[논문]공기연행 수치모형을 이용한 발전소 거품저감 수중방류구조 설계

김지영; 강금석; 오영민; 오상호

공기연행 수치모형을 이용한 발전소 거품저감 수중방류구조 설계
Design of the Submerged Outlet Structure for Reducing Foam at a Power Plant using a Numerical Model Simulating Air Entrainment 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.20 no.5, 2008년, pp.452 - 460

김지영 (한국전력공사 전력연구원) , 강금석 (한국전력공사 전력연구원) , 오영민 (한국해양연구원 연안개발.에너지연구부) , 오상호 (한국해양연구원 연안개발.에너지연구부)

초록
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발전소의 냉각수 방류과정에서 대량으로 발생하는 거품의 제거를 위하여 지금까지 소포제와 확산방지 막에 의존해왔지만 유지보수나 비용 등의 문제로 안정적인 구조물에 의한 거품발생 방지 방안 마련이 요구되어왔다. 따라서 본 연구에서는 거품저감 구조물 설계 기술을 확보하기 위하여 공기연행 해석이 가능한 난류 수치 모형을 적용해 보았다. 방류수의 낙하양상에 따라 공기연행률의 차이가 있고 차단벽의 잠김 깊이와 통과 유속에 따라 연행공기의 유출률이 달라지므로 각 Case에 대한 비교를 통해 적정 단면을 설계할 필요가 있다. 본 연구에서는 단면 형상에 따른 공기 연행률과 유출률을 비교하여 거품의 발생 및 유출이 최소가 되는 단면을 찾았으며, 설계 기준은 현장 여건 특히, 바닥 수심고와 월류양상 등에 따라 달라질 수 있으나 수중 방류구 통과 유속은 1 m/s이내가 되도록 하고 차단벽의 잠김 깊이는 최소한 수중 방류구 단면의 수직고 이상은 되어야 함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Anti-foaming agents and foam fences have been used to remove the foam at the outfall of power plants, but there are some problems as consumption of maintenance costs and insufficiency of effect. Therefore, development of the methods how to remove the foam by stable coastal structure has been required. In this study, numerical simulation of air entrainment was carried out to design the submerged outlet structure for reducing foam using curtain walls. The air entrainment rate and the discharge of entrained air change according to the shape of weir and curtain wall. Hence, it is necessary to design the optimum section through comparison of each case. The optimum section which has the maximum rate of foam reduction was determined by the simulation results. In addition, it was found that the flow velocity at the submerged outlet is to be smaller than 1 m/s and the submerged depth of curtain wall is to be taller than height of the submerged outlet section.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

발전소의 냉각수 방류과정에서 대량으로 발생하는 거품의 제거를 위하여 지금까지 소포제와 확산방지막에 의존해왔지만 유지보수나 비용 등의 문제로 안정적인 구조물에 의한 거품발생 방지 방안 마련이 요구되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 거품저감 구조물 설계 기술을 확보하기 위하여 공기연행 해석이 가능한 난류 수치모형을 적용해 보았다. 방류수의 낙하양상에 따라 공기연행률의 차이가 있고 차단벽의 잠김 깊이와 통과 유속에 따라 연행공기의 유출률이 달라지는데, 바닥 수심이 한정되어 있는 경우 차단벽의 잠김 깊이가 깊어질수록 방류구 단면적이 작아지므로 통과 유속이 커져 거품 유출률이 커지고, 유속을 줄이기 위해 잠김 깊이를 너무 얕게 해도 거품 유출 차단 효과가 떨어지므로 각 Case에 대한 비교를 통해 적정 단면을 설계할 필요가 있다.
1에 보인 것처럼 2차 낙하 위치에 수평 유공판 구조를 설치할 계획이다. 이러한 거품저감 방류구조의 설계를 위하여 수리모형실험과 수치모의실험을 수행하였는데, 본 연구에서는 수치모의 실험을 통하여 거품 발생을 최소화할 수 있는 차단벽의 높이를 산정하였다. 수치모의에는 3차원 유동해석 프로그램인 FLOW-3D(Flow Science, 2006)를 이용하였다.

