스크린 공막힘에 의하여 채수량이 감소된 지하수 관정은 여러 방법을 통하여 재생시켜주면 지하수 채수량을 개선시켜 관정의 수명을 연장할 수 있다. 본 논문에서는 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존의 공막힘 재생기술을 대신할 수 있는 고전압 펄스 방전에 의한 지하수 관정 스크린 공막힘의 재생법에 대하여 연구하였다. 본 기술은 수중에 삽입된 전극에 순간적으로 고전압의 전기에너지를 주입하여 이 때 전극 사이에서 발생하는 고온, 고압의 플라즈마의 팽창력에 의하여 발생하는 수중 충격파를 이용하는 기술로, 기존 기술 대비 취급이 용이하며 구조가 간단하고 충격압의 크기 조절이 용이하다는 장점을 갖는다. 본 연구에서는 축전기 방전형 펄스 발생장치를 사용하여 약 200 J의 전기에너지를 수중에 삽입된 전극에 순간적으로 주입함으로써 전극으로부터 6 cm 떨어진 곳에서 약 10.7MPa의 수중 충격압을 얻었다. 이 충격압의 크기는 축전기의 충전 전압을 바꿔줌으로써 손쉽게 조절이 가능하였으며, 다양한 전압에서의 실험을 통하여 방전 전류의 첨두치와 선형적인 관계를 갖고 있음을 알았다. 또한 지하수 관정에 사용되는 스크린과 유사한 시료에 대한 모의실험을 통하여 이 기술을 이용한 지하수 관정의 세척 가능성을 확인하였다.
스크린 공막힘에 의하여 채수량이 감소된 지하수 관정은 여러 방법을 통하여 재생시켜주면 지하수 채수량을 개선시켜 관정의 수명을 연장할 수 있다. 본 논문에서는 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존의 공막힘 재생기술을 대신할 수 있는 고전압 펄스 방전에 의한 지하수 관정 스크린 공막힘의 재생법에 대하여 연구하였다. 본 기술은 수중에 삽입된 전극에 순간적으로 고전압의 전기에너지를 주입하여 이 때 전극 사이에서 발생하는 고온, 고압의 플라즈마의 팽창력에 의하여 발생하는 수중 충격파를 이용하는 기술로, 기존 기술 대비 취급이 용이하며 구조가 간단하고 충격압의 크기 조절이 용이하다는 장점을 갖는다. 본 연구에서는 축전기 방전형 펄스 발생장치를 사용하여 약 200 J의 전기에너지를 수중에 삽입된 전극에 순간적으로 주입함으로써 전극으로부터 6 cm 떨어진 곳에서 약 10.7MPa의 수중 충격압을 얻었다. 이 충격압의 크기는 축전기의 충전 전압을 바꿔줌으로써 손쉽게 조절이 가능하였으며, 다양한 전압에서의 실험을 통하여 방전 전류의 첨두치와 선형적인 관계를 갖고 있음을 알았다. 또한 지하수 관정에 사용되는 스크린과 유사한 시료에 대한 모의실험을 통하여 이 기술을 이용한 지하수 관정의 세척 가능성을 확인하였다.
The application of appropriate rehabilitation methods can improve the efficiency of clogged wells and extend their life. In this paper, we study the feasibility of well cleaning using high-voltage pulsed discharge, in which electrical energy is used to produce impulsive pressure in water, in contras...
The application of appropriate rehabilitation methods can improve the efficiency of clogged wells and extend their life. In this paper, we study the feasibility of well cleaning using high-voltage pulsed discharge, in which electrical energy is used to produce impulsive pressure in water, in contrast to conventional methods that employ chemical or pneumatic energy sources. This technique utilizes the compressive shock wave generated by the expansive force of hot, dense plasma that is produced during a pulsed discharge in the gap between electrodes immersed in water. Compared with conventional techniques, this method is simple, and easy to handle and control. Using a capacitive pulsed power system with an electrical energy of 200 J, an impulsive pressure of 10.7 MPa is achieved at the position 6 cm away from the discharge gap. The amplitude of the impulsive pressure was easily controlled by adjusting the charging voltage of the capacitor and was almost linearly proportional to peak discharge current. The technique achieved good results in cleaning feasibility tests with mock-up specimens similar to clogged well screens.
