[논문]수력발전설비의 안전도 평가를 위한 수충격 해석 모형 개발

남명준; 이재영; 정우영

doi:10.5762/kais.2020.21.1.760

수력발전설비의 안전도 평가를 위한 수충격 해석 모형 개발
Development of Water Hammer Simulation Model for Safety Assessment of Hydroelectric Power Plant 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.1, 2020년, pp.760 - 767

남명준 ((주) 신우엔지니어링 융합기술연구소) , 이재영 ((주) 신우엔지니어링 융합기술연구소) , 정우영 (강릉원주대학교 토목공학과)

초록
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발전용 수력플랜트 분야는 기후변화 및 에너지 확보를 고려해 향후 지속적인 성장이 전망된다. 수력발전설비는 항상 수충격에 의한 위험에 노출되어 있고, 이에 대한 안정성 확보는 매우 중요하다. 수충격 현상은 밸브의 개도 조정이나 펌프와 터빈의 기동 및 정지 시 관로설비 전반에 걸쳐 발생하며, 예기치 못한 긴급 상황 시에는 더욱 현저하게 나타난다. 이와 같은 수충격에 대한 발전설비의 안정성 검토를 위해 본 연구에서는 수충격 발생 메커니즘을 반영된 특성선법을 적용한 수치해석기법(MOC-FDM: Method of Characteristic-Finite Dimensional Method, 이하 MOC-FDM)을 이용하여 전산수치 모형을 개발하였다. 개발모형은 발전설비의 주요시설인 저수지, 관로, 밸브, 펌프 등 경계조건을 반영하였고 가상시나리오 case를 적용하여 개발모형을 이용한 수치모의를 수행하였다. 개발모형 해석결과의 검증을 위해 발전설비의 주요 지점에서의 해석결과를 각각 제시하였다. 각 case 별 수충격 현상이 양호하게 재현되었으며, 상용모델의 수치해석결과와 비교분석 결과가 거의 유사하게 나타나 개발모형의 신뢰성을 확인하였다. 본 연구에서 제시된 전산수치 모델은 수력발전설비의 운영 중 발생할 수 있는 비정상상태의 유체 거동을 정교하게 예측함으로써 설비의 안정성 검토를 위한 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sustainable growth of hydroelectric power plants is expected in consideration of climate change and energy security. However, hydroelectric power plants always have a risk of water hammer damage, and safety assurance is very important. The water hammer phenomenon commonly occurs during operations such as rapid opening and closing of the valves and pump/turbine shutdown in pipe systems, which is more common in cases of emergency shutdown. In this study, a computational numerical model was developed using the MOC-FDM scheme to reflect the mechanism of water hammer occurrence. The proposed model was implemented in boundary conditions such as reservoir, pipeline, valve, and pump/turbine conditions and then applied to simulate hypothetical case studies. The analysis results of the model were verified using the analysis results at the main points of the pipe systems. The model produced reasonably good performance and was validated by comparison with the results of the SIMSEN package model. The model could be used as an efficient tool for the safety assessment of hydroelectric power plants based on accurate prediction of transient behavior in the operation of hydropower facilities.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Water hammer mechanism in single pipe system
그림 Fig. 2. Boundary condition in MOC-FDM
그림 Fig. 4. Conceptual model for validation of this study
그림 Fig. 3. The flow chart of computational algorithm
그림 Fig. 5. Valve closing time
그림 Fig. 6. Transients in a reservoir valve system (case I)
그림 Fig. 7. Characteristic curve in pump
그림 Fig. 8. Transients in a pumping system (case II)
그림 Fig. 9. Hill chart;(a) and dimensionless characteristic curves;(b),(c) in turbine
그림 Fig. 10. Transients in a turbine system (case III)
그림 Fig. 11. Comparison of results between this study and SIMSEN

