Main operating problems of a forced circulation radwaste evaporating system in a PWR power plant are entrainment carryover into distillate and poor control against disturbances. The study focused to describe the mass and energy balance and the process control between and among major components of the given system, and to describe the cause and removal mechanism of entrainment carryover, as well as to understand, using case studies, the process and the extent of their effects and finally intended to derive some recommendation which may be useful to enhance the system performance.
Entrainment carryover into distillate is essentially estimated with three correlations; Kister et. al.'s correlation for sieve tray operating in spray regime; Carpenter-Othmer's empirical correlation for wire-mesh pad; and author's correlation for disengaging height in the vapor body. Controllers such as P, PI, PID and fuzzy heuristic are also modeled. DYFLO, a dynamic simulation package of sequential modular approach is adopted to solve the relevant differential and algebraic equations.
Decontamination factor or the quality of distillate depends largely on the vapor flow rate in the sieve tray column. Therefore, in order to sustain the design DF of 1,000, the step increase of steam supply, the main manipulated variable, shall be kept within 10% of the rated flow rate. Sieve tray acts merely as an entrainment remover, which was initially designed to adsorb some volatile material such as iodine. Therefore, it seems feasible to think of alternatives which are less sensitive to the vapor flow rate. One of such an alternative is to have two wire-mesh pads in series.
All controllers bring the system to new steady states when the steam flow is either step-increased or sinusoidally changed. But, the PI control allows the vapor body level and the feed flow to oscillate 60 minutes or so. Thus PI control requires more frequent open and closed action of the feed flow control valve.
Liquor discharge cycle makes the system very unstable if the PI control is used. Therefore, it may be promising to switch from the present continuous operation mode to the batch operation mode which will help to stabilize the system. However, the latter mode limits the process rate, which is a significant drawback of the mode.
Time lag creates a trouble in PI control. The longer the lag, the more unstable the given system. Present time lag of about 10 seconds may be acceptable to manage the system. But, as the system gets old, the time lag will be prolonged which may leave the system in an ever-oscillating condition.
Fuzzy heurisctic control seems to be very effective to manage any disturbance such as steam flow variation and liquor discharge cycle. The controller assures the given system to be in a stable operating condition in a few minutes without overshooting or damping oscillation. Another important feature to note is that the controller is little sensitive to the inherent time lag in the process control.
This simulation program may be useful to observe system responses when disturbances are introduced and to determine the effectiveness of components which may be added to or removed from the existing system.
가압경수로형 원전에서 사용되는 강제순환식 방사성폐액 증발계통을 운전함에 있어서 가장 주된 문제는 비말동반 현상과 주어진 외란에 대해 계통의 제어가 만족스럽지 못하다는 것이다. 본 연구에서는 주어진 계통의 주요 기기간에 질량 및 에너지 균형과 비말동반의 원인과 제거 메카니즘을 묘사하고 사례 연구를 통하여 각종 변수와 외란이 계통에 미치는 영향을 이해하고 계통운영 및 설계에 유용한 권고점을 찾아내고자 하는데 중점을 두었다.
비말동반 현상은 다음 3가지 관계식을 이용하여 묘사하였다. 즉, 스프레이 상태에 있는 Sieve tray에 대해서는 Kister등이 제의한 관계식, Wire-mesh pad에 대해서는 CarpenterOthmer의 관계식을 사용하고 증발기 본체의 탈비말 높이에 대해서는 실험결과로 부터 새로운 관계식을 구하였다. 제어기로는 비례, 비례적분, 비례적분미분과 같은 재래식 제어기이외에 Fuzzy 제어기를 포함시켰다. 미분방정식과 대수방정식을 풀기 위하여 DYFLO라는 Sequential Modular형식의 동적 묘사 패키지를 이용하였다.
증류수의 품질을 나타내는 제염계수(DF)는 Sieve tray에서의 증기 유량에 주로 좌우된다. 따라서 설계상의 제염계수인 1,000이상을 유지하려면 본 계통을 제어함에 있어서 주된 변수인 증기공급 유량의 계단증가는 설계치의 10%이내로 제한하여야 한다. 당초에는 요오드와 같은 휘발성 물질을 흡착제거하는데 사용할 목적으로 설치된 Sieve tray는 실제에 있어서는 단순히 비말 제거에만 사용되고 있으므로 증기유량의 변화에 둔감한 다른 비말제거기기를 찾는 것이 바람직하다고 생각된다. 그러한 대안중의 하나는 Wire-mesh pad 2개를 직렬로 사용하는 것이다.
모든 제어기는 증기유량이 계단변화하거나 싸인 함수적으로 계속 변동하는 것과 같은 외란에 대해서는 본 계통을 다소간의 과도상태를 거쳐 새로운 정상 상태로 들어가게끔 한다. 그러나 현재 사용되고 있는 비례적분제어기의 경우에는 제어기의 특성상 과도상태가 60분이상 계속되어 급수유량제어발브의 개폐 동작이 매우 빈번하다.
적정농도에 도달한 농축폐액을 저장 탱크로 방출하는 경우에는 비례적분 제어기는 본 계통을 매우 불안정한 상태에 들게 한다. 따라서 기존의 연속운전 방식을 배취운전방식으로 전환하면 계통을 안정시킬 수 있다. 그러나 이 방식은 본 계통의 처리능력을 대폭 제한하는 단점이 있다고 생각된다.
계통제어에 있어서 불가피하게 일어나는 제어동작지연은 비례제어의 경우에 문제로 대두된다. 지연시간이 길수록 본 계통은 불안정한 상태로 가게 된다. 현재로서는 지연시간이 약 10초 정도이므로 제어에 큰 문제는 없다고 생각된다. 그러나 점차 계통이 노후화되어 지연시간이 길어지게 되면 본 계통이 항상 불안정한 상태에 있게 될 가능성이 있다.
Fuzzy제어기는 증기공급유량의 변화나 농축폐액의 방출과 같은 외란에 대해서 본 계통을 안정시키는데 매우 효과적이라고 생각된다. 이 제어기는 외란이 주어지더라도 Overshooting이나 진동없이 본 증발계통을 수 분내에 안정한 상태로 들어가게 한다. 또한 이 제어기는 제어지연시간에 민감하지 않다는 장점이 있는 것으로 나타났다.
이번에 개발된 동적 묘사 프로그램은 외란에 대해 본 증발계통이 어떻게 반응하는가를 손쉽게 보여줄 수 있으며 기존 계통에 새로 설치하거나 혹은 계통으로 부터 제거하고자하는 기기의 효용성을 파악하는데 유용하게 사용될 수 있다.
