[논문]수력발전소 가이드 베인 저개도율 운전에 따른 가이드 베인 베어링 부슁의 마모 가속효과 평가

김종성; 김세나

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.10.1267

수력발전소 가이드 베인 저개도율 운전에 따른 가이드 베인 베어링 부슁의 마모 가속효과 평가
Evaluation of Effect of Low Opening Operation on Increasing Wear of Bearing Bushings of Guide Vanes used in Hydropower Plants 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.10, 2012년, pp.1267 - 1274

초록
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가이드 베인은 수력발전소 수차에 공급되는 물량을 제어하는 핵심적인 역할을 수행한다. 가이드 베인 베어링 부슁에 발생하는 마모와 관련하여 많은 정비 사례들이 보고되고 있다. 수력발전소의 중요기능인 주파수 조정, 급전 등과 같은 부수적 서비스는 가이드 베인을 작게 열고 운전하는 저개도율 운전을 반복적으로 수행하게 한다. 이러한 저개도율 운전은 가이드 베인 베어링 부슁의 마모율을 증가시키는 것으로 경험적으로 알려져 있다. 본 연구에서는 수력발전소의 가이드 베인 저개도율 운전이 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속시키는 효과를 유한요소 유동/응력 해석 및 상대적인 마모 평가를 통해 정량적으로 평가한다. 평가 결과, 가이드 베인 개도율이 작을수록 가이드 베인면에 작용하는 압력이 증가하고 가이드 베인 스템 외면과 베어링 부슁 내면 사이의 접촉길이는 감소하였으며 베어링 부슁 표면에 작용하는 접촉압력이 크게 발생하여 상대적으로 마모량이 증가함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A guide vane plays a key role in controlling the flow rate of water supplied to the turbine of a hydropower plant. It has been reported that guide vane bearing bushings are subjected to considerable wear, which requires them to be maintained. An ancillary service such as frequency control and black start causes cyclic low opening operation of the guide vanes. It is empirically well known that such operation increases the wear rate of the guide vane bearing bushing. In this study, the effect of low opening operation on the increasing wear of the guide vane bearing bushing is quantitatively assessed via finite element flow analysis, finite element stress analysis, and relative wear evaluation. As a result of the assessment, it is identified that the pressure applied on the guide vane surface increases and the contact length between the outer surface of the guide vane stem and the inner surface of the bearing bushing decreases with a decrease in the opening of the guide vane. In addition, low opening of the guide vanes results in an increase in the relative wear owing to the generation of high contact pressure on the bearing bushing surfaces.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수력발전소의 가이드 베인 저개도율 운전이 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속시키는 효과를 유한요소 유동/응력 해석 및 상대적인 마모 평가를 통해 정량적으로 평가하였다.

가설 설정

Standard kε 난류모델을 채택하였으며 가이드 베인 개도율과 경계조건이 시간에 대해 일정한 정상상태 해석을 수행하였다. 유체와 고체 표면 사이의 조건은 non-slip 조건이라고 가정하였다.
재료가 동일하면 재료 마모율은 동일할 것이다. 또한, 일정 개도율로 설정 운전하면 조속기 계통 사양에 제시된 작은 일정 크기의 정확도 (최대 개도율의 +1% ⁽¹⁴⁾) 내에서 가이드 베인 개도율이 제어된다.

