수력설계, 검증 경험과 해석 기술 뒷받침 돼야
수력설계, 검증 경험과 해석 기술 뒷받침 돼야
  • 박준관 한국수력원자력 중앙연구원 선임연구원
  • 승인 2016.04.28 11:04
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국내 수력기술 현황 및 해외 기술개발 동향 <1>
▲ 박준관 한수원 중앙연구원 선임연구원

[한국에너지신문] 현재 국내에서는 일반적으로 10MW를 기준으로 소수력과 중대형수력을 구분하고 있으나, 국제적으로는 수력 단위기기당 용량이 700MW급 이상으로 대형화되어 가는 추세다. 국내 수력산업은 주로 소수력업체 위주로 구성돼 있으며 중수력 이상에서는 그동안 OEM을 통한 제작 위주로 진행되어 왔으나, 근래 들어 정부과제로 10MW급 이상의 중대형 수력용 수차개발이 진행되고 있다.

하지만 하천대상 수력발전은 환경문제가 대두돼 더 이상의 개발에 한계가 있어 하천을 벗어나 농업용수용 보, 상수도관 차압, 육상 양어장의 배수구, 화력발전소 냉각수 배수구 등을 활용한 소수력 개발이 이루어지고 있으며 또한 수자원이 풍부한 지역의 지자체를 중심으로 개발이 계획되고 있다.

-국내 수력시장 현황-
 중수력 이상의 국내수력은 2012년 완공된 한국수력원자력(주)의 청평 4호기(60MW) 건설 이후 더 이상의 신규건설은 계획된 바 없다. 중수력 이상규모의 국내 수력발전소는 한국수력원자력(주)과 한국수자원공사가 운영하고 있으며 주기기는 전량 해외에 의존해 오고 있다.

또 주기기 대부분이 30년 이상의 운전으로 노후화되어 성능개선사업이 진행되고 있으나 성능개선에 사용된 주기기도 해외사에 의존하고 있다. 세계의 수력시장은 크게 세분류로 나눌 수 있다.

중국, 인도, 동남아시아, 중앙아시아 등의 아시아 대륙과 칠레, 페루 등의 남미 대륙을 중심으로 한 대수력 위주의 신규개발, 서구 여러나라 중 수력자원이 풍부한 지역인 미국, 캐나다 그리고 유럽 등 선진시장 위주의 용량증대와 노후설비 현대화 목적으로 이루어지는 성능개선시장 그리고 마지막으로 소규모 지방정부 단위로 이루어지는 소수력 시장으로 이루어져 있다.

-국내 기술개발 현황-
 국내 수력산업의 특성으로 인해 그동안 주로 소수력 중심의 기술개발이 추진되어 왔으나, 최근 한국수력원자력(주)과 수자원공사의 성능개선 사업추진과 함께 10MW급 이상의 중수력 기술개발을 통해 주기기 국산화가 시도되고 있다.

그러나 중대수력 이상의 기술개발은 소수력과 비교할 때 차이가 있으며 소수력 개발 위주의 국내 산업계는 아직 중대수력 기술개발에 대한 경험이 전무하여 독자적인 기술개발이 어려워 해외사와 기술협력을 통한 기술개발이 추진되고 있다.

수력발전의 원천기술은 수력/구조/동역학/전자기학 부문의 설계 및 해석과 제어설계, 시험 및 설치기술 등으로 구성되며 중수력 이상의 설비들에 있어서는 기기에서 발생하는 하중(수력, 구조동역학, 전자기력)의 크기와 고려해야 하는 하중의 종류에서 차이가 나기 떄문에 설계시 이러한 인자들을 고려한 설계가 진행되어야 하며

이러한 부분들은 경험적인 노하우와 함께 해석기술이 바탕이 되어야 한다.
특히, 수력설계를 뒤따르는 구조 및 동역학 설계는 구조 강도 및 안정성 문제와 직결되면서 설계오류는 중대형수력의 특성상 큰 하중에 의해 대규모 사고를 초래할 수 있다. 대표적 설계오류에 의한 사고로서 2000년 스위스 Bieudron발전소(Penton 423MW, 3기) 사고는 1,000m 이상의 낙차에서 발생하는 고압에 의한 도수로 파괴 사고로 3명의 사상자가 발생하였으며 9년 동안의 보수와 발전정지를 초래, 2009년 발생한 러시아 Sayano-Shushenskaya 발전소(Francis 650MW, 10기)는 사고로 10기의 터빈중 9기 이상이 완파되었으며 76명의 사상자 발생했다.

이러한 분야는 소수력 개발시에는 고려되지 않던 분야다. 특히 구조/동역학 설계시 터빈에서의 압력진동에 대한 고려는 부재피로와 직결되므로 설계시 반드시 고려되야 한다. 또한 30MW 이상의 수력 발전기는 그 규모로 인해 공장에서 완제품으로 제조가 불가하므로 현장가공 및 조립기술이 필수적이다.

그 동안 국내에서 진행해 왔던 설계방법은 역설계를 통해 해외선진사의 설계DB를 확보하고 이를 이용한 형상수정 등의 설계개선과 여기에 부가적인 해석절차가 추가되어 개발이 진행되어 왔다. 그러나 원천설계에 대한 정보 한계로 인해 설계자가 취할 수 있는 설계변수에 제약이 있어 최종 제품의 성능에 한계가 존재한다.

또한 경험적인 방법에 의존한 설계시 내구성이나 구조건정성에 대한 설계안의 신뢰성을 확보하기 위해서는 안전계수를 크게 선택해야 하지만 이러한 접근은 구조물의 크기와 무게를 키워 경제적인 면에서 설계제약이 있으며 또한 전체적인 진동 등의 동역학적 하중이 증대된다.

최근에는 해석기술의 발달과 광범위한 보급으로 설계과정 전 단계에 걸쳐 광범위하게 활용되고 있으며 CFD 해석을 통한 수력설계와 FEM 등의 구조해석을 통한 구조건전성 평가 그리고 진동 및 회전체 동역학 해석 기술을 적용한 진동 설계 및 축설계 등을 통해 설계기간의 단축뿐만 아니라 다양한 설계변수들에 대한 영향도를 파악하고 성능을 예측할 수 있어 다양한 방법의 최적설계를 수행할 수 있다.

그러나 이러한 해석기술의 적용은 많은 가정 하에 이루어지므로 반드시 모델시험이나 실증 등을 통한 검증과정이 필요하지만 현재 국내에서는 수자원공사에서 보유한 수차모델 시험 장비를 이용한 일부 수력설계/해석 검증이 수행되고는 있지만 이외의 동역학 설계/해석, 전자기 설계/ 해석 등에 대한 검증은 제한적이다.

수력설계에 대한 검증은 국제규격인 IEC60193코드에 따라 실물의 약 1/10로 축소한 모델수차를 이용하여 실시하며, 효율성능, 캐비테이션, 압력맥동, 가이드베인토크, 최대 무구속 속도, 축추력, 운전가능범위 등에 대한 시험이 실시된다.


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