水 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第26卷 第5B 號·2006年 9月 pp. 459 ~ 467
보령화력발전소 7·8호기 순환수 취수에 대한 수리 및 수치모형실험
Hydraulic and Numerical Model Experiments of Circulation Water Intake for Boryeong Thermal Power Plant No. 7 and No. 8
이용곤*·정상화**·김창완***·김종강***
Yi, Yong-Kon · Cheong, Sang Hwa · Kim, Chang Wan · Kim, Jong Gang
···
Abstract
In this study, hydraulic and numerical model experiments were performed to analyze and improve the effects of flow-rate increase in the intake canal of Boryeong Thermal Power Plants on the flow condition in the circulation water pump (CWP) chambers. Based on the numerical simulation results, when the flow-rate increased in the circulation water intake canal, the velocity in the canal and vertical vorticities in the circulation water pump chambers increased and hence the vortex occurrence potential would be greatly increased. It was found by performing hydraulic model experiments that the velocity distribution near the bottom in the inlet of the circulation water pump chambers was highly non-uniform while the velocity distribution near the water surface was nearly uniform. To reduce the non-uniformity in the velocity distribution, triangular flow deflectors were devised. The installation of the flow deflectors in the inlet of circulation water pump chambers was successfully to reduce velocity non-uniformities and to remove flow reversal problems.
Keywords :
circulation water, intake canal, hydraulic model, RMA2, vorticities···
요 지
본 연구에서는 화력발전소 순환수취수로의 유량증가가 취수펌프장 흐름에 미치는 영향을 해석하고 개선하기 위하여 수리 및 수치모형실험을 수행하였다. 수치모형실험결과에 의하면 화력발전소 순환수취수로의 유량이 증가하면 취수로내의 유속과 순환수취수 펌프장의 연직방향와도가 증가하여 순환수취수 펌프장내의 와류발생가능성이 크게 증가하는 것을 알 수 있었다.
수리모형실험을 수행하여 순환수취수펌프장 유입부의 수면 근처 흐름은 거의 균등한 유량 배분이 이루어지고 반면에, 바닥 근처의 흐름은 유량 배분이 균등하게 이루어지지 못하여 취수펌프장내에서 역류현상이 발생하는 것을 밝혀냈다. 삼각형 도류 벽을 취수펌프장 유입부에 설치하여 유속분포의 불균일성을 제거할 수 있었고 역류발생문제를 제거하였다.
핵심용어 : 순환수, 취수로, 수리모형, RMA2, 와도
···
1. 서 론
보령 화력발전소 (Thermal Power Plant, TPP) 는 현재 6 개
호기의 발전소를 운영하고 있고 발전용량 증설을 위하여 6
호기 말단의 여유부지에 추가로 7 · 8 호기를 신설할 계획이 다 . 본 발전소의 순환수 (circulation water) 계통은 외해의 해 수를 2 단 취수하여 발전소내의 복수기까지 유입시켜 증기와
열교환을 한 후 다시 외해로 배출한다 . 순환수는 흔히 냉각
수 (cooling water) 라고도 불린다 . 기존 호기 및 신설 호기의
배치도는 그림 1 에 보인 바와 같다 . 기존 화력발전소 순환 수취수로의 전체길이는 494m 이고 , 취수로 폭은 1 호기 전면
에서 최대로 50.6m 이며 , 하류방향으로 점점 줄어들어 6 호기
말단에서 최소로 20.1m 이다 . 취수로의 하상경사는 없다 . 취
수로의 설계수위는 EL. 6.75m 이다 . 기존 화력발전소 (1~6 호 기 ) 는 각각 4 대의 펌프가 설치되어 운영되고 있고 , 신설될 화력발전소 (7 · 8 호기 ) 또한 각각 4 대의 펌프가 설치될 예정
이다 . 1~8 호기 순환수취수펌프 (Circulation Water Pump;
CWP) 의 용량은 표 1 에 보인 바와 같다 .
