기기의 고장이 초래되지 않도록 설계

1. 원자력발전소 개요 및 구성 마. 주요 설계 요건 [계통 및 기기 신뢰성 확보 관련] 설계 여유 (Design Margin) 공학적 안전설비 작동 없이 과도 상태 대처 설계 이상 상태 발생시 운전원 대처에 필요한 시간 여유 제공 단순화 (Simplification) 필요한 계통/기기(펌프, 밸브, 계기 등) 수량의 최소화 표준화 모듈화 입증 기술 (Proven Technology)

1. 원자력발전소 개요 및 구성 마. 주요 설계 요건 [최적의 운전원 조치 환경 확보 관련] 발전소 종사자의 작업 장소 및 환경을 인간공학적 원칙에 의거 설계 인간-기계 상호관계의 전체적, 체계적 고찰 제어실 운전원이 안전 기능의 동장 상태를 쉽게 확인할 수 있도록 필요한 계통/ 기기의 현재 상황 변수 인지가 가능해야 함. 정보의 표시 및 제어 기능 설계시 운전원 역할 고려 운전원이 이용 가능한 시간, 예상되는 물리적 환경 및 심리적 압박 등을 감안 하여 운전원 행위가 성공적이 되도록 설계

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 나. Feedback 제어 다. Feed-forward 제어 가. 공정 계통 나. Feedback 제어 다. Feed-forward 제어 라. Feed-forward & Feedback 제어 마. Lead-lag 보상 바. P-I-D 제어

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 First-order System 가. 공정 계통 First-order System General first-order transfer function K : Process gain τ : Time constant Step Response

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 First-order System Ramp Response

2. 공정 제어 기술 Phase lag 가. 공정 계통 / 1) First-order System Sinusoidal Response Phase lag

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 Second-order System 가. 공정 계통 Second-order System General second-order transfer function K : Process gain, τ, τ1, τ2 : Time constant, ζ : damping factor

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 / 2) Second-order System Step Response Steady-state sinusoidal Response

2. 공정 제어 기술 가. 공정 계통 Dead Time 배관을 통한 유체 이동 등으로 인하여 공정계통 응답의 지연 시간 가. 공정 계통 Dead Time 배관을 통한 유체 이동 등으로 인하여 공정계통 응답의 지연 시간 [시간 지연 없는 함수] [t0 시간 지연 함수]

2. 공정 제어 기술 나. Feedback 제어 시스템을 제어하기 위하여 시스템 변수의 실제 값과 요구되는 값을 비교하여 그 오차를 제어기 입력으로 함. 모델링 오차와 외란 등 시스템 불확실성에도 불구하고 우수한 시스템 제어 성능 발휘

2. 공정 제어 기술 다. Feed-forward 제어 [Feed-forward 제어 공정계통] 자동 제어에서, 외부 변화를 측정하여 그 변화의 영향으로 제어 결과가 목표치 에서 벗어날 것을 예측하고 미리 필요한 조작을 하는 제어 기능. [Feed-forward 제어 공정계통]

2. 공정 제어 기술 라. Feed-forward & Feedback 제어

2. 공정 제어 기술 라. Feed-forward & Feedback 제어 Feed-forward 제어 특성 계통의 실제 상태가 아닌 외란 상태를 기준으로 제어 - 신속한 제어 조치 가능 완벽한 외란 배제 제어기 설계 어려움 - 완벽한 제어모델 구성 및 정확한 외란 측정 곤란 - 측정 불가능 외란은 대응 불가 Feed-forward 및 Feedback 제어 특징 Feed-forward 제어 특성 활용 Feedback 제어의 제한점 (외란으로 인한 계통 불안 유발) 극복 Feedback 제어의 장점(Correction for system upsets) 활용 계통의 제어 성능 향상

2. 공정 제어 기술 라. Feed-forward & Feedback 제어 Closed-Loop Transfer Function for Load Change ----- (2-라-1) 이상적인 Feed-forward 제어 C(s) = 0 : 외란 영향의 완벽한 배제 → ----- (2-라-2)