The application of appropriate rehabilitation methods can improve the efficiency of clogged wells and extend their life. In this paper, we study the feasibility of well cleaning using high-voltage pulsed discharge, in which electrical energy is used to produce impulsive pressure in water, in contrast to conventional methods that employ chemical or pneumatic energy sources. This technique utilizes the compressive shock wave generated by the expansive force of hot, dense plasma that is produced during a pulsed discharge in the gap between electrodes immersed in water. Compared with conventional techniques, this method is simple, and easy to handle and control. Using a capacitive pulsed power system with an electrical energy of 200 J, an impulsive pressure of 10.7 MPa is achieved at the position 6 cm away from the discharge gap. The amplitude of the impulsive pressure was easily controlled by adjusting the charging voltage of the capacitor and was almost linearly proportional to peak discharge current. The technique achieved good results in cleaning feasibility tests with mock-up specimens similar to clogged well screens.
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문제 정의
이 방법은 폭약 처리 방법처럼 허가가 필요 없고 부하의 구조가 단순하며 공정 진행 시 소모품이 거의 필요치 않을 뿐 아니라, 전기에너지의 조절에 따라 수중 충격압의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 고전압 펄스 방전을 이용한 수중 충격압 발생 실험 결과와 지하수 관정에 사용되는 스크린과 유사한 장치를 이용한 모의실험을 통하여 고전압 펄스 방전에 의한 지하수 관정의 세척 가능성을 논의하였다.
본 연구에서는 지하수 관정 공막힘의 재생법의 하나로 수중 충격압을 발생시키기 위하여 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존 방식과는 차별화된 고전압 펄스 방전을 이용한 새로운 공막힘 재생법을 제안하였다. 비교적 간단하고 저렴한 소형의 펄스 발생 장치를 이용하여 약 200 J의 전기에너지로 약 6 cm의 거리에서 10 MPa 이상의 압력을 얻었다.
본 연구에서는 충격파를 발생시키기 위하여 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존 방식과는 차별화된 새로운 지하수 관정 스크린 공막힘 재생법을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 방식은 수중에 삽입된 전극 사이에 고전압 펄스를 인가함으로써 물이 순간적으로 플라즈마 상태가 될 때 발생하는 강력한 충격파를 이용하는 방법이다.
앞에서 얻어진 결과를 바탕으로 전기에너지에 의하여 발생하는 수중 충격압을 이용하여 지하수 관정의 스크린을 청소할 수 있는 가능성에 대한 모의실험을 진행하였다. 모의실험에서는 실제 지하수 관정에 사용되는 스크린과 비슷한 원통형 형태의 스테인리스 스틸 거름망을 이용하였다.
제안 방법
고전압 펄스 방전 시 발생하는 수중 충격압에 의하여 거름망의 구멍이 뚫리는 과정을 구체적으로 관찰하기 위하여 초고속카메라를 이용하여 촬영하였다. Fig.
고전압이 인가될 때 절연파괴가 일어나서 충격파를 발생시킬 수 있도록 고안된 전극 부하(load)는 가장 단순한 방식인 봉-봉(rod-rod) 형태의 전극 구조를 갖도록 제작 되었으며, 두 전극간의 간격은 5 mm로 고정하여 실험하였다. 이 전극 부하는 고전압 절연 확보 및 물의 밀봉을 고려하여 제작되었으며, 스테인리스 스틸로 제작된 원통형의 방전 용기에 수직으로 위치하도록 구성하였다.
한편 고전압 펄스 방전에 의하여 발생된 수중 충격압을 측정하기 위하여 전극으로부터 6 cm 떨어진 곳에 압전 센서(PCB사, S113B23)를 설치하여 모니터링 하였다. 그 외에, 고속 카메라(NAC, GX-8)를 이용하여 펄스 방전 전후로 전극 주위에서 일어나는 현상을 관찰하였다.
전기 방전 후 잔류 에너지를 소모하고 작업자의 안전을 확보하기 위하여 고용량 저항으로 이루어진 에너지 덤프 저항을 추가하였다. 또한 안전을 위하여 충전, 방전 등의 모든 제어는 원격으로 운용될 수 있도록 구성하였다.
수중 방전 실험은 충전 전압을 변화시킴으로써 축전기에 저장된 전기에너지를 변화시켜 전기에너지에 따른 충격파의 크기 변화를 관찰하는 실험을 진행하였다. 방전 특성을 고찰하기 위하여 전극 양단의 전압을 고전압 프로브(Tektronix사, 6015A)로 측정하였으며, 방전 전류는 로고스키 코일(Rogowski coil, PEM사, CWT300B)을 이용하여 측정하였다. 측정된 전류, 전압 파형을 통하여 방전 시 부하로 전달되는 전기에너지와 파워를 분석할 수 있다.