신설될 화력발전소 7 · 8 호기에 필요한 순환수는 기존 취 수로를 활용하여 공급될 계획이므로 기존 취수로는 순환수 유입량이 증가하게 될 것이다 . 7 · 8 호기가 신설되면 취수로 유입부에서 유량은 156.3 m
3/s 에서 208.4 m
3/s 로 1.33 배 증 가하고 , 5 · 6 호기 사이의 취수로 구간에서 유량은 26.0 m
3/s
에서 78.1 m
3/h 로 3 배 증가한다 . 또한 흐름방향 운동량이 커
져 흐름방향에 직각으로 배치되어 있는 순환수취수펌프장내 로 흐름이 원활하게 유입되기 어려울 것으로 판단된다 . 기존 *
정회원ㆍ교신저자ㆍ한국수자원공사수자원연구원선임연구원ㆍ공학박사(Email : [email protected])
**
정회원ㆍ한국건설기술연구원수자원연구부연구원ㆍ공학석사(Email : [email protected]) ***
정회원ㆍ한국건설기술연구원수자원연구부수석연구원ㆍ공학박사(Email : [email protected])
****
한국전력기술(
주)
토목기술처과장ㆍ공학석사(Email : [email protected])
호기 전면의 취수로 유속을 7 · 8 호기 신설 이전과 비슷한 수준으로 유지하기 위해서는 기존 취수로의 통수단면적을 증 가시켜야 하나 , 여유부지가 거의 없어서 기존 취수로확장은
어려운 실정이다 .
본 연구의 목적은 7 · 8 호기 신설 전·후의 순환수 취수로 와 펌프장내 흐름을 수리 및 수치모형실험으로 비교·분석 하여 순환수 취수에 대한 문제가 발견되면 이에 대한 개선 안을 도출하는 것이다 . 연구방향은 수리 및 수치모형을 구성 하고 , 현장에서 측정된 유속자료를 이용하여 수치 및 수리모 형을 검정한 후 , 계획안과 다양한 개선안에 대하여 수치실험 을 수행하고 , 개선효과가 큰 개선안에 대하여 수리모형실험 을 수행하는 것이다 .
2. 문헌조사 및 설계기준
일반적으로 순환수취수펌프장의 크기와 형상에 대한 설계 는 British Hydromechanics Research Association(Prosser, 1977), Hydraulic Institute(1998) 와 같은 외국 연구기관에 의하여 제시된 설계지침을 따른다 . 그러나 Sweeny 등 (1982)
에 의하면 위의 연구기관에 의하여 제시된 설계지침에는 1)
순환수취수펌프 흡수정 (sump) 에 대한 크기와 형상에 대해서 만 적용가능하고 , 2) 순환수취수펌프로 접근하는 흐름은 순 환수취수펌프에 악영향을 미칠 수 있는 와 (eddy) 나 와류
(vortex) 를 포함하고 있지 않다고 가정하는 문제점이 있다 .
하지만 어느 설계지침도 이러한 흐름이 발생하지 않을 것을 보장하지 못한다 . 특히 본 연구와 같이 신규 호기의 순환수
를 기존 취수로를 통하여 공급하는 경우에는 기준 설계지침
을 적용할 수 없는 문제점이 있다 .
Tullis(1979) 는 펌프운영에 문제를 발생시킬 수 있거나 효
율을 떨어뜨릴 수 있는 흐름조건은 6 가지로 분류한 바 있다 .
이 중에서 본 실험과 관련이 있는 흐름조건은 수면에서 발
생하는 와류 (surface vortex) 와 바닥이나 벽으로부터 발생하
는 와류 (subsurface vortex) 이다 . Hecker(1984) 는 펌프 흐름 주변에서 발생할 수 있는 자유수면 와류를 그림 2 에 보인 바와 같이 1) 표면회전 (surface swirl), 2) 표면패임 (surface dimple coherent swirl), 3) 색소 (dye) 에 의해서 관측되는 색소기둥 (dye core), 4) 공기 이외의 부유물 흡인와류 (vortex pulling floating trash but not air), 5) 공기방울 흡인와류
(vortex pulling air bubble) 6) 공기기둥 (full air core) 으로 구분한 바 있다 . Sweeny 등 (1982) 은 상기한 5 종류의 와류 중에서 펌프에 악영향을 미치는 와류는 5) 와 6) 의 와류라고 지적한 바 있다 .
