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문제 정의
- 수중 배관의 안정성 검토를 위한 설계 지침으로는 APIRP 1111, DNV-RP-E305, DNV-RP-F109, DNV-OS-F101등이 있다. 본 연구는 비교적 계산이 간단하여 일반적으로 널리 사용하는 DNV-RP-E305를(Det Norske Veritas 2007, M. Daghigh, et al., 2008, Y. Tian and M.J. Cassidy 2013) 이용해 해저 배관의 안정성을 검토하였다.
- 본 연구는 해안 침식 및 퇴적이 발생하는 태평양연안 페루 칠카 지역에서 수행한 해수담수화 설비를 기반으로 취수 및 배출수 배관에 대한 연구를 통해 유사 지역 및 국내 대형 해수담수화 설비 설계 시 도움을 주고자 한다.
- , 2012). 본 연구에서는 배관 자체 중량 증가를 위해 콘크리트 구조물의 무게를 증가시키는 방안으로 연구하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 주 해류의 방향을 고려하여 아래쪽(남쪽)에 취수배관을 배치했고 위쪽에 배출수 배관을 배치하여 해류에 의해 농축수가 취수 배관과 반대 방향으로 흐르게 하였다. 또한 취수구와 배출수 배관은 직선거리 500 m 이상 떨어진 위치에 배치하여 해류의 유속이 감소하거나 변화되더라도 농축수의 취수 수질에 대한 영향이 최소화 되도록 하였다. 배출수 배관의 유속은 0.
- 배출수 배관은 육상구간 HDPE(300A) 765 m이고, 해상구간은 SRP(300A) 652 m이며, 배출구에는 농축수를 희석시키기 위해 해저 면에서 2 m 상부에 50ADiffuser를 10 m 간격으로 5개 설치하였다. 본 해수 담수화 설비의 SWRO(역삼투압설비, Seawater ReverseOsmosis)설비 회수율은 53-55% 수준으로 운전되었다.
- 또한 취수구와 배출수 배관은 직선거리 500 m 이상 떨어진 위치에 배치하여 해류의 유속이 감소하거나 변화되더라도 농축수의 취수 수질에 대한 영향이 최소화 되도록 하였다. 배출수 배관의 유속은 0.8 m/s로 하여 배관 내 이물질 퇴적을 방지하였고, 각 Diffuser의 유속은 0.8-1.5 m/s로 설계하였다.
- 배출수 배관의 배출구는 주변 해역의 해상조사를 통해 파랑이나 해류의 방향을 파악하여 위치를 선정하고, 취수 시 농축수의 영향이 최소화 되도록 취수구와 충분한 거리를 유지해야 한다. 본 연구에서는 주 해류의 방향을 고려하여 아래쪽(남쪽)에 취수배관을 배치했고 위쪽에 배출수 배관을 배치하여 해류에 의해 농축수가 취수 배관과 반대 방향으로 흐르게 하였다. 또한 취수구와 배출수 배관은 직선거리 500 m 이상 떨어진 위치에 배치하여 해류의 유속이 감소하거나 변화되더라도 농축수의 취수 수질에 대한 영향이 최소화 되도록 하였다.
- 연구 지역에 대한 극한파를 결정하기 위해 사용한 데이터베이스에 대한 장기 심해파 환경을 검증한 후 연구대상지역의 주요 파랑 방향에 대한 상위 30개를 선택하여 통계학적으로 2년, 5년, 10년, 20년, 50년, 100년 빈도의 극한파를 결정하였다. 본 연구에 사용된 Olas del Pacifico 데이터베이스 검증을 위해 NOAA 32302 Buoy의 검측 자료와 비교하였다.
- 33이다. 점검 Pit는 최대한 해변에 가깝게 설치하며 설비 운영 중 배관 내 생물이나 퇴적물을 주기적으로 청소할 수 있도록 계획했다. 취수구와 취수배관은 생물의 번식을 막기 위해 NaOCl을 주입하였다.
- 0 m 지점에 설치했다. 취수 구조물은 콘크리트 등을 이용하여 충분한 하중을 갖도록 했으며 취수 구조물에서 세 방향으로 콘크리트 Anchor를 설치하여 환경적 외력에 견디게 하였다. 취수 구조물의 지반침하나 해저 퇴적물 유입 영향을 최소화하기 위해 취수구는 해저 면에서 2 m 상부에 위치하도록 설계하였다.
