본문 바로가기

발전분야

수력발전 개요

반응형
Ⅰ. 수력 에너지 개요
 
 1. 수력자원의 이용
 
  가. 수력 에너지와 포장수력

 

 
  1) 에너지 형태
 
  가) 수력에너지는 물이 가지고 있는 위치 에너지를 주로 이용한다.
 
  나) 위치에너지(potential energy)의크기는 낙차x유량 에 비례한다.
 
  2) 포장수력
  : 포장수력이란 각 하천이 지니고 있는 잠재적인 발전 능력을 말하는 것으로 낙차와 수량을 고려하여 산출한다. 즉, 우리나라의 하천을 최대한 이용하여 발전했을 때 얻어낼 수 있는 수력의 총에너지를 말한다.
  따라서 한강은 유량과 낙차 등을 고려했을 때 포장수력이 가장 풍부한 하천이다. 동서로 흐르는 하천으로 낙차가 남북으로 흐르는 하천(낙동강 등)에 비해 크고, 하천의 유역 면적이 넓어 유량도 다른 하천에 비해 가장 풍부하다.
  반면 개발수력은 이미 수력발전소를 건설하여 생산하고 있는 발전 능력을 말한다. 한강은 북한강과 남한강의 큰 두 개의 줄기로 나뉘는데 포장수력은 남한강이 더 많지만 실제로는 북한강에 더 많은 댐이 건설되었기 때문에 개발수력은 북한강이 남한강에 비해 높다. 
  다음은 유형별 수력의 크기 순서이다.
 
  가) 포장수력 : 한강 > 섬진강 > 낙동강 > 금강
 
  나) 포장수력 : 남한강 > 북한강
 
  다) 개발수력 : 북한강 > 남한강
 
  나. 소수력발전 (small hydropower)
 
  1) 일반적인 수력발전이 큰 다목적 댐의 수두차에 의해서 에너지를 얻는데 비해서 소수력 발전은 하천 내에서 위치에너지에 의해 작은 규모의 물로부터 운동에너지를 만들고 이를 전기에너지 (대체로 30MW 이하)로 바꾸어 전기를 얻는 일반적인 발전을 의미한다.
 
  2) 소수력발전은 국제 에너지 가격 폭등으로 국내에 부존된 자원의 적극적인 개발이 필요하여 1980년대부터 본격화되었다.
 
  3) 국내 소수력 발전사업은 한국남동발전, 중부발전, 서부발전, 동서발전 등 발전사들이 양수발전소에서 상시 방류하는 물을 이용하거나 화력발전소 배수를 이용해 전기를 생산(해양 소수력)하는 방식으로, 소내 전기수요는 물론 전력수급 안전에도 도움을 주고 있다.
 
  4) 현재 발전회사가 소수력 발전소를 활발하게 운영 중인 이유는 유엔기후변화협약과 화석연료 고갈 가능성, 환경규제 강화에 따라 청정해양에너지를 적극적으로 개발할 필요성이 대두되고 있기 때문이다.
 
  5) 해양소수력 발전은 화력발전소에서 냉각수로 사용한 방류수를 수규모 댐에 저장한 뒤 떨어지는 낙차를 이용해 전기를 생산하는 방식이다. 버려졌던 냉각수가 새로운 에너지 자원이 된다.
 
  다. 조력발전
 
  1) 해양에서 발생하는 간만의 차에 의한 해수의 위치에너지를 이용하는 방식으로 조석현상에 의해 생기는 해면 높이의 위치에너지를 전력으로 변환하는 발전방식으로 만조 때 유입된 바닷물을 높은 곳의 저수지에 가두어 두었다가, 간조 때 방수해 발전기를 회전시킨다.
 
  2) 조력발전 국내현황 (시화호 조력발전소) : 경기도 안산시 대부동 시화호 방조제에 지어져, 수차발전기 10기에서 25만 4,000kW의 발전시설 용량을 갖춘 세계 최대 규모의 조력발전소다. 연간발전량은 5억 5,200만kWh로 소양강 댐의 1.56배이자, 이전까지 세계 최대 규모였던 프랑스 랑스조력발전소를 넘어서는 것으로, 인구 50만명이 사용할 수 있는 전략량이다. 한편, 시화호 조력발전소는 밀물 때의 낙차를 이용한 단류식 창조 발전으로 가동된다.
 
  3) 시화호 조력발전소를 통해 연간 86만 2,000배럴의 원유 수입을 대체해 매년 약 942억원을 절감하고, 연간 이산화탄소 발생량도 31만 5,000톤을 줄여 약 66억원을 절감할 수 있을 것으로 전망되고 있다. 하지만 시화호 바닥에 축적된 중금속 물질들이 조력발전소를 통해 바다로 그대로 유입될 가능성이 있어 환경오염에 대한 지적이 계속되고 있다.
 
