원전내 방폭형 RFID 기술적용에 관한 연구
Application of Explosion-Proof RFID Technology in Nuclear Power Plants
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Abstract
원전에는 인화성 가스 및 액체가 저장, 사용되고 있어 화재폭발의 위험이 항상 존재한다. 화재폭발을 방지하기 위해 방폭기기가 설치되어 있으나 유지관리가 일부 미흡하다. 유지관리의 미흡은 오히려 방폭기기가 점화원으로 작용할 수 있어 원자로의 안전정지를 위한 안전 관련 기기들에 영향을 미칠 수 있다. 유지관리의 편리성 및 효율성을 높이기 위해서는 RFID 기술도입을 검토 해야한다. 이에 원전에 사용이 가능한 방폭형 RFID 를 분석하고 비교하였으며 사용을 권고하였다.
Trans Abstract
Nuclear power plants store and use flammable gases and liquids and consequently risk explosions. Therefore, nuclear plants employ explosion-proof equipment; however, this equipment is not always sufficiently maintained. This lack of maintenance can affect the safety-related equipment intended to shut down the reactor, because the explosion-proof equipment itself can act as an ignition source. Radio-frequency identification (RFID) technology should be explored as a tool to improve both the convenience and efficiency of maintenance. We analyzed and compared explosion-proof RFID technology that can be used in nuclear power plants.
1. 서 론
원자력발전소, 화력발전소, 석유화학플랜트, 해양플랜트 등 인화성 가스 및 액체를 저장 및 사용하는 폭발위험지역에서 화재폭발사고가 가끔 발생하고 있다.
본 연구를 수행한 원전도 인화성 액체 및 가스를 저장, 이송, 발생, 사용하고 있어 화재폭발의 위험성이 존재한다(10CFR50.48, 2007; RG 1.189, 2009; KINS/RG N03.07, 2014). 이들 장소에는 화재폭발을 방지하기 위한 다양하고 수많은 방폭형 전기설비들이 설치되어 있으나 방폭기기들의 유지관리가 일부 미흡하다.
유지관리의 편리성 및 효율성을 높이기 위해서는 RFID, ICT, IOT 등 다양한 방법을 적용할 필요성이 대두되고 있다. 유지관리의 미흡으로 화재폭발이 발생할 가능성이 있다면 원자로의 안전정지능력을 확보하고 환경으로의 방사성물질 누출가능성이 최소화됨을 입증해야 한다.
화재폭발의 발생으로 인한 위험 및 국민적인 불안감이 있을 수 있어 이를 해소시키기 위해서는 방폭기기들에 대해 RFID 기술의 적용성을 검토해야 한다.
국내 원전은 10CFR50.48 (2007), RG 1.189 (2009), NFPA 70 (2006) 등의 규정을 적용하여 화재 및 방폭에 대비하고 있다.
국내 산업계의 방폭기기는 Fig. 1과 같이 화재폭발을 방지하기 위한 국내법들(KOSHA Guide 60079, 2015; KS C IEC 60079, 2015)이 있으나 원전의 방폭분야는 법 적용이 오히려 취약하다. Fig. 1은 원전 방폭 관련 법령의 취약점을 보여주는 사례이며, Fig. 2는 국내외 화재폭발의 사례이다.
Vulnerability of Explosion-related Laws
Explosion Scene of Domestic & Overseas (Sample)
2. 연구 내용
2.1 목적
폭발위험지역에 설치된 모든 방폭기기는 그 성능을 제대로 발휘하며 언제나 사용 가능한 상태로 유지관리 되어야 한다. 이를 위해 정기적인 검사 및 유지관리가 필수적인데, 이런 업무 시 서류에 있는 기기 세부 사항을 기반으로 하지만, 종종 부정확, 불완전, 비효율적이고 최악의 경우 기기에 대해 잘못된 유형의 검사를 수행하거나 잘못된 검사 결과를 기록할 수 있다.
새로운 기기의 경우 명판은 비교적 읽기 쉽지만 설치가 오래되면 명판이 녹슬어 떨어지거나 녹슬어 보이지 않게 되어 읽을 수 없게 된다. 더구나 현재 국내의 방폭기기의 점검 및 관리시스템은 대부분 수작업으로 이루어지고 있다. 이런 수동적인 관리에서는 데이터베이스로의 입력이 필요하여 인력이 낭비되고 시설물의 변화에 실시간으로 대응하지 못함으로서 여러 사고를 초래하기도 한다.