본 연구에서는 충격파를 발생시키기 위하여 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존 방식과는 차별화된 새로운 지하수 관정 스크린 공막힘 재생법을 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 방식은 수중에 삽입된 전극 사이에 고전압 펄스를 인가함으로써 물이 순간적으로 플라즈마 상태가 될 때 발생하는 강력한 충격파를 이용하는 방법이다. 이 방법은 폭약 처리 방법처럼 허가가 필요 없고 부하의 구조가 단순하며 공정 진행 시 소모품이 거의 필요치 않을 뿐 아니라, 전기에너지의 조절에 따라 수중 충격압의 크기를 용이하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다.
본 연구에서는 정전용량을 고정시키고 축전기의 충전 전압을 변화시킴으로써, 축전기에 저장된 전기에너지를 변화시켜 방전 실험을 진행하였다.
수중 방전 실험은 충전 전압을 변화시킴으로써 축전기에 저장된 전기에너지를 변화시켜 전기에너지에 따른 충격파의 크기 변화를 관찰하는 실험을 진행하였다. 방전 특성을 고찰하기 위하여 전극 양단의 전압을 고전압 프로브(Tektronix사, 6015A)로 측정하였으며, 방전 전류는 로고스키 코일(Rogowski coil, PEM사, CWT300B)을 이용하여 측정하였다.
스테인리스 스틸 거름망의 지름은 115 mm, 길이는 65 mm이며, 물이 흐를 수 있는 2 mm 지름의 구멍이 1,400개가 뚫려 있어 개구율은 약 19% 정도이다. 스크린 공막힘을 모사하기 위하여 스테인리스 스틸 거름망의 내부와 외부에 유성페인트와 백시멘트를 도포한 시료를 각각 제작하였다. 이 두 가지 시료를 제작한 이유는 유성페인트(Fig.
축전기에 전기에너지를 공급하는 고전압 직류 전원으로는 75 kV, 12 mA 정전압원을 이용하였으며, 고전압, 대전류를 스위칭하기 위한 방전 스위치는 공압 방식으로 동작하도록 자체 제작하여 사용하였다. 전기 방전 후 잔류 에너지를 소모하고 작업자의 안전을 확보하기 위하여 고용량 저항으로 이루어진 에너지 덤프 저항을 추가하였다. 또한 안전을 위하여 충전, 방전 등의 모든 제어는 원격으로 운용될 수 있도록 구성하였다.
에너지 저장용 축전기(energy storage capacitor)는 저 인덕턴스 축전기를 사용하였으며, 정전용량(capacitance)은 1 µF으로서 50 kV 충전 시 최대 저장에너지는 1,250 J이다. 축전기에 전기에너지를 공급하는 고전압 직류 전원으로는 75 kV, 12 mA 정전압원을 이용하였으며, 고전압, 대전류를 스위칭하기 위한 방전 스위치는 공압 방식으로 동작하도록 자체 제작하여 사용하였다. 전기 방전 후 잔류 에너지를 소모하고 작업자의 안전을 확보하기 위하여 고용량 저항으로 이루어진 에너지 덤프 저항을 추가하였다.
측정된 전류, 전압 파형을 통하여 방전 시 부하로 전달되는 전기에너지와 파워를 분석할 수 있다. 한편 고전압 펄스 방전에 의하여 발생된 수중 충격압을 측정하기 위하여 전극으로부터 6 cm 떨어진 곳에 압전 센서(PCB사, S113B23)를 설치하여 모니터링 하였다. 그 외에, 고속 카메라(NAC, GX-8)를 이용하여 펄스 방전 전후로 전극 주위에서 일어나는 현상을 관찰하였다.
대상 데이터
앞에서 얻어진 결과를 바탕으로 전기에너지에 의하여 발생하는 수중 충격압을 이용하여 지하수 관정의 스크린을 청소할 수 있는 가능성에 대한 모의실험을 진행하였다. 모의실험에서는 실제 지하수 관정에 사용되는 스크린과 비슷한 원통형 형태의 스테인리스 스틸 거름망을 이용하였다. 스테인리스 스틸 거름망의 지름은 115 mm, 길이는 65 mm이며, 물이 흐를 수 있는 2 mm 지름의 구멍이 1,400개가 뚫려 있어 개구율은 약 19% 정도이다.
