이 원고는 일본 《電氣現場伎術》誌에서 번역 전재한 것입니다.2분할 분기관(分岐管) 저손실화와 제트간섭 수치해석 기술향상츄우부전력(주)_松岡 茂樹(마츠오카 시게키) 唐木 俊明(카라키 토시아키) 후지포이트하이드로(주)_塚本 直史(츠카모토 타다시)연구의 배경·목적수력발전소의 일괄 개수(改修)에서는 개수의 비용절감을 위해 건물·철관 등 토목건축설비의 유용, 주요 기기대수 삭감 및 고속화로 인한 주요 기기의 소형화를 추구하고 있다.기존 설치한 2대의 펠튼 수차(水車)를 1대로 일괄 개수할 때도 동일한 비용 절감을 위해 검토를 실시하고 있지만 2조의 수압 철관을 주요 기기 1대분에 유용했을 때, 배관 내 편류로 인한 대폭적인 효율저하가 염려된다. 이 때문에 이제까지는 수압철관을 1조로 만드는 경우가 대부분이었다.고속화를 추진하면 제트 간섭의 발생이 염려되는데, 제트간섭 발생 영역이 현재로서는 명확하게 나타나지 않아 최적 설계에 방해가 됐다.따라서 다음과 같은 2가지 검토를 실시해 비용절감에 장해가 되는 앞의 과제 극복을 추구했다.· 저손실 2분할 분기관의 개발· 제트간섭발생 영역의 명확화저손실 이분할 분기관의 개발분기관(分岐管) 형상이 다르기 때문에 발생하는 손실의 영향에 대해 <표1>에 나타낸 3종류의 분기관 형상 흐름을 해석함으로써 평가했다.<표1>(b)는 해외 발전소에서 채용실적이 있는 2분할 분기관 형상(게다리 형상)이다. <표1>(a)에 나타낸 일반 6사(射) 펠튼 수차에서 사용하는 철관 1조의 분기관 형상과 비교하면 게다리 형상 분기관은 40%나 손실이 증가했다. 손실은 배관과의 마찰 및 배관 내 편류(偏流)로 인해 발생하기 때문에 손실 증가 원인으로① 분기 후의 배관길이가 길다② 분기점 수가 많다③ 굴절률이 크다등을 생각할 수 있다.
이들 개선책으로서 <표1>(c)에 나타낸 새로운 형상을 고안했다. 개수 시 새로운 형상을 채용함으로써 같은 2분할 분기관인 게다리 형상과 비교하면 25%나 되는 대폭적인 관로손실 저감이 가능해진다. 일반 분기관 형상 <표1>(a)과 비교하면 5%의 손실이 증가하는데 기존 설비 철관을 활용할 수 있다는 점에서 개수비용에 대폭적인 저감을 기대할 수 있다.제트간섭 발생영역의 명확화1. 제트간섭이란제트간섭이란 펠튼 수차 특유의 현상이며 버킷(bucket)에서 배출하는 물이 다음의 노즐로부터 유입되는 물과 버킷 내면 상에서 충돌해 커다란 손실을 발생하는 현상이다.제트간섭은 펠튼 수차를 고속화했을 때 발생해 수차효율·출력을 대폭 저하시킨다<그림1>. 따라서 제트간섭 발생영역을 찾아내는 일이 고속화를 추진하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 규모 효과에 따라 모형시험 결과와 실제 기계 성능의 차이가 발생하기 때문에 실제 기계의 제트간섭 영역을 모형시험에서 예측할 수 없다는 점에서 제트간섭 발생점은 아직 정확하게 파악되지 않아 고속화에 장해가 되고 있다.이를 위해 제트간섭영역의 실제 기계 측정을 실시하기로 했다.