  4) 현재 건설이 검토되고 있는 곳으로는 국내지역으로 인천만, 가로림만 등이 있는데 현 시점에서는 다른 에너지원에 비하여 경제성이 낮은 편이나 신재생에너지원으로 주목을 받고 있다.
 
  5) 조수 발생의 원인과 주기
  - 달의 인력과 지구의 원심력에 의하여 발생
  - 우리나라의 발생주기 : 12시간 24분 36초
 
  6) 조력발전이 경제적으로 되려면
  - 조차(tide range)가 크고
  - 조지(basin)가 넓으며
  - 방조제의 길이가 짧아야 한다.
 
 2. 수력발전소의 출력
 
  가. 출력의 계산
  : 낙차 H [m] 의 지점에서 사용되는 수량이 Q [m^3/sec] 일 때 얻어지는 출력의 이론치(이론 수력)는 다음과 같다.
 
Pth = 9.8QH [kW]
 
  그러나 실제로 얻어지는 전기출력은 이론 수력이 수차발전기에 작용하여 전기적인 출력으로 바뀌는 과정에서 발생되는 손실을 뺀 값으로 된다.
 
 Pe = 9.8ηQH [kW]
 
여기서 η 는 수차발전기의 종합효율이며, 대체로 0.8~0.94 범위이다.
 
  나. 수력에서의 출력 구분
 
  1) 설비용량 : 설치된 발전기의 정격용량
 
  2) 최대출력 : 일정한 상황과 기간 중에 얻어지는 최고 출력을 의미한다.
 
  3) 상시출력 : 수력발전소의 운전능력은 유량의 크기에 관계된다. 하천의 수량은 계절에 따라 변화되므로 연중 일정한 출력을 보증할 수 없게 된다. 매일의 발전 능력이 변화되는 상황 하에서 연중 연속적으로 발생 가능한 출력을 말한다.
 
  4) 상시 첨두출력 : 상시출력과 같은 개념으로 매일 일정 시간 동안만 발전한다고 가정할 때 얻을 수 있는 출력을 의미한다.
 
 3. 수력발전의 특징 (화력발전소와 비교한 수력의 특징)
 
  1) 운전제어가 간단하다.
 
  2) 출력을 빠르게 조정할 수 있어 계통주파수 조정에 편리하게 이용된다. (부하 추종률 : 50~100%/분)
 
  3) 고장이 적고, 점검주기가 길며, 설비의 수명이 길다.
 
  4) 다른 발전설비의 이용률 및 효율개선에 기여한다.
 
  5) 홍수조절, 용수공급 기능개선 및 수자원의 이용률을 높인다.
 
  6) 개발 후보지가 제한되어 있고, 초기 투자비가 많이 소요된다.
 
  7) 계절적으로 발전출력 및 발전량의 변동이 심하다.
 
  8)) 전력 소비지로부터 먼 거리에 위치한다. (송전 비용, 손실 증가, 신뢰도 저하)
 
 4. 수력발전의 역할변화
  : 전력의 소비구조 및 사회 환경의 변화에 따라 최근 수력발전의 역할이 다음과 같이 변화되고 있다.
 
  가. 에너지 점유율의 변화
 
  1) 초기의 수력
  - 기저부하용 : 전력의 대부분을 수력발전소가 공급
 
  2) 근래의 수력
  - 첨두부하 및 주파수 조절용 : 전력수요 팽창으로 주 전력공급원이 아닌, 첨두부하 전력공급과 계통 주파수 조절 기능으로 바뀌었다.
 
  나. 경제적 가치의 변화
 
  1) 에너지 총량으로서의 경제적 가치 둔화
 
  가) 첨두수요 전력 공급
 
  나) 원자력, 화력 등 대규모 발전설비의 이용률 향상
 
  다) 전력계통의 운용기술, 품질, 기능요소 개선으로 에너지의 경제적 가치 둔화
 
 다. 수자원의 종합적 이용
  : 대규모 댐을 건설하여 발전은 물론 홍수조절, 용수공급 능력 증대, 관광 레저 및 수송수단 등 다양하게 사용된다. 그러나 대규모 댐 건설은 수몰지역의 증가와 환경변화에 대한 부담 등의 사회문제를 야기한다.
 
