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문제 정의
- 이 연구에서는 발전소 취수설비의 해양생물 제거성능을 개선하는 방안을 도출하기 위하여 국내 원자력 발전소 가운데 해양생물의 유입이 빈번하고 감발이나 발전정지의 사례가 가장 많은 울진원자력 발전소 1, 2호기의 취수설비를 대상으로 그 성능을 분석하였다. Travelling screen, drum screen 등 취수설비의 스크린 표본과 실제 해양생물을 유동시험장(circulating water channel)에 적용하여 해수 유동 속도와 수두손실을 측정하고, 수치해석에 의해 각 스크린과 해양생물 유입량에 따른 상관계수를 구하여 취수설비의 최고 허용 압력강하에서 갖는 제거 성능을 분석하였다.
제안 방법
- 그리고 3) 유동시험 장치에서 실험한 해양생물 투입량과 손실계수와의 관계를 추정한 회귀모형식을 이용하여 스크린 단위 면적 당 최대 허용 유입량과 시간 당 스크린 최대허용 유입량을 구한 후, 스크린 통과 유량을 적용하여해수량(체적) 당 스크린의 해양생물 허용 유입량을 산출하였다(Fig. 5).
- Table 5. Summary on screening performance of intake screens examined on krill and jellyfish by calculation from passing amount of seawater through the screens and hydrodynamic measurement with historic dogging events.
- 대상으로 그 성능을 분석하였다. Travelling screen, drum screen 등 취수설비의 스크린 표본과 실제 해양생물을 유동시험장(circulating water channel)에 적용하여 해수 유동 속도와 수두손실을 측정하고, 수치해석에 의해 각 스크린과 해양생물 유입량에 따른 상관계수를 구하여 취수설비의 최고 허용 압력강하에서 갖는 제거 성능을 분석하였다. 그리고 실험에서 얻어진 결과를, 스크린을 덮는 생물 면적, 또는 발전소 운전정지조건으로 설정한 스크린 전, 후방의 차압 50 cm water column(W.
- 먼저 스크린을 통과해 지나는 각 펌프의 해수 순환 용량으로부터 취수설비에 유입되어 순환되는 냉각해수가 스크린을 통과하는 유량을 계산하였다. 그리고 스크린 기기의 제작 사양과 도면에 있는 스크린의 망목 크기 (mesh size), 유체 통과면적, 선속도, 잠수 길이 등의 관련 자료를 이용하여 해양생물 제거능력에 해당하는 스크린 단위면적 당 통과 유량을 얻었다. 해파리의 경우는, 해파리가 스크린을 덮는 면적을 우산(umbrella)의 크기로부터 구하고, 이와 함께 위에서 얻은 스크린 단위 면적 당 통과 유량으로부터 스크린이 100% 막혔을(clogging) 때의 단 위해 수량 당 개체수로, 개체수밀도를 계산하였다.
- Travelling screen, drum screen 등 취수설비의 스크린 표본과 실제 해양생물을 유동시험장(circulating water channel)에 적용하여 해수 유동 속도와 수두손실을 측정하고, 수치해석에 의해 각 스크린과 해양생물 유입량에 따른 상관계수를 구하여 취수설비의 최고 허용 압력강하에서 갖는 제거 성능을 분석하였다. 그리고 실험에서 얻어진 결과를, 스크린을 덮는 생물 면적, 또는 발전소 운전정지조건으로 설정한 스크린 전, 후방의 차압 50 cm water column(W.C.)에서 시뮬레이션한 동물개체수를 각 스크린 단위면적당 통과 유체량에적용하여 구한 취수설비의 최대 허용유입생물량과 비교하여 검증하였다. 울진 원자력발전소에서 가장 빈번하고 많은 양으로 유입하여 스크린 폐쇄를 일으켜왔던 보름달물해파리(如性;〃a aurita, 이후 '해파리' 등으로 표기)와 태평양난바다곤쟁 이 pacifica, 이후, 크릴, 등으로 표기)를 취수설비의 해양생물제거성능 연구의 대상으로 하였다.
- 따라서 유동장 실험에서 해양생물의 투입량 증가에 따라 측정한 수두손실과 유속에 대하여 식 (2)를 이용하여 손실계수를 각각 계산하였다. 해파리와 크릴의 투입량과 손실계수에 대한 예측모형을 구하기 위해 XLSTAT- Pro7.
