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▣ 스프링구동 방식의 가압기 안전밸브 문제점 대두 - 개방설정 압력 부근에서의 누설 밀봉 저하, 개방 시 채터링에 의한 밸브 손상 가능성 - 설정치 허용오차 및 시험절차에 대한 문제점 (Information Notice 91-74, NRC)
해외 각국에서는 가압기 파일럿 구동 안전밸브(POSRV)로의 대체 방안 강구 국내에서 건설 중인 APR-1400 및 차세대원전의 가압기 과압방지 설비로
POSRV 채택
▣ 엔진 진단을 수행할 진단장비 필요.
스프링구동 안전밸브 안전감압밸브(MOV) Pilot 구동 안전밸브
안전감압밸브
주밸브 스프링구동 파일럿밸브
원전 가압기 안전밸브 추세 변화
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▣ 가압기 POSRV는 가압기 상부에 설치되어 정해진 설정압력에서 반드시
동작해야 하는 원자력발전소의 가장 중요한 기기 중 하나 ☞ 성능에 대한 철저한 검증 및 관리가 필요함
▣ 국내에 최초로 도입되는 SEMPELL사 POSRV의 경우
현재 대부분의 원전에 적용중인 스프링구동 PSV와 구조 및 작동 원리가 상이한 스프링구동 Pilot 밸브가 PSV 기능 수행 전동기로 구동되는 안전감압밸브 장착 - 기존의 PSV 진단장비로는 스프링구동 파일럿 밸브와 전동기구동 안전감압 밸브에 대한 성능확인 시험이 불가능
▣ POSRV의 두가지 주요 기능인기인 ① 가압기 안전밸브 기능 ② 안전감압밸브 기능의 성능확인 시험 및 POSRV 상태진단이 가능한 POSRV 맞춤형 통합 성능평가 장비 및 개발이 필요 ▣ 국내 신규원전 적용 및 해외 수출
국내 도입 고가의 외국 장비 대체 UAE등 향후 건설예정인 해외 신규 원전에 성능평가 기술 및 장비 수출
연구 개발 필요성
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연구 개발 필요성
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최종 목표
POSRV 안전밸브 기능과 안전감압 밸브 기능의 성능평가 수행이 가능한
POSRV 맞춤형 고신뢰성 성능평가 기술 및 성능평가 장비 개발
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POSRV
주요 기능
성능 평가
항목
국내⋅외 도입
진단 장비 개발 장비 비고
안전밸브 기능
Pilot 밸브 설정치 시험
평가 가능 평가 가능 - 고온정지조건에서 설정치 시험
밸브 누설시험 평가 가능 평가 가능 - 밸브 후단 온도 변화 - 음향 측정
주 밸브 작동시간 시험
평가 가능 평가 가능 - 저압조건에서 주 밸브를 개방 작동 시간 확인
밸브 위치지시계 작동성 확인
평가 가능 평가 가능 - 밸브 개폐 시 위치 지시계 작동성 확인
안전감압 기능
주 밸브 작동 시험
평가 불가능 평가 가능 - 안전 감압조건시 주 밸브 개방 작동 확인
전동기구동 밸브 작동성 시험
평가 불가능 평가 가능 - 전동기구동 밸브 설계기준 성능평가 방법론 적용 - MCC 방법론 적용 전동기 성능확인
시험 평가 불가능 평가 가능
안전밸브 기능 및 안전감압 기능 성능 평가를 수행할 수 있는 POSRV 맞춤형
성능평가 기술 및 성능평가 장비 개발
최종 목표
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최종 목표
장비 구동
데이터 수집
S/W 구성 1. 가동중 시험 / 성능평가 2. 기기 동작 / 상태진단 3. 성능/상태 변화 경향 4. 운전 / 시험 정보
성능 및 상태 진단 프로그램 장비 구동 및 데이터 수집 프로그램
장비 동작, 센서 설정 등
데이터처리, Display기능 등
성능평가
경향 분석
User Interface 기반 S/W 개발
Time Time
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안전밸브 성능평가 기술 개발
주밸브
스프링 Pilot 밸브
POSRV 성능평가 /시험 기술 국산화 개발 핵심 기술
스프링구동 Pilot 밸브
성능평가/시험 기술
및 장비 개발
① 설정압력 측정 및 평가
- Seat area of tested valve
② 보조장치(Lifting Device) 개발
- 공기압(유압) 제어 기술
③ Spring Rate 측정 및 평가
④ Seat leakage
⑤ 밸브 위치
⑥ 상태진단 기술
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안전감압밸브 성능평가 기술 개발
전동기구동 파일럿 밸브
POSRV 시험장비 및 시험기술
국산화 개발 핵심 기술
전동기구동 Pilot 밸브
성능평가/시험 기술
및 장비 개발
① 전동기구동밸브 설계기준성능평가
② 전동기구동밸브 성능저하평가
③ 전류,전압 측정을 통한 성능평가
(MCC방법론)
④ Seat leakage
⑤ 상태진단 기술
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1차년도 연구개발 내용
안전밸브(주 밸브 +스프링구동 Pilot 밸브) 성능평가 기술 및 방법론 개발
특허, 논문 조사
국내외 기술 분석 시험 기준 조사