이용곤 등 (2005) 은 복합화력발전소 순환수취수펌프의 취수
로에 대한 수치 및 수리모형실험을 수행하면서 설계지침과 펌프에 문제를 발생시키거나 효율을 떨어뜨릴 수 있는 수리 학적 흐름조건을 검토한 후 펌프에 문제를 발생시키지 않을 수 있는 흐름조건을 제시한 바 있다 . 이들은 수치모형실험에서 얻어진 유속자료를 이용하여 연직방향와도 ( ,
u와
υ는 종·횡방향 유속 ) 를 산정하여 와류발생 가능성 평 가에 이용한 바 있다 . 또한 이들은 기존 취수로를 확폭하지 않고 적절한 형태의 도류벽을 적절한 위치에 설치함으로써 취수펌프장의 흐름상황을 개선시킬 수 있다고 판단하고 도류 벽의 위치와 형태를 수리모형실험을 통해 결정한 바 있다 . 본
실험에 적용한 설계기준은 이용곤 등 (2005) 이 제시한 흐름평
ωz= ∂v ∂x ⁄ – ∂u ∂y ⁄ 그림 1. 기존 화력발전소 및 신설될 화력발전소 7·8호기 기본계획 1안 개요도(평면도)
표 1. 발전소별 순환수취수량 발전 호기 순환수
소요량 (m
3/s) 최소폭 취수로 (m) 최소단면 취수로 (m
2)
신설전 신설후
유속증가비 신설전후 유량 순환수 (m
3/s) 유속 단면평균 (m/s) 유량 순환수 (m
3/s) 유속 단면평균 (m/s)
1 26.0 50.6 258.1 156.3 0.61 208.4 0.81 1.33
2 26.0 45.7 229.5 130.2 0.57 182.3 0.79 1.40
3 26.0 36.9 179.3 104.2 0.58 156.3 0.87 1.50
4 26.0 31.9 150.6 78.1 0.52 130.2 0.86 1.67
5 26.0 25.8 115.1 52.1 0.45 104.2 0.91 2.00
6 26.0 20.1 82.7 26.0 0.31 78.1 0.94 3.00
7 26.0 - - - - 52.1 - -
8 26.0 - - - - 26.0 - -
가 기준과 동일하며 다음과 같다 .
1) 순환수취수펌프장 유입부에서 유속이 1.2 m/s 이하일 것
( 단 , 취수로의 방향이 순환수취수펌프장과 평행인 경우에 한함 ) 2) 순환수취수펌프 중심으로부터 취수펌프 입구직경 ( D ) 의
5 배 떨어진 상류 지점 (5D 지점 ) 에서 단면평균유속이 0.3 m/s
이하일 것
3) 색소 주입 후 육안으로 관측 가능한 와류 ( 색소기둥 ;
dye core) 가 발생하지 않을 것
3. 모형구성 및 검정실험
3.1 수리모형
수리모형의 축척은 실험실의 유량공급능력 , 설치공간 , 원형 의 재현성 등을 종합적으로 검토하여 결정된다 . 이를 고려하 여 수리모형을 1:25 의 정상모형으로 제작하였다 . 기존 화력 발전소의 취수로는 콘크리트로 건설되어있고 단면은 사다리 꼴형이고 , 흐름은 자유수면을 갖는 개수로 흐름이다 . 따라서
Froude 상사법칙을 적용하였으며 이에 따라 계산된 유량비는
1:3,125, 조도계수비는 1:1.7 이다 (ASCE Task Committee on Hydraulic Modeling, 2000). 순환수취수펌프는 사이펀을 설치 하여 재현하였다 .
