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문제 정의
- 한편, 한국시설안전공단은 1994년 10월 성수대교 붕괴 사고 후 『시설물의안전관리에관한특별법』(이하 “시특법”이라함)에 의하여 삼풍 백화점 붕괴 사고가 발생한 해인 1995년 설립되었다. 공단은 교량, 터널, 댐, 항만, 상하수도, 건축물 등 주요 시설물의 정밀안전진단과 안전점검으로 시설물 안전을 확보하여 국민의 생명과 재산을 보호하고 국가경제의 지속적인 발전에 기여하는데 그 설립목적이 있다. 이에 따라 공단은 시특법 제7조 및 동법 시행령 제9조에 의해 주암댐 계통 1단계 광역상수도 시설물을 대상으로 제1회 정밀안전진단을 2008년도에 실시하였다.
- 또한, 주암 취수장에는 수격작용(waterhammer)을 완화시키기 위하여 펌프장 유입측과 유출측에 에어챔버(air chamber)가 각각 설치되었다. 본 연구는 주암 취수장에서 발생하는 수격현상에 관한 수치해석과 현장시험(field test)을 통하여 펌프장 및 관로 시스템의 안전성을 확인함에 목적이 있다. 이를 위하여 주암 취수장을 대상으로 수격현상에 관한 수치해석을 실시한 후 그 결과를 현장시험을 통해 검증하였고, 수치해석 및 현장시험 결과를 바탕으로 에어챔버 유무에 따른 효과를 분석하였으며, 수치해석을 통해 설계유량 공급 시 수도 시스템의 안전성을 평가하고, 현장시험을 통한 유지관리 방안을 제시하였다.
제안 방법
- 1호기 펌프가 단독으로 운전되다 정전 등에 의해 갑자기 정지되었을 때 발생하는 수격현상에 관하여 현장에서 이를 재현하여 실험하였다. 취수펌프 1대가 단독으로 운전되고 있을 때 펌프유출밸브의 개도는 100%로 완전히 개방된 상태로 운전되었으며, 취수펌프를 통한 유량은 약 131.
- 1호기와 3호기 펌프가 병렬로 운전되다 정전 등에 의해 갑자기 정지되었을 때 발생하는 수격현상에 관하여 현장에서 이를 재현하여 실험하였다. 취수펌프 2대가 병렬로 운전되고 있을 때 초기 펌프유출밸브의 개도는 100%로 완전히 개방된 상태로 운전되었고, 취수펌프를 통한 총 유량은 약 372,300㎥/일(=258.
- 본 연구는 주암 취수장에서 발생하는 수격현상에 관한 수치해석과 현장시험(field test)을 통하여 펌프장 및 관로 시스템의 안전성을 확인함에 목적이 있다. 이를 위하여 주암 취수장을 대상으로 수격현상에 관한 수치해석을 실시한 후 그 결과를 현장시험을 통해 검증하였고, 수치해석 및 현장시험 결과를 바탕으로 에어챔버 유무에 따른 효과를 분석하였으며, 수치해석을 통해 설계유량 공급 시 수도 시스템의 안전성을 평가하고, 현장시험을 통한 유지관리 방안을 제시하였다.
- 수치해석에 사용된 입력자료 및 에어챔버의 제원은 Table 1과 같다. 주암 취수장 유입부와 유출측에 설치된 에어챔버의 수격 완화 효과를 분석하기 위하여 에어챔버가 설치되었을 경우와 설치되지 않았을 경우에 대한 수치해석을 각각 수행하였다.
- 주암댐 계통 광역상수도 1단계 사업은 주암호를 수원으로 주암 취수장에서 520,000 ㎥/d의 원수(raw water)를 취수하여 화순 정수장, 덕남 정수장 및 몽탄 정수장에 공급하고, 정수장에서 생산한 수돗물을 광주시, 목포시, 나주시, 화순군 일원에 공급하기 위해 계획 설계되었다. 이 수도 시설물 중 주암 취수장은 유입관로에 작용하는 주암댐의 자연수압을 최대한 활용하기 위하여 흡수정(sump)을 사용하지 않고 취수펌프가 관로 도중에 직접 설치되는 인라인 펌프장(in-line pumping station)의 형태로 설계되었다.
- 9m 구간을 조절지로 활용하였다. 펌프운영 패턴은 주 펌프(2,100kW)는 24시간 가동하고, 보조펌프(1,350kW)는 수위 변동에 따라 기동ㆍ정지를 반복해 22,000㎥ 이상의 물을 상시 저류시킬 수 있도록 하였다. 2011년 1월부터 6월까지 6개월간 장대터널을 조절지화 해 얻어진 운영효과를 분석해보면 유형효과 측면에서는 펌프 출구측 밸브 교축을 조절 없이 100%로 운영해 전력비를 연간 약 1억1천만원 절감했다.
