[논문]방류수의 수위 및 유량 분석을 통한 해양 소수력 성능평가

강금석; 김지영; 유무성

방류수의 수위 및 유량 분석을 통한 해양 소수력 성능평가
Performance Evaluation of Ocean Small Hydropower Plant by Analyzing Water Level and Flow Rate of Circulating Water 원문보기

신재생에너지 = New & Renewable Energy, v.5 no.3, 2009년, pp.32 - 39

강금석 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 김지영 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 유무성 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The Samcheonpo ocean small hydropower plant (SHP) has a special feature of using marginal hydraulic head of circulating water system of fossil fuel power plant as a power source and having the characteristics of general hydropower generation and tidal power generation as well. Also, it contributes to reducing green house gases and developing clean energy source by recycling circulating water energy otherwise dissipated into the ocean. The efficiency of small hydropower plant is directly affected by effective head and flow rate of discharged water. Therefore, the efficiency characteristics of ocean hydropower plant are analyzed with the variation of water level and flow rate of discharged water, which is based on the accumulated operation data of the Samcheonpo hydropower plant. After the start of small hydropower plant operation, definite rise of water level was observed. As a result of flow pattern change from free flow to submerged flow, the instability of water surface in overall open channel is increased but it doesn't reach the extent of overflowing channel or having an effect on circulation system. Performance evaluation result shows that the generating power and efficiency of small hydropower exceeds design requirements in all conditions. Analysis results of CWP's water flow rate verify that the amount of flowing water is measured less and the highest efficiency of small hydropower plant is achieved when the effective head has its maximum value. In conclusion, efficiency curve derived from water flow rate considering tidal level shows the best fitting result with design criteria curve and it is verified that overall efficiency of hydropower system is satisfactory.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

