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문제 정의
- 본 연구에서는 발전소 배수로와 같은 인공수로의 수위, 유량 예측 및 통수능 확보 설계에 이용되는 여러 방법들의 적용 결과를 확인할 수 있었다. 기존의 설계 방법은 공히 통수능의 관점에서 설계 여유치를 갖고 있었는데, 본 연구 결과를 활용한다면 신규 발전소 설계시 이러한 여유치를 합리적으로 줄여 공사비 절감 효과를 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 해양소수력 발전소 건설시 가장 중요한 문제인 기존 화력발전소의 순환수 계통에 미치는 영향을 평가하기 위한 방안으로서 배수로 수위의 해양소수력 건설 이전, 건설 중, 건설 이후 해양소수력 운전 상태에서의 변화를 예측한 값과 실제 계측값을 분석하였다. 설계시 일반적으로 이용되는 위어방정식, 개수로 수리식에서부터 Flow 3D를 이용하여 3차원적인 수리해석 기법을 이용하는 것까지 다양한 예측을 시도하였고, 이를 관측을 통하여 검증하고자 하였다.
제안 방법
-
0006, 0.0011로 Weir 하류구간이 가장 완만한 경사를 가지고 있으며, Weir 상류구간은 구간내에서도 상류방향으로 갈수록 경사가 증가하고 있다(한국전력공사, 1994, 1996; 한국남동발전(주), 2005).
2003년부터 2008년까지 삼천포 화력 6개호기의 호기별 가동-정지 기간과 순환수펌프(CWP)의 가동대수을 분석하여 정격 냉각수량을 파악하였다(Fig. 2)
. 정격 냉각수량은 저 조위시 유량으로 최소 유량이며, 실제 냉각수량은 조위의 상승에 따라 증가하게 된다. - 따라서, 삼천포 화력발전소의 설계시부터 증설에 이르기까지 방류수로의 수위변화를 평가한 선행 결과를 모두 조사하였다. 삼천포화력발전소는 1980년대에 설계되어 설계 시점에 따라 이용식 및 해석프로그램이 변화하여 왔다.
- 표준위어방정식, Honma식, HEC-2, HEC-RAS, FLOW-3D가 이용되었으며, 각각의 결과는 Table 1과 같다. 방류수로 수위 중 비교 지점으로서 방수로 중간에 위치하는 위어 직상 류부를 선택하였으며, 이 지점에서 소수력 건설 이전부터건설 후까지 수위계측이 이루어졌다(Fig. 1, Fig. 3). 또한, 소 수력 개발의 여러 단계에서 예측한 소수력 설치에 따른 배수로의 수위 변화량을 Table 2에 제시하였다.
- 배수로 설계에 있어서 주요 관심사항은 온배수의 원할한 배제를 위한 통수능 확보와 순환수 계통의 안정성 확보를 위한 사이폰 유지 여부 그리고, 배수로 하류의 해양의 조석 및 파랑의 배수로에로의 전파 여부이다. 홍경욱(2002)은 기력발전소의 배수암거에서의 부정류를 수치모의한 바 있다.
- 정격 냉각수량은 저 조위시 유량으로 최소 유량이며, 실제 냉각수량은 조위의 상승에 따라 증가하게 된다. 본 연구에서는 CWP의 성능곡선에서 조위변화를 반영하여 계산한 값을 이용하였으며, 펌프 성능곡선에서 고조위, 저조위시 최대, 최소 값으로부터 선형식으로 계산하였다. 배수로 수위 관측 결과(Fig.
- 본 연구에서는 해양소수력 발전소 건설시 가장 중요한 문제인 기존 화력발전소의 순환수 계통에 미치는 영향을 평가하기 위한 방안으로서 배수로 수위의 해양소수력 건설 이전, 건설 중, 건설 이후 해양소수력 운전 상태에서의 변화를 예측한 값과 실제 계측값을 분석하였다. 설계시 일반적으로 이용되는 위어방정식, 개수로 수리식에서부터 Flow 3D를 이용하여 3차원적인 수리해석 기법을 이용하는 것까지 다양한 예측을 시도하였고, 이를 관측을 통하여 검증하고자 하였다.