- 2㎥/min인 것으로 측정되었다. 현장시험 시 계측된 값을 토대로 초기 조건을 작성한 후 펌프 1대가 긴급 정지된 경우에 대하여 수치계산을 수행하였으며, 에어챔버 내 압력 변동을 측정값과 서로 비교하여 Fig. 10과 Table 4에 나타내었다. 펌프 유출측 에어챔버 내 최대ㆍ최소압력과 그 발생시간은 측정값과 비교적 잘 일치하고 있으나, 펌프 유입측에서 수격현상의 주기는 차이를 보이고 있다.
- 5㎥/min)인 것으로 측정되었다. 현장시험 시 계측된 값을 토대로 초기조건을 작성한 후 펌프 2대가 긴급 정지된 경우에 대하여 수치계산을 수행하였으며, 에어챔버 내 압력 변동은 측정값과 서로 비교하여 Fig. 11과 Table 4에 나타내었다. 수치계산은 수격현상의 2∼3 주기까지 측정값과 비교적 잘 일치하고 있으며, 펌프-관로계에 작용하는 최대ㆍ최소압력과 그 발생시간도 합리적으로 예측하고 있음을 알 수 있다.
대상 데이터
- 주암댐 계통 1단계 광역상수도 관로시설은 광주 및 목포 계통의 도수관로와 나주 계통의 송수관로로 구성되었으며, 총 연장은 약 102 ㎞이다. Fig. 1은 본 연구대상 구간인 주암 취수장에서 덕남 정수장까지의 관로형상(pipeline profile)을 나타내었으며, 도수관로 길이는 약 37 km이다. 도수관로는 강관 1열(D=2.
- 1은 본 연구대상 구간인 주암 취수장에서 덕남 정수장까지의 관로형상(pipeline profile)을 나타내었으며, 도수관로 길이는 약 37 km이다. 도수관로는 강관 1열(D=2.2m, 2.0m, 1.8m)과 도수터널 1열(D=2.8m, 2.6m)을 근간으로 구성되었다. 관로 도중에는 직경 2.
- 또한, 주암댐 계통 광역상수도는 수요량 변화 및 비상시 완충 역할을 할 수 있는 조절지의 부재로 인해 취수장 설비사고 등이 발생할 경우 바로 용수공급이 중단되거나 통수시에도 관압 복구시간이 2시간 이상 소요되는 등 문제점이 있었다. 이에 따라 개수로 형태로 운영되던 도수터널을 조절지화 하기 위해 터널 출구 측에 설치된 수동 밸브를 전동화시키고 저수위 164.0m부터 고수위 165.9m 구간을 조절지로 활용하였다. 펌프운영 패턴은 주 펌프(2,100kW)는 24시간 가동하고, 보조펌프(1,350kW)는 수위 변동에 따라 기동ㆍ정지를 반복해 22,000㎥ 이상의 물을 상시 저류시킬 수 있도록 하였다.
- 공단은 교량, 터널, 댐, 항만, 상하수도, 건축물 등 주요 시설물의 정밀안전진단과 안전점검으로 시설물 안전을 확보하여 국민의 생명과 재산을 보호하고 국가경제의 지속적인 발전에 기여하는데 그 설립목적이 있다. 이에 따라 공단은 시특법 제7조 및 동법 시행령 제9조에 의해 주암댐 계통 1단계 광역상수도 시설물을 대상으로 제1회 정밀안전진단을 2008년도에 실시하였다.(2,3,4)
- 주암댐 계통 1단계 광역상수도 관로시설은 광주 및 목포 계통의 도수관로와 나주 계통의 송수관로로 구성되었으며, 총 연장은 약 102 ㎞이다. Fig.
데이터처리
- 1단계 계획설계유량인 520,000 ㎥/d의 용수를 공급하기 위하여 양쪽흡입 원심펌프 4대(대용량 3대, 소용량 1대)가 주암 취수장에서 병렬로 운전된다. 취수장에서 병렬로 운전되고 있는 펌프 4대가 갑작스런 정전 등으로 긴급정지(emergency stop) 되었을 때 발생하는 수격 작용이 가장 심각하므로 이에 대한 수격현상은 1989년 실시 설계 당시 사용된 범용 전산 프로그램인 SIMDRU(5)를 사용하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석에 사용된 입력자료 및 에어챔버의 제원은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1) 펌프장 유입측과 유출측에 에어챔버를 설치함으로써 유입측과 유출측 최고압력은 0.819bar, 2.113bar씩 감소되고, 최저압력은 1.891bar, 0.357bar씩 상승하는 것으로 수치해석결과 예측되었다.