2003년부터 2007년까지의 CWP의 운전실적을 이용하여 각각의 유량조건에서의 최적 운전방안을 도출하였다. 운전시 정격 냉각수량분포는 Table 2와 같고, 동계에 유량이 적고 하계에 유량이 많으며 100cms 이상의 유량이 60% 정도를 차지한다.
2의 회귀식을 사용하였으며 6호기 Seal well의 수위는 삼천포 5,6호기 순환수계통 설계서⁽⁵⁾의 수위에 소수력 운전에 따른 수위 증가분을 반영하였다. CWP의 동력증가량은 1~6호기 각각의 CWP 성능곡선으로부터 양정고 변화에 따른 Brake Horse Power의 변화량으로 계산하였다. 이에 대한 결과값은 Table 3를 통하여 확인할 수 있다.
Table 2의 자료를 바탕으로 빈도수가 높은 대표적인 유량을 선택하여 계절적 변화를 포함하는 최적운전방안을 도출하였다. 먼저 최대 출력모드로 운전하는 조건을 산정하고 이에 대한 운전특성을 검토하였다.
^(1,4) 이와 함께 소수력발전 시의 수위변화에 의한 기존 순환수계통에의 영향을 평가하기 위하여 CWP(Circulating Water Pump)의 동력소모량을 측정하여야 한다. 다음으로 흐름특성 관측자료를 이용하여 예상 발전출력을 산정하고 이를 실제 측정된 발전량과 비교한다. 발전시스템 인수조건(10%로 가정) 이내의 차이를 보일 경우에는 합격으로 판정하나, 결과 값에 큰 차이가 발생할 경우에는 예상출력 산정방식의 적정성, 발전시스템의 성능확보 여부 등 원인분석을 실시한다.
즉, 냉각수 순환수 펌프는 저조시 유량이 적고, 고조시 유량이 증가하는데 이에 따라 고조시의 배수로 수위가 저조시 보다 높은 경향이 나타나며 이는 조위와 연동되는 뚜렷한 패턴을 보이고 있다. 따라서, CWP의 운전실적과 조위자료를 이용한 계산유량이 비교적 정확한 유량 자료로 판단되었으며, 본 연구에서 성능평가에 이 자료를 이용하였다.
이에 대한 결과값은 Table 3를 통하여 확인할 수 있다. 또한, 최대출력 모드와 더불어 안전모드로 운전하는 조건에서의 운전특성을 파악하였다. 안전모드 운전이란 완전월류 조건을 유지하기 위하여 배수로 위어의 수위를 소수력 건설이전상태로 유지하는 운전상태를 말한다.
Table 2의 자료를 바탕으로 빈도수가 높은 대표적인 유량을 선택하여 계절적 변화를 포함하는 최적운전방안을 도출하였다. 먼저 최대 출력모드로 운전하는 조건을 산정하고 이에 대한 운전특성을 검토하였다. 이는 현재 발전소의 운전상태로서 배수로 위어의 불완전 월류구조에 의한 하류의 수위변화가 바로 Seal well 위어까지 영향을 주는 운전조건이다.
발전소 완공 후 2007년 1월 22일부터 23일까지 성능시험을 수행하였다. 설계유량, 130cms에 근접하도록 CWP를 추가 기동하여 유량을 확보하였으며, 측정 시에는 대조평균간 조위(E.
본 연구에서는 수위, 유량, 조위 관측 자료를 이용하여 예상출력을 구하고 이를 실제 출력과 비교하여 성능평가를 시행하였으며, 발전소의 최적 운영방안을 도출하였다. 세계 최초로 상용화된 삼천포 해양소수력 발전소의 5개월간 운전실적 자료와 약 3년간의 수위, 조위 및 방류량의 관측자료를 이용하였다.
발전소 완공 후 2007년 1월 22일부터 23일까지 성능시험을 수행하였다. 설계유량, 130cms에 근접하도록 CWP를 추가 기동하여 유량을 확보하였으며, 측정 시에는 대조평균간 조위(E.L. -1.339m), 평균해수면(E.L. -0.03m), 대조평균만조위(E.L. +1.279m) 등 3개의 설계조위 부근에서 6개호기 수차를 동시에 가동하였다.
세계 최초로 상용화된 삼천포 해양소수력 발전소의 5개월간 운전실적 자료와 약 3년간의 수위, 조위 및 방류량의 관측 자료를 이용하여 성능평가를 시행하였으며, 발전소의 최적 운영방안을 도출하였다.
발전시스템 인수조건(10%로 가정) 이내의 차이를 보일 경우에는 합격으로 판정하나, 결과 값에 큰 차이가 발생할 경우에는 예상출력 산정방식의 적정성, 발전시스템의 성능확보 여부 등 원인분석을 실시한다. 이후 발전소 운영과정에서 1~3단계의 과정을 반복 수행하여 장기간의 성능평가 자료를 축적한다. 최종적으로는 축적된 자료를 분석하여 최적의 발전소 운영방안을 도출한다.
8에 나타내었다. 조위조건을 고려한 계산유량을 이용하였으며, 고출력에서는 효율이 보증치를 상회하지만 저출력에서는 보증치를 이하를 나타내었다. 전체적으로 삼천포 해양소수력발전시스템은 효율 측면에서 비교적 양호한 상태로 판단된다.

대상 데이터

본 연구에서는 수위, 유량, 조위 관측 자료를 이용하여 예상출력을 구하고 이를 실제 출력과 비교하여 성능평가를 시행하였으며, 발전소의 최적 운영방안을 도출하였다. 세계 최초로 상용화된 삼천포 해양소수력 발전소의 5개월간 운전실적 자료와 약 3년간의 수위, 조위 및 방류량의 관측자료를 이용하였다.