2. 공정 제어 기술 라. Feed-forward & Feedback 제어 FF & FB block-diagram과 식 (2-나-1), (2-나-2)에서 , , Gt(s) = Gν(s) = 1 라고 가정하면 ------ (2-라-3) → Lead-lag 보상기

2. 공정 제어 기술 마. Lead-lag 보상 Lead-lag 보상 제어 전달 함수 ------ (2-라-4) Tlead / Tlag > 1 이면, Lead 보상기 Tlead / Tlag < 1 이면, Lag 보상기 Lead-lag 보상기 : 단, α, β > 1

2. 공정 제어 기술 마. Lead-lag 보상 Lead-lag 보상기의 단위 스텝 입력( u(t) = 1 for t ≥ 0)에 대한 응답, y(t) ------ (2-나-5)

2. 공정 제어 기술 마. Lead-lag 보상 Lead 보상 특성 Step Response의 Rise time과 Damping 개선 계통의 Bandwidth 확대 Lag 보상 특성 Step Response의 Overshoot 감소 Step Response의 Rise time 증가 Closed-loop 계통의 Bandwidth 축소 Lead-lag 보상 특성 Lead 보상과 Lag 보상의 장점 활용 가능

Block diagram of a simple PID feedback loop 2. 공정 제어 기술 바. P-I-D 제어 r n Block diagram of a simple PID feedback loop P-I-D Process l u e - x y ∑ + K : P-term (Proportional gain) Ti : I-term (Reset time) Td : D-term (Rate time)

2. 공정 제어 기술 바. P-I-D 제어 Proportional, Integral and Derivative feedback is based on the Past error (I-term), Present error (P-term), and Future error (D-term). P-term (Proportional part) 출력 y가 설정값 r에 빨리 추종하게 하려면 크게 하여야 함. K가 너무 크면 Load disturbance에 민감하게 되어 계통이 불안정 하게 됨. I-term (Reset part) 정상상태의 오차를 0으로 하는 역할 D-term (Rate, pre-act or anticipatory part) 폐루우프의 안정도를 개선하는 역할 예측된 출력에 비례한 제어신호 발생

2. 공정 제어 기술 나. 제어 계통 / 4) P-I-D 제어 Reset windup P-I 또는 P-I-D 제어기가 시동단계 또는 설정치 변경 등으로 인하여 제어기 입력(계통 오차)가 지속적으로 유지되는 경우에 발생함. 제어기의 I-term의 지속적인 증가로 인하여 계통에 과도한 Overshoot를 유발함. Anti-reset windup 제어기 출력이 포화상태에 도달하면 제어기의 I-term 제어 기능을 정지시키므로써 Reset windup 부작용을 방지함.

2. 공정 제어 기술 바. P-I-D 제어 Non-interacting type Interacting type Parallel type

2. 공정 제어 기술 바. P-I-D 제어 - P-I 제어기 - P-D 제어기

2. 공정 제어 기술 바. P-I-D 제어 Position algorithm Velocity algorithm

3. 원자력발전소 제어계통 가. 원자력발전소 MMIS 계통의 기능 및 구성 나. 원자로 출력 제어 다. 증기발생기 수위 제어 다. 증기발생기 수위 제어 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝

3. 원자력발전소 제어계통 가. 원자력발전소 MMIS 계통의 기능 및 구성 기능 원자로 출력 제어 핵증기공급계통을 안전하고, 신뢰성 있고 경제적으로 운전 구성 제어 계통 보호 계통 감시 계통 계측 기기 공정 기기

3. 원자력발전소 제어계통 RRS PPCS SBCS FWCS PLCS RPCS 원자력발전소 주요 제어계통 제어대상 : TAVG CEA Group P Control 제어대상 : PZR Press. Spray Valve, Heaters PI Control SG Press. Control TBV FWCS PI Control SG Level Control DFWCV, EFWCV, MFWP Speed PLCS PI Control 제어대상 : PZR Level Charging Valve, Letdown Isolation Valve RPCS 제어대상 : Rx Power CEA Group 5 or 4+5, TCV

