수력발전설비의 기술개발 변천과 향후 전망전원개발(주)_사사키 도시에(주)히타치제작소_신메이 가츠마사(震明克眞)(주)도시바_모리 준지(森 淳二)미쓰비시전기(주)_오오카와 마사히로(大川雅博)후지전기시스템즈(주)_스즈키 료지(鈴木良治)개요수력발전은 자연에너지를 효과적으로 활용한 발전(發電)기술이다. 일본의 수력발전은 1882년에 처음으로 사업용 발전소가 운전을 개시하여, 벌써 100년 이상의 역사를 가지고 있으며, 그 동안 수많은 기술변천을 거쳐 수력발전설비의 기술개발이 진행되어 왔다.수력발전설비의 기술이 비약적으로 향상된 것은 1955년대로, 급속하게 이루어지는 경제부흥을 지탱하는 에너지원으로 대규모 수력발전소가 다수 건설되었다. 그 후 부하평준화를 이루기 위한 전력저장기술 개발의 하나인 양수발전소가 주목을 받으며 적극적으로 개발이 이루어졌다.현재는 기설 설비 가치향상의 요구로 인해 노후화된 수력발전설비의 일괄갱신에 의한 재개발이 진행되고 있으며, 최신 분석기술을 도입한 설계방법에 의한 출력과 발생전력량 증대를 위한 노력이 진행 중이다. 수력발전은 ‘재생가능 에너지’로, 그 중 중소수력발전은 보급을 위한 지원체제가 정비되어 소수력 자원을 효과적으로 활용할 수 있는 마이크로수력발전도 주목받고 있다. 이러한 배경 아래, 수력발전설비의 기술개발은 그 시대의 요구에 대응하여 다양한 기술 변천을 거치고 있다. 여기에서는 수차(펌프수차), 발전기(발전 전동기), 감시제어 보호 장치, 마이크로수력발전에 있어서 이때까지의 기술개발 변천과 향후 전망에 대해서 개략적으로 설명한다.수차(펌프수차)수차·펌프수차는 수력발전소의 대용량화에 따라 고낙차·대유량화 방법이 모색되고, 이를 위한 유체설계, 강도설계 등의 분석기술, 제조기술이 비약적으로 진보했다. 또한 부분부하에서 최대출력까지의 광범위한 부분에서 고효율 운전을 목적으로 한 스플리터 러너(다익형 펌프수차러너)를 도입하는 등 기술개발도 진행하고 있다. 이 장에서는 수차·펌프수차에 대한 기술개발의 변천에 대해서 설명한다.1. 설비기술개발의 변천과 현황<표 1>은 수차·펌프수차에 관한 기술개발의 변천을 나타낸 것이다. (1) 일반수력의 대용량화1950년대 중반, 일본경제의 급격한 확대로 인해 일본 일반수력의 대용량화가 진행되었다. 하지만 그 후 경제적인 입지지점이 사라져 대용량화는 더 이상 진행되지 않았다. 1970년대 후반부터 미국에서, 1990년대 후반부터는 중국에서 점차 대용량화가 진행되어 700MW급 프랜시스수차(Francis水車)가 실현되었다. 여기에는 수차를 지배하는 유체현상(流體現象)에 관해 강력한 상사칙(相似則)이 존재하고 수력모형시험이 확실한 검증방법으로 될 것이라는 사정이 크게 관계하고 있다. 앞으로도 수력모형시험 기술을 기본으로 하여 세계적인 경제의 흐름 속에서 대용량화가 진행될 것이라고 예상된다.(2) 펌프수차가역식 펌프수차는 미국에서 개발된 것으로, 일반수력의 입지지점의 고갈 문제를 해결하기 위해 고낙차 지점을 이용한 양수계획이 보충된 형식이다.초기 펌프수차는 입구변에서 펌프를 기동하는 방식으로, 가이드 베인(Guide vane : 안내날개)기동을 실현하기 위해서 현지에서 여러 가지 실행이 이루어졌다. 또 압축공기에 의한 수면 하락이나 그 후 배기(排氣), 조상(調相)운전에서 보통운전으로 이행할 때의 배기에 관해서도 현지에서는 여러 가지 실험이 진행되어 해결을 모색하고 있다.(3) 고낙차화수력모형시험에서의 유추에 의해 고낙차에서의 강도 문제는 처음부터 모형시험에 의해 연구·개발되었다. 초기의 실양정(實揚程) 시험은 정적 응력의 확인을 주안으로 한 것으로, 오늘날엔 수치 시뮬레이션에서도 가능하다.