 라. 양수식의 채용
 
  1) 운전의 특징
 
  가) 단위기의 용량 증대로 첨두수요에 대처 
 
  나) 계통 고장시 예비기로서 대처
 
  다) 전력저장 수단과 수력기로서의 특성을 동시에 이용하여 전력계통의 경제적 운용에 크게 기여
 
 2) 양수발전소 건설상의 장점
 
  가) 하천의 유량과는 무관
 
  나) 수요지와 가까운 곳에 접근 가능
 
  다) 높은 낙차를 얻을 수만 있다면 얼마든지 대용량 건설이 가능
 
* 양수발전의 효과
- 비 첨두시 양수 운전으로 계통 부하율이 개선되며, 대용량 화력발전소 또는 원자력 발전소의 가동률을 높여 종합적인 전력생산 단가를 저렴하게 한다.
- 계통 불안정시나 대용량 발전기 고장시 긴급 대처로 공급 신뢰도를 높인다.
 
 5. 수력발전소의 계획
 
  가. 수력지점의 조사와 유의점
 
  1) 하천의 유황이 좋은 곳
 
  2) 수로의 길이가 짧은 곳
 
  3) 홍수 등 자연환경에 의한 피해가 적은 곳
 
  4) 보상 비용이 크지 않고 건설이 단기간에 가능한 곳
 
  5) 기존 발전소나 시설물에 미치는 영향이 적은 곳
 
  6) 기기 및 건설재료의 수송이 용이한 곳
 
  7) 송전선 길이가 짧은 곳
 
  8)) 대용량 개발이 용이한 곳 등의 관점에서 종합해 보면 단위 출력당, 전력량당 건설비가 적게 소요되는 곳이 후보지로 우수
 
  나. 계획 수립 절차
  
  1) 수립 계획
 
  가) 낙차의 추정 : 등고선에 의하며 5% 정도의 손실을 고려하여 이용가능한 낙차를 구함
 
  나) 유역면적 : 분수선 자료에 의하여 이용지점으로 유입되는 면적을 계산
 
  다) 유량추정 : 기상, 수문 자료에 의하여 이용지점으로 유입되는 면적을 계산
 
  라) 출력, 발전량 : 낙차와 유량에 의하여 출력을 구하고 계절적인 변동 추이를 검토하여 연간 발생 전력량을 구함
 
  마) 구조물 (댐, 발전소 등)의 배치
 
  바) 개략 전설비용 산출
 
  사) 비교치 산출 : 원/kW, 원/kWh
 
  2) 현장답사
  : 도상 계획내용을 현지 확인, 구체적 설계 자료 수집
 
  가) 지형, 지질 조사 : 주요 구조물의 위치결정 및 세부 설계를 위한 자료
 
  나) 수몰지역 조사 : 이주, 보상 대책을 위한 자료
 
  다) 도로, 송전선로, 재료 채취 장소 등을 조사
 
  3) 실측
  : 현장답사 자료를 토대로 하여 주요 시설, 구조물이 위치할 지점에 대한 지질의 정밀 조사를 실시하거나 세부적인 측량을 함
 
  4) 건설규모 및 계획의 확정
  : 다수의 후보지에 대한 계획안을 비교하여 경제성이 우수한 지점에 대하여 개발을 확정한다.
 
* 비용 편익법
  : 계획 수력과 동등한 전력을 공급하는 수력 이외의 대체 전원, 주로 대규모 화력발전과의 비교로 경제성을 평가하는 방법이다. 우선 기준이 되는 대체 전원을 상정하고 계획된 수력 발전이 담당할 부하를 기준전원(대규모 화력)으로 대체한 경우의 연경비를 계산해서 이 값을 B라 하고, 계획 수력의 연경비를 C로 하여 이를 비교해서 경제성의 우열을 판정한다.
  B/C >= 1 일 때 경제성이 있고 이 값이 클수록 우수한 지점이 된다.
 
 6. 수력발전소의 형식
 
- 낙차의 크기에 의한 분류 : 초저낙차, 저낙차, 중낙차, 고낙차
 
- 취수방법에 의한 분류 : 수로식, 댐식, 댐수로식
 
- 발전소 운용상 분류 : 자류식, 저수지식, 조정지식
 
  가. 낙차에 의한 구분과 특징
 
  1) 초 저낙차 발전소
  : 하천의 하류지역에 적합하며 우리나라의 지형 조건상 소수력 입지로서 많은 개발이 이루어지고 있다.
 
  가) 낙차 20m 이하 (의암, 남강, 팔당)
 
  나) 저낙차용 기기의 채택 : 수평축 bulb형, tubular형
 
  2) 저낙차 발전소
  : 하천의 중, 하류 지역에 건설되며, 지세가 완만하여 높은 댐을 건설하는 것이 곤란하므로 대용량 개발이 어렵다.
 