제안 방법

1 과 2 는 대상 발전소 수차 설비의 부속기기인 스파이럴 케이싱(SC : spiral casing), 스테이 베인 (SV : stay vane), 가이드 베인(GV : guide vane), 런너(runner), 흡출관(DT : draft tube)과 이러한 부속기기들을 조립한 수차 설비의 3 차원 CAD 모델을 각각 제시하고 있다. CAD 모델의 치수는 도면과 현장 측정을 통해 결정하였다.
유한요소 특성은 3 차원 8 절점 요소를 사용하였고 요소 수는 691,158 개이다. Fig. 5 에 보이는 바와 같이 유체 흐름에 주요한 영향을 미친다고 판단되는 런너 블레이드와 가이드 베인, 스테이 베인 주위 부분은 좀 더 세밀하게 모델링하였다.
Solidworks를 이용하여 유한요소 선형 탄성 응력 해석을 수행하였다. 스템 외표면을 Master Surface로, 부슁 내표면을 Slave Surface로 선정하여 접촉 조건을 부가하였다.
Standard kε 난류모델을 채택하였으며 가이드 베인 개도율과 경계조건이 시간에 대해 일정한 정상상태 해석을 수행하였다.
유한요소 특성은 3 차원 Tetra 8 절점 요소를 사용하였고 요소 수는 688,035 개이다. 관심 부위가 스템 외표면과 접촉하는 부슁 내표면이므로 헤드커버 구멍 표면과 부슁 외표면은 절점을 공유하도록 모델링하였다.
스템 외표면과 부슁 내표면 사이의 간극에 대해서는 설계 및 정비 문서에 어떠한 자료도 존재하지 않았다. 따라서 Fig. 4 에서 보이는 바와 같이 두 가지 종류의 간극(간극 1 : 스템 턱과 부슁 끝단 사이의 간극, 간극 2 : 스템 외표면과 부슁 내표면 사이의 간극)을 고려하였는데 최대 접촉압력에 대한 간극들 크기가 미치는 영향을 분석하였다.
마모량은 접촉압력, 미끄럼 거리, 재료의 마모율에 비례한다는 수식 (1)⁽¹¹⁾을 이용하여 가이드 베인 저개도율에 따른 마모 가속효과를 평가하였는데 Fig. 11 에 제시된 가이드 베인 개도율에 따른 최대 접촉압력 값들을 식 (1)에 대입하여 도출된 수식을 최대 개도율 70.4%인 경우 5 에 대한 수식으로 정규화시켰다.
수력발전소의 가이드 베인 저개도율 운전이 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속시키는 효과를 정량적으로 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
유동 해석을 통해 얻어진 가이드 베인 표면의 압력 값을 하중 조건으로 작용시켰다. 발전기와 연결되는 수차 축 상단 표면 중심과 콘크리트에 매설되어 있는 흡출관, 스파이럴 케이싱 외표면 부위의 모든 변위 성분들을 고정시켰다.
유동해석의 타당성 검증을 위해 유동해석을 통해 계산된 유동 속도를 대상 발전소 1 호기 수차에 대해 제작사인 Hitachi 에서 2010 년 유량을 차압법에 의해 정밀 측정한 유동 속도^{( 1 3 )}와 비교하였다. Table 3 은 해석에 의해 계산된 유동 속도, 차압법에 의해 측정된 유동 속도 및 상대 차이를 제시하고 있다.
상호 근접 위치한 가이드 베인의 중심점 두개를 잇는 선을 기초선으로 하였을 때, 개도율 100%인 경우 가이드 베인의 날개 끝점과 중심점을 연결한 선분이 가이드 베인 중심점을 잇는 기초선과 이루는 각도는 25°이다. 이를 기준으로 개도율에 따른 가이드 베인의 각도 변화를 계산하였다.
발전기와 연결되는 수차 축 상단 표면 중심과 콘크리트에 매설되어 있는 흡출관, 스파이럴 케이싱 외표면 부위의 모든 변위 성분들을 고정시켰다. 조속기 작동기구와 연결되어 자유도가 제한되는 가이드 베인 스템 축 상하단 중심의 모든 변위를 고정시켰다.