원형 취수로의 재질이 콘크리트이므로 Manning 조도계수
는 0.013~0.016 의 범위이며 현장조사 당시의 원형취수로 벽
면상태를 고려하여 0.016 을 적용하였다 . 이에 대응하는 모형
의 Manning 조도계수는 약 0.01 이고 이와 유사한 조도를
갖는 재질은 아크릴이다 . 따라서 수리모형을 아크릴로 제작 하였으며 제작된 모습은 그림 3 에 보인 바와 같다 .
최대 0.15 m
3/s 의 유량을 공급할 수 있는 위어 (weir) 방식
의 유량공급장치를 제작하였다 . 공급유량측정의 신뢰성을 보 장하기 위하여 한국공업규격 (KS B 6302) 에 의거하여 제작 하였으며 이에 제시되어 있는 유량관계식을 적용하여 유량 을 계산하였다 .
유속측정은 2 차원 전자기유속계 (ACM250-D; 범위 =0-
250 cm/s; 오차 = ± 2%) 를 이용하였다 . 수위측정은 포인트게 이지 (KENEK PH-235; 범위 = 0-0.37 m) 를 이용하였다 . 사이 펀의 유량은 관수로 유량계 (DP490; 범위 = 0.9~22,680 m
3/h;
오차 = ± 1.5%) 를 이용하여 측정하였다 . 흐름양상과 와류의
발생을 파악하기 위하여 색소를 주입한 후 사진 및 비디오 촬영을 하였다 . 평균유속은 한 지점에서 연직방향으로 2 지점
(0.2 h와 0.8 h , h = 수심 ) 에서 측정하였고 , 평균유속은 수렴성
그림 2. 자유수면 와류의 종류(Hecker, 1984)
그림 3. 취수로와 펌프장 수리모형
을 고려하여 50 초 동안 측정한 50 개의 유속자료를 평균하여 구하였다 .
3.2 수치모형
시간과 경제적인 이유로 다양한 수리모형실험을 수행하기 어려운 단점을 극복하기 위하여 수치모형실험이 수행되었다 .
평면 2 차원 흐름특성 예측을 위하여 본 연구에서 적용한 수
치모형은 2 차원 수심적분 유한요소 프로그램 RMA2 모형
(US Army Corps of Engineering, 1997) 이다 . RMA2 의 지배방정식은 3 차원 Navier-Stokes 방정식을 수심 적분한 2 차 원 천수방정식 (2-Dimensional Shallow Water Equation) 이다 .
이 모형은 정류와 부정류에 대해서 대상수역의 수위와 유속 을 계산하여 제공한다 .
순환수취수펌프가 위치한 흡수정 영역은 관수로이지만 평 면 2 차원 수치모형에서 관수로를 구현하기 어려워 전구간을 개수로 모의하였다 . 벽면부근에서는 요소를 작게 구성하여 벽면의 마찰영향이 고려될 수 있도록 하였다 . 취수로 유입부 에서 수위경계조건을 부여했고 , 순환수 펌프가 위치한 지점 에서는 유량경계조건을 적용하였다 . 취수로 하상의 Manning
조도계수는 0.016, 취수로의 연직측벽 부분에는 RMA2 모형 의 사용자 지침서에 제시된 바대로 조도를 과대 설정하여 벽면의 마찰을 최대한 고려하였다 . 와점성계수 (eddy viscosity) 로 130 N · s/m
2을 적용하였다 .
3.3 검정실험
수리 및 수치 모형의 검정을 위하여 현장조사를 2003 년
4 월 23 일 수행하였고 , 각 호기의 취수펌프 가동상황을 조사 하였다 . ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler) 를 사용 하여 유속을 측정하였다 . 레벨을 이용하여 수위를 측정하였 다 . 유속 및 수위 측정지점은 4 호기와 5 호기 사이에 있는 교량 하류단이다 ( 그림 1 참조 ).