  가) 낙차 35m 이하 (춘천, 청평, 괴산)
 
  나) 수차 형식 : propeller, kaplan 등 저낙차용 반동수차
 
  3) 중낙차 발전소
  : 하천의 중, 상류에 건설되며 높은 댐에만 의존하지 않고, 분수 구역을 변경하는 유역변경을 함으로써 높은 낙차를 얻을 수 있음
 
  가) 낙차 30~250m 정도 (화천, 소양강, 충주, 대청, 섬진강)
 
  나) 수차 형식 : deriaz(사류식) 또는 francis형 수차
 
  4) 고낙차 발전소
  : 하천의 상류에서 댐과 수로를 이용하여 고낙차를 얻게 되지만 우리나라 지형에서는 유역변경이 아니면 얻기 어렵다.
 
  가) 낙차 250m 이상 (유역 변경식으로 강릉수력)
 
  나) 수차 형식 : 고낙차용 francis(프란시스) 혹은 pleton(펠튼) 수차
 
  나. 취수방식에 따른 형식
 
  1) 수로식
 
  가) 하천의 상류에서 자연적으로 형성된 하천의 자연구배에 의한 낙차를 이용하고 높은 댐은 만들지 않는다.
 
  나) 따라서 유량이 많지 않고 낙차도 높지 않아 비교적 소용량의 발전소가 된다.
 
  2) 댐식
 
  가) 하천의 중, 하류지역은 수량은 풍부하나 하천의 자연 구배가 크지 못하여 자연적으로 낙차를 얻기 어렵다.
 
  나) 따라서 낙차를 얻기 위하여 높은 댐을 필요로 하고 자연히 큰 저수용량을 갖게 된다. 우리나라 대부분의 댐은 이와 같은 방식이다. (춘천, 의암, 청평, 팔당)
 
  3) 댐수로식
 
  가) 댐식과 수로식의 기능을 혼합한 것으로 하천의 중, 상류 지역에 적합하다
 
  * 이 밖의 형식으로 유역변경 발전소가 있는데 이것은 기본적으로 댐수로식과 같은 시설로 구성되나 발전소를 댐이 위치하는 분수 유역에 건설하지 않고 다른 유역으로 변경시키면 매우 큰 낙차를 얻게 되는 경우, 수자원 배분 기능을 해치지 않는 범위에서 이용할 때 매우 효과적이다.
 
  다. 운용방식에 따른 구분
 
  1) 자류식 발전소
 
  가) 큰 규모의 저수지를 갖지 않아 계절변공에 따른 하천의 유량조절이 불가능함은 물론, 일간 사용 수량도 거의 조절할 수 없다. 따라서 기저부하용 설비로 분류된다.
 
  나) 전기의 운전은 자연적으로 흘러내리는 유량에 지배되며, 만약 수요가 없어 발전을 중단한다면 흘러오는 물은 사용하지 못하고 버리게 된다.
 
  다) 우리나라에서 하천의 상류나, 소계곡에 건설되는 소수력은 거의 이 형식에 해당된다.
 
  2) 저수지식 발전소
 
  가) 비교적 큰 댐을 건설하여 많은 저수용량을 확보하면 유량이 계절적으로 변동되어도 연중 매일 필요한 양의 물을 사용할 수 있다.
 
  나) 우리나라의 경우 홍수조절 기능을 갖게 되는 댐식 발전소, 또는 댐수로식 발전소가 여기에 해당된다.
 
  다) 또한 하류지역에서의 수자원 이용도 편리해지도록 한다.
 
  라) 발전기능과 함께 홍수조절이나, 용수 공급에 중요한 기능을 부여한 것을 다목적 댐식 발전소라고 한다.
 
  3) 조정지식 발전소
 
  가) 비교적 큰 규모의 댐을 설치하였으나 하천 규모에 비하여 저수 용량이 불충분하여 계절적인 유량 조정이 불가능한 규모를 의미한다.
 
  나) 이 경우 충분한 홍수 조절 능력은 없으나 일단 또는 주간의 유량조절 기능을 활용하여 수요 변동에 대응하는 운전으로 편리하게 사용된다.
 
  다) 단기간의 유량조정 기능을 갖는 발전소가 우리나라에는 많다.
 
 
Ⅱ. 유량과 낙차
 
 1. 하천과 유량
 
  가. 강수량과 유량
 
  1) 수자원은 하천수, 호수 및 지하수 등 다양하게 분포되어 있으나, 수력 발전에 사용되는 수자원은 거의 하천에 흐르는 유량에 의존한다.
 
  2) 우리나라의 경우 하천의 유량은 대부분이 강수에 의해 형성된다.
 
  3) 강수량 중 일부는 하천으로 흐르지 못하고 지하수로 침투되거나, 농경지, 또는 증발 등으로 유량이 감소된다.
 