대상 데이터

유동 해석을 통해 얻어진 가이드 베인 표면의 압력 값을 하중 조건으로 작용시켰다. 발전기와 연결되는 수차 축 상단 표면 중심과 콘크리트에 매설되어 있는 흡출관, 스파이럴 케이싱 외표면 부위의 모든 변위 성분들을 고정시켰다. 조속기 작동기구와 연결되어 자유도가 제한되는 가이드 베인 스템 축 상하단 중심의 모든 변위를 고정시켰다.
5 는 유동 해석에 사용된 유한요소 모델이다. 유한요소 특성은 3 차원 8 절점 요소를 사용하였고 요소 수는 691,158 개이다. Fig.
8 은 응력 해석에 사용된 유한요소 모델이다. 유한요소 특성은 3 차원 Tetra 8 절점 요소를 사용하였고 요소 수는 688,035 개이다. 관심 부위가 스템 외표면과 접촉하는 부슁 내표면이므로 헤드커버 구멍 표면과 부슁 외표면은 절점을 공유하도록 모델링하였다.
주파수 조정 운전, 급전 기동, 전력 저장 등 다양한 부수적 서비스를 제공하고 상업 운전 이후 27 년이 경과되어 일부 노화현상이 보고되고 있는 국내 A 발전소를 대상으로 선정하였다.^(12,13) 대상 발전소는 총 시설용량은 600MW(300MW×2)이며 6 시간 발전이 가능하다.

데이터처리

상용 유한요소 해석 프로그램인 Solidworks⁽¹⁵⁾를 이용하여 유동 해석을 수행하였다. Standard kε 난류모델을 채택하였으며 가이드 베인 개도율과 경계조건이 시간에 대해 일정한 정상상태 해석을 수행하였다.