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 (Reactor Power Control) 제어 기준 입력 : 터빈 요구 출력(TLI) 측정 변수 : 원자로 출력 (ΦN) 냉각재 평균 온도 값 (TAVG) 출력 변수 : 제어봉 위치 이동량

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 제어기 기능 블록도 Hp Filter Gf Lead G1 Gt 나. 원자로 출력 제어 제어기 기능 블록도 Hp Filter Gf Lead G1 Gt Plant #2 Gp2 Lag G2 TLI TREF Eß Eß' ET' + Ec - CEDMCS & Reactor Ec' ΦN TAVG N ET Gm Plant #1 Gp1 RCS

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 Feed-forward & Feedback 제어 나. 원자로 출력 제어 Feed-forward & Feedback 제어 Feedback 제어 루프 : 온도 오차(Temp. Error) ET를 입력으로 하는 루프 Feed-forward 제어 루프 : 출력 오차(Pwr. Error) Eβ를 입력으로 하는 루프 이유 : (1) 온도 제어의 반응 시간이 긴 점을 보완하기 위하여 Feed-forward 제어 (2) 출력 계측 기기의 정확도가 낮기 때문에 온도를 기준으로 정밀 제어

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 Feedback 제어 루프의 입력 부분 나. 원자로 출력 제어 Feedback 제어 루프의 입력 부분 제어 변수 : 냉각재 평균 온도 값 (TAVG ) 기준 온도, TREF : TREF = f (TLI), TLI : 터빈 출력 지수 온도 오차, ET : ET = TREF - TAVG

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 Feedback 제어 루프의 입력 부분 나. 원자로 출력 제어 Feedback 제어 루프의 입력 부분 Lead-lag 보상 온도 오차, ET’ : [개선 특징] (Lead time τ1T ≈ 30 sec., Lag time τ2T ≈ 6 sec.)

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 Feed-forward 제어 루프의 입력 부분 나. 원자로 출력 제어 Feed-forward 제어 루프의 입력 부분 제어 변수 : 원자로 출력 (ΦN) 기준 압력 : 터빈 출력 (터빈 압력을 측정하여 터빈출력 지수(TLI) 산출) 출력 오차, Eβ : Eβ = TLI - ΦN High-pass filtering 및 이득 보상 출력 오차, Eβ’ : 원자로 출력 계측설비의 저주파 오차(Long-term drift)를 제거하기 위하여 High-pass filtering (τβ ≈ 12 sec.)

3. 원자력발전소 제어계통 나. 원자로 출력 제어 오차 합 산출 및 처리 오차 합, EC : EC = ET’ + E β’ 나. 원자로 출력 제어 오차 합 산출 및 처리 오차 합, EC : EC = ET’ + E β’ Lag 보상 오차 합, EC’ : 불필요한 원자로제어봉(CEA) 작동을 억제하기 위하여 Lag 보상 (τC ≈ 3 sec.)

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 1) 공정 계통 : - 증기발생기, - 급수계통, - 증기계통, 다. 증기발생기 수위 제어 1) 공정 계통 : - 증기발생기, - 급수계통, - 증기계통, - 터빈 등

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 [제어 성능 저해 요인] 비선형 공정 계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 [제어 성능 저해 요인] 비선형 공정 계통 공정 특성 변이(시간적) 공정 계통의 응답시간 지연 정상 운전 중 랜덤 외란 존재 수위의 역반응 현상 (Shrink & Swell) 저온 급수 급증 → 유체 온도 급감 → 수위 순간 감소 증기 방출 급증 → S/G 내압 급감 → 수위 순간 증가