2. 제트간섭 발생영역의 실제 기기 측정방법제트간섭 발생영역을 파악하기 위해 6사 펠튼 수차(대비속도 : 23.0m-kW)를 이용해 물이 있는지에 관한 시험을 실시했다.제트간섭은 발전소의 정격 운전점보다도 저락(低落)차이 및 대유량 측에서 발생하기 때문에 입구판 개방 정도를 정격 개방보다 좁힘으로써 유효낙차를 저감(이하, 유효낙차 저감시험이라 함)시키고, 또 니들(needle)개방을 정격치 이상으로 열어줌으로써 유량을 증가시켜(이하, 오버로드 시험이라 함), 제트간섭을 고의로 발생시켰다.유효낙차 저감시험에서는 입구판 개방 정도를 정격 100% → 50%까지 저감시키고, 이 때 유효낙차로는 정격 100% → 80% 정도까지 저감시켰다. 또한 오버로드 시험에서는 니들 개방을 정격 100% → 125%까지 증대시키고, 이 때 유량으로는 정격 100% → 110% 정도까지 최대로 상승시켰다.제트간섭 발생의 유무는 수차효율 측정 및 변류기 축에서 진동측정을 통해 판단하기로 했다.3. 현지시험 결과제트간섭을 관측하기 위해 유효낙차 저감시험과 오버로드 시험을 편성해 제트간섭 확인시험을 실시했다. 그 결과를 <그림2><그림3><그림4>에 나타냈다.<그림2>는 입구판 개방을 60%로 일정하게 해 유량을 변화시켰을 즈음의 효율을 나타낸다. 본 그림에서 입구판 개방 60%에서는 단위유량비 1.375지점으로, 효율 및 축 진동 그래프가 급격하게 꺾였다. 게다가 유량이 증가함과 더불어 급격하게 효율저하 및 축 진동이 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 단위유량비 1.375지점에서 유량을 더욱 증대시킨 1.390지점에서는 수차 피트(pit)로부터 이음 및 파워 스윙도 관측됐다.이상에서 단위유량비 1.375 지점이 제트간섭 발생지점이기 때문에, 단위유량비 1.375 이상에서 제트간섭이 발생하고 있다는 것을 알 수 있다.<그림3>은 입구판 개방 75%로 일정하게 해 유량을 변화시켰을 때의 효율을 나타낸다. 이 시험에서는 축진동 및 수차 피트에서의 이음 등은 관측할 수 없었지만, 단위유량비 1.420지점에서 급격한 효율저하가 관측돼 제트 간섭의 발생점이라는 사실을 알 수 있다.<그림4>는 입구판 개방 100% 일정하게 해 유량을 변화시켰을 때의 효율을 나타낸다. 이 시험에서는 제트간섭 특유의 급격한 효율저하는 관측할 수 없기 때문에 제트 간섭은 대유량 측에서 더욱 발생한다고 볼 수 있다.
4. 고찰<그림5>에 나타낸 효율 곡선 상에 제트간섭 확인시험에서 제트 간섭이 발생한 조건을 ●표시로 하고, 제트간섭이 발생하지 않았던 조건을 ○표시로 나타냈다.제트간섭 확인 시험결과에서 제트간섭 발생라인을 <그림5>의 실선과 같이 나타낼 수 있었다. 또한 실제 기계에서의 제트간섭 발생라인과 <그림6>에 나타낸 수치해석 소프트로부터 요구되는 제트간섭 발생영역이 일치하도록 수치해석의 최적화를 추구했다.이상에서 수치해석을 통해 제트 간섭영역을 예측하는 기술이 향상했다는 점에서 설계 시 고속화에 대해 보다 정밀도 높은 검토를 수행할 수 있게 됐다.향후 전개펠튼 수차의 저손실 2분할 분기관 형상의 확립, 및 제트간섭 수치 해석기술이 향상됨으로써 최적 설계가 가능해졌다. 향후 수력발전소 개수 및 신설 시 본 기술을 적용해 성능 면, 비용 면에서 최적화를 추구할 예정이다.
장바구니
주문내역
