KR102353351B1

KR102353351B1 - 수위 측정 시스템

Info

Publication number: KR102353351B1
Application number: KR1020200127325A
Authority: KR
Inventors: 이승찬
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: WO2022071706A1; JP2023543311A; CN116529564A; US20230366718A1; EP4224124A4; EP4224124A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템은 수위를 측정할 유체가 채워진 수조 내에 설치되며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되는 지지 배관, 상기 지지 배관의 중심축을 기준으로 일측에 위치하며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되는 지지 막대, 상기 지지 막대에 부착되며 초음파를 발생시키는 복수개의 초음파 탐촉자, 그리고 상기 복수개의 초음파 탐촉자에 연결되며 상기 수조의 수위를 계산하는 수위 계산기를 포함한다.

Description

수위 측정 시스템{WATER LEVEL MEASUREMENT SYSTEM}

본 발명은 수위 측정 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초음파를 이용한 수위 측정 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력 발전소의 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조 내부에 채워진 냉각수의 수위는 모니터링하며, 그에 따른 안전 대응 체계 및 절차가 마련되어야 한다. 즉, 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조 내에서는 붕괴열에 대하여 냉각이 이루어지며, 펌프에 의한 강제 냉각 등이 이루어지게 된다. 이 때, 핵연료 저장 수조의 경우, 냉각 기능이 상실되거나, 강제순환 등이 이루어지지 않을 경우, 핵연료 저장 수조는 비등이 발생하고, 증기가 혼합되는 상황이 발생할 수 있다. 이 때, 즉각적으로 대체 수원을 동원할 수 있도록 수위가 모니터링 되어야 하며, 대체 수원의 병입 후에도, 지속적인 수위 모니터링을 통해, 상태를 감시하여야 한다.

일반적으로, 수위를 측정하기 위해 차압식 수위 측정 방법 또는 초음파 수위 측정 방법을 이용하고 있다. 차압식 수위 측정 방법은 수조 내부에 버블(bubble) 또는 스팀(steam)이 발생하는 경우, 유체의 급격한 요동 때문에 차압에 의한 수위 측정이 어렵게 된다. 초음파 수위 측정 방법은 액체 등의 밀한 매질에서 발사된 초음파와 반사된 초음파의 시간을 계산하거나 초음파의 간섭 무늬 등을 이용하여 수위를 측정한다. 초음파 수위 측정 방법은 초음파가 밀한 매질을 통해서 전달되었다가 반사되어 나오는 반사파의 존재와 상관 관계가 깊으나, 정상적인 조건이 아닌 경우, 즉 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조의 냉각 기능이 상실되어, 냉각수에 비등이 발생하게 되어, 버블(bubble) 또는 스팀(steam)이 급격히 발생하는 경우, 반사파가 소멸되거나 손실되어 정형화된 반사파를 계산하기 어렵다. 따라서, 반사파를 정확하게 측정하기 어려워 수위를 측정하는데 한계가 있다. 특히, 버블이 발생한 경우, 초음파의 파형이 고르지 못해서 정확한 수위를 측정하기 어렵다.

이러한 수위 측정 방법을 보완하기 위해, 열접촉식 레이다 방법, 열확산 레이다 방법, 또는 레이다의 형태를 본떠서 수위를 계측하는 방법 등이 사용되고 있으나, 이러한 방법은 분석, 해석 등에 대한 복잡한 모듈 또는 장비가 결합되고 레이다 방식의 데이터를 분석하는 기계 등이 장착되는 등 장비 자체의 가격과 비용이 증가하게 된다.

본 실시예는 비정상 조건에서도 정확하게 수위를 측정할 수 있는 수위 측정 시스템에 관한 것이다.

일 실시예에 따른 수위 측정 시스템은 수위를 측정할 유체가 채워진 수조 내에 설치되며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되는 지지 배관, 상기 지지 배관의 중심축을 기준으로 일측에 위치하며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되는 지지 막대, 상기 지지 막대에 부착되며 초음파를 발생시키는 복수개의 초음파 탐촉자, 그리고 상기 복수개의 초음파 탐촉자에 연결되며 상기 수조의 수위를 계산하는 수위 계산기를 포함한다.