- 먼저 스크린을 통과해 지나는 각 펌프의 해수 순환 용량으로부터 취수설비에 유입되어 순환되는 냉각해수가 스크린을 통과하는 유량을 계산하였다. 그리고 스크린 기기의 제작 사양과 도면에 있는 스크린의 망목 크기 (mesh size), 유체 통과면적, 선속도, 잠수 길이 등의 관련 자료를 이용하여 해양생물 제거능력에 해당하는 스크린 단위면적 당 통과 유량을 얻었다.
- 하였다. 수두차 즉, 수두손실(head loss)은 해양생물을 투입하여 발생한 수두차에서, 청정상태에서 측정된 수두차를 뺀 값으로 계산하였고, 스크린을 통과하는 유속은 유동장 실험 중에 1.5 m 전폭 위어의 양정(lift)을 측정하여 유량을 구한 후 유량 값을 스크린 면적으로 나누어 계산하였다. 해양생물 투입량을 증가시키면 해양생물이 스크린을 막으면서 발생하는 해수유동에 대한 저항이 증가하게 되어 수두 손실이 증가하게 된다.
- 울진 원자력발전소에서 각 스크린이 제거할 수 있는 해양생물, 해파리와 크릴의 양을 계산에 의해 다음과 같이구하였다. 먼저 스크린을 통과해 지나는 각 펌프의 해수 순환 용량으로부터 취수설비에 유입되어 순환되는 냉각해수가 스크린을 통과하는 유량을 계산하였다.
- 유동시험 장치에 해수를 순환시키고, 해양생물을 투입하지 않은 청정상태에서 측정된 수두차는 14 mm이었으며, 이 값을 젓새우와 모조 해파리 적용 이후 측정된 수두 손실 값에서 제하고 손실계수를 산출하였다. 생물투입량 (X)과 손실계수3)에 대한 예측모형은 지수함수식인 y = ae阪을 사용하였으며, 크릴과 해파리에 대한 회귀계수 a, b 값과 결정 계수(coefficient of determination) R?는 각각 다음과 같았다:
- 유동시험 장치의 스크린 설치대에 모형 스크린을 설치한 후 유동시험 장치를 가동하여 해수를 순환시키면서 해양생물을 투입하지 않은 청정상태, 그리고 젓새우 투입량과 모조해파리 부착을 증가시키면서 스크린의 전, 후방에서 발생하는 수두차와 유동장의 유량을 각각 측정 하였다. 수두차 즉, 수두손실(head loss)은 해양생물을 투입하여 발생한 수두차에서, 청정상태에서 측정된 수두차를 뺀 값으로 계산하였고, 스크린을 통과하는 유속은 유동장 실험 중에 1.
- 유체역학적 유동장 시험은 모형에서 상사성 (similarity)을 갖고 원형을 해석할 수 있으나, 이 실험에서는 스크린과 유입생물의 물리적 특성을 원형과 유사하게 유지한 채 죽소하는 것이 매우 어려우므로 유동장이 큰 유동시험 장치를 제작하여 실제 크기의 스크린과 해파리로 실험하였다. 유동시험 장치는 폭 2m, 깊이 2m, 길이가 15 이인 개수로(opm channel) 유동장과 배관 직경 600 mm 의 관로 유동장에 최대유량 50 m3/min, 최대 수두 12 이를 갖는 사류펌프로 구성하였다.
- 조건에서의 drum screen 최대유입 허용량을 인용하였다(한국전력기술주식회사 1998). 이를 근거로, thru travelling screen과 center travelling screen—] 크릴 유입허용 최대 밀도 역시 단위 면적당 통과 유체량으로부터 산출하였다.
- 4). 크릴에 대한 실험은, 울진 원자력발전소 취수구에 유입한 태평양 난 바다 곤쟁이와 크기가 유사하며(체장 25 mm 전후) 실험에 사용하는 양에 제한을 받지 않는 젓새우로 대신하여 청정상태(clean water state)의 스크린으로부터 200 g 단위로 주가 투입하여 최고 3 kg(유동시험장 개수로 시험부 최고측정한계)까지 시험 측정하였다. 이때 사용한 젓새우는 단위 중량 200 g 당 평균 2500개체로 측정되었다.
- 흐!! 피리와크릴에 대한 제거 성능을 유동시험 장치를 이용하여 실험하였다. 유체역학적 유동장 시험은 모형에서 상사성 (similarity)을 갖고 원형을 해석할 수 있으나, 이 실험에서는 스크린과 유입생물의 물리적 특성을 원형과 유사하게 유지한 채 죽소하는 것이 매우 어려우므로 유동장이 큰 유동시험 장치를 제작하여 실제 크기의 스크린과 해파리로 실험하였다.