- 취수 구조물은 콘크리트 등을 이용하여 충분한 하중을 갖도록 했으며 취수 구조물에서 세 방향으로 콘크리트 Anchor를 설치하여 환경적 외력에 견디게 하였다. 취수 구조물의 지반침하나 해저 퇴적물 유입 영향을 최소화하기 위해 취수구는 해저 면에서 2 m 상부에 위치하도록 설계하였다.
- 현지 해저 면은 모래로 구성되어 있어 해안 침식 및 퇴적 분석에서 모래특성의 분석이 중요했다. 취수 및 배출수 관로의 지질 상태는 Fig. 7.과 같이 육상 6개 지점 및 해상 6개 지점을 조사하여 모래의 입경과 비중을 분석하였다.
- 해수 취수 구조물의 최적 깊이는 일반적으로 취수구를 기준으로 12-20 m이다. 파랑이나 바람의 영향에 따른 수질변화를 고려하여 최소 8 m 이상의 깊이로 설계한다. 보다 깊은 곳에서 취수할수록 깨끗한 해수를 얻을 수 있다.
- 해안 침식 및 퇴적을 예측하기 위해서 수심측량, 해류 및 지질조사 등의 현장 조사를 실시하였으며, 극한파에 대한 파랑 자료 조사 및 분석을 실시하여 극한파의 방향, 유의파고, 최대주기 시간을 결정한 후 수치 모델링을 통해서 해안 침식 종단면을 예측하였다.
- 해저배관의 안정성 검토와 관련하여 여러 조건에서필요 Weight 무게에 가장 영향을 주는 것이 무엇인지를 파악하기 위해 수심 5.0 m에서 배관설치 각도와 유의파고를 변경하여 그 영향을 살펴보았다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구 지역은 해저 지질이 모래로 구성되어 있어 미세 모래 입자의 유입 영향을 최소화하기 위해 취수 구조물을 수심 20.0 m 지점에 설치했다. 취수 구조물은 콘크리트 등을 이용하여 충분한 하중을 갖도록 했으며 취수 구조물에서 세 방향으로 콘크리트 Anchor를 설치하여 환경적 외력에 견디게 하였다.
- 본 연구에 사용된 취수 배관의 재질은 해수의 강한 부식 특성을 고려하여 HDPE(High Density Polyethylene)배관과 SRP(Steel Reinforced Polyethylene) 배관을 사용하였다. 육상 구간(해수담수화 설비에서 해변까지의 구간)은 HDPE(배관 직경, 350A)배관 652 m이고, 해상 구간(해변에서 취수구까지의 구간)은 SRP(350A)배관 610 m로 설계하였다.
- 154m3/EA)이다. 본 연구에서 수심 20 m 지점은 6 m 간격으로 콘크리트 Anchor 1개를 설치하였다. 이 때 단위침강 무게는 99.
- 본 연구에 사용된 취수 배관의 재질은 해수의 강한 부식 특성을 고려하여 HDPE(High Density Polyethylene)배관과 SRP(Steel Reinforced Polyethylene) 배관을 사용하였다. 육상 구간(해수담수화 설비에서 해변까지의 구간)은 HDPE(배관 직경, 350A)배관 652 m이고, 해상 구간(해변에서 취수구까지의 구간)은 SRP(350A)배관 610 m로 설계하였다. HDPE 배관의 비중은 0.
데이터처리
- 연구 지역에 대한 극한파를 결정하기 위해 사용한 데이터베이스에 대한 장기 심해파 환경을 검증한 후 연구대상지역의 주요 파랑 방향에 대한 상위 30개를 선택하여 통계학적으로 2년, 5년, 10년, 20년, 50년, 100년 빈도의 극한파를 결정하였다. 본 연구에 사용된 Olas del Pacifico 데이터베이스 검증을 위해 NOAA 32302 Buoy의 검측 자료와 비교하였다. 본 연구 지역에 대해 분석된 주요 파랑 방향은 Fig.
이론/모형
- 농축수의 희석은 EPA의 Visual Plumes Software로 분석하였다. 농축수는 비중이 커 가라앉는 특성이 있어 특히 저서 동물에 영향을 준다.
- 점검 Pit는 최대한 해변에 가깝게 설치하며 설비 운영 중 배관 내 생물이나 퇴적물을 주기적으로 청소할 수 있도록 계획했다. 취수구와 취수배관은 생물의 번식을 막기 위해 NaOCl을 주입하였다.