평가방법론
밸브 특성 분석 평가 방법 분석 MCC 기법 분석
POSRV
필요 Data Data 취득 방법론 Data 평가
Data 취득
시험장비 설계 동작 시험
지적재산권 확보
장비 개발
안전밸브
성능평가 기술 /
성능평가
시스템 개발
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국내외 특허 및 연구자료 분석
다양한 유형의 안전밸브에 대하여 성능평가 시험이 가능하며 최신 연구 결과가 접목된
국내⋅외 특허의 권리 범위와 차별화 리프트 디바이스 제어 시스템
안전밸브 / 안전감압밸브 동시 진단
음향방출법을 이용한 밸브 누설 시험 모터구동밸브 설계기준 성능평가
MCC 기법
국내⋅외 POSRV 관련 특허 347건 연구논문 101건 분석
POSRV 성능평가 장비의 지적재산권 확보 고 신뢰성 통합 성능평가 장비 개발
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국내외 특허 및 연구자료 분석
구분
관련 특허
특허번호
출원일 출원인 핵심 요지
개발 장비와의
연관성
성능
평가
장비
및
성능
평가
기술
개발
[EP]0245947 1987.04.08
Anderson Greenwood & Co
압력 방출밸브의 성능 시험 장치 일부 연관성
있음
[EP]0503819 1992.03.14
Dresser Industries Inc.
Pilot 개방을 위해 피스톤에 의해
작동 가능한 밸브 수단을 포함하는
것을 특징으로 하는 시험 시스템
일부 연관성
있음
[KR]0061682 2001-07-07
한전기공(주)
가압기의 설정압 시험 및 조정과
시트 누설 시험을 위한 안전밸브
시험 장치에 관한 것
일부 연관성
있음
POSRV 성능평가 장비의 차별화 방안 도출
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지적 재산권 확보
유량 제어 방법
압력 제어 방법
- 기존의 기술과 차별화된 고 신뢰도 통합 성능평가 장비 개발
- 지적 재산권 확보 (국내외 특허 출원 중)
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POSRV 설계 및 시험 기술 기준
분류 기준 ASME KEPIC
설계 기준 NB-3100, 3600 MNB-3100,3500
가동중검사 Section XI MIB
가동중시험 OM MOC, MOD, MOH, MOP MOZ
성능시험(성능검증) PTC 25.3, QME-1 MFC
원자력발전소에 설치되어 운전중인 POSRV에 관한 시험 기술 기준은
가동중 시험 및 성능시험 임
POSRV의 과압보호 기능 및 안전감압 기능에 대한 성능 평가 수행
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과압보호 기능 성능평가 시험 항목 및 성능평가 방법
검사 및 시험 항목 성능 평가 방법 (ASME OM, KEPIC MOD) 평가
항목
육안 검사 시험전 밸브의 손상 여부
성능평가 시험 전/후 의 평가 기준이 됨 육안 검사
시트 기밀성 시험 일정 압력하에서 시트를 통한 유체 누설 여부,
누설량 측정
누설량, 온도
음향
설정압력 시험
정하여진 압력에서의 개방 및 닫힘 여부를 평가
설정압력 이상으로 계통 가압 또는
정상운전 이하압력에서 보조 장비 이용
(보조 장치 사용 경우 ±1% 정밀도)
설정압력
되닫힘압력
주 밸브 Lift
Blowdown
초과압력
동작 시험 설정압력에 대한 밸브의 완전 개방 및 완전 닫힘 주 밸브 Lift
Dead Time 측정 Pilot 밸브 동작 후 주 밸브의 응답 시간 측정 주 밸브 Lift
행정 시간
위치 지시계 작동
확인
POSRV 닫힘 상태는 온라인상으로 주제어실에서
확인이 가능하여야 함 주제어실 확인
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안전감압 기능 성능평가 시험 항목 및 성능 평가 방법
검사 및 시험 항목 성능 평가 방법 (ASME OM, KEPIC MOC) 평가 항목
동작 시험 밸브의 기능 수행에 필요한 위치로의 전 행정
동작시험 수행
행정시간
밸브 행정 위치
Dead Time 측정 모터구동 밸브 동작 후 주 밸브의 응답 시간 측정 주 밸브 Lift
행정 시간
시트 누설 시험 설계기준 조건시 모터구동 밸브의 시트를 통한
유체 누설 여부 판단 및 누설량 측정
누설량, 온도
음향
차압 시험
설계기준 차압에 대한 밸브의 열림 또는 닫힘
능력 평가 (모터구동밸브 안전성 평가 방법에 의
하여 평가)
밸브
운전 여유도
위치 지시시험 밸브 동작을 정확히 지시하는지 확인 행정 위치
위치지시계 동작
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POSRV 설계 및 동작원리 분석
제조 업체 구조 구성 기능 개방 특성
Sempell
;POSRV
- Main V/V Spring-loaded pilot V/V Motor operated isolation V/V - Pilot operated system이
밸브 몸체에 장착/유로가 짧음
- 정확한 동작 을 제공
- RCS 과압 방지를
위한 안전 밸브 기능
- 모터구동 Pilot 밸
브에 의한 수동 안전
감압 기능