사람이 일일이 체크하는 수동적인 시설물 관리에서는 이런 문제점을 완벽히 해결할 수 없다. 원자력 발전소 또한 예외가 아니다.
이 문제점들을 해결하기 위해서는 다음과 같은 조건이 요구된다.
① 자동화된 시스템을 바탕으로 변화된 정보를 실시간으로 인식할 수 있어야 한다.
② 데이터를 정확히 기록하여 점검시간의 조작 등이 발생하지 않아야 한다.
③ 관리자를 통한 관리가 용이하도록 이동성이 보장되어야 한다.
바코드나 IC카드 또는 RFID 등의 인식 체계는 여러 종류가 있으나 이렇게 이동성을 지니면서 여러 시설물에 관한 관리 및 점검을 편리하게 할 수 있는 해결책으로는 RFID가 제격이다.
따라서 RFID를 이용한 관리시스템을 사용하게 되면 기존의 수작업 관리시스템에 비해 점검 작업의 정확성 향상과 시간을 단축시킬 수 있으며, 불필요한 가동 중지 시간과 수작업으로 인한 고장 및 실수 빈도를 줄여 비용 절감에도 큰 효과를 가져 올 수 있다.
국내 원자력에서 쓰이는 방폭기기들은 대부분 내압방폭(Flameproof, Ex d 구조)구조로 설치되어 있다. 이는 내압방폭이 폭발위험장소 제1종 장소에 적합하고, 다양한 전기기기에 적용이 가능하다는 특징 때문이다(NFPA 70, 2006; NEC 505, 2013; IEC 60079, 2017). Fig. 3은 내압방폭 외함 연결부의 종류를 나타내고 있다.
Type of Explosion Proof Enclosure (Sample)
내압방폭은 방폭구조 중 가장 먼저 발달된 개념이고, 오늘날에도 널리 사용되는 방폭 구조다. 내압방폭은 폭발 자체를 방지하는 다른 방폭구조의 개념과는 달리 기기내부에서 폭발이 일어날 수 있다고 가정한다. 대신 폭발할 때 생기는 압력을 견디고, 동시에 폭발한 가스가 기기외부에 있는 혼합성 기체로 전이되는 것을 막도록 제품을 설계한다.
내압방폭 구조는 주로 박스(Enclosure)의 형태로 구현하기 때문에 기기내부에 왠만한 제품들은 다 넣을 수 있다는 장점이 있다. 폭발방지 메커니즘이 적용되지 않은 일반 비방폭제품도 내압방폭 기기내부에 장착할 수 있다는 뜻이다.
따라서 특정기능을 하는 제품을 위험지역내에서 사용해야하는 경우, 그에 해당하는 방폭제품이 없다거나 방폭제품이 있어도 지나치게 비싼 경우라면, 그 특정 제품을 내압방폭 기기내에 넣고 사용할 수 있다. 이는 다른 방폭구조로는 해결이 안되는 것을 내압방폭 구조로는 해결할 수 있다는 뜻이다. 이것이 내압방폭의 큰 장점이다.
2.2 연구 범위 및 방법
2.2.1 연구 범위
원전 등에 설치된 방폭기기가 항상 제 성능을 발휘할 수 있도록 유지관리하는 것은 산업안전보건법에 명시되어 있는데 현재 방폭 설비에 대한 유지관리는 수동으로 진행되고 있어서 늘 정확성과 안전도에 문제가 발생할 여지가 크며 점검 결과에 대해 수기로 입력할 때 오류가 발생할 가능성 또한 상존하고 있다.
그러므로 효율적으로 이를 관리할 수 있는 기기로서 RFID를 활용한다면 점검 작업의 정확성 향상과 시간 단축 효과와 함께 불필요한 가동 중지 시간과 수작업으로 인한 고장 및 실수 빈도를 줄여 비용 절감에도 큰 효과를 볼 수 있다.