  4) 실제 하천으로 흐르는 물은 전체 강수량의 65% 정도에 불과하다. 강수량 전체에 대해 유출되는 비율은 유출계수 또는 유출고라 한다.
 
  5) 특히 우리나라는 계절적으로 유량의 변동이 심하여 수자원을 이용하는데 어려움이 많다.
 
  나. 유량의 크기 구분
  : 일년 동안 매일 측정한 하천의 수량(수위)자료를 기준으로 다음과 같이 구분한다.
 
  1) 갈수량(위) : 355일 이상이 이하로 내려가지 않는 유량
 
  2) 저수량(위) : 275일 이상이 이하로 내려가지 않는 유량 (9개월)
 
  3) 평수량(위) : 185일 이상이 이하로 내려가지 않는 유량 (6개월)
 
  4) 풍수량(위) : 95일 이상 이하로 내려가지 않는 유량 (3개월)
 
  5) 고수량(위) : 1~2회 나타나는 정도의 유량
 
  6) 홍수량(위) : 3~4년에 한 번 나타는 정도의 유량
 
  7) 최대홍수량(최저갈수량) : 과거의 기록이나, 기억에 의해 알려진 최대(최저) 유량
 
  8)) 년 평균유량 : 총 유출량을 연간 평균한 유량
 
  다. 유량도
 
  1) 세로축을 유량의 크기로, 가로축을 날짜 순서로 하고 하천에 나타나는 유량의 크기를 날짜 순서에 따라 표시한 것이다.
 
  2) 유량도에 기온, 수온, 강수량 등을 함께 표시하면 기상과 유량의 관계를 알 수 있다.
 
  라. 유량곡선
 
  1) x-y 그래프의 세로축에 유량의 크기와 가로축에 매일 발생된 유량을 크기 순서에 따라 큰 것부터 기록
 
  2) 유량도는 단순히 계절적인 유량변화를 나타내며, 유황곡선은 연중 유량의 시간적 상황을 한 눈에 파악할 수 있게 한다.
 
  3) 이 자료에 의하여 새로운 발전소의 건설 후보지에 대한 계획을 검토할 때, 발전소의 규모와 기기 설치 대수를 결정할 수 있다.
 
  4) 또한 연간 이용 가능한 발전량을 계산하는 등 건설계획 단계에서의 중요한 자료가 된다.  
 
 마. 적산유량도
 
  1) 매일의 유량을 적산하여 가로축을 일수로 세로축을 유량으로 하여 적산유량을 표시한 것은 적산 유량도라고 한다.
 
  2) 이것으로 연중 저수지의 수위가 최소와 최대가 되는 시기를 알 수 있다.
 
  3) 세로축을 저수 총량으로 나타내면 최저수위와 최대수위 사의 저수량도 구할 수 있게 된다.
 
  4) 이것은 곧 댐과 저수지 건설계획 또는 기존 저수지의 저수 계획을 수립하는 자료로 사용할 수 있게 된다.
 
 바. 수위-유량도
  : 일정 지점의 하천 단면을 통과하는 유량은 수위와 일정한 관계를 갖게 됨을 이용하여 수위표를 설치하고 수위로부터 유량을 알 수 있도록 한 자료
 
 2. 유량의 측정
 
  가. 유량 측정 요소
  : 어떤 관로의 내부에 흐르고 있는 유체의 유량을 알기 위하여 유체가 흐르는 단면적과 유속을 알아야 한다.
  : 하천의 단면적과 유수의 속도를 알면 하천의 유량을 알 수 있다.
  : 자연 하천은 인공적인 관로처럼 형상이 단순하지 않기 때문에 단면적과 유속을 측정하는 일이 용이하지 않다.
 
  1) 단면의 측정
  : 넓은 하천의 단면적은 측량에 의해 구해지며, 필요한 경우 여러 구간으로 나누어 측정한다.
 
  2) 유속의 측정
  : 하천의 수면은 수평면을 이루지만 하상은 균일하지 않으므로 수심이 다양하며 수심에 따라 유속도 다르므로 수평면과 수심을 몇 단계로 구분하여 각 단계지점의 유속을 각각 측정하여 이들의 평균치를 구한다.
 
 3. 낙차 (head)
 
  가. 개요
 
  1) 수력 에너지 P = 9.8QH
 
  2) 동일 출력 조건에서
- 낙차 H가 증가하면 기기 크기가 작아짐
- 유량 Q가 증가하면 기기가 커짐
일반적으로 낙차가 높아지면 기기 중량이 가벼워지고, 건물도 작아지므로 건설비용이 감소한다.
 