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 개발된 비정상 유동해석 모형의 적용성을검토하기 위해 가상의 개념모델에 대한 모의를 수행하였다. 수충격을 발생시키는 순간적인 압력변동의 주원인으로는 밸브의 급폐쇄, 펌프 및 터빈의 비정상적 가동 등이 있다[7].
본 연구에서는 단순관로의 수충격 해석을 위한 프로그램을 개발하였다. 수충격 거동예측 프로그램은 앞서 전술한 MOC-FDM을 기반으로 개발되었으며 Compaq Visual Fortran 6.
본 연구에서는 수력발전설비 중 관로설비에서 발생할 수 있는 수충격에 대한 메커니즘을 정립하고, 안정성 평가를 위한 수충격 해석프로그램을 개발하였다. 다수의 연구진에 의해 정립된 수충격 해석이론인 특성선법을 유한 차분법을 통해 계산하며 이를 Fortran으로 코딩하였다.
본 연구에서는 수충격 발생메커니즘분석과 수치해석기법을 수립하고, 이를 바탕으로 한 수력발전시설에 대한 비정상 유동해석 프로그램을 개발하였다. 또한 일반적인 수충격 발생현상을 고려한 개념모델을 적용하여 수충격 수치모의해석 및 민감도 분석을 실시하였고, 상용 수충격 해석프로그램의 해석결과와의 비교분석을 통해 개발모델의 성능 및 신뢰성을 검증하고자 하였다.

제안 방법

up, El. down 및 저수지의 수위H₀ 등으로 수력발전설비의 형상에 대한 제원과 총 계산시간 및 계산간격(T_max, ∆t)과 밸브의 폐쇄시간(T_c)을 결정 할 수 있으며, 밸브의 폐쇄는 선형폐쇄로 설정하였다.
다수의 연구진에 의해 정립된 수충격 해석이론인 특성선법을 유한 차분법을 통해 계산하며 이를 Fortran으로 코딩하였다. 개발모형의 검증을 위해 세 가지 Case의 수충격 모의를 실시하였다. 해석결과, 조건에 따른 압력수두의 변동 및 관내 유속변화를 합리적으로 모의하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 수충격 발생메커니즘분석과 수치해석기법을 수립하고, 이를 바탕으로 한 수력발전시설에 대한 비정상 유동해석 프로그램을 개발하였다. 또한 일반적인 수충격 발생현상을 고려한 개념모델을 적용하여 수충격 수치모의해석 및 민감도 분석을 실시하였고, 상용 수충격 해석프로그램의 해석결과와의 비교분석을 통해 개발모델의 성능 및 신뢰성을 검증하고자 하였다.
25초이다. 밸브폐쇄속도 변화에 따른 민감도 분석을 위해 밸브폐쇄시간을 5초와 10초 두가지의 선형폐쇄조건으로 계산하였다(Fig. 5).
SIMSEN 모형은 수력발전설비의 비정상 유동해석 모형으로 본 Case의 모의결과 검토에 적합하며, 결과의 신뢰성 또한 여러 연구 에 의해 입증된 바 있다. 수치해석결과 중 밸브 주변부관로의 수두변동 및 유속변동결과를 비교하였다(Fig. 11). 개발모형과 SIMSEN의 해석결과 최초 수두가 상승하기 시작하여 최대상승수두가 각각 298.
Hongqing Fang et al(2008)은 MATLAB/Simulink 기반 유압 터빈의 비선형 특성과 비탄성 수충격해석 시뮬레이터를 개발하였다. 유압 터빈 속도 조절기 및 서지 탱크와 같은 기타시설의 매개변수의 영향을 평가하였고, 중국의 실제 수력 발전소에 적용되었다[3]. 국내의 수충격에 대한 안정성평가는 주로 상·하수도 관망시스템에서의 평가가 대부분이며, 수력발전설비의 수충격에 대한 안정성평가는 미비한 것으로 나타났다.
Chaudhry(1987)는 탄성파 이론을 적용하여 수력발전소의 관로에 대한 안정성에 분석기준을 도출했다. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 해당 기준의 유효성을 검증했으며. 각각의 매개변수에 대한 해석을 거친 결과, 관 재료의 탄성이 안정성평가에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다[2].
터빈의 경계조건을 반영한 case로 저수지-관로-터빈-관로-저수지 순으로 구성하였다. Governor의 긴급정지에 의한 기능상실 조건이며 61.
펌프·터빈의 가동조건, 펌프·터빈특성곡선(Characteristic Curve)등 경계조건을 반영하여 입력할 수 있게 하였다.