- 소수력 건설 전후의 배수로 수위 상승량을 분석하였다. 정격 냉각수량이 130 cms일 때 소수력 건설 이후(건설 중과 시운전 상태 모두 포함) 평균 수위는 4.
- 해양 소수력 건설 이전, 2004년 12월 14일부터 2005년 2월 19일까지와 2005년 11월 16일부터 12월 17일까지 10분 간격으로 위어 상류의 수위를 측정하였다. 2004년 관측결과는 정격 냉각수량이 84.
- 해양소수력 건설을 완료하고 시운전 상태였던 2006년 12월 6일 부터 2007년 1월 4일까지 1분 간격으로 배수로 위어 상류의 수위를 계측하였다(Fig. 9 - 10, Table 5). 2006 년 12월 6일부터 10일까지는 5호기가 정지상태였으며 12월 11일부터는 동계운전으로 1~6호기 모두 순환수 펌프가 각각 2대 운전상태이었다.
- 본 연구에서는 해양소수력 발전소 건설시 가장 중요한 문제인 기존 화력발전소의 순환수 계통에 미치는 영향을 평가하기 위한 방안으로서 배수로 수위의 해양소수력 건설 이전, 건설 중, 건설 이후 해양소수력 운전 상태에서의 변화를 예측한 값과 실제 계측값을 분석하였다. 설계시 일반적으로 이용되는 위어방정식, 개수로 수리식에서부터 Flow 3D를 이용하여 3차원적인 수리해석 기법을 이용하는 것까지 다양한 예측을 시도하였고, 이를 관측을 통하여 검증하고자 하였다.
- 해양소수력이 건설 중이었던 2006년 9월 5일부터 10월 26일까지 10분 간격으로 배수로 위어 상류 수위를 관측하였다. 1~6호기 순환수펌프 모두 가동상태로 정격유량은 130 cms, 최대 유량은 156.
이론/모형
- 삼천포화력발전소는 1980년대에 설계되어 설계 시점에 따라 이용식 및 해석프로그램이 변화하여 왔다. 표준위어방정식, Honma식, HEC-2, HEC-RAS, FLOW-3D가 이용되었으며, 각각의 결과는 Table 1과 같다. 방류수로 수위 중 비교 지점으로서 방수로 중간에 위치하는 위어 직상 류부를 선택하였으며, 이 지점에서 소수력 건설 이전부터건설 후까지 수위계측이 이루어졌다(Fig.
성능/효과
- 17m) 이내로서 소수력 건설에 따른 배수로의 통수능에는 지장이 없는 것을 확인하였다. 그러나, 통수능의 관점에서는 설계치 이내이지만, 배수로 상류의 수위가 증가하면 순환수의 유량 감소, 순환수펌프의 동력 증가, 양정고 증가를 유발하여 순환수 계통에 영향을 주므로 냉각수량이 클 때는 상부 배수로의 수위 증가를 초래하지 않을 만큼 소수력의 운전수위를 낮추어 운영할 필요성이 있음을 확인하였다.
- 15), 소수력 건설 이전의 경우, 수위변화 예측값은 표준위어식과 Honma식의 예측이 가장 작은 값을, HEC-2가 가장 큰 값을, HEC-RAS가 중간값을 보였다. 그리고, 관측값과 비교해 보면 오히려 가장 단순한 식들인 표준위어식과 Honma 식과 유사하며, HEC-2, HEC-RAS는 과다 예측한 결과를 보이고 있다. 선형 회귀식으로 볼 때 전체적으로 예측값과 관측값의 차이가 0.
- 5, Table 3). 또한, 관측 결과와 기존의 설계자료에서 예측한 결과(Table 1)를 비교해 보면, 비교적 잘 일치하고, 기존의 설계 중 과소 예측한 사례는 없었으며, 대부분 몇십 cm 정도 과다 예측하고 있었다. 통수능의 관점에서 fouled condition을 채택한 점을 고려한다면 상당히 근사하게 예측하였다는 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 CWP의 성능곡선에서 조위변화를 반영하여 계산한 값을 이용하였으며, 펌프 성능곡선에서 고조위, 저조위시 최대, 최소 값으로부터 선형식으로 계산하였다. 배수로 수위 관측 결과(Fig. 4, Fig. 6)와 비교해 보았을 때, 냉각수량의 변화와 수위 변화 패턴 이 매우 정확하게 일치하며, 조위의 변화에 따른 냉각수량 의 증감 주기와 배수로 수위 증감 주기가 일치하여 비교적 정확한 냉각수량 자료라 판단된다.
