수치모의를 통한 원자력 발전소 심층 취·배수 구조물 유·출입구 주변에서의 수리학적 흐름특성 고찰 Investigation of Hydraulic Flow Properties around the Mouths of Deep Intake and Discharge Structures at Nuclear Power Plant by Numerical Model원문보기
증기를 발생시켜 터빈(turbine)을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이며, 냉각수 순환 계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 외해로 배출시키는 형태를 취하고 있다. 최근 냉각수 취 배수 방식을 표층 취 배수 방식이 아닌 심층 취 배수 방식으로 변경하고 있는데, 기존 원전의 재순환 온도에 대한 영향을 최소화 하고, 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온배수 혼합효과를 높여 온배수에 의한 환경피해 범위를 최소화하기 위해서이다. 특히, 하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계획되는 발전소들도 심층 취 배수 방식을 도입할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취 배수 구조물의 입구 주변을 3차원전산유체역학 코드인 $FLOW-3D^{(R)}$로 모사하여 그 흐름특성을 분석하였다. 취수구(intake)의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개(Velocity cap), 배수구(diffuser)의 경우 방류수의 분사방향에 변화를 주어 모의하였으며, 그 결과 취수구의 경우 유속덮개에 의한 연직 유속성분의 현저한 감소로 인한 어류 유입영향을 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, 배수구 희석효과는 Jirka 및 Harleman이 제시한 2차원 온배수 프룸(frume)과 잘 일치 하는 것으로 나타났다.
증기를 발생시켜 터빈(turbine)을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이며, 냉각수 순환 계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 외해로 배출시키는 형태를 취하고 있다. 최근 냉각수 취 배수 방식을 표층 취 배수 방식이 아닌 심층 취 배수 방식으로 변경하고 있는데, 기존 원전의 재순환 온도에 대한 영향을 최소화 하고, 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온배수 혼합효과를 높여 온배수에 의한 환경피해 범위를 최소화하기 위해서이다. 특히, 하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계획되는 발전소들도 심층 취 배수 방식을 도입할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취 배수 구조물의 입구 주변을 3차원 전산유체역학 코드인 $FLOW-3D^{(R)}$로 모사하여 그 흐름특성을 분석하였다. 취수구(intake)의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개(Velocity cap), 배수구(diffuser)의 경우 방류수의 분사방향에 변화를 주어 모의하였으며, 그 결과 취수구의 경우 유속덮개에 의한 연직 유속성분의 현저한 감소로 인한 어류 유입영향을 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, 배수구 희석효과는 Jirka 및 Harleman이 제시한 2차원 온배수 프룸(frume)과 잘 일치 하는 것으로 나타났다.
A cooling system is indispensable for the fossil and nuclear power plants which produce electricity by rotating the turbines with hot steam. A cycle of the typical cooling system includes pumping of seawater at the intake pump house, exchange of heat at the condenser, and discharge of hot water to t...
A cooling system is indispensable for the fossil and nuclear power plants which produce electricity by rotating the turbines with hot steam. A cycle of the typical cooling system includes pumping of seawater at the intake pump house, exchange of heat at the condenser, and discharge of hot water to the sea. The cooling type of the nuclear power plants in Korea recently evolves from the conventional surface intake/discharge systems to the submerged intake/discharge systems that minimize effectively an intake temperature rise of the existing plants and that are beneficial to the marine environment by reducing the high temperature region with an intensive dilution due to a high velocity jet and density differential at the mixing zone. It is highly anticipated that the future nuclear power plants in Korea will accommodate the submerged cooling system in credit of supplying the lower temperature water in the summer season. This study investigates the approach flow patterns at the velocity caps and discharge flow patterns from diffusers using the 3-D computational fluid dynamics code of $FLOW-3D^{(R)}$. The approach flow test has been conducted at the velocity caps with and without a cap. The discharge flow from the diffuser was simulated for the single-port diffuser and multi-ports diffuser. The flow characteristics to the velocity cap with a cap demonstrate that fish entrainment can significantly be minimized on account of the low vertical flow component around the cap. The flow pattern around the diffuser is well agreed with the schematic diagram by Jirka and Harleman.
A cooling system is indispensable for the fossil and nuclear power plants which produce electricity by rotating the turbines with hot steam. A cycle of the typical cooling system includes pumping of seawater at the intake pump house, exchange of heat at the condenser, and discharge of hot water to the sea. The cooling type of the nuclear power plants in Korea recently evolves from the conventional surface intake/discharge systems to the submerged intake/discharge systems that minimize effectively an intake temperature rise of the existing plants and that are beneficial to the marine environment by reducing the high temperature region with an intensive dilution due to a high velocity jet and density differential at the mixing zone. It is highly anticipated that the future nuclear power plants in Korea will accommodate the submerged cooling system in credit of supplying the lower temperature water in the summer season. This study investigates the approach flow patterns at the velocity caps and discharge flow patterns from diffusers using the 3-D computational fluid dynamics code of $FLOW-3D^{(R)}$. The approach flow test has been conducted at the velocity caps with and without a cap. The discharge flow from the diffuser was simulated for the single-port diffuser and multi-ports diffuser. The flow characteristics to the velocity cap with a cap demonstrate that fish entrainment can significantly be minimized on account of the low vertical flow component around the cap. The flow pattern around the diffuser is well agreed with the schematic diagram by Jirka and Harleman.