본 연구에 사용된 고전압 펄스 발생장치(Pai and Zhang, 1995)는 구조적으로 단순하며 저렴하고 내구성이 강한 축전기 방전(capacitive discharge) 방식으로 구성하였다(Fig. 1). 에너지 저장용 축전기(energy storage capacitor)는 저 인덕턴스 축전기를 사용하였으며, 정전용량(capacitance)은 1 µF으로서 50 kV 충전 시 최대 저장에너지는 1,250 J이다.
본 연구에서는 지하수 관정 공막힘의 재생법의 하나로 수중 충격압을 발생시키기 위하여 화약이나 압축 유체를 사용하는 기존 방식과는 차별화된 고전압 펄스 방전을 이용한 새로운 공막힘 재생법을 제안하였다. 비교적 간단하고 저렴한 소형의 펄스 발생 장치를 이용하여 약 200 J의 전기에너지로 약 6 cm의 거리에서 10 MPa 이상의 압력을 얻었다. 또한 200 J의 에너지를 지하수 관정 스크린과 유사한 모의 시료에 인가하여 실증 실험을 진행하여 지하수 관정의 세척이 가능함을 보여주었다.
에너지 저장용 축전기(energy storage capacitor)는 저 인덕턴스 축전기를 사용하였으며, 정전용량(capacitance)은 1 µF으로서 50 kV 충전 시 최대 저장에너지는 1,250 J이다.
성능/효과
두 시료에 대한 세척 효율의 차이는 주로 시료 제작에 사용된 유성페인트와 백시멘트의 물성 차이에 의한 것으로, 이 실험 결과로부터 본 기술이 기계적인 공막힘에 더 효율적이라고 단정하기는 어렵다. 그러나 기계적 물성이 매우 다른 두 종류의 시료에 대하여 90% 이상의 세척 능력을 보이고 있어, 본 기술이 다양한 형태의 공막힘에 적용이 가능함을 보여준다. 한편, 10 MPa 이상의 강한 수중 충격압에도 불구하고 두께가 0.
비교적 간단하고 저렴한 소형의 펄스 발생 장치를 이용하여 약 200 J의 전기에너지로 약 6 cm의 거리에서 10 MPa 이상의 압력을 얻었다. 또한 200 J의 에너지를 지하수 관정 스크린과 유사한 모의 시료에 인가하여 실증 실험을 진행하여 지하수 관정의 세척이 가능함을 보여주었다. 200 J의 에너지는 60 W 전구를 약 3.
후속연구
또한 충전 전압의 조절을 통하여 전기에너지 및 수중 충격압의 크기를 손쉽게 바꿔줄 수 있어 스크린의 구조나 크기 등에 따라 다양하게 최적화시켜 사용할 수 있다. 추후 현장 실증 실험을 통하여 실제 지하수 관정을 세척하여 본 기술의 적용성을 확인할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 지하수 관정의 특징은 무엇인가?
국내 지하수 관정의 특징은 심도가 얕고 구경이 작아서 채수량이 적은 우물이 많다는 점이다. 이러한 관정들은 시간이 지날수록 지하수 오염, 공막힘(clogging) 현상에 의한 지하수 채수량의 감소 등의 문제점을 빈번히 발생시키고 있다.
공막힘 현상으로 인해 관정 효율이 감소하는 문제점이 발생하였을 때, 우리나라의 경우 어떻게 해결하는가?
, 2011) 이는 해마다 증가하는 추세이다. 공막힘 현상으로 인해 관정 효율이 감소하는 문제점이 발생할 경우, 우물 청소 등과 같은 재생(rehabilitation) 기술을 통해 효율을 높이는 방안을 고려하여야 하나, 재생 공법에 대한 연구 미비와 비용 문제 등으로 인하여 기존의 지하수 관정을 폐공하고 신규 관정을 개발하는 것이 현재 우리나라의 실정이다.
공막힘으로 효율이 저하된 지하수 관정을 재생하는 방법 중 압축 유체를 이용한 방법의 단점은?
압축 유체를 이용한 방법은 작은 부피 내에 압축시킨 유체를 순간적으로 배출할 때 발생하는 압력파를 이용하는 방법으로, 이때 방출되는 압력파의 크기는 펌프 압력을 조절함에 따라 10~130 기압 정도의 값을 갖는다(Houben and Treskatis, 2007). 하지만 균일한 압력파 발생을 위해서는 고순도의 질소 기체를 사용하여야 하며, 이를 위해 대용량의 질소 가스를 소모하는 등의 단점이 보고되고 있다.
참고문헌 (13)
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