- Dead time : 0.2/0.4s (Open/Close)
- Maximum stroke time : 0.3/0.5s
- Flow rate: 540,000lb/hr
- Steam, Water 및 Two-Phase
- Operation Pressure: 2,235psig
- Operation Temperature: 653℉
Sebim
;POSRV
- Main V/V Pilot operated V/V 3-way solenoid valve - Pilot operated system이
밸브 외부에 있어, 유로가
Sempell사의 보다 김.
- RCS 과압 방지를
위한 안전밸브 기능
- 솔레노이드 구동
Pilot 밸브에 의한 안
전감압 기능
- Dead time : 0.3s (Open/Close)
- Stroke time : 1.7s (Open/Close)
- Flow rate: 540,000lb/hr
- Steam, Water 및 Two-Phase
- Operation Temperature: 1050℉
CCI
;POSRV
- Spring-loaded pilot V/V Motor-operated pilot V/V Solenoid operated pilot V/V
- 가압기 안전 및
방출 밸브 기능,
“Feed-and-Bleed"
- Dead time : 0.2/0.4s
- Stroking time: 0.5/0.5~1.0s
- Flow rate: 540,000lb/hr
- Steam, Water 및 Two-Phase
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POSRV 설계 및 동작원리 분석
POSRV 구성
- Main Valve
- Spring Pilot Valve
- Motor Operating Valve
Motor Operating Valve
Spring Pilot Valve Main Valve
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POSRV 설계 및 동작원리 분석 안전밸브 기능(과압보호 기능) : Main Valve + Spring Pilot Valve
정상 운전
주밸브 개방 ※ KEPCO E&C 자료 참조
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POSRV 설계 및 동작원리 분석 안전감압 기능 : Main Valve + Motor operated Pilot Valve
RCS 계통 안전감압 필요 시
정상 운전 주밸브 개방
※ KEPCO E&C 자료 참조
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안전밸브 기능(과압보호 기능) 성능평가
육안 검사
시트 기밀성 시험
설정압력 시험
동작시험
Dead Time 분석
위치지시계 작동 확인
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POSRV 과압 보호 성능평가 시험 개요도
1 2
3
6
8 9
4
Pressure Gauge LVDT
System Pressure Air Pressure Sensor Signal Control Signal
Thermocouple 7
배기
5
Acoustic Emission
Data Acquisition System
1: Main Valve 2: Spring-Loaded Pilot Valve 3:Pressurizer 4: Control Line 5: Lifting Device 6: Test Unit (Air Pressure Control Unit) 7: Air Supply Unit 8: Data Acquisition System 9: Control PC
보조 장비를 이용한 과압보호 성능 평가 시험
- 계통에 일정 압력 가압 후 보조 장비를 이용하여 설정압력 시험
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안전밸브 설정압력 시험
1
2
3
PSV 개방 특성
- 1구간 : 계통압력 > 설정압력
(PSV Pop Open)
- 2구간 : PSV Full Open
- 3구간 : 계통압력 < 설정압력
(PSV Close)
직접 가압 방식 설정압력 시험 (설정압력 이상 계통 가압)
안전밸브 유효 면적 변화
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안전밸브 설정압력 시험 직접 가압 방식 설정압력 시험 (설정압력 이상 계통 가압)
ASME PTC 25
- 시험 유체 : 비압축성 유체(N2, Water)
- U자형 루프씰 설치
- 밸브 Inlet 노즐 근접에서 압력 측정
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안전밸브 설정압력 시험
설정압력 계산
- 계통 압력에 의한 힘 + 보조 인양력 > 스프링힘
☞ 정확한 설정압력을 계산하기 위해서는
ⓐ POSRV Inlet 또는 계통 압력
ⓑ 보조 장비의 인양력
ⓒ 밸브 위치
ⓓ 유효 면적의 정확한 측정 또는 계산이 매우 중요
보조 장비(Auxiliary Device)를 이용한 설정압력 시험
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PSV 디스크 유효 면적 계산