- 배수로 위어에서의 수위변화 예측값과 관측값을 비교한 결과, 소수력 건설 이전에 대해서는 오히려 가장 단순한 식들인 표준위어식과 Honma 식 이 관측값과 유사하며, HEC-2, HEC-RAS는 과다 예측한 결과를 보이고 있으나, 소수력 건설 이후에 대해서는 HEC2, HEC-RAS, Flow-3D를 이용한 예측값들이 실측치에 가까운 결과를 보였다.
- 13에 작성하였다. 선형 회귀식으로 나타내었으며 건설 이전과 이 후 약 50 cm의 차이를 보이고 있고 유량이 증가할수록 편차가 커지는 특성을 보였다. 유량-수위 관계식은 건설 이전에는 y = 0.
- 소수력 건설 전후의 수위 예측값과 관측값을 비교해 보면(Fig. 14, Fig. 15), 소수력 건설 이전의 경우, 수위변화 예측값은 표준위어식과 Honma식의 예측이 가장 작은 값을, HEC-2가 가장 큰 값을, HEC-RAS가 중간값을 보였다. 그리고, 관측값과 비교해 보면 오히려 가장 단순한 식들인 표준위어식과 Honma 식과 유사하며, HEC-2, HEC-RAS는 과다 예측한 결과를 보이고 있다.
- 이것은 낙조시 수위 강하가 일어나며 소수력 하류부 자연 호안 배수로의 배수조건이 매우 양호할 때 일시적으로 나타나는 현상으로 판단된다. 소수력 발전에서는 0.5 m의 낙차도 전체 출력에서 차지하는 비중이 크므로 소수력 설계시 흡출관 하류부의 원할한 배수 상태 확보가 매우 중요함을 확인하였다.
- 소수력을 가동함에 따라 배수로의 흐름 구조가 건설 전에 비하여 상대적으로 불안정해졌음을 확인하였다. 기존 위어부와 배수로 말단 낙차부에서 발생한 수면파와 소수력수 차의 급정지, 수문의 개폐에 의한 압력파가 배수로 상류까지 일부 전파되고 있는 것으로 판단된다.
- 해양소수력 발전소 건설시 가장 중요한 문제인 기존 화력발전소의 순환수 계통에 미치는 영향을 평가하기 위한 방안으로서 배수로 수위의 해양소수력 건설 이전, 건설 중, 건설 이후 해양소수력 운전 상태에서의 변화를 예측한 값과 실제 계측값을 분석하였다. 예측치와 실제 관측치의 비교 결과, 수위의 전체적인 평균값은 예측치와 관측치가 유사 하였지만 수위의 변화폭은 건설 중과 해양소수력 운전 상태에서 매우 크게 나타났다. 배수로 위어에서의 수위변화 예측값과 관측값을 비교한 결과, 소수력 건설 이전에 대해서는 오히려 가장 단순한 식들인 표준위어식과 Honma 식 이 관측값과 유사하며, HEC-2, HEC-RAS는 과다 예측한 결과를 보이고 있으나, 소수력 건설 이후에 대해서는 HEC2, HEC-RAS, Flow-3D를 이용한 예측값들이 실측치에 가까운 결과를 보였다.
- 그러나 소수력 발전소의 성능평가를 위해 댐 상류와 하류 방수부의 수위 계측이 이루어져 외해 조위와 소수력의 방수위를 비교할 기회를 갖게 되었는 데, 2007년 1월부터 2월까지 외해 조위와 소수력 방수위가 동시에 관측되었다. 외해조위와 소수력 방수위 관측 결과를 살펴보면, 만조시에는 소수력 방수위와 외해조위가 일치하는데, 간조시에는 소수력 방수위가 약 0.5 m 정도 높게 나타나고 있었다(Fig. 11). 이는 간조시에 소수력 하류부 수로의 수심이 충분하지 못하여 배수를 위한 수면경사가 필요한 것으로서 실제로 간조시 소수력 발전소 출력 저하가 발생하였다.