  나. 낙차를 얻는 방법
 
  1) 자연의 하천구배를 그대로 이용하는 방법
 
  2) 댐을 설치하여 저수지 또는 조정지를 만드는 방식
 
  3) 계곡으로 부터 양수하여 발전하는 방식
 
  4) 유역변경에 의한 방식
 
 
Ⅲ. 댐, 수로 설비
 
 1. 댐, 저수지
  : 수력발전용 댐의 기능은 낙차를 만들고 물을 저수하는데 있다. 댐은 이와 같은 기본적인 기능에 알맞게 계획되어야 하나 자연에 대한 변경을 주는 일이므로 완성된 댐이 우리에게 주는 혜택과 반대로 문제가 초래된다면 큰 일이다. 따라서 하나의 댐이 건설할 때는 면밀한 조사와 검토를 거치게 되며 특히 안전성은 무엇보다도 중요하게 다루어진다.
 
  가. 목적에 따른 분류
 
  1) 취수댐 : 유량조절 기능이 없으며, 단지 취수를 위한 낮은 댐
 
  2) 저수댐 : 상류로부터 유입량이 평균 사용 수량을 초과하는 곳으로 잉여 수량을 저수하였다가 필요 시 사용하는, 즉 수량조절을 할 수 있는 규모의 댐
 
  나. 구조에 의한 분류
 
  1) 가동댐 : 가동댐은 일정 수위 이상의 수량을 배출하기 위해 댐의 일부 또는 전부가 움직일 수 있도록 되어 있는 것. 대부분 고정댐의 정상 부분의 일부가 가동 부분으로 되어 댐의 목적을 달성한다.
 
  2) 고정댐 : 지반에 고정 축조된 댐으로 일류가능 여부에 따라 일류형과 비일류형으로 구분
 
  다. 재료에 의한 분류
  : 댐 건설에는 다음과 같은 재료가 사용되며 어느 것이나 기술성, 안전성, 경제성이 종합적으로 검토되어 가장 적합한 결정에 따르게 된다.
 
  라. 설계구조, 형태적인 분류
 
  1) 중력식 댐 : 자체의 중량에 의해 외부의 힘에 견디도록 한 것으로 우리나라의 거의 모든 댐이 이에 해당된다.
 
  2) 아치식 댐 : 댐이 활처럼 휘어져 수압을 아치작용에 의해 견디도록 한 것으로 높이에 비하여 하천 폭이 좁은 경우 아치댐이 경제적이다.
 
  3) 중공식 댐 : 외형은 중력식과 비슷하나, 기초가 견거한 댐 내부는 부분적으로 비어있게 하여 재료를 절약한 형식이며 우리나라에는 없다.
 
  마. 댐에 작용되는 외력
 
  1) 정수압 : 저수된 수압에 의해 댐에 수평으로 작용되는 힘.
 
  2) 동수압 : 주위에서 지진 등과 같은 현상이 발생하면 그 세력이 수주에서 진행되어 댐에 작용되는 힘.
 
  3) 토압, 이압 : 상류로부터의 퇴적토사에 의한 힘.
 
  4) 결빙압 : 혹한기에 수면의 동결로 나타나는 얼음의 팽창력.
 
  5) 양압력 : 기초부분이 균열, 이완되어 수압이 가해질 때 나타나는 것으로 댐을 위로 들어 올리려는 힘.
 
  6) 지진력 : 지진에 의한 진동력.
 
* 댐은 위에 열거된 외력에 의하여 넘어지거나 미끌어져서도 안되며 기초의 약화 또는 재료의 부식 및 설계불량에 의해 변형, 균열이 발생되지 않아야 한다.
 
  바. 댐의 부속설비
 
  1) 여수로
  : 발전기에서 사용되고자 하는 양보다 많은 유량이 유입되거나, 소규모 수로식 발전소에서 부하가 급히 감소할 때 과잉유량이 안전하게 처리되어야 하므로 댐에 부속하여 잉여수 처리용 시설을 한다.
 
  2) 홍수토
  : 홍수량 제어를 위한 수문 설비로서 홍수 발생시 댐의 안전에 문제가 없도록 홍수 잉여수량이 충분히 통과할 수 있는 시설을 한다.
 
  3) 기타 설비
  : 댐의 안전을 위해 콘크리트 중력식 댐 내부에 점검 통로를 시설하는 등 댐 자체의 안전을 위한 설비와, 홍수 유입으로 저수위 상승 시 수문을 개방하여 일시에 다량의 방류가 필요한 경우 이를 하류지역에 예*경보하는 시설을 갖춘다.
  이 외에도 필요한 경우 어도(fish way) 또는 갑문 등을 설치한다.
  가) 어도 : 생태계에서 수족자원에 대한 조치로, 댐의 상, 하류 사이를 어패류 등이 스스로 이동할 수 있는 설비
  나) 갑문 : 내수면을 이용하는 수상교통이 가능하도록 댐의 일부에 시설하는 설비
 
 2. 취수구 (intake)
 
  가. 취수구의 기능은 평상 유량이 아닌 시기 즉, 홍수기나 갈수기에도 계획된 발전용수를 원활히 취수할 수 있어야 한다.
 