설계 데이터 유동해석 결과
오리피스 지름 (in) 2.154 -
디스크 바깥 지름 (in) 2.2 -
디스크 유효 지름 (in) 2.277 2.284
유효면적(in^2) 4.072 4.097
안전밸브 설정압력 시험
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설정 압력 시험 평가
Sempell사 설정압력 시험 조건 :
- POSRV Inlet에 작용하는 압력 : 135.99 bar
- 보조 장비 실린더 압력 : 0.75 bar
- 보조 장비 디스크 면적 : 16,000
평가 항목 Sempell사 결과 개발한 방법론 적용
분석 결과 비고
밸브 디스크 유효 면적 (𝑚𝑚𝑚𝑚2 )
346.360 346.357 계산 결과
설정 압력 = 개방 압력 (𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏) 169.230 169.223 계산 결과
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주 밸브 작동 시간 및 Dead Time 분석
디스크 행정 변위 및 압력 데이터를 이용 밸브의 개방특성 분석
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성능평가 Data 취득 주요 측정/ 계산 항목 비 고
안전 밸브
▪ 계통 압력 압력 측정
▪ 스프링구동 Pilot 밸브의 설정치 압력/
Reseat 압력 압력 및 lift
▪ 스프링상수 / 주 밸브의 행정 시간 및
Dead time 압력 및 lift, 행정시간
▪ 주 밸브 및 파이롯트 밸브의 행정 거리 lift
▪ Percent Blowdown(계산치) 압력 및 lift
▪ 주 밸브 및 안전감압밸브 시트 누설 밸브 Outlet 온도/ 방출 음향
▪ 시험 밸브의 유효 면적(계산치) 설계값 및 유동해석
▪ 보조장비 인양력 (측정 또는 계산치 Load cell, Cylinder 압력
안전감압 밸브
▪ 모터 입력 전류/전압 MCC 진단기법
▪ 모터 Torque / Stem Thrust
▪ 운전 여유도 모터구동밸브 설계기준 성능
평가 방법
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안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
기본 설계 항목 기본 설계 값
최대 설정 압력 3,000 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑
실린더 가압 0 psi ~ 290 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑
실린더 디스크 단면적 10,258 𝒎𝒎𝒎𝒎𝟐𝟐
Lift Force (System Pressure :
0 psi일 때) 1024 𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌𝒌
Lift Stroke Max. 20 𝒎𝒎𝒎𝒎
실린더 볼륨 205,160 𝒎𝒎𝒎𝒎𝟑𝟑
- 신고리 3,4호기 POSRV를 기준으로 기본 설계 - 신고리 3,4호기 POSRV 설정 압력 2,455 psi
안전밸브 성능평가용 시스템은 보조 장비와 Pop-Up 장치로 구성
설계 및 제작은 ASME B&PV Code 및 KEPIC을 기술 기준으로 설계
측정 데이터를 위한 계측기 설치 위치는 ASME PTC 19에 따라 결정
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보조 장비(lift Device) 설계 및 제작
실린더 타입, 다이아프램 타입
사용 유체 : N2, Air 및 유압
Lift Device
안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
32 유압 제어부
Air 및 N2 제어부
보조 장비 제어 시스템
보조 장비의 정밀제어를 위해 미세 유량제어 방법과 미세 압력제어 방법을 사용
정확한 설정압력을 측정 할 수 있도록 구성
안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
유량 제어 방법
압력 제어 방법
33 Lift Device Control 화면
안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
보조 장비 제어 시스템
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안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
보조 장비 보조 장비 Data 수집 장치
시험 중 실시간(1000개/sec)으로 각 센서 데이터를 취득
주요 데이터들은 화면에 실시간으로 디스플레이
Data 수집 장치의 주요 취득 Data 설계 사항
- PC를 이용하여 Lift 시험이 제어
- 센서 데이터 샘플링 취득 수량은 초당 1000개 (각 센서 마다 데이터 샘플링 취득
수량 조절 가능)
- 설정압력, 되닫힘 압력, Bowdown, Overpressure, Cylinder Supply Pressure,
Cylinder Inlet/Outlet Pressure, Cylinder Disk 면적, Disk Lift 거리, 총 행정