그런데 RFID는 전자기장을 발생하므로, 폭발위험지역에서 사용하기 위해서는 반드시 방폭구조로 되어야 하며, 특별히 본질안전 방폭(Ex i) 구조로 RFID와 리더를 개발하면 0종 지역까지 설치가 가능하다.
방폭기기가 설치된 지역 및 계통은 수소저장시설, Volume Control Tank (VCT), 용존산소제거설비, 순수생산설비, 축전지실, 비상디젤발전기(EDG) 건물, 화재방호펌프실, 보조보일러실, AAC DG (대체교류 발전기), 폐수처리시설, Cold machine shop, Hot machine shop, 화학약품 저장시설 등이며 설치된 방폭기기들을 대상으로 샘플로 조사한다. 방폭위험지역은 Fig. 4와 같이 위험성 평가 절차를 거쳐야 한다.
Explosion Risk Assessment Procedure
2.2.2 연구 방법
국내원전 내 방폭기기들에 대해 국내외 RFID 기술을 조사한다. 국내 원전에 RFID 관련 기술기준들이 적용되었는지 현장실사를 통해 방폭기기들을 샘플로 점검하고, 일부 제출받은 방폭 관련 품질서류 또는 인증서류들도 검토한다. 해외 원전의 방폭기기의 RFID 관련 국제기준을 조사한다.
RFID란 무선인식이라고도 불리는데 이는 무선주파수(RF)를 이용해 물건이나 사람을 식별할 수 있게 하는 기술을 말한다. RFID를 구성하는 하드웨어 장치에는 ‘태그’, ‘리더기’, ‘안테나’가 있다. 태그는 다시 정보가 저장된 IC칩과 안테나로 이루어져 있다. 리더기는 무선주파수를 이용해 안테나가 보낸 태그 정보를 확인한다. 리더기는 받은 정보를 서버로 전송한다.
RFID는 바코드 및 스마트카드와 유사한 기능을 수행하지만, 환경적인 요인(습기, 이물질 등)으로 제약을 받는 바코드와 극히 제한된 거리(수 mm ~ 수십 mm)에서 인식되는 스마트카드와는 달리 환경적인 제한 상황에서도 인식이 가능하며 수 m~수십 m 이내에서 이동하는 물체에 대한 인식이 가능하고, 산업전반에 걸쳐 많은 분야(공장자동화, 출입통제, 보안, 주차, 유통, 물류 등)에 사용되고 있다. Fig. 5는 RFID 시스템의 일반적인 시스템이며, Fig. 6은 전형적인 RFID 리더이다.
General RFID System Configuration
Typical RFID Reader (Sample)
2.2.3 원전내 인화성 가스 및 액체의 종류
국내 원전은 수소, 경유, 윤활유 등 인화성 가스 및 액체를 사용하고 있다. 화재폭발의 위험성은 수소가 가장 높으며, 윤활유가 가장 낮다. Fig. 7은 윤활유, 경유를 저장하는 (a) 윤활유 저장탱크, (b) 경유 저장탱크이다.
Lubricant and Fuel Oil Storage Tank (Sample)
2.2.4 원전내 설치된 방폭기기 종류
방폭구조의 종류는 내압방폭(Ex d), 압력방폭(Ex p), 본질안전방폭(Ex i), 유입방폭(Ex o), 안전증방폭(Ex e), 분진방폭(Ex t) 등이 있다. 국내 원전에 설치된 방폭기기는 Fig. 8의 (a) 가스감지기(휴대용), (b) 등기구, (c) 전기판넬, (d) 전송기, (e) 스위치, (f) 가스감지기(고정식) 등으로 내압방폭을 주로 사용한다. Fig. 8과 같은 방폭기기들이 인화성 가스 및 액체 저장소에 설치되어 있다.
Explosion-proof Equipment (Sample)
2.3 분석
2.3.1 방폭기기의 부착을 위한 RFID 기술 분석
RFID 기본 구성요소는 태그, 안테나, 리더, 서버로 구성된다.
① 태그(tag): 데이터가 입력된 IC칩과 안테나로 구성되어 사물에 부착되며 저장된 데이터를 무선주파수를 이용하여 리더기로 전달한다. 전원의 유무에 따라 능동형(Active)과 수동형(Passive)으로 구분된다.