수리 및 수치모형 검정실험은 현장조사시 취수펌프 가동조 건과 동일한 조건에서 수행되었다 . 수리모형 실험의 유속측 정은 2 점법으로 실시하였다 . 현장측정 수위와 수리 및 수치 모형실험에서 구한 수위는 거의 동일하게 나타났다 . 현장에 서 측정한 유속과 수리 및 수치모형실험에서 구한 유속은 표 2 에 비교되어있다 . 그림 3 에서 u는 종방향유속 ,
υ는 횡 방향유속을 나타낸다 . 각 지점별 종 방향 유속의 표준편차는
0.03 m/s 이내이기 때문에 유속측정의 오차 및 수치모형의
제한사항 ( 수심평균 ) 등을 고려할 때 각 유속은 큰 차이를 보 이지 않는 것으로 간주할 수 있다 . 그러나 현장측정과 수리 모형에서 측정한 횡방향유속의 경우 순환수취수의 영향으로 모두 순환수취수펌프장 쪽을 향하는 것으로 나타났다 . 그러 나 수치모형실험의 횡방향유속의 크기는 아주 작지만 방향 은 현장측정 및 수리모형실험과는 다르게 나타났다 . 이러한 원인은 교각주변과 취수구 주변 등의 3 차원 흐름이 발생하 는 지역에서 2 차원 수심적분모형은 정확성이 감소되기 때문 으로 판단된다 .
4. 현황 실험
현황 실험은 1~6 호기가 모두 가동되는 경우에 대한 실험 표 2. 현장측정 유속과 수리 및 수치모형실험의 유속 비교
측점 u (m/s) v (m/s)
현장측정 수리모형 수치모형 평균 표준편차 현장측정 수리모형 수치모형 평균 표준편차
C1 0.20 0.20 0.26 0.22 0.03 -0.04 -0.05 -0.01 -0.06 0.03
C2 0.15 0.10 0.16 0.14 0.03 -0.05 -0.08 0.01 -0.04 0.05
C3 0.18 0.24 0.21 0.19 0.02 -0.02 -0.06 0.01 -0.02 0.01
그림 4. 수위 및 유속측정 지점
이다 . 이 실험은 7 · 8 호기 증설에 따른 흐름의 변화를 비교 하여 7 · 8 호기 증설의 영향을 파악하기 위하여 실시되었다 .
각 호기별 순환수취수펌프 용량은 표 1 에 나타낸 바와 같다 .
모형실험은 수치모형실험과 수리모형실험을 병행하여 실시하 였다 .
각 호기별 수위 및 유속측정지점은 그림 4 에 보인 바와 같다 . 그림 4 는 각 순환수취수펌프 구조물의 내부를 나타낸
것으로 격벽으로 분류되는 4 개의 순환수취수펌프장으로 구 성된다 . 색소추적에서 각 순환수취수펌프장에서 설계기준 이 상의 와류가 발생하지 않았기 때문에 시간절약상 S3 의 3 지
점과 S1 의 L, R 지점에서의 유속측정을 생략하였다 .
취수로 유속은 0.52~0.83 m/s(1 호기에서 최대 ) 이었다 . 순환 수취수펌프장 유입부의 평균유속은 0.20~0.37 m/s(4 호기에서 최대 ) 로 설계기준인 1.2 m/s 이하를 만족하였다 . 순환수취수 펌프 중심으로 5 D지점 ( 그림 4a 의 S2 선상 ) 에서 평균유속은
0.29~0.30 m/s 로 설계기준인 0.3 m/s 이하를 만족하였다 . 순 환수취수펌프 구조물 내부의 유속은 모두 순환수취수펌프 쪽 으로 향하였으며 , 일부 순환수취수펌프장 I 에서 표면회전
(surface swirling) 정도의 와류가 발생하였으나 펌프에 악영
향을 주는 와류는 아니어서 유황조건도 설계기준을 만족하 였다 . 2 차원 수치모형실험 결과를 이용하여 계산한 5 D지점 의 와도 (
ωz) 의 최대값은 0.021 s
−1이었다 . 7 · 8 호기가 증설될 경우 5 · 6 호기가 가장 큰 영향을 받게 되는데 이에 대한 유
속분포는 그림 5 에 나타낸 바와 같다 .