하지만 초고낙차를 목적으로 한 개발에서 이용된 실양정 실험은 반복 응력을 실기와 서로 같게 한다는 점에서 획기적이었다. 또 이런 고낙차화 연구·개발은 발전소 계획의 주체인 사용자측이 주도적인 역할을 한다는 점에서 특이하였다. 앞으로는 유체와 구조진동의 연성 수치 시뮬레이션의 실용화를 향해 연구가 진행되리라 예상된다.(4) 해수양수발전기술1980년부터 통산성(현재 경제산업성 : 우리나라 산업자원부에 해당) 위탁조사가 개시되어, 그 후 2004년에 실증시험 플랜트의 시험운전이 완료되기까지, 약 24년의 세월을 거쳐 개발이 진행되었다. 당초엔 조그만 조사연구에서 시작되었지만, 완료되자 세계 유일 해수양수발전소의 실적을 얻을 수 있었다. 동시에 400m급 해수양수발전의 실현 전망도 얻을 수 있어 앞으로는 상용 플랜트의 실현으로 개발이 진행될 것이라고 예상된다.(5) 구조·재료·요소기술주조 또는 리벳 구조에서 용접구조로의 전환은 세계 흐름에 맞춰 1970년대까지 실현되어 있었다. 저낙차 러너의 용접구조도 같은 시기에 실현되었지만, 고낙차 러너의 용접구조화에는 초고낙차기 개발에 있어서 반복응력의 특정과 파괴역학의 실용레벨에서의 적용이 필요했다.러너 재료는 1970년대에 13Cr고(高)Ni재(材)가 주류가 된 이후 큰 변화는 없지만, 최근 각종 코팅재가 개발되어 적용되고 있다. 전동서보와 물 보스(boss : 바퀴나 축이음 등에서 충분한 너비와 살 두께를 가진 축을 싸는 부분) 등의 각종 환경대책기술은 제2차 오일쇼크 이후의 에너지절약 또는 환경운동에 의해 만들어졌다.이것도 20년 이상의 세월을 거치며 서서히 기술이 숙련되어 왔다.(6) 수치 시뮬레이션과 러너 설계기술수차의 분야에서 수치 시뮬레이션이 최초로 실용화된 것은 펌프수차의 과도(過渡)현상 분석과 FEM에 의한 응력분석이었다.이것은 1960년대 중반에 원래 사무용으로 개발된 메인 프레임을 기술용으로 운용하여 가능해진 것이었다. 러너 설계에 이용된 시뮬레이션도 그 원리는 1970년대에 이미 있던 것이지만, 이것이 실용레벨로 스플리트 러너 등을 생산해 내기까지에는 1990년대 당시 다운사이징(downsizing)으로 불린 DRAM의 가격 저감이 필요하였다. 앞으로는 반도체분야의 혁신이 없을 것이라고 예상되지만, 수치해석은 연성해석 등 보다 복잡한 방향으로 진행될 것이라고 예측된다.2. 향후 전망대용량·고낙차 등의 기술개발들은 시장의 동향에 좌우된다. 일본은 이미 경제적인 입지지점이 없기 때문에 앞으로는 세계 시장 속에서 이런 기술개발을 계속해나가야 한다. 한편 많은 여러 기술은 20년 이상의 세월을 거치면서 숙련되고 있으므로, 수차 기술자는 항상 장기적인 시각으로 개발에 힘써야 한다.수차는 상사칙이 매우 강한 제품이기 때문에 상사칙이 성립되는 한, 모형시험을 행하는 것이 바람직하다. 수치 시뮬레이션은 향후 한층 더 정밀도가 좋아지리라 예상되지만, 만족스러운 계산정도를 얻지 못할 경우, 상사칙이 성립되는 모형시험에서의 예측이 불가능한 경우에는 다시 한번 펌프수차 여명기의 방법, 즉 시행착오를 겪을 필요가 있다.발전기(발전 전동기)수차발전기는 발전소의 대규모화가 추진되어 왔는데, 특히 스케일메리트(scale merit)에 의한 경제성이 요구되는 양수발전소의 발전 전동기는 시대와 함께 고속·대용량화를 향해 여러 가지 개발이 실시되어 왔다.현재, 일본의 수력발전설비는 전 전원설비용량의 10%정도로, 각 시대 배경 속에서 그 역할이나 요구에 맞게 기술을 진보시켜 왔다.이 장에서는 수차발전기·발전 전동기 기술개발의 한 단면에 대해 설명한다.1. 기술개발의 변천과 현황(1) 고속·대용량 발전 전동기의 개발양수발전소는 경제성을 요구하는 시대의 흐름에 맞춰 대규모화 및 고낙차화를 진행하여 왔는데, 이에 맞춰 발전 전동기 역시 고속·대용량화가 요구되었다.