② 안테나(antenna): 태그로부터 무선주파수를 통해 전송된 데이터를 수신하여 RFID 리더로 전달한다. 다양한 형태의 크기로 제작이 가능하며, 태그의 모양을 결정하는 중요한 요소이다.
③ 리더(reader): 무선주파수 발신을 제어하고 태그로부터 수신된 데이터를 해독한다. 용도에 따라 고정형, 이동형, 휴대형으로 구분한다.
④ 서버(server): 한 개 또는 다수의 태그로부터 읽어들인 데이터를 처리하는 서버 및 PC로 구성된다. Table 1은 RFID와 다른방식의 비교이다.
Comparison of Recognition Technology
2.3.2 RFID를 사용한 방폭기기의 실시간 관리
RFID 기술은 다양한 범위의 품목을 전자식으로 탐지, 추적 및 제어할 수 있는 빠르고 유연하며 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. RFID 기술을 사용하는 기기의 실시간 관리는 중요한 인원에게 기기를 관리하는데 필요한 정보를 신속하게 제공함으로써 기기 유지보수 프로세스를 향상시킬 수 있다. 즉, 필요한 경우에만 수정 프로그램을 적용할 수 있기 때문에 다운 타임을 줄일 수 있다.
유지보수는 RFID 태그에 기록되며 운영자와 최종 사용자는 시스템에 따라 웹 기반 인터페이스 또는 RFID 판독기에서 기기 유지보수 내역을 볼 수 있다. 이렇게 하면 이후에 현재 유지 보수 작업의 데이터 입력 시간이 단축된다. RFID는 발전소의 모든 시설에 적용 가능하다. RFID는 모든 방폭 설비와 저장 탱크 및 연결 배관에 설치 가능하며, 검사 및 관리 이력, 그리고 인원 추적에 사용될 수 있다. 나아가 안전 정비 주기 및 정비 시 문제에 대한 정보를 수집하는 데 사용할 수 있다.
작동중인 발전소에서 100% 정확성에 대한 필요성을 파악하고 정확한 안전 기기가 올바른 위치에 있고 올바른 압력 등급으로 설정되어 있는지 확인할 수 있는 것이다. 관련 중요한 기술 및 공정 정보를 기록하기 위해 수동형 RFID 태그를 밸브 및 방폭기기 또는 파이프 라인의 플랜지에 끼워 넣을 수 있으므로 엔지니어가 태그를 판독하여 정보가 올바른지 확인할 수 있다. 데이터는 WiFi를 통하거나 RFID 판독기를 PC에 연결하여 대개 크래들에 놓아 전송할 수 있다.
모든 방폭기기는 언제나 제 기능을 발휘할 수 있도록 테스트하고 작동 여부를 확인하는 법적인 요구사항이 있다. RFID를 사용하면 이러한 안전 점검의 시간을 줄여 가동 중지 시간을 단축할 수 있다. 이 기술을 사용함으로써 방폭기기의 유지관리 및 재인증 또는 보수에 소요되는 시간을 기존 수동 방법 대비 현격하게 줄일 수 있다.
나아가 많은 태그 판독기는 발전소의 공정에서 일반적으로 발생하는 위험하고 적대적인 환경, 특별히 폭발 위험지역에서도 사용하기에 적합하다. 특별히 RFID를 본질안전 방폭구조로 제작한다면, 폭발위험지역의 1, 2종 지역뿐 아니라 0종 지역까지도 설치할 수 있다.
폭발 위험지역에서 사용되는 RFID 기기에 대해 국제 방폭 규격인 IEC 60079-14, 2014 버전에서는 RFID의 전자기장 세기가 3 V/m 또는 1 A/m 미만인 환경에서 수동 RFID 태그를 단순 전기 장치로 평가할 수 있다고 명시하고 있다. 만약 이 필드 강도가 초과되면 수동형 RFID 태그는 인증기관에서 인증을 받아야한다. Fig. 9는 RFID Reader 형태이다.
RFID Reader Type (Sample)
2.3.3 RFID 운용 소프트웨어와의 통합
RFID 태그와 리더는 RFID의 핵심을 형성하는 미들웨어를 통해 서로 통신하는데, 미들웨어란 시스템에 적절한 데이터 입력을 담당하는 소프트웨어를 의미한다. 판독기는 요구 사항에 따라 데이터를 수집, 필터링한 다음 처리하기 때문에, 이를 운용할 수 있는 새로운 소프트웨어 개발이 필수적이라 할 수 있다.