5. 기본설계안 실험기본설계로 2 개 안이 제시되어 있었다 . 기본설계 1 안은 취
수로 폭을 확장하지 않고 그림 6(a) 에 보인 바와 같이 기존
취수로의 최소 폭 (6 호기 말단 ) 으로 7 · 8 호기 순환수 공급을
위한 신설 취수로를 설계하는 것으로 단면은 기존 취수로와 같은 사다리꼴이다 . 기본설계 2 안은 그림 6(b) 에 보인 바와 같이 기존 취수로의 5 호기 순환수취수펌프장 맞은편에서 폭 을 확대하여 연장하며 신설 취수로의 폭은 기존 취수로의 최소 폭보다는 약간 증가시킴으로써 취수로내의 유속감소를 목표로 하는 계획안이다 . 기본설계에 대한 실험은 수리모형 제작에 소요되는 시간과 비용을 절감하기 위하여 2 차원 수 치모형실험만을 실시하였다 .
기본설계 1 안의 경우 , 취수로 유속은 0.81~1.30 m/s(6 호기 에서 최대 ) 이었다 . 순환수취수펌프장 유입부 유속은
0.30~0.43 m/s(6 호기에서 최대 ) 로 설계기준인 1.2 m/s 이하를 만족하였다 . 4~6 과 7 호기에서 순환수취수펌프 중심으로부터
5 D지점의 평균유속이 설계기준인 0.3 m/s 를 초과하였다 . 순 환수취수펌프 중심으로부터 5 D지점의 와도는 현황의 최대와 도 (0.021 s
−1) 에 비하여 전반적으로 증가하였으며 5 · 6 호기에
서 190~320% 정도 증가하여 와류발생가능성이 증가하였다 .
그림 5. 현황실험의 순환수취수펌프 구조물내의 유속분포
기본설계 2 안의 경우 , 취수로 유속은 0.72~1.22 m/s(4 호기 에서 최대 ) 이었다 . 순환수취수펌프장 유입부에서 유속은 0.30~0.42 m/s(5 호기에서 최대 ) 로 설계기준인 1.2 m/s 이하를 만족하였다 . 그러나 여전히 4~6 호기 순환수취수펌프 중심으 로부터 5 D지점에서 평균유속은 설계기준인 0.3 m/s 를 초과 하였다 . 순환수취수펌프 중심으로부터 5 D지점에서의 최대와 도는 1 호기에서 6 호기로 갈수록 증가하는 것으로 나타났으 며 5 · 6 호기에서 170~270% 까지 증가한 것을 알 수 있었다 .
취수로가 5D 호기 전면에서 폭이 약간 증가하였다가 감소하
는데 이 부근에서 정체 영역과 재순환 영역 (recirculating
region) 이 발생하였고 순환수에 포함되어 있는 부유물질이 침
강할 수 있을 것으로 판단된다 . 취수로의 통수단면적 증가로 인하여 취수로 유속이 감소되었고 이로 인하여 순환수취수 펌프 구조물 내부의 와도 또한 감소되었다 . 그러나 현황과
비교해 보면 여전히 높은 와도를 보이고 있으므로 와류발생 가능성이 존재한다 . 따라서 취수로의 통수단면을 더욱 증가
시킨다면 역류발생 가능성을 감소시킬 수 있을 것으로 판단 되지만 공간적인 제약으로 더 이상의 통수단면증가는 불가 능하므로 도류벽을 이용한 취수펌프장의 흐름상태 개선이 필 요할 것으로 판단되었다 .
6. 개선안 실험
6.1 수치모형실험
기본설계안의 경우 , 순환수취수펌프장의 흐름상태가 취수 펌프운영에 문제를 발생시킬 수 있을 것으로 판단되어 이를 개선하기 위한 3 개의 개선안에 대하여 수치모형실험을 수행 하였다 . 각 개선안의 특징은 다음과 같다 .