이것을 위한 기술 개발로써 고전압·대전류화, 대형화, 고속화가 필요한데, 절연성능의 향상, 냉각성능의 강화, 고강도재료, 고속·대하중 스러스트(thrust) 축수(베어링) 등의 연구·개발을 같이 진행하여, 요구에 맞춘 발전 전동기를 실현시켰다.현재 600MVA-500min-1의 발전 전동기까지는 공냉화(空冷化)가 가능하다고 판단된다.한편, 원자력 발전소나 대형 화력발전소의 비율이 높아짐에 따라 야간 등 경부하시 부하조정이 곤란해져 양수발전소에서의 부하조정이 필요해졌는데, 이로 인해 생겨난 것이 가변속 양수발전시스템이다. 기존의 양수발전시스템은 발전기에 동기기(同期機)를 적용시켜 회전속도가 일정해지기 때문에 펌프수차의 특성상, 양정(揚程)이 정해지면 입력도 일정하게 운전한다.이것에 비해 가변속 양수발전시스템은 발전 전동기의 회전자에 저주파 삼상교류전류를 흘려 회전자계를 발생시키고, 회전속도와 동기속도의 차분(差分)을 보충하여 동기속도와 다른 회전속도에서의 운전을 가능하게 한 것이다.가변속 양수발전시스템은 1990년에 처음 실용화된 이래, 현재 일본에서 8대가 가동 중에 있다.가변속 발전 전동기의 회전자는 저주파 삼상교류전류를 흘리기 때문에 고정자와 같은 권선을 행할 필요가 있다. 때문에 보통의 수차 발전기와 다른 원통형 회전자를 적용시켜 코일 엔드(coil end)부의 지지방법과 회전자 구조물의 강도 등 다양한 기술적 난이도가 높은 연구·개발을 거쳐 실용화시킨 것이다.(2) 중소 수력발전기기의 합리화중소규모의 수력발전소는 스케일메리트를 얻을 수 없어 경제성이 나쁜 지점에 건설되었다. 그 때문에 중소 용량의 수차 발전기는 간소화에 의한 기기코스트의 저감과 보수·유지 필요성 최소화가 요구되어 왔다.그러한 중에 공기냉각기를 생략한 출구관 통풍방식과 공냉축수의 채용에 의한 ‘水less화’, 전자 브레이크의 채용에 의한 ‘공기less화’ 등의 기술 적용이 확대되어 공냉축수에서는 현재 20MVA 정도까지 실적이 있다. 또 F종 절연 F종 온도상승의 채용과 중성점의 비접지화 등 사양면에서의 합리화도 연구되어 왔다. 이처럼 수차 발전기·발전 전동기에서 기술개발의 변천은 대용량화, 가변속 양수발전시스템에 따른 기술개발이 현저하게 이루어졌으며, 또 중소수력발전기기에 있어서는 경제성 향상을 위한 합리화 대책을 중점으로 이 경향은 앞으로도 계속되리라고 예상된다.(<표 2> 참조)2. 향후 전망일본의 전력 수요는 대폭적인 증가를 기대하지 못하더라도 중장기적으로는 착실하게 증가하고 있기 때문에 수력발전소의 건설도 일정한 비율로 실시될 것으로 기대하고 있다.한편, 1,800개소 이상의 기설 수력발전소는 노화되어 있기 때문에 이것을 적절하게 보수·관리하는 것이 중요하고 일시를 정해 대대적으로 개수(改修)를 행할 필요가 있다. 이것으로 기능회복을 도모하는 한편 고성능화와 보수관리 절감 등 높은 부가가치 요구에 맞춘 최신 기술의 적용에 의한 수차발전기·발전 전동기 효율의 향상, ‘수less화’나 ‘공기less화’ 등의 보수성력화(保守省力化)기술의 적용 등 고신뢰성을 기초로 한 기술개발이 앞으로 기대되고 있다.감시제어 보호 장치 수력발전소형 감시제어, 보호 장치는 1970년대의 마이크로프로세서의 출현 이래, 급속하게 디지털화가 진행되었다. 제어장치는 기존의 자계 Ry를 조합한 자동제어반과 아날로그식 자동전압조정기, 조속기(調速機)가 무접점화되어, 시퀀서(하나의 동작이 끝났다는 신호로 다음 동작을 시작하게 만드는 장치)나 디지털식 AVR, 조속기 등으로 치환되었다. 보호 Ry도 전자형과 트랜지스터형 Ry에서 디지털 Ry, 디지털 보호 장치 등으로 치환되고 있다.