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Axially Variable Strength Control Rods for The Power Maneuvering of PWRs 2002. 11. 25. KIM, UNG-SOO Dept. of Nuclear and Quantum Engineering Table of Contents Introduction Load Follow Operation of PWRs Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Further Study K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 2 Introduction Review on load follow operation of PWRs Load Follow Operation 전력 계통의 수요변동 또는 급전 요청에 부응하여 발전기의 전기출력을 조절하는 운전방법 Load Follow Operation of PWRs 터빈출력의 변화를 노심 출력이 추종함을 의미 노심의 제어방식에 따라서 부하추종운전의 기법을 구분 제어봉의 반응도가나 구동 논리에 따라 기법을 구분한다. Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs To extract optimal performance of the AVSCRs Applying T_avg signal K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 3 Load Follow Operation of PWRs Load follow operation of PWRs 계획 출력변동 운전 (load follow operation) 미리 설정된 시간 대 출력준위 계획에 따라 원전의 출력을 변화시키는 운전 100-p-100 %P, x-y-z-y HR 형태로 나타냄 Ex) 100-50-100 %P, 14-2-6-2 HR 1.0 0.9 0.8 Relative power 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 min K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 4 Load Follow Operation of PWRs 주파수제어 운전 (frequency control operation) 전력공급을 수요에 맞춤으로써 주파수를 계획치로 유지 예측 불가능한, 수 %P 정도의 작은크기의, 잦은 출력변동 요구에 따라 출력을 변화시키는 운전 계획 출력변동 운전과 주파수제어 운전의 중복운전을 grid follow operation 이라 부름 불시 출력변동 운전 예상시 못한 상황의 발생으로 출력을 급히 올리거나 내리는 운전 부분 출력 운전 중에 얼마나 빠르게 얼마나 높은 준위로 출력을 올릴 수 있느냐는 것이 불시 출력 변동 운전의 최대 관심사임 순동 예비력 (spinning reserve capability) 제어봉 인출 및 최대속도의 붕산희석 병행 전 부하 상실 (full load rejection) 부분적인 계단형 출력감소 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 5 Load Follow Operation of PWRs 노심 제어 제어 인자 노심의 반응도, 노심의 출력분포 노심의 반응도 제어 냉각재 평균온도를 출력 준위에 따라 미리 설정된 온도에 일치시 키는 것 (Tavg = Tref) Type a : 노심제어 관점에서 유리 Type b : 터빈제어 관점에서 유리 반응도 변화요인 출력준위 변화에 따른 출력결손 Xe 농도 및 분포 변화 감속재 온도 변화 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 6 Load Follow Operation of PWRs 노심의 출력분포 제어 노심을 안전한 상태로 유지 P-△I diagram 상의 운전제한영역 Ex) CAOC (Westinghouse) Target band 내에서 운전 저출력에서 제한적으로 band를 벗어나는 것이 허용됨 △I 영역의 크기는 operation flexibility의 척도가 됨 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 7 Load Follow Operation of PWRs 냉각재 평균온도 -△I diagram K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 8 Load Follow Operation of PWRs 제어 도구 제어봉 반응도 및 출력분포를 제어하는 직접적인 도구 출력분포에 크게 영향을 줌 반응도 제어와 출력분포 제어 두가지를 어떻게 조화시키느냐 하는 문제가 있 음 안전성 확보 고려 노심의 중앙부에서 움직일 때 반응도 변화 효과가 큼 노심의 상부 또는 하부에서 움직일 때 출력분포 변화 효과가 큼 반응도 제어용 제어군과 출력분포 제어용 제어군을 따로 두는 방법이나 기능을 특 별히 나누지 않지만 반응도 제어가 필요한가 출력분포 제어가 필요한가에 따라 구 동될 제어군을 각각 선택하는 방법등을 사용한다. 노심 평균온도 제어는 자동으로 수행되는데 비해 출력분포 제어는 수동으로 이루 어지는 경우가 많음 Shutdown margin 제어봉의 삽입제한 부분출력 운전중의 급작스런 출력증발요구 수용 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 부분출력운전중 일정 정도의 제어봉이 삽입되어 있어야 함 (인출제한) 9 Load Follow Operation of PWRs 제어 도구(계속) 붕산 농도 노심의 출력분포에 영향을 거의 주지 않으면서 반응도 제어가 가능한 장점 운전원 판단에 의한 수동 운전 느린 반응도 변화 및 정밀한 반응도 조절 불가 액체 폐기물 수반 주기 말과 같이 붕산농도가 낮은 시점에서 희석이 필요한 경우 희석에 걸리 는 시간이 늘어나며 따라서 주기말 부하추종운전을 제한하게 된다. 