그림 6. 기본설계 개요도
그림 7. 7·8호기 신설에 따른 개선안 개요도
1) 개선 1 안 : 취수로의 통수 단면적 증대를 위하여 6 호기 순환수취수펌프장 맞은 편 취수로 사면의 직벽화 ( 그림 7a)
2) 개선 2 안 : 취수로의 통수 단면적 증대를 위하여 순환
수취수펌프장 전면 및 맞은 편 취수로 사면의 직벽화 ( 그림
7b)
3) 개선 3 안 : 흐름의 편중현상 완화와 순환수취수펌프장
별 유량의 균등분배를 위하여 개선 1 안과 동일한 단면에 2
호기 , 3 호기 및 7 호기 중심 격벽과 4 호기 , 5 호기 및 6 호기
각각의 격벽에 삼각형 도류벽 ( 그림 8) 설치
도출된 개선안에 대하여 우선적으로 2 차원 수치모형실험을
수행하였고 그 결과를 이용하여 각 개선안에 의한 개선효과 를 정량적으로 비교하기 위하여 5D 지점의 현황 최대와도
(0.021 s
−1), 최대유속 (0.3 m/s) 및 취수로 최대평균유속 (0.8 m/s) 을 기준으로 비교하였다 . 그 결과 6 호기 순환수취수펌프
구조물의 현황대비 수치가 가장 크게 나타났다 . 그 원인은 보령화력발전소 6 호기 부근에서 취수로의 유량과 유속이 현 황에 비하여 3 배 증가하여 순환수취수펌그조물 내의 흐름상 태가 현황에 비하여 악화된 것으로 볼 수 있다 . 따라서 보
령화력발전소 6 호기 순환수취수펌프장 내의 흐름상태가 취 수펌프운영에 심각한 문제를 발생시키지 않는다면 다른 호 그림 8. 삼각형 도류벽 모습(점선)
그림 9. 6호기에 대한 수치모형실험결과 비교
그림 10. 수리모형실험에 의한 개선 1안 유속분포
기 내의 흐름상태도 동일할 것으로 판단되었다.
그림 9는 보령화력발전소 6호기의 순환수취수펌프로부터 5D지점의 최대평균유속과 최대와도의 현황대비 결과를 보여 준다. 순환수취수펌프로부터 5D지점의 최대평균유속은 거의 변화가 없었고 최대와도는 개선안별로 상당한 차이를 나타 내었다. 개선 3안의 최대와도가 현황최대와도의 105%로서 현황과 거의 유사한 것을 알 수 있었다. 순환수취수펌프장의 와류발생가능성이 가장 낮은 것으로 볼 수 있다.
6.2 수리모형실험
개선안에 대한 수리모형실험은 개선 1안과 3안에 대하여 수행하였으며 순환수취수펌프는 1호기에서 8호기까지 모두 32개의 취수펌프가 운영되었다.
6.2.1 개선 1안
개선 1안에 대한 수리모형실험에 의한 순환수취수펌프장 내의 유속분포는 그림 10과 같고 측정지점은 그림 4와 동 일하다. 그림 10을 살펴보면 순환수취수펌프장 내의 유속분 포가 균일하지 않으며 현황에 비하여 그 차이가 큰 것을 알 수 있다. 이러한 유속분포의 비균일성은 순환수취수펌프 장 내로 유입되는 흐름의 유량 배분이 균등하게 이루어지지
않고 있기 때문이다. 순환수취수펌프장 I의 유입부에서 유 속은 좌측 L 측점에서 최대가 되며 좌측으로 집중된 흐름 은 벽면을 타고 순환수취수펌프로 유입된다. 순환수취수펌 프장 내의 II~IV에서는 유속이 우측 R 측점에서 최대가 되며 흐름은 우측으로 집중되고 좌측 L 지점에서는 정체되 거나 역류하는 흐름이 발생하였다(그림 10a와 b의 ○). 순 환수취수펌프 중심으로부터 5D 지점에서는 취수펌프의 흡 입력이 상대적으로 크기 때문에 역류되는 현상은 없었다.