제안 방법

·유체가 밀도 ρ1과 ρ2를 가지는 두 요소의 혼합체인 경우 하나의 유체이지만 가변 밀도를 가지는 흐름·밀도 ρ1과 ρ2를 가지는 액체와 고체의 혼합체 흐름·밀도 ρ1과 ρ2를 가지는 두 비압축성 유체·비압축성 요소가 포함된 압축성 가스, 이 경우 압축성 가스의 밀도는 식에 의해 주어지고, 비압축성 요소의 밀도는 가스 밀도보다 항상 큰 ρ1을 가진다고 가정 거품저감 효과가 가장 뛰어난 단면 형상을 찾기 위하여 이상의 모형들을 함께 이용하여 거품 발생의 원인이 되는 낙차구간에서의 수면 공기연행과 수중에서의 기포의 이동및 부상, 부상된 기포의 공기 중으로의 배출을 해석하여 공기연행률과 연행공기의 외해 유출률을 비교하였다.
Fig. 1에서 제시한 기본 설계안은 차단벽을 통과하는 유속을 1 m/s정도로 유지하고 일정정도 잠김 깊이를 확보하기 위해 이론적으로 설계한 단면이며, 수치모의를 통하여 거품저감 효과를 보다 향상시킬 수 있는 단면형상을 찾기로 하였다. 계산 효율성을 고려하여 2차원 해석을 수행하였으며, 2차원 해석에서는 감세유공판 반영이 불가하여 고려하지 않았다.
각 실험 조건별로 유속과 연행공기의 분포를 살펴보았다. 월류 후 100초간의 흐름양상을 관측하였으며, 100초 이후에는 비교적 일정한 흐름양상을 보였다.
2에서 보는 바와 같이 설계단면에서 수정이 가능한 (a)~(d) 4가지 지점의 높이에 따른 흐름 양상 및 공기 연행 양상을 살펴보았다. 각 지점별 형상변화에 따라 유속과 연행공기 흐름이 어떻게 변화하는지 살펴보기 위하여 (1)~(4) 지점의 수심 평균 유속 및 연행공기 체적률을 관측하였다. 수치해석을 위한 지형과 격자망은 Fig.
1에서 제시한 기본 설계안은 차단벽을 통과하는 유속을 1 m/s정도로 유지하고 일정정도 잠김 깊이를 확보하기 위해 이론적으로 설계한 단면이며, 수치모의를 통하여 거품저감 효과를 보다 향상시킬 수 있는 단면형상을 찾기로 하였다. 계산 효율성을 고려하여 2차원 해석을 수행하였으며, 2차원 해석에서는 감세유공판 반영이 불가하여 고려하지 않았다. Fig.
그러나 본 연구에서의 해석대상 영역은 아직 건설되지 않은 구조물로 현장 실측자료가 없다. 따라서 병행 수행한 축소모형 실험(오 등, 2008 참고)에서의 수위 및 유속 관측결과를 비교하며 보정하였다. 이 모형 실험 역시 바닥 마찰계수가 반영되지 않고 scale effect 등의 영향으로 현장 조건을 정확히 재현하는데 한계가 있었으나, 수치모형에서의 결과와 모형실험 결과가 유사하게 나타났으며, 전반적으로 합리적인 계산결과가 도출되고 있는 것으로 파악되었다.
2에서의 (c)와 (d) 지점의 높이를 결정하기로 하였다. 설계 기준에 따라 소수력발전 운전 정지 수위를 기준으로 검토하였으며, 고조시 공기 이동을 차단하는 구간인 관측점 (3) 지점과 외해 지점인 (4) 지점만 관측하였으며, 관측점 (1) ~ (2)는 고조시 흐름이 거의 없으므로 관측하지 않았다. 실험 결과, Case 3은 Table 2에서 보는 바와 같이 (c) 지점의 높이만 다르고 수중 방류구 단면적의 크기가 모두 같으므로 각 조건별 방류 유속의 차이는 없었으며, Fig.

이론/모형

이러한 거품저감 방류구조의 설계를 위하여 수리모형실험과 수치모의실험을 수행하였는데, 본 연구에서는 수치모의 실험을 통하여 거품 발생을 최소화할 수 있는 차단벽의 높이를 산정하였다. 수치모의에는 3차원 유동해석 프로그램인 FLOW-3D(Flow Science, 2006)를 이용하였다.
공기속의 먼지나 물속의 실트의 거동은 상대 속도가 작아 표류(drift)한다고 표현할 수 있다. 이러한 표류 유속 계산을 위해 Drift-flux 모형을 사용한다. 이 모형은 요소간의 상대 거동을 개개의 불연속 요소가 아닌 하나의 연속체로 가정할 수 있다는 것에 기인한다.