성능/효과

7과같이 삼천포 화력 소수력 수차는 설계사 보증치와 다소 차이가 있음을 발견하였다. 고낙차일때는 보증치보다 효율이 높고, 3m 이하의 저낙차일때는 보증치보다 효율이 낮게 나타나고 있었다. 출력 또한 동일한 특성을 보이고 있었다.
두 가지 운전조건에 대한 비교 결과, 104cms 이하의 저 유량 조건에서는 최대출력모드가 안전모드보다 유효출력이 높았으나 117cms 이상의 고 유량 조건에서는 안전모드의 유효 출력이 오히려 높게 나타났다. 즉, 고 유량 조건에서는 설계 운전 수위인 E.
둘째, 배수로의 수위 상승은 배수로 상류에서의 범람을 초래할 수 있으나 삼천포 화력의 경우에는 배수로 상류부의 범람을 방지하기 위해 5,6호기 설계 시 순환수량의 증가를 고려하여 배수로 벽면을 충분히 높였기 때문에 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
3% 감소한다. 따라서, 배수로의 수위가약 30cm 상승하고 모든 CWP가 가동된다면 약 180kW의 BHP가 증가하게 되며 유량은 약 1% 감소된다고 볼 수 있다.
삼천포 해양 소수력의 운전실적 분석 결과, 수위 측면에서는 최대낙차에서 최대효율을 갖고 유량은 정격유량에서 효율이 최대치를 보이고 있었다. 따라서, 삼천포 해양 소수력의 최대성능을 확보하기 위해서는 정격유량에 가까운 범위에서 최대낙차를 확보하는 방향으로 운전을 해야 하는 것으로 분석되었다. 또한, 현재 배수로 수위가 불안정한 상태이므로 이의 개선이 필요하며, 유량에 따라 운전모드의 변경이 필요함을 확인하였다.
출력 또한 동일한 특성을 보이고 있었다. 또한, 앞에서 언급한 바와 같이 실측유량을 적용할 경우는 효율이 비정상적으로 높으며, 실제유량에 보다 가까운 계산유량을 적용할 경우는 저낙차 구간에서 보증치 이하의 효율값을 보이고 있었다. 한편, 유량에 대해서는 정격유량에서 효율이 최대값을 보였으며, 각각의 낙차에 대하여 사용수량의 범위가 일정한 범위로 나타나 변유량-변낙차 운전을 하고 있음을 확인하였다⁽⁶⁾.
또한, 조위 변화와 출력, 효율과의 관계를 살펴보면 Fig. 6과 같이 간조 시 최대출력, 만조 시 최저출력을 보이고 효율 역시 간조 시 최대효율, 만조 시 최저효율을 보이고 있다.
따라서, 삼천포 해양 소수력의 최대성능을 확보하기 위해서는 정격유량에 가까운 범위에서 최대낙차를 확보하는 방향으로 운전을 해야 하는 것으로 분석되었다. 또한, 현재 배수로 수위가 불안정한 상태이므로 이의 개선이 필요하며, 유량에 따라 운전모드의 변경이 필요함을 확인하였다.
삼천포 해양 소수력의 운전실적 분석 결과, 수위 측면에서는 최대낙차에서 최대효율을 갖고 유량은 정격유량에서 효율이 최대치를 보이고 있었다. 따라서, 삼천포 해양 소수력의 최대성능을 확보하기 위해서는 정격유량에 가까운 범위에서 최대낙차를 확보하는 방향으로 운전을 해야 하는 것으로 분석되었다.
성능시험 결과를 살펴보면 Table 1과 같이 낙차와 유량보정을 실시할 경우, 최대출력, 평균출력, 최소출력 모든 부분에서 보증치를 상회하는 값을 보였으며, 효율 또한 같은 결과를 얻을 수 있었다. 그런데, 이 값은 제작사의 최대효율 보증치 84%를 상회하며 최고 효율의 경우 97%의 값을 보이는 등 설계 원리에 배반하는 현상이다.