이것은 수력발전소 무인 제어화와 보수관리의 향상, 간략화를 목적으로 실시되었는데, 정보통신이 발달한 현재도 이런 요구는 계속 이어져 제품의 개발, 설계에 반영되고 있다.1990년 후반에는 환경문제와 전력수요가 막바지에 달한 것을 반영하여 중소수력형 복합요소(제어, 보호, 조정기능)를 집약했다는 일체형 배전반이 대두되었으며, 기기의 축소화에 박차를 가했다. 게다가 2000년도가 지나자 장치 자체를 지금의 전력사양에서 범용품을 채용하여 기능을 중시하고 가격을 내리는 경향이 사용자, 제조사에 침투되고 있다. 이 장에서는 각 장치의 변환을 중심으로 최근 기술동향 및 앞으로의 전망에 대해 설명한다.1. 설비기술개발의 변천과 현황(1) 제어장치의 변천① 시퀀서(sequencer)관계 수력발전소 제어장치의 변천을 <표 3>으로 나타내었다. 1960년대 후반에서 70년대 전반에 걸쳐 일본에서는 수력발전소의 원격제어화, 무인화가 진행되었다. 이 과정에서 기존에는 운전원의 판단에 맡긴 것을 자동제어로 대체하여 응수·수조(水調), APFR·AQR 등의 새로운 제어방식이 도입되었다. 또 보호관계에서도 기존의 경보로 장기간 방치한다면 기기에 데미지를 줄 가능성이 있는 것은 새롭게 작성한 고장 구분 ‘완정지(緩停止)’로 보호 정지하는 것이 주류가 되었다. 이로 인해 시퀀스가 복잡해져 자동제어를 구성하기 위한 보조 Ry의 수도 대폭 증가하고, 보조 Ry접점의 촉매불량에 의한 시퀀스 트러블 발생 또한 우려되었다. 이에 반해, 70년대 후반에는 마이크로프로세서가 실용화되어 자동제어에 사용되는 보조 Ry의 수량삭감을 목표로, 기존의 보조 Ry를 조합한 Ry시퀀스에서 마이크로프로세서를 사용한 시퀀스 컨트롤러가 개발되었다. 도입초기의 시퀀스 컨트롤러는 기기파손의 우려가 있는 오동작 방지에 주안을 둔 시스템이었다. 구체적으로는 CPU를 이중화하여 두 개의 CPU의 출력이 일치한 경우만 외부에 제어 출력하는 2AND방식이 주류였다. 그 후 CPU자체의 품질이 안정해짐에 따라, 이중화 대기용장 시스템이 채용되었다. 컨트롤러의 출력부 고장에서 오출력이 나오는 경우에도 주기(主機)에 중대한 데미지를 주지 않도록 시퀀스 컨트롤러 외부에 하드웨어 인터록(interlock)을 만드는 방식이 채용되었다. 이 외부 인터록 방식은 인터록 조건을 정리한 후 현재까지도 계속되고 있다. 앞으로 납입 후 20년 전후가 경과하고 있는 양수발전소형 대규모 플랜트 제어장치의 갱신이 순차적으로 진행될 것이라고 예상되는데, 대규모 네트워크 시스템의 갱신에 있어 IT기술이 진보한 현재는 OS, 통신 프로토콜 등 제조사의 것만이 아닌, 보다 개방적인 기준과 범용품을 채용하고 있다. <표 4>는 발전 플랜트형 감시제어시스템의 로드맵을 나타낸 것이다.② 조속기, AVR 관계 전압조정과 속도조정에는 당초 진공관식 증폭기를 사용하였지만, 반도체 기술의 진보와 함께 트랜지스터식 증폭기, IC식 증폭기로 바뀌어 마이크로프로세서를 사용하기에 이르렀다. 현재, CPU는 32비트로 보다 고속의 연산성능을 가지게 되었다. 이것은 아날로그 연산의 고속 처리 필요에 의해 제조사 각사가 다투어 전압과 회전속도를 자기네 것으로 하거나 연산결과를 프로세스로 출력하는 부분에 각 제조사 독자의 PIO를 개발하여 서로 경쟁하게 되었다. 그 후 전력 각사에서는 대규모 양수 플랜트나 대용량 수력 플랜트의 계획의 연기 또는 중지가 이어지고, 중소수력형으로 코스트다운(costdown), 3less화(기름, 물, 공기)나 자연환경대응 등으로 자동제어기능, 전압조정기능, 속도조정기능, 더욱이 보호기능을 일체화시킨 장치의 요구가 높아져 일체화 제어반이 1990년 이후에 도입되었다. 