그러나 좌측 L 측점과 우측 R 측점의 유속 차이는 전단응 력을 발생시키고 이에 따른 난류의 발생을 증가시켜 순환수 취수펌프장 입구에서 불안정한 흐름 상태를 유발시킬 소지 가 있다.
유량이 분배되는 상태를 파악하고자 색소추적을 실시하였 다. 이 결과는 수면 근처의 흐름은 거의 균등한 유량 배분 이 이루고지고 반면에, 바닥 근처의 흐름은 유량 배분이 균 등하게 이루어지지 못하였다. 이는 사다리꼴 단면의 취수로 로 인해 순환수취수펌프장 I 전면에서 정체 영역이 발생하여 유량의 배분에 문제를 일으키게 되는 것으로 판단된다. 따라 서 수면 근처의 흐름에 지장을 주지 않으면서 바닥 근처의 유량 편중을 완화하기 위한 개선방안이 수립되어야할 것으 로 판단되었다.
그림 11. 수리모형실험에 의한 개선 3안 순환수취수펌프 구조물내 유속분포
6.2.2 개선 3안
개선 1안에 대한 수리모형실험 결과에 의하여 수면 근처 의 흐름에 지장을 주지 않으면서 바닥 근처의 유량 편중을 완화하기 위하여 삼각형 도류벽을 도입하였다(그림 8). 개선 3안에 대한 순환수취수펌프장 내부의 유속분포는 그림 11에 보인 바와 같다. 개선 1안에 비해 흐름의 편중이 크게 완화 되어 역류가 발생하지 않았다. 삼각형 도류벽은 순환수취수 펌프장 길이를 연장하는 효과와 하상부근에서 취수로방향 운 동량을 감소시키는 효과로 인하여 유량을 균등하게 배분시 키어 순환수가 취수펌프장으로 원활하게 유입시키는 것으로 나타났다.
7. 결 론
본 연구는 보령화력발전소 7·8호기 증설 후 기존 순환수 취수펌프장내의 흐름조건이 순환수취수펌프운영에 심각한 문 제를 발생시키지 않을 방안을 모색하는 것이다. 따라서 신설 될 보령화력발전소 7·8호기 취수로 및 취수펌프장 기본설 계 1 및 2안에 대한 수치모형실험을 수행하였고 그 결과를 바탕으로 3개의 개선안을 도출하여 수치모형실험을 실시한 결과 개선 3안이 순환수취수펌프의 운영에 심각한 문제를 발생시키지 않을 것으로 판단되었다. 또한 공간적인 제약조 건을 해결할 수 있고 시공비용과 기간 측면에서도 유리하다.
개선 1안에 대한 수리모형실험을 통해서 취수로의 유량이 증가하면 수면 부근에서 순환수취수펌프 구조물 내부로 유 입되는 유량 배분은 거의 균등하게 유지되나 바닥 부근의 흐름은 더욱 불균등해 짐을 알 수 있었다. 이로 인해 순환 수취수펌프 구조물 내부의 와도가 증가하고 와류 발생 가능 성이 존재한다. 따라서 개선 3안과 같이 수면 부근의 흐름 에 지장을 주지 않으면서 바닥 부근의 유량 편중을 완화하 기 위하여 삼각형 도류벽을 취수펌프장 유입부에 설치하여 순환수가 취수펌프장으로 원활하게 유입되도록 하였다. 개선 3안의 수리모형실험으로부터 취수로의 흐름이 부드럽게 순환 수취수펌프 구조물로 유입됨으로써 와류나 역류가 발생하지
않았고 흐름평가 기준도 만족하는 것을 알 수 있었다. 삼각 형 도류벽은 취수로방향의 운동량을 감소시켜 순환수가 취 수펌프장으로 원활하게 유입되도록 하는 효과가 다른 대안 보다 뛰어나다. 이로부터 공간적인 제약조건이 있는 화력발 전소 순환수취수펌프장 및 취수로 설계의 경우 삼각형 도류 벽을 이용하여 취수펌프장의 흐름을 개선시킬 수 있을 것으 로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국전력기술주식회사의 연구비 지원에 의하여 수행되었습니다.
참고문헌