그런데, 이 값은 제작사의 최대효율 보증치 84%를 상회하며 최고 효율의 경우 97%의 값을 보이는 등 설계 원리에 배반하는 현상이다. 성능시험 기간뿐만 아니라 5개월 간의 운전자료 분석시에도 동일하게 효율이 100%를 초과하는 구간이 빈번하게 나타나고 있었다.
셋째, 위에서 살펴본 바와 같이 현재 모든 호기의 Seal well 위어는 일반적인 가동조건에서(4개호기 이상 가동상태) 잠김위어 상태이므로, 소수력 발전소 건설에 따라 배수로 위어 상류부의 수위 상승이 조금이라도 이루어진다면, 이론적으로는 냉각수량의 감소와 CWP의 BHP가 증가함으로 추가 동력이 소모된다고 볼 수 있다. 그러나, 소수력 건설 이전에도 CWP의 가동대수의 변동 및 조위의 변화에 따라 냉각수량과 수위가 항상 변화하고 있는 상태였으므로, 소수력 건설에 따른 수위 변화가 큰 규모가 아니라면 순환수 계통의 안전에 큰 지장이 없을 뿐만 아니라 추가동력 소모량이나 냉각수 감소량 또한 전체 순환수 계통의 용량에 비해 매우 작은 양이기 때문에 시스템 내에서 용인될 수 있을 것으로 판단된다.
소수력 건설 전･후의 배수로 수위 상승량을 분석한 결과^(2,3), 정격냉각수량이 130cms일 때 소수력 건설 후의 배수로 수위는 평균 E.L. 4.825m, 최대값 E.L. 5.975m, 최소값 E.L. 4.181m 로서 소수력 건설 전 실측치 E.L. 4.6lm와 비교시 평균수위가 0.215m 상승하여 예측치 E.L. 4.7~E.L. 5.17m⁽⁶⁾와 비슷한 결과를 보였다. 그러나, Fig.
그 결과, 설계효율 보다 과다하게 상회하는 효율을 보이는 경우가 발생하게 된 것이다. 실측유량이 아니라 CWP 정격설계유량 130cms를 효율 계산에 적용하면, 설계사 보증효율과 1~2%의 사이에서 일치하는 값을 보이고 있었다. 즉, 소수력 발전소에서 실측한 유량 자료보다 CWP 특성으로부터 산출한 유량 자료가 더욱 정확한 것으로 판단된다.
조위조건을 고려한 계산유량을 이용하였으며, 고출력에서는 효율이 보증치를 상회하지만 저출력에서는 보증치를 이하를 나타내었다. 전체적으로 삼천포 해양소수력발전시스템은 효율 측면에서 비교적 양호한 상태로 판단된다.
즉, 고 유량 조건에서는 설계 운전 수위인 E.L 3.6m보다 낮게 운전하는 것이 합리적임을 알 수 있다.
실측유량이 아니라 CWP 정격설계유량 130cms를 효율 계산에 적용하면, 설계사 보증효율과 1~2%의 사이에서 일치하는 값을 보이고 있었다. 즉, 소수력 발전소에서 실측한 유량 자료보다 CWP 특성으로부터 산출한 유량 자료가 더욱 정확한 것으로 판단된다.
첫째, 배수로의 수위 상승은 순환수계통의 운전 정지 등 중대한 사고를 초래하지는 않을 것으로 판단된다. 그 이유는 CWP 작동시의 양정고 범위가 약 7m~15m 정도임에 비하여 배수로의 수위상승 폭은 상대적으로 작아 이것이 계통의 안전문제와는 직결되지 않기 때문이다.
2와 같이 배수로 수위의 변화율은 소수력 건설 이후에 매우 크게 나타남을 확인 하였다. 표준편차 값이 27.8cm로서 소수력 건설 전 편차가 2~3cm 내외인 점을 감안하면, 배수로 수위의 변화폭이 크고 매우 불안정한 구조임을 알 수 있다.