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문제 정의
본 연구는 조석 및 파고를 제외한 상태에서 해석을 수행한 것으로 심층 취·배수시 구조물 주변의 흐름 특성을 파악하는데 중점을 두었다.
제안 방법
00 m 지점에 구조물을 설치하였다. Case 1과 2는 동일한 격자상에서 해석이 수행 되었으며 취수량은 13.50 m3/s, 경계조건으로 Zmax는 대기압, Zmin은 Wall, 그 외 나머지 모든 면은 Fluid Height로 처리하고 질량 원천요소(여기서는 mass sink)를 취수구 관내에 삽입하였고 초기조건의 수위는 EL.0.00 m로 설정하였다. Case 1은 Fig.
모의 영역은 온배수의 유출 방향을 고려하여 X축의 격자를 -30 m~150 m까지 설정하였으며 Y축은 -45 m~45 m까지 설정하였다. 경계조건으로 Zmax는 대기압, Zmin은 Wall로 설정하고 나머지 모든 면을 Fluid Height로 처리하였으며, 원천항(여기서는 mass source)을 삽입하여 32℃의 냉각수를 수중 유출시키도록 처리하였다.
1.2 배수구
배수구에서는 32℃의 냉각수가 13.50 m3/s의 방류량으로 23℃의 수중으로 유출되는 것으로 하여 해석을 수행하였다
.
본 연구에서는 2차원으로 작성된 설계도면을 바탕으로 3차원 CAD 소프트웨어인 Solid Edge를 이용해 3차원 도면을 작성한 후 STL 파일을 생성하여 FLOW-3D®에 입력시켰으며, 입력조건(수온, 취·배수량, 관경등)은 현 원자력 발전소에 적용된 값을 이용하였다.
본 연구에서는 원자력 발전소의 냉각시설 중 심층 취·배수 구조물의 유·출입구 주변의 기하학적 변화가 흐름특성에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 3차원 전산유체역학 코드인 FLOW-3D®를 이용하여 현상을 모사하였으며, 취수 구조물의 경우 연직취수 조건에서 유속 덮개(Velocity cap)의 유무에 따른 유동양상을, 배수 구조물의 경우 방류수의 분사 방향에 변화에 따른 유동양상과 온배수 확산에 따른 온도변화 양상을 비교·분석하였다.
0 m으로 설정하였다. 수평부분(Y-Dir.)으로는 배수구 중심(Y=0.0 m)과 -20.0 m 지점에 동일한 관측점을 설정하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 2차원으로 작성된 설계도면을 바탕으로 3차원 CAD 소프트웨어인 Solid Edge를 이용해 3차원 도면을 작성한 후 STL 파일을 생성하여 FLOW-3D®에 입력시켰으며, 입력조건(수온, 취·배수량, 관경등)은 현 원자력 발전소에 적용된 값을 이용하였다. 취수구는 사분면에서 냉각수를 취수하는 방식을 고려해 X, Y축으로 정사각형의 격자를 형성한 반면 배수구에서는 냉각수가 방류되는 방향으로 격자의 크기를 늘려 해석을 수행하였다. 취수구의 경우는 냉각에 필요한 해수를 취수하는 상황에서 발생하는 유동해석만을 수행한 반면 배수구의 경우는 냉각수를 수중 유출시키는데 있어 유동해석 뿐만 아니라 온배수 확산에 대한 온도변화 해석도 수행하였다.
취수구와 배수구에 각각 두 가지 형태의 구조물을 만들어 주변 흐름양상을 비교하는데 중점을 두었다. 3차원 수치모의는 3차원으로 모형화 된 기하학적 자료의 입력을 요구하게 된다.
취수구는 사분면에서 냉각수를 취수하는 방식을 고려해 X, Y축으로 정사각형의 격자를 형성한 반면 배수구에서는 냉각수가 방류되는 방향으로 격자의 크기를 늘려 해석을 수행하였다. 취수구의 경우는 냉각에 필요한 해수를 취수하는 상황에서 발생하는 유동해석만을 수행한 반면 배수구의 경우는 냉각수를 수중 유출시키는데 있어 유동해석 뿐만 아니라 온배수 확산에 대한 온도변화 해석도 수행하였다.
대상 데이터
2(b))는 Case 1과 관경은 같으나 취수관 위로 유속덮개가 씌워져 있어 수평방향으로도 취수가 가능하도록 설계되었다. Case 1의 상부 지름은 5.50 m로 설정하였고 Case 2의 덮개(cap) 높이는 2.50 m 지름은 8.50 m로 설정하여 해석을 수행하였다.