- 즉, 냉각수 순환수 펌프는 저조시 유량이 적고, 고조시 유량이 증가하는데, 고조시 수위가 저조시보다 크며, 조석의 주기와 정확히 일치함을 관측결과는 잘 보여주고 있다(Fig. 6).
- 181 m를 보였다. 평균 수위는 소수력 건설 전 실측치 4.61 m(Table 3) 대비 0.215 m 상승하였고, 소수력 건설 후의 예측치 4.7 m ~ 5.17 m(Table 2)와는 평균값에서 비슷한 결과를 보였다. 그러나, 배수로 수위의 변화율은 소수력건설 이후에 매우 크게 나타났다.
- 15). 하지만, 소수력 건설 이후에 대한 설계 값(Table 1, Table 2)은 건설 중과 시운전 중의 특이값 들을 제외하면 관측치가 최대 설계치(5.05 m, 5.17m) 이내로서 소수력 건설에 따른 배수로의 통수능에는 지장이 없는 것을 확인하였다. 그러나, 통수능의 관점에서는 설계치 이내이지만, 배수로 상류의 수위가 증가하면 순환수의 유량 감소, 순환수펌프의 동력 증가, 양정고 증가를 유발하여 순환수 계통에 영향을 주므로 냉각수량이 클 때는 상부 배수로의 수위 증가를 초래하지 않을 만큼 소수력의 운전수위를 낮추어 운영할 필요성이 있음을 확인하였다.
- 한편, HEC-RAS의 해석(Table 2)은 소수력의 운전에 따른 하류의 수위변화에도 배수로 위어부의 수위변화가 발생 하지 않는다고 예측하였고, Flow-3D 해석 결과는 하류의 수위 변화에 연동하여 배수로 위어부 수위가 변화하였는데, 관측 결과를 살펴볼 때, Flow-3D의 해석 결과가 합리적인 것으로 판단된다. HEC-RAS 해석에서는 소수력 건설 이전의 배수로 상류 수위를 당초 크게 가정하였기 때문에 소수력 건설시에도 배수로 상류의 수위변화가 초래되지 않았던 것이다.
- 한편, 소수력 건설 전후의 수위 변화량에 대하여 계산값에서는 0.10 m ~ 0.15 m 증가할 것으로 예측되었지만, 실제 계측 결과는 수위 증가량이 0.23 m ~ 0.34 m로서 예측 값보다 약 2배 정도 크게 나타나, 소수력 건설에 따른 수위변화량에 대해 설계시 과소 예측을 한 것으로 나타났다 (Fig. 14, Fig. 15). 하지만, 소수력 건설 이후에 대한 설계 값(Table 1, Table 2)은 건설 중과 시운전 중의 특이값 들을 제외하면 관측치가 최대 설계치(5.
후속연구
- 본 연구에서는 발전소 배수로와 같은 인공수로의 수위, 유량 예측 및 통수능 확보 설계에 이용되는 여러 방법들의 적용 결과를 확인할 수 있었다. 기존의 설계 방법은 공히 통수능의 관점에서 설계 여유치를 갖고 있었는데, 본 연구 결과를 활용한다면 신규 발전소 설계시 이러한 여유치를 합리적으로 줄여 공사비 절감 효과를 도모할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 해양소수력의 설계시 이러한 설계 여유치를 이용 가능하다는 것이 입증되었으며, 댐식 소수력발전소의 경우, 건설 중 및 시운전시 기존 화력발전소 순환수 계통에 일시적으로 영향을 줄 수 있다는 것이 발견되어 향후 건설계획에 이러한 문제에 대한 대비책이 반영되어야 할 것으로 판단된다.
- 기존의 설계 방법은 공히 통수능의 관점에서 설계 여유치를 갖고 있었는데, 본 연구 결과를 활용한다면 신규 발전소 설계시 이러한 여유치를 합리적으로 줄여 공사비 절감 효과를 도모할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 해양소수력의 설계시 이러한 설계 여유치를 이용 가능하다는 것이 입증되었으며, 댐식 소수력발전소의 경우, 건설 중 및 시운전시 기존 화력발전소 순환수 계통에 일시적으로 영향을 줄 수 있다는 것이 발견되어 향후 건설계획에 이러한 문제에 대한 대비책이 반영되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 해양소수력 설계시 흡출관 하류부의 원할한 방류가 보장되어야 함을 발견하였다.
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