성능/효과
- 1) 태평양 연안에 위치한 페루 칠카 지역의 해안은계절적으로 해안침식과 퇴적이 반복되는 특성을 갖고 있으며, 침식과 퇴적을 유발하는 해변의 모래 입자 평균 입경은 0.16-0.2 mm이고 밀도는 2.70-2.72 Ton/m3이었다. 연구 지역에서 주요 파랑은 세 방향에서 발생하고 그 에너지를 조합하였을 때 극한파 결과는 100년 빈도 기준으로 유의파고(Significant wave height) 5.
- 2) 100년 빈도에서 해안 침식 및 퇴적 분석결과 최대 침식은 해수면기준 1.8 m, 최대 퇴적은 2.3 m이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 평균 해수면 제로근처에서 수심 5.
- 3) 해저 배관의 안정성 설계 시 파랑 방향과 배관 설치 방향의 각도는 안정성 설계에서 가장 크게 영향을 주는 요소이다. 배관의 설치 방향은 주 파랑 방향과 가능한 일치하게 설계하는 것이 보다 안정성을 확보한 설계라 볼 수 있다.
- 4) 해수담수화 과정에서 발생된 고염도 농축수는 배출지점에서 충분한 희석이 이루어지도록 위치 선정 및 구조물 설계가 되어야 한다. 희석관련 주 영향인자는 배출 지점에서의 해류 속도와 디퓨저의 배출구 높이로 분석되었다.
- 모든 모델에서 유사한 해안침식과 퇴적의 결과를 보이고 있다. PETRA의 경우 퇴적 지점에서 실제 측량자료와 다른 거동을 보였고, FUSBEACH 모델의 경우 전체적인 모양은 실제와 유사하나 침식정도가 실제보다 약하게 분석되었다. COSMOS 모델의 경우 현지 상황과 가장 유사하면서도 보수적인 침식단면 결과를 보이고 있어 COSMOS 프로그램을 통해 본 연구의 100년 빈도 해안 침식 종단면을 Fig.
- 희석관련 주 영향인자는 배출 지점에서의 해류 속도와 디퓨저의 배출구 높이로 분석되었다. 농축수는 비중이 해수보다 커 가라앉는 특성이 있는바 가능한 높은 위치에서 배출될 때 희석배율이 높았다.
- 3 m의 퇴적이 발생할 수 있는것으로 분석되었다. 따라서 페루 칠카 지역에서는 100년 빈도의 극한파에도 배관이 노출되지 않으려면 해수 담수화 설비로부터 670 m 지점은 해수면 기준 최소 1.8 m 이하로 배관을 매설하여야 한다는 결론을 얻게 되었다. 실제로는 해저배관이 100년 빈도 침식종단면에서 최소 0.
- 배출수 배관은 육상구간 HDPE(300A) 765 m이고, 해상구간은 SRP(300A) 652 m이며, 배출구에는 농축수를 희석시키기 위해 해저 면에서 2 m 상부에 50ADiffuser를 10 m 간격으로 5개 설치하였다. 본 해수 담수화 설비의 SWRO(역삼투압설비, Seawater ReverseOsmosis)설비 회수율은 53-55% 수준으로 운전되었다. 따라서 배출되는 농축수의 염도는 주변 해수보다 약2배 이상 높아 희석 없이 배출할 경우 주변 생태계에 큰 충격을 줄 수 있다.
- 2°이었다. 주요 수질 분석 결과는 용존산소 6.79-7.21 mg/L, pH7.0-7.5, Salinity 35.4-35.9 ppt 이었다. 해류 유속은 수심1.
- 파랑분석 결과는 평균 유의파고 1.9 m, 최대 유의파고 4.8 m, 최소 유의파고1.07 m, 평균 주기시간 10.6 sec, 최대 주기시간 15.09sec, 최소 주기시간 4.56 sec, 평균 파랑 방향 213.2°이었다.
- 3 m이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다. 평균 해수면 제로근처에서 수심 5.0 m 이하 약 200 m 구간에서 심한해안침식이 발생하고 수심 7.0-8.0 m 구간에서는 퇴적이 발생하는 것으로 분석되었다. 수심 5.
- 9 ppt 이었다. 해류 유속은 수심1.0 m에서 평균 0.2 m/s, 최대 평균 0.32 m/s, 최대 0.45m/s이며 수심 10.0 m에서 0.23 m/s, 0.38 m/s, 0.48 m/s이고수심 18.0 m에서 0.26 m/s, 0.45 m/s, 0.58 m/s로 분석되었다.
- 해저 배관이 설치될 해안의 수심측량 결과 취수배관 위치 종단면은 2.8-5.3%, 배출수 배관 위치 종단면은 2.3-3.7%의 기울기로 조사되었다.
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