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 [Matlab을 이용한 간략화 모델링 사례] 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 [Matlab을 이용한 간략화 모델링 사례] 급수 계통 : fwfl(s) : 급수 유량 / FD(s) : 제어기 출력(급수 요구 유량) td : 공정계통 응답 지연시간(Dead time 또는 Transport delay)

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 / [Matlab을 이용한 간략화 모델링 사례] 증기발생기(S/G) 수위, sglvl fldev : QFW - QST QFW : 급수 유량 (유입), QST : 증기 유량 (유출), sgpr : S/G 내부 압력, TFW : 급수 온도

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 1) 공정 계통 / [Matlab을 이용한 간략화 모델링 사례]

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 + - ΦN Lag GL1 SP. PGM GL2 GL3 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 QFW + - Lag GQ1 QST GQ2 HP Filter GQ3 EQ ΦN Level Sp. Gtr. GL (*) P-I-D GC Process S. GP2 Actuators GP1 M/A Lead-Lag GF2 GF1 LR EL B LF A ET CE CO Pumps & V/V’s S/G, FW & etc. EQ' L ΦN Lag GL1 SP. PGM GL2 GL3 ΦN' SP LR

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feed-forward & Feedback 제어 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feed-forward & Feedback 제어 Feedback 제어 루프 : 수위 오차(Level Error) EL를 입력으로 하는 루프 Feed-forward 제어 루프 : S/G 유입 유량과 유출 유량 차(Flow Deviation) EQ’를 입력으로 하는 루프 적응 제어 운전 상태에 따른 제어 수위 기준 값 조정 운전 상태에 따른 제어 특성 값 조정

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feed-forward 제어 루프의 입력 부분 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feed-forward 제어 루프의 입력 부분 유량 계측설비의 저주파 오차(Long-term drift)를 제거하기 위하여 High-pass filtering (τH ≈ 350 sec.)

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 수위 설정치 생성 : Point-wise linear 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 수위 설정치 생성 : Point-wise linear function of variable ΦN’ Level SP. 44% a b ΦN’[%]

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feedback 수위 신호, LF 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 Feedback 수위 신호, LF : Point-wise linear function of variable ΦN’ 수위 신호 고주파 성분에 대하여 신속하게 제어 응답 α 1.0 25 35 ΦN’[%] 1.5

3. 원자력발전소 제어계통 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 P-I-D 제어 KP 0.75 15 50 ΦN'[%] 다. 증기발생기 수위 제어 / 2) 제어계통 P-I-D 제어 KP 0.75 15 50 ΦN'[%] 100 25 1.00 1.50 2.00 τI 300 200

3. 원자력발전소 제어계통 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝 발전소 실제 운전 특성과 유사한 수학적 모델 구축 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝 발전소 실제 운전 특성과 유사한 수학적 모델 구축 열수력학 특성 방정식 기반 발전소 운전 데이터를 기반으로 모델 검증 및 Update 활용 제어기 설계 : 제어 대상 특성 이해 및 제어기 성능 확인 제어기 설계 검증 : 다양한 운전 조건 모사 및 제어기 기능/성능 적합성 평가 (*) 제어기 튜닝 (*) 설계자, 발전소 운전원 및 유지보수 담당자 교육 훈련 (*) * 열약한 현장 환경 하에서 작업 시간 단축 및 비용 경감

Server + Operator Station 3. 원자력발전소 제어계통 Plant Model 제어계통 성능검증 도구 RTP Controller (FWCS1) Server + Operator Station   Output Generation(USB) Hard Wired I/O Interface 제어계통 캐비넷 Data Acquisition (USB) Signal Interface Module 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝

3. 원자력발전소 제어계통 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝 USER GUI PROCESS MODEL 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝 USER PROCESS MODEL SIMULATION EXECUTIVE GUI OUTPUT DISPLAY CONTROL THROUGH GRAPHICS GRAPHICAL OUTPUT DISPLAY

3. 원자력발전소 제어계통 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝 화면구성

3. 원자력발전소 제어계통 라. 모델 기반 제어기 설계, 검증 및 튜닝