상기 지지 막대는 상기 지지 배관의 내벽과 접촉할 수 있다.

상기 초음파 탐촉자는 상기 지지 배관의 노출된 내벽과 마주보는 위치에 설치될 수 있다.

상기 복수개의 초음파 탐촉자는 상기 유체의 수면과 평행한 수평 방향으로 상기 초음파를 진행시킬 수 있다.

상기 수위 계산기는 상기 복수개의 초음파 탐촉자 중 상기 지지 배관에서 반사된 반사파의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자의 수를 이용하여 상기 수조의 수위를 계산할 수 있다.

상기 복수개의 초음파 탐촉자의 수를 N, 상기 지지 막대의 길이를 L, 상기 반사파의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자의 수를 S 라 할 때, 상기 수조의 수위는 (L/N) * S로 계산될 수 있다.

상기 복수개의 초음파 탐촉자는 상기 수조의 깊이 방향을 따라 배치될 수 있다.

상기 초음파 탐촉자를 상기 지지 막대에 고정시키는 고정 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 수조는 원자력 발전소의 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 초음파가 버블 또는 스팀이 발생하지 않는 위치인 지지 막대와 지지 배관의 내벽 사이를 진행하므로, 수조 내부에 버블 또는 스팀이 발생하는 비정상 조건에서도 정확하게 수위를 측정할 수 있다.

또한, 저가 장비인 초음파 탐촉자를 이용하여 수조 내부에 채워진 유체의 수위를 측정할 수 있으므로, 레이다 방식의 고가 장비를 사용하는 방법에 비해 저비용으로 신속하게 수위를 측정할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템이 수조 내에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 일부 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 부분 확대도로서, 초음파가 수면 위와 수면 아래에서 진행하는 상태를 설명하는 도면이다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도 1은 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템이 수조 내에 설치된 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 일부 사시도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템은 지지 배관(100), 지지 막대(200), 복수개의 초음파 탐촉자(300), 수위 계산기(400), 그리고 복수개의 고정 부재(500)를 포함한다.

지지 배관(100)은 수위를 측정할 유체(1)가 채워진 수조(10) 내에 설치될 수 있다. 지지 배관(100)은 수조(10)의 깊이 방향(Y)을 따라 길게 연장되며, 소정 길이(L)를 가질 수 있다. 지지 배관(100)은 수조(10) 내에 채워진 유체(1)의 수면(1a) 아래에 하부가 위치하고, 유체(1)의 수면(1a) 위에 상부가 위치할 수 있다. 따라서, 지지 배관(100)의 내부 공간(O)에 유체(1)가 채워질 수 있다. 이러한 지지 배관(100)은 금속 등의 물질로 이루어질 수 있다. 수조(10)는 원자력 발전소의 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 원자력 발전소의 수조(10) 내부에 채워진 냉각수의 수위를 모니터링 할 수 있다. 그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 수조에 적용 가능하다.

지지 막대(200)는 지지 배관(100)의 내부 공간(O)에 위치할 수 있다. 지지 막대(200)는 지지 배관(100)의 중심축(C)을 기준으로 일측에 위치하며 깊이 방향(Y)을 따라 연장될 수 있다. 지지 막대(200)의 길이(L)는 지지 배관(100)의 길이(L)와 동일할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 지지 막대(200)의 길이(L)는 지지 배관(100)의 길이(L)와 다를 수도 있다. 지지 막대(200)는 지지 배관(100)의 내벽과 접촉하여 지지 배관(100)의 일측에 위치할 수 있다. 따라서, 지지 배관(100)의 내벽과 지지 막대(200) 사이의 좁은 내부 공간(O)에 유체(1)가 위치할 수 있다. 따라서, 수조(10) 내에 비등이 발생하여 버블 또는 스팀이 발생하는 비정상 조건 하에서도 지지 배관(100)의 내벽과 지지 막대(200) 사이의 좁은 공간에 위치하는 유체(1)에는 버블 또는 스팀이 존재하기 어렵다.