- 2) 주암 취수장의 펌프가 정상적으로 기동 및 정지될 때 발생하는 과도현상과 취수펌프가 긴급정지 되었을 때 발생하는 수격압은 펌프 유입ㆍ유출측에 설치된 에어챔버에 의해 효과적으로 완화됨이 현장시험결과 확인되었다.
- 펌프운영 패턴은 주 펌프(2,100kW)는 24시간 가동하고, 보조펌프(1,350kW)는 수위 변동에 따라 기동ㆍ정지를 반복해 22,000㎥ 이상의 물을 상시 저류시킬 수 있도록 하였다. 2011년 1월부터 6월까지 6개월간 장대터널을 조절지화 해 얻어진 운영효과를 분석해보면 유형효과 측면에서는 펌프 출구측 밸브 교축을 조절 없이 100%로 운영해 전력비를 연간 약 1억1천만원 절감했다. 무형효과로는 장대터널에 22,000∼41,000㎥(2∼3.
- 3) 주암 취수장의 펌프가 긴급 정지되었을 경우에 대한 수치계산 결과는 수격현상의 2∼3 주기까지 현장시험 측정값과 잘 일치하였고, 에어챔버 내에 작용하는 최대ㆍ최소 압력과 그 발생시간도 합리적으로 예측하여 신뢰성을 가지는 것으로 판단된다.
- 이에 따라 펌프 유입측 에어챔버 내 수위는 약간 떨어지고 유출측 수위는 조금 상승하게 된다. 3호기 펌프가 단독으로 운전되었을 때 전동 버터플라이밸브는 완전히 개방되었기 때문에 펌프의 운전유량은 129.5㎥/min로 측정되었는데, 이는 규정유량(102㎥/min)의 127%로 과다하게 증가한 사실 또한 확인할 수 있었다.
- 4) 수격압에 대해 가장 악조건이면서 현장시험이 실시되지 못한 설계유량 520,000㎥/일 즉, 취수펌프 4대가 긴급 정지된 경우, 수치해석결과 펌프장에서 최고압력은 11.074bar, 최소압력은 1.469bar로 예측되었으며, 취수장과 관로시스템의 안전성에는 문제가 없는 것으로 검토되었다.
- 5) 주암 취수장의 펌프가 단독 또는 2대 병렬로 운전될 때 펌프 출구측 버터플라이밸브를 완전히 개방하면 펌프의 운전유량은 규정유량의 127%로 과다하게 증가하는 사실을 확인하였다. 취수펌프를 통하여 과다한 유량이 장시간 흐르면 캐비테이션에 의한 펌프의 손상이 우려되므로 이에 대한 대비책이 필요하다.
- 6) 주암 취수장의 펌프는 장대 터널의 위치 수두를 약간 상회하는 양정으로 운영되고 있어, 장대터널은 압력수로가 아닌 개수로의 형태로 유지되고 있는 것으로 판단된다. 따라서 장대터널 입구부에는 수위계를 설치하고 이 수위를 자동ㆍ측정함으로써 취수펌프의 운전점 및 장대터널 내 압력상태 그리고 펌프운용 계획에 참고토록 하는 것이 바람직하다.
- 7) 주암댐의 고수위와 저수위 차는 23.5m로 매우 커 취수 펌프 전양정(87m)의 큰 부분을 차지한다. 이러한 시스템에서 에너지를 절감하기 위한 방안으로서 회전수 제어방식은 적합하지 않으며 저양정 펌프를 기존 펌프와 병행하여 사용하는 것이 합리적인 방안으로 사료된다.
- 따라서 펌프 유입측 에어챔버 내 수위는 올라가고 유출측 수위는 내려간다. 이처럼 취수펌프가 정상적으로 정지될 때 발생하는 과도현상은 짧은 시간 안에 안정되며, 이 과정의 수격압도 펌프 유입ㆍ유출측에 설치된 에어챔버에 의해 효과적으로 완화되는 것으로 분석되었다.
- 현장시험을 통해 에어챔버의 수격압 완화효과를 확인할 수 있었으며, 현장시험의 측정치와 수치해석을 통한 해석치는 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 이에 따라 현장시험의 위험성으로 인해 실시할 수 없었던 설계유량 520,000㎥/일에 대한 수치해석결과는 신뢰성을 갖는 것으로 판단된다.
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