대상 데이터

CaseⅡ는 정상 운영되는 관로설비에서 펌프의 긴급정지 시 발생하는 수충격을 모의하고자 하였다. 가상모델은 저수지-관로-펌프-관로-저수지 순으로 구성되어있으며, 두 관로의 길이는 각각 L₁=4500m, L₂=9000m이고, 관직경 D=0.6m, 마찰손실계수 f=0.013, 파속 a=1100m/s 등으로 구성되어 있다. 관로의 입구 및 출구높이는 각각 250m와 340m이다.
관로의 입구 및 출구높이는 각각 250m와 340m이다. 또한 펌프는 회전수 N₈=3020, RPM=1775 로 Ingersoll_Dresser 15H277 펌프를 사용하였다. 펌프의 제원 및 특성곡선은 Fig.
본 개념모델은 일반적인 수충격 해석모델 개발과정에서 가장 많이 고려되며 저수지-관로-밸브-저수 지 순의 단순형태로 구성되어 있다. 상류단 저수지의 수두 H₀=220m 관로 길이 L=1500m, 관 직경 D=0.8m, 파속 a=750m/s, 마찰손실계수 f=0.02 등으로 구성되어 있으며 관입구와 출구의 높이는 각각 30m, 15m 이다. 초기 유속은 1.

데이터처리

개발모델의 신뢰성 검토를 위해 Case1의 개념모델에 적용하여 수력발전설비의 전산유체해석 상용모델인 SIMSEN의 모의결과와 비교하였다. SIMSEN 모형은 수력발전설비의 비정상 유동해석 모형으로 본 Case의 모의결과 검토에 적합하며, 결과의 신뢰성 또한 여러 연구 에 의해 입증된 바 있다.
본 연구에서는 수력발전설비 중 관로설비에서 발생할 수 있는 수충격에 대한 메커니즘을 정립하고, 안정성 평가를 위한 수충격 해석프로그램을 개발하였다. 다수의 연구진에 의해 정립된 수충격 해석이론인 특성선법을 유한 차분법을 통해 계산하며 이를 Fortran으로 코딩하였다. 개발모형의 검증을 위해 세 가지 Case의 수충격 모의를 실시하였다.

이론/모형

3. The flow chart of computational algorithm 인하였다. 밸브폐쇄시간 10초의 계산결과보다 밸브폐쇄시간이 5초로 더 짧은 경우 수두 및 유속변동의 주기가 더 앞당겨졌으며, 압력수두 및 유속의 변동폭이 두 배 이상 증가한 것으로 나타나 밸브폐쇄시간이 짧을수록 관내에 작용하는 압력증가량이 커지는 것을 확인하였다.
3과 같다. 반복해 기법(Newton Raphson)을 통 해 적정 근사값을 모의하도록 되어있으며, 각 관로, 밸브, 펌프, 터빈 등 수력발전설비의 시스템을 적용하였다. 개발모형의 입력자료로는 관로연장길이L, 관경D, 마찰손실계수f, 파속a, 정상흐름 시 유속V₀, 관로의 분절 수N_parts' 관로의 기울기를 계산하기 위한 상류와 하류의 관입부의 고도 El.