복수개의 초음파 탐촉자(300)는 지지 막대(200)의 원주면 상에 부착되며 초음파(L1, L2)를 발생시키고, 반사파(R)를 탐지할 수 있다. 그리고, 복수개의 초음파 탐촉자(300)는 유체(1)의 수면(1a)과 평행한 수평 방향(X)으로 초음파를 진행시킬 수 있다. 따라서, 복수개의 초음파 탐촉자(300)에서 발생한 초음파는 지지 배관(100)의 내벽까지 진행할 수 있다. 이 때, 초음파의 경로 상에 버블 또는 스팀이 존재하기 어렵기 때문에, 정확한 수위 측정이 가능하다.

복수개의 초음파 탐촉자(300)는 수조(10)의 깊이 방향(Y)을 따라 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.

이러한 초음파 탐촉자(300)는 지지 배관(100)의 노출된 내벽과 마주보는 위치의 지지 막대(200)의 원주면 상에 설치될 수 있다. 따라서, 지지 막대(200)에서 한 방향으로 초음파를 발생시킬 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템의 부분 확대도로서, 초음파가 수면 위와 수면 아래에서 진행하는 상태를 설명하는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 수면(1a) 아래에 위치하는 초음파 탐촉자(300)에서 발생한 초음파(L1)는 유체(1) 내부를 진행하므로, 지지 배관(100)의 내벽에서 반사파를 생성하며, 반사파(R)는 다시 초음파 탐촉자(300)로 진행하게 되므로, 초음파 탐촉자(300)는 반사파를 감지할 수 있다.

그리고, 수면(1a) 위에 위치하는 초음파 탐촉자(300)에서 발생한 초음파(L2)는 유체(1) 내부를 진행하지 않으므로, 지지 배관(100)의 내벽에서 소멸되거나 산란되어, 초음파 탐촉자(300)는 반사파(R)를 탐지할 수 없다.

수위 계산기(400)는 복수개의 초음파 탐촉자(300)에 연결되며 수조(10)의 수위를 계산할 수 있다. 수위 계산기(400)는 복수개의 초음파 탐촉자(300) 중 지지 배관(100)에서 반사된 반사파(R)의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자(300)의 수를 합산하여 수조(10)의 수위를 계산할 수 있다.

즉, 복수개의 초음파 탐촉자(300)의 수를 N, 지지 막대(200)(또는 지지 배관(100))의 길이를 L, 반사파(R)의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자(300)의 수를 S 라 할 때, 수조(10)의 수위(P)는 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

P = (L/N) * S

이 때, 각각의 초음파 탐촉자(300)는 수위를 측정하는 채널 역할을 할 수 있다. 즉, 6m의 수위를 가지는 유체(1)가 채워진 수조(10) 내에서 100개의 채널로 수위를 측정하고자 할 경우, 6m 길이의 지지 막대(200)에 100개의 초음파 탐촉자(300)를 설치하며, 6cm 마다 1개의 초음파 탐촉자(300)가 위치할 수 있다.

또한, 4m의 수위를 가진 수조(10) 내에서 150개의 채널로 수위를 측정하고자 할 경우, 4m 길이의 지지 막대(200)에 150개의 초음파 탐촉자(300)를 설치하며, 2.67cm 마다 1개의 초음파 탐촉자(300)가 위치할 수 있다. 이 때, 반사파(R)의 신호가 탐지되는 채널이 123개 채널이라면, 반사파(R)의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자(300)의 수(S)는 123이 된다. 따라서, 전체 초음파 탐촉자(300)의 수(N)가 150, 지지 막대(200)의 길이(L)가 400cm이므로, 수조(10)의 수위(P)는 (400cm/150) * 123 = 328.41cm로 계산될 수 있다.