- 그리고 스크린 기기의 제작 사양과 도면에 있는 스크린의 망목 크기 (mesh size), 유체 통과면적, 선속도, 잠수 길이 등의 관련 자료를 이용하여 해양생물 제거능력에 해당하는 스크린 단위면적 당 통과 유량을 얻었다. 해파리의 경우는, 해파리가 스크린을 덮는 면적을 우산(umbrella)의 크기로부터 구하고, 이와 함께 위에서 얻은 스크린 단위 면적 당 통과 유량으로부터 스크린이 100% 막혔을(clogging) 때의 단 위해 수량 당 개체수로, 개체수밀도를 계산하였다. 크릴의 경우는 발전 정지 사고가 있었던 1997년 2월 1일과 4월 24 일에 유입된 냉각해수의 크릴 개체수밀도를 시뮬레이션 분석으로 산출하고 제시한, 차압 50 cm W.
- 해파리의 스크린에 대한 실험을 위해 직경 160 mm 의 원형 비닐막을 제작하여 청정 상태의 screen에 4개체 단위로 추가 부착하는 방식으로 최고 52개체(75%의 screen clogging 상태)까지 측정하였다(Fig. 4). 크릴에 대한 실험은, 울진 원자력발전소 취수구에 유입한 태평양 난 바다 곤쟁이와 크기가 유사하며(체장 25 mm 전후) 실험에 사용하는 양에 제한을 받지 않는 젓새우로 대신하여 청정상태(clean water state)의 스크린으로부터 200 g 단위로 주가 투입하여 최고 3 kg(유동시험장 개수로 시험부 최고측정한계)까지 시험 측정하였다.
- 또한 관로시험 차압측정 장치를 비롯하여 스크린 전 .후의 개수로 수위측정 장치와 펌프 토출 밸브 및정류장치 등 제반 부속장치들을 설치하였다(Fig. 3).
대상 데이터
- 가로 1500 mm, 세로 920 mm 크기의 screen을 유동시 험 장치의 시험판으로 제작하여 개수로 시험부에 설치하였다. 해파리의 스크린에 대한 실험을 위해 직경 160 mm 의 원형 비닐막을 제작하여 청정 상태의 screen에 4개체 단위로 추가 부착하는 방식으로 최고 52개체(75%의 screen clogging 상태)까지 측정하였다(Fig.
- )에서 시뮬레이션한 동물개체수를 각 스크린 단위면적당 통과 유체량에적용하여 구한 취수설비의 최대 허용유입생물량과 비교하여 검증하였다. 울진 원자력발전소에서 가장 빈번하고 많은 양으로 유입하여 스크린 폐쇄를 일으켜왔던 보름달물해파리(如性;〃a aurita, 이후 '해파리' 등으로 표기)와 태평양난바다곤쟁 이 pacifica, 이후, 크릴, 등으로 표기)를 취수설비의 해양생물제거성능 연구의 대상으로 하였다.
- 유체역학적 유동장 시험은 모형에서 상사성 (similarity)을 갖고 원형을 해석할 수 있으나, 이 실험에서는 스크린과 유입생물의 물리적 특성을 원형과 유사하게 유지한 채 죽소하는 것이 매우 어려우므로 유동장이 큰 유동시험 장치를 제작하여 실제 크기의 스크린과 해파리로 실험하였다. 유동시험 장치는 폭 2m, 깊이 2m, 길이가 15 이인 개수로(opm channel) 유동장과 배관 직경 600 mm 의 관로 유동장에 최대유량 50 m3/min, 최대 수두 12 이를 갖는 사류펌프로 구성하였다. 펌프는 인버터에 의해서 속도를 가변하여 필요한 유량과 수두의 선택적 운전을 쉽게 하였으며, 유동장의 유량 측정을 위해 한국표준규격서(한국산업표준협회 2001)를 적용한 1.
- 대량의 해수를 냉각수로 사용해오고 있다. 이 연구에서 성능을 분석한 대상은 과거 해양생물유입으로 발전 장애를 빈번히 일으킨 14호기이다. 울진원자력발전소 냉각취수설비는 해수를 취수하여 복수기(condenser)와 열교환기에 냉각수로 사용하기까지 스크린(bar, travelling and drum screen)과 debris filter의 여과 과정을 거치는 구조로 구성되어 있다.