아직 RFID를 사용하지 않고 있는 발전소 및 정유 화학 등의 산업에서는 RFID 하드웨어 및 소프트웨어에 대한 통일 표준이 확립되어 있지 않아 태그 간섭, 판독기 간섭 등의 물리적 문제 발생 가능성이 있으므로, 설치 시 이를 통합할 수 있는 프로그래밍이 요구된다.
특별히 높은 수준의 안전 기준과 관리가 요구되는 원전의 상황에서 폭발 위험지역에 설치된 방폭기기 점검에 RFID 기술이 지원하는 새로운 방폭 유지보수 솔루션은 매우 효율적이라 할 수 있다.
본 연구를 통해 본질안전방폭 RFID 시스템과 이를 운용할 수 있는 사용자 친화적인 소프트웨어가 개발된다면, 검사 중 인력을 줄여 줄뿐만 아니라 설치된 방폭기기의 상태를 완전하고 쉽게 파악하여 안전성을 향상시켜 줄 수 있다. 본 연구가 개발하고자 하는 소프트웨어를 사용하면 검사 절차가 레이아웃 태블릿에서 전자 작업으로 변환되고, 검사 작업자는 핸드헬드 태블릿이나 스마트 폰을 통해 이를 수행하게 될 것이다.
각 기기에는 수동 구역 RFID 태그가 설치되어 있어 핸드헬드 장치의 소프트웨어가 전자 타임스탬프 및 전체 전자 감사 추적을 생성할 수 있다.
각 RFID 태그는 원자력 발전소의 방폭 관리 서류 DB에 연결된 고유한 ID를 가지므로 소프트웨어가 스캔할 때 시스템의 특정 기기를 인식하고 특정 부분에 연결된 검사 목록, 값 및 문서를 표시할 수 있게 된다. 또한 검사 중에 기기 사진 또는 발견된 부적합 사항을 포함할 수 있다.
검사를 통해 입력된 정보는 클라우드를 이용한 웹 시스템과 동기화되어 문제를 진단하고 후속 조치를 결정해야하는 사용자에게 즉시 표시된다. 이때, 소프트웨어의 점검 목록은 국제 방폭기준인 IEC/KSC 60079-17를 준수할 것이다.
Table 2는 일반 RFID와 본질안전방폭 RFID의 비교이며, 원전은 본질안전방폭 RFID를 설치하도록 권고한다.
Comparison of General RFID & Intrinsic Safety
3. 결 론
국내 원전 내 인화성 가스 및 액체의 저장, 공급, 생성, 냉각 등 방폭위험지역에는 방폭기기들이 설치되어 있으며 원전의 방폭기기와 관련하여 RFID 기술의 적용성에 대한 검토를 수행하였다. 국내 원전의 방폭기기들에 대한 안전성과 신뢰성을 유지하기 위하여 다음과 같이 권고한다.
(1) 방폭형 RFID 적용: 국내 원전은 다양한 기기 및 설비들이 존재한다. 안전 관련 기기들은 매 계획예방정비기간에 점검, 시험 등을 수행하지만 현장입회 후 데이터
입력, 보고서 작성 기간에 오류가 발생할 가능성이 있다. 특히 방폭기기 및 부속품들의 유지관리 편리성 및 신뢰성을 높이기 위해 현장에서 점검 및 정비 후 즉시 양방향 통신을 통해 쉽게 저장 및 관리할 수 있는 방폭형 RFID 기술을 개발하여 적용할 것을 권고한다.
(2) 내진성능을 탑재한 RFID 적용: 방폭형 RFID를 적용한 이후에 지진으로 인해 RFID의 건전성에 영향을 받지 않도록 방폭내진형 RFID를 개발할 것을 권고한다.
(3) 본 논문의 내용을 바탕으로 원전에서 방폭형 RFID 적용 타당성에 대한 실험을 수행하고, 방폭형 RFID의 내구성 및 내방사선 실험을 추가하여 내구연한을 확보할 것을 권고한다.
Acknowledgements
이 논문은 2018년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단-원자력연구개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2018 M2A8A4083765).
