소수력용 고효율 프란시스 터빈의 설계에 관한 연구

Abstract

소수력 발전의 원리는 수력 발전과 차이가 없으나 대규모 수력발전이 환경에 부정적 영향을 미치는 반면, 소수력 발전은 국지적인 지역 조건에 설치가능하고 환경친화적 발전이 가능하다는 정점을 보유하고 있다. 국내 소수력 발전은 1982년 이후 정부의 지원으로 현재까지 44여 개 지역에 설치되어 있으며, 연간 전력 생산량은 약 157,510 MWh에 달하고 있다. 지금까지 국내 소수력 개발은 4대강 수력발전소와 같이 해외 수차제작 기술에 의존해왔으며, 수차제작 기술 국산화 노력을 기울여 왔다. 그러나 용량증가 기술향상에만 집중해 수차 효율증가에 다소 부족한 부분이 있었지만, 최근에는 소수력 개발이 활성화되어 국내 수차를 이용한 수력발전소가 증가하고 있으며 효율 또한 외국 수차 효율 80%에 이를 정도로 기술력이 향상되고 있다.

현재 세계 수력 시장의 점유율 상 가장 큰 지분을 차지하고 있는 것은 중국의 업체들이지만 이는 압도적인 내수율에 기인한 것이므로, 아직까지 전통적인 강자인 유럽업체 Alstom과 Andritz, VOITH 등의 강세가 이어지고 있다고 볼 수 있다.유럽의 선진 업체는 비속도별 런너 블레이드 프로파일을 습득하고 있음은 물론 콘, 케이싱, 흡출관 등 세부 부품의 설계에 대한 노하우도 상당부분 축적한 것으로 예상하고 있으나, 이러한 부분은 정량적으로 나타내기 어렵고, 기술 보안이 뛰어나 노출된 것이 거의 없다.

본 연구는 수차 효율을 높이고자 설계를 실시할 때 어떤 절차를 따라야 하는지 표준 프로세스를 제시하고, 효율에 영향을 미치는 상세형상 결정을 국산화한 사례를 제시함으로써 수차 효율 최적 변수를 결정할 수 있는지 확인하고자 한다. 그리고 이론 수식으로 얻은 결과와 설계 이후 수행하여 얻은 CFD 모형의 오차를 비교하여 국산화 설계기술의 타당성을 검증하여 효과적인 최적 솔루션을 찾을 수 있는지의 여부를 고찰하였다.|The principle of small hydropower is no different from that of hydroelectric power generation. However, large-scale hydroelectric power has a negative impact on the environment, while small power generation has a peak that can be installed in local conditions and environmentally friendly development is possible. Domestic small hydropower generation has been installed in more than 44 regions since 1982 with government support, and the annual power generation amount is about 157,510 MWh. Until now, domestic small hydropower development has been dependent on overseas aeration production technology like 4 rivers hydroelectric power plant, and localization of water turbine production technology has been made. However, there has been a shortage in the increase of the aberration efficiency by concentrating only on the improvement of the capacity increasing technology. Recently, the development of the small hydroelectric power has been activated and the hydraulic power plant using the domestic aberration has been increasing, and the efficiency has been improved to 80 %.

China's largest share of the world's hydropower market share is due to its overwhelming domestic yield, so the strengths of the traditional strong players Alstom, Andritz and VOITH are still continuing.

European leading companies are expected to learn not only the non-speed runner blade profiles, but also know-how about the design of detailed parts such as cones, casings and draft tubes, but these parts are difficult to quantify, There is very little exposure to technology security.

In this study, we propose a standard process to follow the procedure when designing to improve the aberration efficiency and confirm that the optimal aberration efficiency parameter can be determined by localizing the detailed shape determination affecting the efficiency. And the validity of the localization design technology was verified by comparing the results obtained by the theoretical formula with the errors of the CFD model obtained after the design.