감속재 온도 음의 감속재 온도 계수 이용 미세한 출력변화의 경우 제어봉이나 붕산농도 조절 없이 수용가능 빠른 출력증가가 필요한 경우 의도적으로 감속재 온도를 낮춤 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 10 Load Follow Operation of PWRs 부하주종운전과 관련한 검토 대상 사고 제어봉 인출 및 낙하 사고 출력첨두치 관련 붕산 희석, 증기관 파단사고 노심의 정지여유도 관련 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 11 Load Follow Operation of PWRs 개발 및 개발중인 부하추종운전 기법 설계단계 운전경험 비고 Mode K KAERI 개념 없음 Mode A Westinghouse 상세 많음 Mode B Westinghouse Mode G Framatome 상세 매우많음 Mode X Framatome 상세 시험운전 D/L bank KWU 상세 매우 많음 MSHIM Westinghouse 개념 없음 AP600 PSCEA bank ABB-CE 개념 없음 System 80+ K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 쓰지않음 N4 12 Load Follow Operation of PWRs Mode G Mode A 기법의 부하추종운전 성능 향상 반응도 변화 요인에 따라 각각 다른 수단을 사용하여 반응도 제어 노심 계산 자료를 통해 반응도 변화 원인 구분 Xe 효과 보상 :붕산 출력결손 보상 : G 및 N bank 반응도 미세조정 : R bank 축방향 출력분포를 특별히 따로 제어하지 않음 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 13 Load Follow Operation of PWRs 출력결손 보상 4개의 제어군을 사용 : G1, G2, N1, N2 터빈 출력에 따라 open-loop 제어를 통해 미리정한 일정한 깊이까지 삽 입 전출력 복귀시 신속한 대응 용이 낮은 반응도가의 제어군 사용(gray rod) 반응도를 충분히 제어하면서 축방향 출력분포에 영향을 줄이기 위해 프로그램(반경방향의 배열, 중첩) 최적화 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 14 Load Follow Operation of PWRs Xe 반응도 보상 상대적으로 느리게 나타나므로 붕산 농도 조절을 통해 보상 Computer Aided power control system을 이용 Xe 효과 추정 수동으로 붕산 농도 조절 반응도 미세조정 R bank 사용 G bank와 붕산농도 조절을 통해 상당한 크기의 반응도 보상 노심의 평균온도 제어 기존의 제어군과 동일한 동작논리 축방향 출력분포 출력분포 이상 상황 미리방지 G bank 프로그램 최적화 확장된 운전영역 붕산농도 조절 및 R bank K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 15 Load Follow Operation of PWRs Mode X 설계 목표 : 축방향 출력분포 자동 조절 및 붕산농도 조절 최소화 제어봉 사용 극대화 반응도 변화 : 모든 제어봉을 구동하고, 하부나 상부의 제어봉은 고정 출력분포 변화 : 하부나 상부의 제어봉 구동 상반부와 하반부까지 삽입된 두 개의 제어군이 있으면 반응도와 출력분 포 동시제어 가능 두 제어군의 사이가 가까워지면 AO 감소 두 제어군의 사이가 멀어지면 AO 증가 제어봉 삽입 순서나 중첩을 고정적으로 유지하는 개념을 사용하지 않음 5 개의 제어군 Gray rod와 normal rod를 적절히 묶어서 X1부터 X5까지 X1(G1), X2(N2), X3(G3, N3), X4(N4), X5(N5) 반응도 가 : X1<X2<X3<X4<X5 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 16 Load Follow Operation of PWRs Example K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 17 Load Follow Operation of PWRs Operation logic 온도제어가 출력분포 제어에 우선 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 18 Load Follow Operation of PWRs D/L bank 반응도와 출력분포 제어를 자동으로 수행 출력준위 : 제어봉(D bank) 및 붕산 농도 조절 출력분포 : 제어봉(L bank) D bank와 L bank의 역할이 명확히 구분, 독립적으로 운전 제어군간의 상대적 움직임이나 중첩정도를 정하는 논리를 취적화 하여 붕산농도 조절을 최소화 운전형태에 따라 D bank의 삽입정도가 미리 프로그램 되어 있음 붕산농도 조절 논리가 D bank의 위치제어 논리에 포함되어 있음 50% 이상의 출력에서 노심 평균온도를 일정하게 유지하는 프로그램 출력상승시 반응도 제공 측면에서 유리 Limitation system 사용 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 19 Load Follow Operation of PWRs D bank 원칙적으로 4 개의 제어봉으로 구성 낮은 반응도 가 : 출력분포에 작은영향 필요 시 L bank의 제어봉중에서 4 개씩 D bank에 합류 0출력까지 출력을 낮추는 데에 원래의 4 개에 4개 또는 8개의 제어봉이 더해짐 L bank D bank에 속하지 않는 나머지 제어봉 수 십 개의 제어봉이 동시에 구동 정상운전중 5%이하로 약간 삽입 출력분포 변화시 구동 반응도 보상을 위해 D bank 구동 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 20 Load Follow Operation of PWRs 제어군 동작 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 21 Load Follow Operation of PWRs MSHIM 설계 목표 : 가능한한 전적으로 제어봉을 사용하여 부하추종운전을 수행 반응도 제어와 축방향 출력분포 제어용 제어군을 따로 둠 반응도 제어 : MSHIM bank 출력분포 제어 : AO bank MSHIM bank 반응도가나 중첩의 정도가 삽입 정도에 따른 AO의 변화가 최소가 되도 록 결정 Gray bank로 설계 4개의 bank (M0, M1, M2, M3) 출력을 내리기 시작하기 전에 M0 bank를 완전히 삽입 Xe 증가에 따른 반응도 보상에 사용 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 22 Load Follow Operation of PWRs AO bank 삽입 또는 인출에 따른 AO의 변화방향이 MSHIM의 동작과 무관하게 일 정하도록 설계 운전 모드 MAXSR : 신속 출력복귀 능력 극대화 MSHIM bank를 출력준위에 따라 미리정한 깊이까지 수동 삽입 AO bank는 자동으로 출력분포 제어 반응도 조절은 붕산이 담당 MINB : 붕산농도 조절 최소화 MSHIM bank가 자동으로 반응도를 조절 AO bank를 수동으로 움직여서 출력분포 제어 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 23 Load Follow Operation of PWRs PSCEA bank 제어용 제어군과 별도로 PSCEA를 사용함으로써 반응도와 축방향 