성능/효과

0 m, 즉 월류보가 없는 것으로 결정하였다. 마찬가지로 (b)지점 높이 결정을 위한 Case 2 실험을 수행하였으며, 실험 결과 차단벽이 없는 경우(Case 2-1)와 잠김 깊이가 얕은 경우(Case 2-2)에는 공기 차단효과가 작아 외해로의 연행 공기 유출이 상대적으로 많았다. 이번 경우에도 Case 1-3이 외해 유출이 가장 작은 것으로 확인되었다.
설계 기준에 따라 소수력발전 운전 정지 수위를 기준으로 검토하였으며, 고조시 공기 이동을 차단하는 구간인 관측점 (3) 지점과 외해 지점인 (4) 지점만 관측하였으며, 관측점 (1) ~ (2)는 고조시 흐름이 거의 없으므로 관측하지 않았다. 실험 결과, Case 3은 Table 2에서 보는 바와 같이 (c) 지점의 높이만 다르고 수중 방류구 단면적의 크기가 모두 같으므로 각 조건별 방류 유속의 차이는 없었으며, Fig. 10~11을 보면 연행공기의 유출률은 차이가 미약하나 Case 3-1의 경우가 비교적 작은 것으로 나타났다. 그리고 Fig.
5는 EL.+3.9 m 월류보에서 1차 월류 시작 후 100초간 각 관측점을 통과하는 연행공기 체적비의 변화양상을 나타낸 것으로 2차 월류보가 없는 Case1-3의 경우가 낙하구간에서 공기 연행률이 낮아 전체적으로 연행공기 분포율이 작게 나타났다. Fig.
월류보가 있는 경우 낙하고를 증가시켜 관입깊이가 크게 나타나는 반면, 없는 경우에는 흐름방향이 수면과 수평에 가까워 관입깊이가 작아짐에 따라 공기 연행률이 현저히 줄어드는 것을 알 수 있었다. 각 조건별로 통과 유속을 비교한 결과 각 관측점별 단면적의 변화가 없어 유속의 차이는 거의 없었으며, 저조시 거품 차단구간인 관측점 (2)에서의 수심평균 유속이 약 1 m/s 내외로 나타났다.
12의 흐름 양상을 보면 (c) 지점의 높이가 높은 Case 3-1의 경우 주요 흐름 구간이 수면 근처에서 형성되어 저조용 차단벽 상부를 통과하고, Case 3-2~3-3의 경우 첫 번째 차단벽을 통과한 후 흐름 구간이 낮아지면서 저조용 차단벽 하부로 대부분의 유량이 방류된다. 따라서 Case 3-2 ~ 3-3의 경우 수중에 연행 공기가 분포하며 거품 부상이 늦어 거품의 외해 유출 차단효과가 Case 3-1보다 떨어질 것으로 보이며, Case 3-1의 경우 두 번째와 세 번째 차단벽 사이에 주요 흐름구간이 형성되어 감세공등의 구조물을 설치하면 거품의 유출 차단효과를 높일 수있을 것으로 보인다. 따라서 Case 3 실험 결과 (c) 지점의 높이를 EL.
방류수의 낙하양상에 따라 공기연행률의 차이가 있고 차단벽의 잠김 깊이와 통과 유속에 따라 연행공기의 유출률이 달라지는데, 바닥 수심이 한정되어 있는 경우 차단벽의 잠김 깊이가 깊어질수록 방류구 단면적이 작아지므로 통과 유속이 커져 거품 유출률이 커지고, 유속을 줄이기 위해 잠김 깊이를 너무 얕게 해도 거품 유출 차단 효과가 떨어지므로 각 Case에 대한 비교를 통해 적정 단면을 설계할 필요가 있다. 본 연구에서는 다양한 Case에 대한 검토가 부족하기는 하였으나, 구조물 형상에 따른 공기 연행률과 유출률을 비교하여 거품의 발생 및 유출을 최소화시킬 수 있는 형상을 찾을 수 있음을 확인하였다. 설계 기준은 현장 여건 특히, 바닥 수심고와 월류양상 등에 따라 달라질 수 있으나, 수중 방류구 통과 유속은 1 m/s이내가 되도록 하고, 차단벽의 잠김 깊이는 최소한 수중 방류구 단면의 수직고 이상은 되어야 함을 알 수 있었다.
본 연구에서는 다양한 Case에 대한 검토가 부족하기는 하였으나, 구조물 형상에 따른 공기 연행률과 유출률을 비교하여 거품의 발생 및 유출을 최소화시킬 수 있는 형상을 찾을 수 있음을 확인하였다. 설계 기준은 현장 여건 특히, 바닥 수심고와 월류양상 등에 따라 달라질 수 있으나, 수중 방류구 통과 유속은 1 m/s이내가 되도록 하고, 차단벽의 잠김 깊이는 최소한 수중 방류구 단면의 수직고 이상은 되어야 함을 알 수 있었다.
따라서 병행 수행한 축소모형 실험(오 등, 2008 참고)에서의 수위 및 유속 관측결과를 비교하며 보정하였다. 이 모형 실험 역시 바닥 마찰계수가 반영되지 않고 scale effect 등의 영향으로 현장 조건을 정확히 재현하는데 한계가 있었으나, 수치모형에서의 결과와 모형실험 결과가 유사하게 나타났으며, 전반적으로 합리적인 계산결과가 도출되고 있는 것으로 파악되었다. Fig.