  나. 가동 중인 발전소에서 필요한 경우 취수를 중지시키거나, 유입량을 제한할 수 있도록 제수문을 설치한다.
 
  다. 수차에 유입되어 장해를 일으키는 이물질의 유입을 방지하기 위한 스크린(trash rack)을 설치한다.
 
 3. 수로
 
* 발전소에서 필요한 수량을 저수지로 부터 유입시키는 유수 통로를 수로라고 하며 발전소에서 사용된 수량이 하천으로 되돌려지는 부분도 포함한다.
* 일반적으로 저수지로부터 발전소에 이르는 부분을 특별히 도수로라 한다.
* 수로는 저수지의 이용 수심이나 지형에 따라 각각 다음과 같이 다양한 형태의 것이 사용된다.
 
  가. 개거 : 덮개가 없는 수로
- 외부로부터 이물질이나, 토사 유입의 우려가 없는 경우에 적합하다.
 
  나. 암거 : 덮개가 있는 수로
- 개거보다 건설비가 비싸지나, 토사 등 외부물질의 유입이 방지되므로 관리가 쉬운 장점이 있다.
 
  다. 무압터널 : 압력이 작용하지 않는 터널
- 터널이 유수로 충만되지는 않으나 지형상 암거나 개거로 시공하는 것이 오히려 많은 비용이 드는 경우에 적합하다.
 
  라. 압력터널 : 전 단면에 수압이 작용되는 터널
- 이용수심이 크거나 수로가 산을 통과해야 하는 경우에 적합하다.
 
  마. 수로교
- 수로가 계곡을 횡단해야 하는 경우에 적합하다.
 
  바. 역사이펀 : 낮은 지대를 지날 때 이용
- 수로교와 비교해서 경제적일 경우, 그러나 무압수로와 접속되는 역사이펀은 압력수로가 된다.
 
* 저수지 규모가 작은 수로식의 경우는 홍수시 토사의 유입이 기기에 장해가 되므로 토사를 제거하는 침사지가 필요하다.
 
 4. 수조
 
* 수로식은 저수지로부터 발전소에 이르는 거리가 상당히 길어지므로, 건설비용을 줄이기 위하여 발전소 부근까지 긴 수로를 설치한다.
 
* 수로는 높은 수압이 작용하지 않고 필요한 유량이 자연적으로 흐르는데 지장이 없을 정도의 완만한 구배를 유지하므로 발전소 가까에서는 발전소까지의 낙차에 의해 압력이 작용하는 수압관 형태로 최단 거리로 접속된다.
 
* 따라서 장거리 수로의 내부를 흐르는 유량이 변돌할 때 발생되는 수리적 충격 등 불균형을 흡수, 완화시키기 위하여 수로와 수압관의 접속부에 수조를 설치한다.
 
  가. 수조의 기능
 
  1) 수차의 출력을 급격히 증가시킬 때 수량을 보충하고
 
  2) 수차의 유량을 급격히 감소할 때 잉여 수량을 흡수한다.
 
  3) 이 외에 압력 수로와 접속될 때는 수격압을 완화하여 시설물을 경제적으로 건설하게 한다.
 
  나. 수조의 종류
 
  1) 무압수조 : 이용수심이 낮은 수로식이나 댐 수로식에 적용한다.
 
  2) 조압수조 : 이용수심이 큰 경우에 적용하며, 특히 수로가 길어지면 수조의 수위(또는 수압) 변동이 매우 커지는 경우에 적용한다.
 
 5. 수압관로
 
* 댐식의 일반 수조 및 댐,수로식의 조압수조로 부터 수차까지 연결하는 부분인 수압관로는 명칭에서 알 수 있듯이 수차에 이용되는 수두에 의한 압력이 가해진다.
 
* 일반적인 수력발전소의 수압관로에 사용되는 재료는 낙차가 낮은 경우를 제외하고는 거의 강재로 제작된 철관이 사용된다.
 
  가. 지름과 유속
 
  1) 일정한 유량일 때, 유속은 단면적에 반비례하므로 지름을 증가시키는 것은 관 내부 수두손실을 경감 시키는 데 매우 효과적이다.
 
  2) 관의 지름 증가는 재료비와 건설 비용을 증가시키게 되므로 수압관의 직경은 수두손실과 비용을 검토하여 결정된다.
 