출력분포를 제어 반응도 제어 : 제어용 제어군 출력분포 제어 : PSCEA PSCEA 기존에 사용하던 part length CEA의 역할을 대신 축방향 Xe 진동 억제 및 축 방향 출력분포제어 수동으로 운전 운전원 부담, 상용운전에 한계 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 24 Load Follow Operation of PWRs 운전 모드 PrXr : 출력결손 제어봉담당, Xe효과 제어봉 담당 출력감발 전 PSCEA2는 완전 삽입된 상태 제어용 제어군이 자동으로 반응도 조절 PSCEA를 수동으로 움직여서 출력분포 제어 및 Xe효과 보상 제어용 제어군의 삽입은 출력감발이 끝난 얼마 후까지 이고, 대부분의 시간 을 운전원이 수동으로 PSCEA를 운전 K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 25 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Operation strategy의 개선 기존 발전소에서 사용하는 신호를 이용한 반응도 조절 Tavg, Tref 개발된 AVSCR이 최적의 성능을 나타낼 수 있도록 함 As simple as possible Covering all burn-up cycle (BOC, MOC, EOC) Minimizing boron concentration change No use of reactivity compensation by boron concentration change Several merits Return to the initial state at the end of daily cycle K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 26 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Tavg, Tref Tav g Tout Tin 2 deg C power Tref 300 Tref relative power 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 min K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 27 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Tavg=Tref 를 이용한 rodspeed 계산 적용 350 Tin Tout Tavg 300 Rx power Target power Tavg Tref relative power 1.0 0.8 330 320 deg C deg C 340 310 300 0.6 0.4 290 0.2 0.0 -200 0 200 400 600 800 min K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 1000 1200 1400 1600 280 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 min 28 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Discussion for enhancement of the operation strategy Recursive problem Obtaining initial state of core Operation strategy Initial state of core AVSCRs Control rod operation logic Optimization K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 29 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Discussion for enhancement of the operation strategy(계속) Example From optimization result AO Lower Upper Rx power Target power 1.1 AVSCR1 AVSCR2 R5 R4 R3 220 200 180 1.0 160 0.0 0.9 140 steps AO power 120 0.8 0.7 100 80 60 0.6 40 20 0.5 0 0.4 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 min K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 1400 1600 -0.2 -200 0 200 400 600 800 min 1000 1200 1400 1600 -20 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 min 30 Enhancement of the operation strategy for the AVSCRs Discussion for enhancement of the operation strategy(계속) Example From power maneuvering result with changed operation strategy Rx power Target power 1.1 220 AO Lower Upper 0.15 1.0 0.10 180 0.05 160 0.9 0.7 0.6 0.00 140 -0.05 120 steps AO power 0.8 AVSCR1 AVSCR2 R5 R4 R3 200 -0.10 100 -0.15 80 -0.20 60 40 -0.25 0.5 20 -0.30 0 0.4 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 min K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 1400 1600 -0.35 -200 0 200 400 600 800 min 1000 1200 1400 1600 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 min 31 Further Study Enhancement of the operation strategy Solving the problem discussed Optimization including initial core state? Covering all burn-up cycle (BOC, MOC, EOC) Return to the initial state at the end of daily cycle Load follow demonstration for 3-day-cycle Minimizing boron concentration change K o r e a A d v a n c e d I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 32