성능/효과

터빈의 경계조건을 반영한 case로 저수지-관로-터빈-관로-저수지 순으로 구성하였다. Governor의 긴급정지에 의한 기능상실 조건이며 61.7MW의 터빈이 44.8MW로 약 30%의 기능상실이 발생하는 시나리오로 계산되었다.
11). 개발모형과 SIMSEN의 해석결과 최초 수두가 상승하기 시작하여 최대상승수두가 각각 298.8m와 296.3m로 약 0.8%의 오차를 보이며, 수두의 상승과 저하가 반복되는 주기 또한 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 유속의 경우 최대유속은 1.
국내의 수충격에 대한 안정성평가는 주로 상·하수도 관망시스템에서의 평가가 대부분이며, 수력발전설비의 수충격에 대한 안정성평가는 미비한 것으로 나타났다.
해석결과, 조건에 따른 압력수두의 변동 및 관내 유속변화를 합리적으로 모의하는 것으로 나타났다. 또한 개발모형의 신뢰성 검토를 위해 상용모델인 SIMSEN과 같은 Case로 모의한 결과와 비교하였으며, 수두 및 유속의 결과값과 수두상승과 수두저하의 주기가 상당히 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 개발된 모형을 통해 수력발전설비의 운영 중 발생할 수 있는 수충격에 대한 합리적인 모의가 가능할 수 있음을 제시한다.
밸브폐쇄시간 10초의 계산결과보다 밸브폐쇄시간이 5초로 더 짧은 경우 수두 및 유속변동의 주기가 더 앞당겨졌으며, 압력수두 및 유속의 변동폭이 두 배 이상 증가한 것으로 나타나 밸브폐쇄시간이 짧을수록 관내에 작용하는 압력증가량이 커지는 것을 확인하였다. 또한 저수지의 인접부인 상류부근에선 압력수두의 변동보다 유속의 변동폭이 큰 것으로 나타났으며, 밸브방향으로 진행될수록 압력수두의 변동폭이 점차 커지는 것으로 보아 밸브부의 급폐쇄에 의한 압력수두 모의를 정상적으로 한것으로 판단된다(Fig. 6).
펌프가 정지되는 순간부터 흡입부의 수두는 상승하게 되고, 압력파가 저수지에 도달하여 상승 압력수두가 상쇄되고 반대로 저수지에서 펌프방향으로 감소압력수두가 발생되며 이런 과정이 반복되면서 수두 손실에 의해 점차 감쇄된다. 또한 흡입부 관로보다 관로 길이가 두 배인 토출부 관로에서 수두의 변화폭이 더 넓게 나타나는 것으로 보아 합리적인 계산결과임을 알 수 있다. 유속결과 또한 펌프의 감속으로 인해 유속은 점차 감소하며 펌프주변부에서는 속도변화가 0이 된다.
10에 나타내었다. 모의결과 터빈부의 수충격 발생 시에 나타나는 일반적인 압력거동[8]을 잘 묘사하고 있음을 확인하였다. 일반적으로 긴급정지 시 부하거부로 인한 터빈 입구부에서 수두가 급격히 증가하며 안내깃이 완전히 닫히는 시간까지 증가된 압력이 일정수두를 유지하고 안내깃이 완전히 닫히면서 한 번 더 터빈부의 압력이 증가하게 된다.
The flow chart of computational algorithm 인하였다. 밸브폐쇄시간 10초의 계산결과보다 밸브폐쇄시간이 5초로 더 짧은 경우 수두 및 유속변동의 주기가 더 앞당겨졌으며, 압력수두 및 유속의 변동폭이 두 배 이상 증가한 것으로 나타나 밸브폐쇄시간이 짧을수록 관내에 작용하는 압력증가량이 커지는 것을 확인하였다. 또한 저수지의 인접부인 상류부근에선 압력수두의 변동보다 유속의 변동폭이 큰 것으로 나타났으며, 밸브방향으로 진행될수록 압력수두의 변동폭이 점차 커지는 것으로 보아 밸브부의 급폐쇄에 의한 압력수두 모의를 정상적으로 한것으로 판단된다(Fig.
여기서 (-)는 저류지방향인 역방향 유속이다. 유속의 변동 주기 또한 잘 일치하는 것으로 나타났다.
개발모형의 검증을 위해 세 가지 Case의 수충격 모의를 실시하였다. 해석결과, 조건에 따른 압력수두의 변동 및 관내 유속변화를 합리적으로 모의하는 것으로 나타났다. 또한 개발모형의 신뢰성 검토를 위해 상용모델인 SIMSEN과 같은 Case로 모의한 결과와 비교하였으며, 수두 및 유속의 결과값과 수두상승과 수두저하의 주기가 상당히 잘 일치하는 것으로 나타났다.

후속연구

또한 개발모형의 신뢰성 검토를 위해 상용모델인 SIMSEN과 같은 Case로 모의한 결과와 비교하였으며, 수두 및 유속의 결과값과 수두상승과 수두저하의 주기가 상당히 잘 일치하는 것으로 나타났다. 이는 본 연구에서 개발된 모형을 통해 수력발전설비의 운영 중 발생할 수 있는 수충격에 대한 합리적인 모의가 가능할 수 있음을 제시한다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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E. B. Wylie, V. L. Streeter, Fluid Transients in System, P.463, Prentice-Hall INC, 1993, pp.37-43
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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