후속연구

1과 같다. 먼저 수차 및 발전기의 효율은 수위, 조위, 유량 등 흐름특성의 영향을 받기 때문에 이에 대한 정확한 분석을 위해서 발전소 운영과정에서 충분한 관측이 수행되어야 하며, 이러한 관측 자료의 신뢰성 확보를 위한 비정기적인 보완관측 또한 필요하다.^(1,4) 이와 함께 소수력발전 시의 수위변화에 의한 기존 순환수계통에의 영향을 평가하기 위하여 CWP(Circulating Water Pump)의 동력소모량을 측정하여야 한다.
즉, 기존 위어부와 배수로 말단 낙차부에서 발생한 수면파와 소수력 수차의 급정지, 수문의 개폐에 의한 압력파의 일부가 배수로 상류까지 전파되어 영향을 주기 때문이다. 본 소수력발전소가 위어부에서 불완전 월류구조를 채택함에 따른 당연한 결과이며, 위어부에서 완전월류 구조를 형성하도록 운전수위를 낮게 운전하여 위어부에서 사류(supercritical flow) 흐름을 만든다면 이러한 단파가 상류로 전파되는 것을 막을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배수로의 수위 상승에 의한 순환수 계통에의 영향은?	첫째, 배수로의 수위 상승은 순환수계통의 운전 정지 등 중대한 사고를 초래하지는 않을 것으로 판단된다. 그 이유는 CWP 작동시의 양정고 범위가 약 7m~15m 정도임에 비하여 배수로의 수위상승 폭은 상대적으로 작아 이것이 계통의 안전문제와는 직결되지 않기 때문이다. 둘째, 배수로의 수위 상승은 배수로 상류에서의 범람을 초래할 수 있으나 삼천포 화력의 경우에는 배수로 상류부의 범람을 방지하기 위해 5,6호기 설계 시 순환수량의 증가를 고려 하여 배수로 벽면을 충분히 높였기 때문에 문제가 되지 않을 것으로 판단된다. 셋째, 위에서 살펴본 바와 같이 현재 모든 호기의 Seal well 위어는 일반적인 가동조건에서(4개호기 이상 가동상태) 잠김위어 상태이므로, 소수력 발전소 건설에 따라 배수로 위어 상류부의 수위 상승이 조금이라도 이루어진다면, 이론적으로는 냉각수량의 감소와 CWP의 BHP가 증가함으로 추가 동력이 소모된다고 볼 수 있다. 그러나, 소수력 건설 이전에도 CWP의 가동대수의 변동 및 조위의 변화에 따라 냉각수량과 수위가 항상 변화하고 있는 상태였으므로, 소수력 건설에 따른 수위 변화가 큰 규모가 아니라면 순환수 계통의 안전에큰 지장이 없을 뿐만 아니라 추가동력 소모량이나 냉각수 감소량 또한 전체 순환수 계통의 용량에 비해 매우 작은 양이기 때문에 시스템 내에서 용인될 수 있을 것으로 판단된다.
	소수력 발전 시 최고의 성능을 발휘하기 위해서는 해야할 것은?	앞서 살펴본 바와 같이 삼천포 해양 소수력은 최대낙차에서 최대효율을 갖고 정격유량에서 최대 출력값을 보이고 있다. 따라서, 소수력 발전 시 최고의 성능을 발휘하기 위해서는 정격유량에 가까운 범위에서 최대낙차를 확보하는 방향으로 운전을 해야 한다. 즉, 화력발전소의 냉각수량에 맞추어 소수력의 가동 호기수를 조절하는 것이 유리하다.
	해양 소수력 발전소가 가동하는 단계에서 필요한 성능평가 절차는?	1과 같다. 먼저 수차 및 발전기의 효율은 수위, 조위, 유량 등 흐름특성의 영향을 받기 때문에 이에 대한 정확한 분석을 위해서 발전소 운영과정에서 충분한 관측이 수행되어야 하며, 이러한 관측 자료의 신뢰성 확보를 위한 비정기적인 보완관측 또한 필요하다.(1,4) 이와 함께 소수력발전 시의 수위변화에 의한 기존 순환수계통에의 영향을 평가하기 위하여 CWP(Circulating Water Pump)의 동력소모량을 측정하여야 한다. 다음으로 흐름특성 관측자료를 이용하여 예상 발전출력을 산정하고 이를 실제 측정된 발전량과 비교한다. 발전시스템 인수조건(10%로 가정) 이내의 차이를 보일 경우에는 합격으로 판정하나, 결과 값에 큰 차이가 발생할 경우에는 예상출력 산정방식의 적정성, 발전시스템의 성능확보 여부 등 원인분석을 실시한다. 이후 발전소 운영과정에서 1~3단계의 과정을 반복 수행하여 장기간의 성능평가 자료를 축적한다. 최종적으로는 축적된 자료를 분석하여 최적의 발전소 운영방안을 도출한다. 본 연구에서는 3년여 간의 관측자료를 바탕으로 도출된 최적 운전조건을 Table 3에 제시하였다.

저자의 다른 논문 :

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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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