취수구 해석시 모형의 범위는 사분면에서 냉각수를 취수하는 방식을 고려하여 X, Y 방향으로 각각 60.00 m로 설정하였고 수심 20.00 m 지점에 구조물을 설치하였다. Case 1과 2는 동일한 격자상에서 해석이 수행 되었으며 취수량은 13.
이론/모형
유체의 속도성분에 따른 운동량 방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 표현된다.
성능/효과
(−)40.00 m 지점에 설치하여 해석을 수행한 결과물로 Fig. 14의 2차원 수로에서의 수중방류시 온배수의 확산 모식도(Jirka & Harleman, 1973)와 유사한 확산 양상을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 본 연구에서 수행한 수치모의는 현상을 잘 모사한 것으로 판단된다.
수직 방향 유속에서 Case 1이 해수면 방향으로 14° 위로 향하고 있어 Point 1, 8, 9, 15에서는 다른 관측점에 비해 빠른 유속을 나타내었지만 이 4개의 관측점을 제외한 부분에서는 0.100 m/s 미만의 유속 분포를 나타내었으며 부분적으로 확산으로 인해 음(−)의 값을 가지는 관측점도 확인되었다.
수치해석 결과 심층 취수구조물 주변 5.00 m 지점까지는 0.50 m/s 미만의 유속이 발생하였으며 동일지점의 유속을 비교하였을 시 수평 유속은 Case 1이 Case 2에 비하여 평균 0.067 m/s 느리게 나타난 반면 연직 성분 유속은 Case 2가 평균 0.014 m/s 느리게 나타났다. 심층 배수구조물의 방류시 1.
취수구와 배수구 각각 두 가지 안들을 비교하였을 때 동일한 관경에서 동일한 유량을 취·배수 하더라도 구조물의 형상에 따라 주변의 흐름특성은 상이하게 나타났다.
후속연구
본 연구는 조석 및 파고를 제외한 상태에서 해석을 수행한 것으로 심층 취·배수시 구조물 주변의 흐름 특성을 파악하는데 중점을 두었다. 향후 구조물 설치 지역의 조석 및 파고를 적용시켜 해석할 예정이며 이와 더불어 수리모형실험을 통한 비교, 분석 및 취·배수로 인한 세굴 및 퇴적에 관한 연구도 병행 될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 도입된 냉각수의 순환계통 방식은?
냉각수의 순환계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 해양으로 배출시키는 형태를 취하고 있다. 최근 新고리 1, 2호기, 新월성 1, 2호기 건설을 필두로 냉각수 취·배수 방식을 기존의 표층 취·배수 방식이 아닌 수심 10 m 이상에서 취수하고 배수하는 심층 취·배수 방식이 도입되고 있는데, 기존 원전의 재순환 온도에 대한 영향을 최소화 하고, 온배수 방류시 밀도차로 인한 부력으로 온배수 혼합효과를 높여 온배수에 의한 환경피해 범위를 최소화 할 수 있고, 하절기에 저층의 저온 냉각수를 취수할 수 있다는 이점 때문에 향후 계획되는 발전소들도 심층 취·배수 방식을 도입할 것으로 예상되고 있다(Fig. 1).
국내 화력 및 원자력 발전의 입지 조건에 따른 현황은 어떠한가?
특히, 증기를 발생시켜 터빈(turbine)을 회전시키는 화력 및 원자력 발전 계통에서 냉각시설은 필수적인 구조물이기 때문에 발전소는 대용량의 냉각수 확보가 중요한 입지 선정 요건으로 작용한다. 우리나라의 경우는 큰 하상계수로 인해 강우가 적은 겨울철이나 건기시에는 냉각수로 이용될 하천수가 부족하기 때문에 대부분 해안에 위치하고 있다. 냉각수의 순환계통은 일반적으로 해수를 취수하여 발전소 내의 복수기까지 유입시켜 증기와 열 교환 후 다시 해양으로 배출시키는 형태를 취하고 있다.
원자력 발전에 의한 국내 전력 의존도는 얼마나 되는가?
최근 원자력 발전에 의한 국내 전력 의존도는 지속적으로 증가하여 36%를 분담하고 있는 것으로 알려져 있으며, 원자력 발전소 건설에 있어 냉각수 순환이 용이한 부지 확보의 어려움으로 다수 호기가 밀집하게 되는 원자력 단지가 이루어지고 있는 추세이다. 현재 건설 중인 원전이 7기, 건설을 계획하고 있는 원전이 총 6기로 이 원전이 모두 완공되면 총 34개의 원전이 전력을 생산하게 되며, 원전 추가 건설을 통해 정부는 2030년 원자력 발전이 전체 발전량 가운데 59%를 차지하게 한다는 에너지 기본계획(제1차 국가에너지 기본계획)을 2008년 수립하였다.
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