현재 전력회사 및 제조사는 코스트다운의 시책으로서 범용기술을 이용한 제품 제작 검토를 실시하고 있다. 범용품을 전력용으로서 채용하기 위해서는 기존의 전력사양에서의 ‘정제(整除)’가 필요하고, 이에 따라 전력회사와 제조사가 검토를 진행, 한 차례 가이드라인을 설정하기에 이르렀다. 향후 본격적으로 도입되기를 기대하고 있다. (2) 보호 장치의 변천70년대 이전의 보호 Ry는 전자기계식 보호 Ry가 이용되었다. 전자기계식 보호 Ry는 숙련기술이 요구되어 생산성 향상에는 도움이 되지 않았으므로, 70년대에 들어와 반도체를 응용한 트랜지스터형, 정지형(靜止形) Ry가 개발되어 지금의 전자기계식 Ry으로 치환되었다.80년대 후반에 들어오면 계통·변전분야에서 한 발 앞서 실용화된 디지털식 보호 Ry 기술을 응용한 수력발전소용 디지털 보호 Ry가 개발되어 도입이 진행되었다. 수력발전소용 디지털 보호 Ry의 특징은 계통·변전용 보호 Ry에 비교하여 주파수 응동범위가 넓어지는 것으로, 이것은 발전 시동 시의 여자개시(약 90%주파수)에서 부하차단 시의 회전속도상승(일반적으로 130%정도)시에도 전기사고를 검출할 수 있도록 사양을 확장할 필요가 있었기 때문이다.90년대에 들어서면서 양수발전소에서 디지털보호 Ry가 적용 개시되었다. 양수발전소용 디지털 보호 Ry는 양수시동(동기시동·사이리스터 시동)시의 저속회전역에서도 전기사고를 검출할 수 있도록 저주파수역의 성능을 개선하였다.현재, 제조사들은 앞다투어 16비트에서 32비트로 전환, 32비트 CPU를 채용하여 보호 Ry의 샘플링 능력을 30도 샘플링에서 7.5도 샘플링으로 하고, Ry 자체의 동작정도(動作精度)도 향상되고 있다. 또, 맨 머신 인터페이스(Man-machine interface) 기능, 데이터 축적과 사고 시 고장해석기능을 충실히 하는 등의 부가가치를 향상시키고 있다.2. 향후 전망감시제어, 보호 장치는 앞으로 해외제품을 채용할 기회가 증가할 것이다.보다 싼 가격으로 보다 편리하게 사용할 수 있는 제품이 향후 일본의 수력발전기술을 지탱해 나갈 것으로 예상된다. 감시제어, 보호 장치의 향후 전망에 대해 다음과 같이 열기(列記)하였다.(1) 정보전달기능의 고도화수력발전소의 운용은 전력소 또는 지역제어소에서의 원격 감시제어방식을 채용하고 있는데, 전력소 또는 지역제어소에 배치한 감시제어장치는 보다 많은 정보를 실시간으로 수집하여 쉽게 데이터관리를 실시할 수 있는 시스템으로의 대응이 필요하다. 구체적으로 발전소에 있는 각각의 제어장치 또는 보호 장치가 보유한 정보나 장치 자체의 상태를 데이터 전송할 수 있도록 고속 통신 포트를 구비할 필요가 있다.(2) 범용화(汎用化)미래의 코스트다운 시책으로 시장에 유통되는 범용품을 사용한 시스템을 구축하고 있다. 각 제조사는 독자적으로 쌓아온 사양에, 국제규격에 준거한 레퍼토리를 갖춰 시장과 환경의 변화에 유연하게 대응하도록 하고 있다. 이에 따라 장치의 설계·제조에 있어서도 전력 전용으로 개발설계된 것에서부터 범용품의 조합으로 변화해 갈 것이라고 예상된다.따라서 사용자는 국제시장에서 가장 적합한 기기를 채용하게 되므로 이기종(異機種)간의 접속에서도 국제규격에 준거한 인터페이스를 구비하는 것이 필요조건이 되었다. 각 제조사는 이런 환경아래서 플랜트에 관한 지식, 노하우를 제품의 기능에 얼마나 접목시킬 것인가가 향후 제품 제작의 주안이 될 것이다.(3) 보수관리의 향상장치 자체의 보수 간소화 또는 유지관리 감소 지향책으로, 원격으로 보수관리가 가능한 시스템으로의 전환이 필요해졌다. 또한 장치 자체의 노화진단도 상시 또는 수시감시의 필요성 역시 필수 불가결해졌다.마이크로 수력발전