또한, 채널의 수 즉, 초음파 탐촉자(300)의 수를 증가시킴으로써, 보다 정밀하게 수조(10)의 수위를 측정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 측정 시스템은 초음파가 버블 또는 스팀이 발생하지 않는 위치인 지지 막대(200)와 지지 배관(100)의 내벽 사이를 진행하므로, 보다 정확하게 수조(10) 내부에 채워진 유체(1)의 수위를 측정할 수 있다.

또한, 저가 장비인 초음파 탐촉자(300)를 이용하여 수조(10) 내부에 채워진 유체(1)의 수위를 측정할 수 있으므로, 레이다 방식의 고가 장비를 사용하는 방법에 비해 저비용으로 신속하게 수위를 측정할 수 있다.

복수개의 고정 부재(500)는 복수개의 초음파 탐촉자(300)를 지지 막대(200)에 고정시킬 수 있다. 고정 부재(500)는 초음파 탐촉자(300)의 상면과 하면에 접촉하여 각각 설치되는 제1 고정 부재(510) 및 제2 고정 부재(520)를 포함할 수 있다. 이러한 제1 고정 부재(510) 및 제2 고정 부재(520)를 이용하여 초음파 탐촉자(300)의 흔들림을 방지할 수 있으므로, 초음파 탐촉자(300)에 의한 수위 측정을 보다 정확히 할 수 있다.

본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

100: 지지 배관 200: 지지 막대
300: 초음파 탐촉자 400: 수위 계산기
500: 고정 부재

Claims

수위를 측정할 유체가 채워진 수조 내에 설치되며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되는 지지 배관,
상기 지지 배관의 중심축을 기준으로 일측에 위치하며 상기 수조의 깊이 방향을 따라 연장되며 내부가 채워지는 지지 막대,
상기 지지 막대에 부착되며 초음파를 발생시키는 복수개의 초음파 탐촉자, 그리고
상기 복수개의 초음파 탐촉자에 연결되며 상기 수조의 수위를 계산하는 수위 계산기
를 포함하고,
상기 복수개의 초음파 탐촉자는 상기 지지 막대의 측벽에 부착되며,
상기 복수개의 초음파 탐촉자는 상기 유체의 수면과 평행한 수평 방향으로 상기 초음파를 진행시키고,
상기 초음파는 상기 유체가 채워지는 상기 지지 막대와 상기 지지 배관의 내벽 사이를 진행하고, 상기 지지 배관의 내벽에서 반사되고,
상기 복수개의 초음파 탐촉자가 부착된 상기 지지 막대의 측벽과 마주보는 상기 지지 배관의 내벽은 서로 직접 접촉하지 않는 수위 측정 시스템.
제1항에서,
상기 지지 막대는 상기 지지 배관의 내벽과 접촉하는 수위 측정 시스템.
제1항에서,
상기 초음파 탐촉자는 상기 지지 배관의 노출된 내벽과 마주보는 위치에 설치되는 수위 측정 시스템.
삭제
제1항에서,
상기 수위 계산기는 상기 복수개의 초음파 탐촉자 중 상기 지지 배관에서 반사된 반사파의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자의 수를 이용하여 상기 수조의 수위를 계산하는 수위 측정 시스템.
제5항에서,
상기 복수개의 초음파 탐촉자의 수를 N, 상기 지지 막대의 길이를 L, 상기 반사파의 신호를 탐지한 초음파 탐촉자의 수를 S 라 할 때, 상기 수조의 수위는 (L/N) * S로 계산되는 수위 측정 시스템.
제1항에서,
상기 복수개의 초음파 탐촉자는 상기 수조의 깊이 방향을 따라 배치되는 수위 측정 시스템.
제1항에서,
상기 초음파 탐촉자를 상기 지지 막대에 고정시키는 고정 부재를 더 포함하는 수위 측정 시스템.
제1항에서,
상기 수조는 원자력 발전소의 핵연료 재장전 수조 또는 핵연료 저장 수조를 포함하는 수위 측정 시스템.