- 해파리의 경우는, 해파리가 스크린을 덮는 면적을 우산(umbrella)의 크기로부터 구하고, 이와 함께 위에서 얻은 스크린 단위 면적 당 통과 유량으로부터 스크린이 100% 막혔을(clogging) 때의 단 위해 수량 당 개체수로, 개체수밀도를 계산하였다. 크릴의 경우는 발전 정지 사고가 있었던 1997년 2월 1일과 4월 24 일에 유입된 냉각해수의 크릴 개체수밀도를 시뮬레이션 분석으로 산출하고 제시한, 차압 50 cm W.C. 조건에서의 drum screen 최대유입 허용량을 인용하였다(한국전력기술주식회사 1998). 이를 근거로, thru travelling screen과 center travelling screen—] 크릴 유입허용 최대 밀도 역시 단위 면적당 통과 유체량으로부터 산출하였다.
데이터처리
- 생물투입량 (X)과 손실계수3)에 대한 예측모형은 지수함수식인 y = ae阪을 사용하였으며, 크릴과 해파리에 대한 회귀계수 a, b 값과 결정 계수(coefficient of determination) R?는 각각 다음과 같았다:
- 손실계수를 각각 계산하였다. 해파리와 크릴의 투입량과 손실계수에 대한 예측모형을 구하기 위해 XLSTAT- Pro7.5(Addinsoft™)S 이용하여 비선형 회귀분석을 수행하였다.
이론/모형
- 유동시험 장치는 폭 2m, 깊이 2m, 길이가 15 이인 개수로(opm channel) 유동장과 배관 직경 600 mm 의 관로 유동장에 최대유량 50 m3/min, 최대 수두 12 이를 갖는 사류펌프로 구성하였다. 펌프는 인버터에 의해서 속도를 가변하여 필요한 유량과 수두의 선택적 운전을 쉽게 하였으며, 유동장의 유량 측정을 위해 한국표준규격서(한국산업표준협회 2001)를 적용한 1.5 m 전폭 위어(wier)를 설치 하였다. 또한 관로시험 차압측정 장치를 비롯하여 스크린 전 .
성능/효과
- 3 n?/sec이었다(Table 2). 스크린의 망목 크기, 유체 통과면적, 선속도, 잠수 길이 등 스크린 기기의 제작 사양과 도면으로부터 얻어진 자료에서 해양생물 제거능력에 해당하는 스크린 단위면적 당 통과 유량을 계산하여, 위 세 스크린에서 각각 38.1 m3/m2, 28.8 m3/m2( 7.7 m3/m2의 값을 얻을 수 있었다.
- 위의 두 가지 분석 방법에 의한 취수설비의 성능 분석결과는, 울진원자력발전소에서 실제 drum screen이 폐쇄되었을 때인 1997년 크릴 유입량(1550개체/m% 6500개체 而3)과 2001년 해파리 유입량(2.24개체/it?)에 비해 훨씬 낮은 값을 보이므로, 현 취수설비가 대량으로 유입하는 해양생물을 제거하는 데는 부족하다는 것을 말해주고 있다. 울진원전의 취수설비 가운데 double thru travelling screen 은, bar screen과 drum screen 사이에 당초 존재했던 racking screen(bar screen + trash screen) 설비를 철거, 교체 개선한 설비이나, 2002년에 설치된 이후로 1997년이나 2001년과 같은 해양생물의 대량유입에 의한 사고가 기록되지는 않았다.
- 8개체/nF이었다. 이 조건에서 drum screen과 travelling screen의 해양생물 유입허용량을 개체 수 밀도 측면에서 비교하면 drum screen의 성능이 travelling screen에 비해 2배 정도 높았으며, 중량 측면에서는 크릴이 해파리보다 적은 중량에서 수두손실이 많았다.
- 7)의 제거 성능 개선이 요구된다. 즉, 크릴과 해파리의 대량 유입에 의한 스크린 폐쇄 사고를 막기 위해서는 현 취수설비보다 적어도 7배 이상의 성능을 갖춘 고속처리 스크린이 필요하다는 결론을 얻을 수 있다.
후속연구
- 은 순환수 펌프가 정지되고감발 및 발전 정지를 해야 하는 시점의 값이므로, 대량의 해양생물 유입에 대비하기 위해서는 20-30 cm의 수두 손실에서 제거성능을 충분히 갖추도록 개선할 필요가 있다. 실험적 방법에 의해서 얻어진 수두손실 30 cm의 조건에서, 현 스크린이 유입을 허용할 수 있는 크릴 및 해파리의 양과 실제의 최대 유입량을 비교하면, travelling screen의 망목을 큰 것으로 교체하여 유입되는 크릴에 대한 부하가 drum screen에 걸리게 한다고 해도 크릴에 대해서는 약 7 배(현 drum screen에 대하여 6500/928)의 성능 개선이 요구된다. 해파리의 경우에는 현 travelling screen에 대하여 약 3배(2.
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