성능/효과

(2) 가이드 베인 개도율이 감소할수록 가이드 압력측에 작용하는 최대 압력값, 부슁 내표면 상의 최대 접촉압력값 및 정규화된 마모량은 증가함.
국내 수력발전은 기저 부하 제공 보다는 주파수 조정 운전, 급전 등과 같은 부수적 서비스를 주로 제공하고 있다.⁽²⁾ 수차에 공급되는 물량을 제어하는 핵심적인 역할을 수행하는 가이드 베인의 일부분인 스템들은 베어링 부슁을 통해 헤드 커버내 구멍들과 접촉된다. 수력발전소의 가이드 베인 베어링 부슁에 발생하는 마모와 관련하여 많은 정비 사례들이 보고되고 있다.
(3) 가이드 베인 저개도율 운전이 빈번하게 오랫동안 발생 할수록 기준 운전 경우 보다 가이드 베인 베어링 부슁의 마모량은 증가할 것임.
수력발전소의 가이드 베인 베어링 부슁에 발생하는 마모와 관련하여 많은 정비 사례들이 보고되고 있다.⁽³⁾ 부수적 서비스를 수행하기 위해서는 가이드 베인을 작게 열고 운전하는 저개도율 운전을 반복적으로 수행하여야 한다. 이러한 저개도율 운전은 가이드 베인 베어링 부슁의 마모율을 증가시키는 것으로 경험적으로 알려져 있다.
이러한 저개도율 운전은 가이드 베인 베어링 부슁의 마모율을 증가시키는 것으로 경험적으로 알려져 있다.^(4,5) 저개도율 운전에 따른 가이드 베인 베어링 부슁의 마모 가속은 수력발전 설비의 잔여수명, 장기적인 운전 정비 계획/비용, 전기 생산 비용 산출 및 수명연장/현대화 계획 수립에 영향을 미친다. 따라서 신뢰성 있고 경제성 있는 운전 정비와 수명연장/현대화 계획 수립, 실제적인 전기 생산 비용 산출을 위해서는 수력발전소의 핵심 기기인 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속화시키는 저개도율 운전의 영향을 정량적으로 평가하는 것이 필요하다.
Jones 등은 수력발전소의 주파주 조정 운전 동안 가이드 베인, 조속기 및 수차 등 수력발전 설비의 응답 특성을 평가하는 표준 방법을 개발하였다.⁽⁸⁾ Bario 와 Beral 은 수차 가이드 베인의 압력측과 흡입측 상의 경계층을 측정하여 천이상태에서의 경계층 변화 경향을 확인하였다.⁽⁹⁾ Mack 등은 전산유체역학을 적용하여 수차 가이드 베인 주위의 속도 및 압력 분포를 도출하여 가이드 베인 표면의 침식 경향을 예측하였다.
7 에 제시한 바와 같이 가이드 베인 개도율이 작아질수록 가이드 베인면에 작용하는 압력이 증가하기 때문이다. 또한, 개도율 변화에 따른 가이드 베인면 작용 압력의 변화 정도에 비하여 개도율 변화에 따른 최대 접촉압력 값의 변화 정도가 큼을 알 수 있다. 이러한 이유는 Fig.
4%의 경우와 비교시, 동일한 재질과 미끄럼 거리라면 마모량이 약 2 배 정도 증가함을 알 수 있다. 즉, 주파수 조정운전, 급전 등 부수적 서비스 제공에 따라 가이드 베인 저개도율 운전이 빈번하게 오랫동안 발생 할수록 기준 운전 경우 보다 가이드 베인 베어링 부슁의 마모량은 증가할 것으로 예상된다.
이러한 차이는 주로 상세 제작 도면의 미확보에 기인하는 국부 형상 차이에 기인한다고 판단된다. 측정 결과와의 비교를 통해 유한요소 유동해석 결과가 타당함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수력발전은 무엇인가?	수력발전이란 높은 곳에 위치하고 있는 하천이나 저수지의 물을 수압관로를 통해 낮은 곳에 있는 수차로 보내 그 물의 힘으로 수차를 돌리고, 그것을 동력으로 하여 수차 축에 연결된 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키는 설비이다. 수력발전은 단순한 구조, 높은 효율 및 빠른 응답 특성을 갖는다.
	가이드 베인은 어떤 역할을 하는가?	가이드 베인은 수력발전소 수차에 공급되는 물량을 제어하는 핵심적인 역할을 수행한다. 가이드 베인 베어링 부슁에 발생하는 마모와 관련하여 많은 정비 사례들이 보고되고 있다.
	수력발전소의 가이드 베인 저개도율 운전이 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속시키는 효과를 정량적으로 평가한 결과는?	본 연구에서는 수력발전소의 가이드 베인 저개도율 운전이 가이드 베인 베어링 부슁의 마모를 가속시키는 효과를 유한요소 유동/응력 해석 및 상대적인 마모 평가를 통해 정량적으로 평가한다. 평가 결과, 가이드 베인 개도율이 작을수록 가이드 베인면에 작용하는 압력이 증가하고 가이드 베인 스템 외면과 베어링 부슁 내면 사이의 접촉길이는 감소하였으며 베어링 부슁 표면에 작용하는 접촉압력이 크게 발생하여 상대적으로 마모량이 증가함을 확인하였다.

참고문헌 (15)

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Kim, J.S., Kwon, H.C., Song, B.H., and Kwon, C.S., 2009, "Development and Application of the Methodology to Establish Life Extension and Modernization Plan of Aged Hydropower Plants," Trans. of the KSME (A), Vol.33, No.10, pp.991-1186.

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Kim, J.S., 2010, "Optimization of Preventative Maintenance Cycle for Equipments of Pumped- Storage Power Plant by Taking into Account Reliability and Economical Efficiency," Trans. of the KSME (A), Vol.34, No.9, pp.1137-1338.

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Gawarkiewicz, R. and Wasilczuk, M., 2007, "Wear Measurements of Self-Lubricating Bearing Materials in Small Oscillatory Movement," Wear, Vol.263, pp.458-462.

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Korea Western Electric Power Company, 1990-2010, Preventative Maintenance Reports for Samrangjin Unit 1 & 2.
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Hitachi, 1984, Instruction Manuals for Pumped- Turbine of Samrangjin Unit 1 & 2.
Dassault Systems, 2010, Solidworks User's Manuals, Ver.6.10.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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