후속연구

9 m 높이의 월류보로부터 2단 낙하하는 구조를 채택하고, 수중에 관입된 거품이 수표면으로 부상한 후에 외해로 유출되는 것을 차단하기 위해서 2중 차단벽(Curtain wall) 형식으로 설계한 것이 특징이다. 또한, 월류보에서 1차 낙하한 방류수가 2차 낙하할 때의 에너지를 소산시키고 간조시 거품의 수중 관입깊이를 감소시키기 위해 Fig. 1에 보인 것처럼 2차 낙하 위치에 수평 유공판 구조를 설치할 계획이다. 이러한 거품저감 방류구조의 설계를 위하여 수리모형실험과 수치모의실험을 수행하였는데, 본 연구에서는 수치모의 실험을 통하여 거품 발생을 최소화할 수 있는 차단벽의 높이를 산정하였다.
본 모형의 보정과 검증을 위해서는 현장 실측자료를 바탕으로 바닥 마찰계수, 공기연행해석모형의 비례상수 등의 보정과 초기 조건, 경계 조건 등이 적절히 부여되었는지 확인해 볼 필요가 있다. 그러나 본 연구에서의 해석대상 영역은 아직 건설되지 않은 구조물로 현장 실측자료가 없다.
향후 본 연구에서 부족했던 공기연행 수치모형의 검증 과정을 수리모형실험 결과와의 비교를 통해 보완하여 실제 현장 적용시 보다 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있도록 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화력 및 원자력발전소에서 사용된 냉각수는 다시 바다로 배출되는데, 이 과정에서의 문제점은?	화력 및 원자력발전소는 대량의 냉각수를 필요로 하기 때문에 해안가에 위치하여 해수를 냉각수로 사용하고 있다. 사용된 냉각수는 방수로를 통해 다시 바다로 배출되는데, 이 과정에서 온배수 방류 및 거품 발생의 두 가지 중요한 환경 문제가 발생한다. 온배수 방류로 인한 환경 문제는 그 동안 현황과 대책에 관하여 많은 연구가 이루어져 왔으나, 거품 발생 문제에 대한 연구는 거의 이루어진 바가 없다.
	화력 및 원자력발전소가 해안가에 위치하는 이유는?	화력 및 원자력발전소는 대량의 냉각수를 필요로 하기 때문에 해안가에 위치하여 해수를 냉각수로 사용하고 있다. 사용된 냉각수는 방수로를 통해 다시 바다로 배출되는데, 이 과정에서 온배수 방류 및 거품 발생의 두 가지 중요한 환경 문제가 발생한다.
	발전소 방수로의 거품 발생저감 구조 설계를 위해서 무엇이 필요한가?	발전소 방수로의 거품 발생저감 구조 설계를 위해서는 방류되는 냉각수의 유동양상은 물론 공기 연행률과 연행 공기의 수중 거동양상 해석이 필요하다. 현재 3차원 유동 해석에 널리 쓰이고 있는 RANS(Reynolds Averaged NavierStokes) 모형 중 FLOW-3D 모형은 계산격자 내에 존재하는 고체와 유체를 구분하는 FAVOR 기법과 자유표면 추적을 위한 VOF 기법이 최초로 적용되어 자유수면을 포함하는 유동해석에 탁월하며, 특히 공기연행 해석모형과 밀도가 서로 다른 유체의 혼합거동 해석모형인 Drift-flux 모형을 포함하고 있어 이러한 거품 발생저감 구조 설계에 이용될 수 있다.

참고문헌 (11)

오상호, 오영민, 강금석, 김지영 (2008). 발전소 수중방류구조 내 수평유공판 설치에 따른 거품발생 저감효과에 관한 실험적 연구. 한국해안.해양공학회논문집, 20(5), 472-481

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한국전력공사 전력연구원 (2002). 발전소 방류구의 수리학적 거품저감방안 연구
한국전력공사 전력연구원 (2006). 보령화력발전소 취배수구해수 및 거품의 성질
한국전력공사 전력연구원 (2007). 보령화력발전소 배수로 거품저감구조 설계 보고서
한국전력기술주식회사 (1994). 발전소 가동시 배수구 주위에 발생되는 거품저감대책
한국전력기술주식회사 (2006). 보령화력 1-6호기 온배수 활용 소수력 발전설비 검토
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Souders, D. T. and Hirt, C. W. (2004). Modeling Entrainment of Air at Turbulent Free Surfaces. World Water Congress 2004, ASCE, Salt Lake City, USA
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福原華一 (1990). 復水器冷却水水路系の發泡防止對策設計. 財團法人電力中央硏究所硏究報告
電力土木技術協會 (1995). 火力.原子力發電所土木構造物の設計

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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