시간, 스프링 구동 Pilot 밸브의 Disk 유효 면적 등이 측정 또는 계산
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Pop-Up Test 설비
안전밸브 성능 평가용 시스템 개발
Pop up Test 장비 설계 및 제작
루프씰 설계 : 1 in/300#, 6 in 3000#
가압 방식 : 수압 제어
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PSV Set Point 시험
- 밸브 유형 크기 : 수직형 안전밸브 / 1 inch
- 루프씰 압력(Pop-Up Test) : 20 bar
- 시험편 설정압력 / 사용 유체 : 30 bar / Air or Gas
- 시험 유체 : N2
안전밸브 성능 평가용 시스템 성능 시험
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PSV Set Point 시험
안전밸브 성능 평가용 시스템 성능 시험
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POSRV 성능 평가 장비를 이용한 설정압력 분석
PSV Set Point 시험 결과
Gas로 10 bar 까지 가압 후, 제작된 보조 장비를 이용 시험편 안전밸브를 개방
하면서 설정압력 시험 수행
PSV Set Point 시험 결과
- 개방 압력 : 34.1 bar
- 닫힘 압력 : 32.9 bar
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안전밸브 성능 평가용 시스템 성능 시험
시트 누설 시험 결과
음향 센서 및 온도차를 이용한 누설 검출 방법 적용
누설로 인한 유체 유동은 밸브 내부에서 음향 소스로 작용
누설이 발생한 경우 누설이 발생치 않은 경우
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안전밸브 성능 평가용 시스템 성능 시험
시트 누설 시험
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안전감압밸브 성능평가 시험 개요도
1 2
3
6 7
4
배기
MCC Pressure Gauge
LVDT
System Pressure Sensor Signal
Thermocouple Thrust Gauge
I/V Sensor
5
Acoustic Emission
Data Acquisition
System
1: Main Valve 2: Double Motor Operated Pilot Valves 3:Pressurizer, 4: Control Line 5: Motor Control Center 6: Data Acquisition System 7: Control PC
MCC 기법을 이용한 안전감압밸브 성능평가 시험
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안전감압밸브 성능평가
Input Voltage Output Voltage
Vab1, Vbc1, Vca1 Vab2,Vbc2,Vca2
Average Voltage
459.8 416.3
안전감압밸브(모터구동밸브) 전압강하 해석
모터구동밸브의 운전성을 검증하기 위하여 전자기 과도현상 해석 프로그램인
EMTP-RV를 이용하여 모터구동기의 출력 토크(Torque)의 모의해석 및 분석 수행
안전감압밸브(모터구동밸브) 모터토크 계산
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☐ POSRV 성능평가 기술 및 성능평가 관련 국내외 연구자료 및 특허 분석을 통하여
국내외 특허들과 차별화된 POSRV 통합 성능 평가 장비의 개발 기술 확보
☐ POSRV의 주요 기능인 과압보호 기능 관한 가동중시험 및 성능시험을 수행하고
평가할 수 있는 안전밸브 성능평가 방법론을 개발하고 방법론의 타당성을 확인
☐ ASME B&PV Code 및 KEPIC을 기술 기준에 근거한 보조 장비, Pop-Up 시험 장비
및 제어시스템을 설계/제작하였으며, 제작된 보조 장`비 및 제어 시스템을 활용
하여 차년도에 POSRV 성능평가 기술 및 진단장비 개발을 위한 안전밸브의 성능
평가 시험을 수행 할 예정임.
☐ 차년도에는 안전감압밸브에 대한 성능평가 기술 및 시험장비 개발을 통하여
안전밸브 및 안전감압밸브를 동시에 성능평가 할 수 있는 통합 성능평가 시스템을
구축할 예정임.
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1. 안전밸브 성능평가 기술 및 시스템 검증실험
- 안전밸브 성능평가 기술 검증
- 안전밸브 성능평가 시스템 성능 시험
- 안전밸브 성능저하 평가 시험
2. 안전감압밸브(주 밸브 + 전동기구동 밸브) 기술 및 시스템 검증실험
- 안전감압밸브 성능평가 기술 검증
- 안전감압밸브 성능평가 기술 및 시스템 검증 실험
3. POSRV 성능평가 S/W 개발
- DAQ System 및 성능시험/ 상태진단 S/W 개발
차년도 목표 : 안전밸브 및 안전감압밸브 성능평가 장비 시작품 개발
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