  3) 수압 철관 내 유속은 저낙차에서 일반적으로 2~5 m/sec 정도이다.
 
  나. 수압관의 부속설비
 
  1)) 신축관이음(expansion joint) : 온도변화에 의해 관이 길이 방향으로 수축, 팽창하는 것을 훕수하여 과대한 응력이 발생됨을 방지한다.
 
  2) 고정대와 지지대 : 일반적인 발전소의 경우 급경사면에 설치되므로 견고한 고정부와 받침부를 설치하며 지하식에서는 이 장치가 불필요하다.
 
  3) 공기관과 배수밸브 : 관 내부의 점검 등으로 물을 빼거나 넣을 때 공기가 유입, 유출되도록 해야 관이 변형이 방지되는 등 안전하다ㅏ.
 
  4) 점검구(man hole) : 내부 점검을 위해 작업자 또는 공구 등의 출입이 쉽도록 적당한 간격으로 설치한다.
 
Ⅳ. 양수발전
 
 1. 전력의 수요와 공급력의 특징
 
  가. 첨두 (peak)
- 예비력, 단시간 첨두시 이용
- 기동, 정지가 용이할 것
- 변동부하에 응동력이 양호할것
- 건설비가 저렴할 것
- 수력, 양수, 내연, 복합
 
  나. 중간 (middle)
- 매일 기동정지가 가능할 것
- 기저용보다 효율이 다소 낮아도 건설비가 저렴할 것
- 운전특성은 첨두용과 기저용의 중간 특성
- 조정능력이 큰 일반 수력, 중용량 기력(DSS 기능)
 
  다. 기저 (base)
- 일정출력으로 연속운전
- 효율이 높을 것
- 운전비용이 저렴할 것
- 부하변화 응동성 크게 요구되지 않음
- 자류식 수력, 대용량 화력, 원자력
 
 2. 양수발전의 필요성
 
  가. 전력계통 운용상 첨두부하 공급력이 필요
 
  1) 수력자원의 한계성 (첨두 부하용으로 양호한 수력개발의 한계)
 
  2) 총수요 증가에 따른 첨두 부하용 발전설비의 증가가 요구됨
 
  3) 첨두부하 공급력의 단위용량 대형화 필요
 
  나. 비첨두시 잉여전력의 활용
 
  1) 전력 저장수단(대체 신기술의 실용화 지연)
 
  2) 중간, 저부하 담당 발전소의 운전효율 향상
 
  다. 전력계통의 신뢰도 향상
 
  1) 계통 불안정시 대처, 전력수급의 안정성 증진
 
  2) 계통에 대하여 비상 기동 발전능력 확보
 
  라. 발전원가의 절감
 
  1) 고효율 발전전력량을 저장 재활용
 
  2) 저효율 발전설비를 대체하는 효과
 
* 발전설비의 효율적 운용에 기여
 
  마. 계통 전력 품질 향상
 
  1) 계통 주파수 조절
 
  2) 무효전력의 지역 간 평형 유지
 
  3) 계통손실의 감소
 
  4) 조상설비로 운용가능
 
 3. 양수발전의 경제설
 
  가. 양수발전소의 운용으로 얻어지는 경제적인 효과
 
  1) 저효율 화력 대채에 의한 연료비 경감
 
  2) 화력의 기동, 정지회수 감소에 의한 손실 감소
 
  3) 계통의 운전 예비력 분담에 의한 타 발전 설비의 효율 향상
 
  4) 댐식 수력발전소의 저수량 회복 (고수위 운전을 수력가치 상승)
 
  5) 무효전력 공급에 따른 조상설비 감소
 
 4. 양수발전소 형식
 
  가. 양수발전 방식의 종류
 
  1) 순양수식
 
  가) 발전에 사용되는 수량이 전부 양수된 물만으로 운영되며 외부로부터의 유입량이 없는 곳
 
  나) 청평, 삼랑진, 무주
 
  2) 혼합 양수식
 
  가) 상부 저수지에 외부로부터 유입량이 있는 곳
 
  나) 안동
 
  나. 기기 배치에 따른 분류
 
  1) 직결식
 
  2) 가역식
 
  3) 별치식
 
 5. 펌프수차
 
  가. 특성
  : 펌프수차는 펠톤수차를 제외한 프란시스 수차나 프로펠러 수차 등을 역방향으로 회전시키면 펌프로 사용 가능하다. 펌프수차로 양용 가능하면 펌프와 수차를 각각 별개로 하는 것보다 건설비가 적게 든다. 그러나 펌프수차는 역전시켜 사용하므로 설계상 역전에 대한 기계적, 전기적 튼성을 신중히 고려하여야 한다.
  또한 펌프수차는 형상이 수차보다 펌프에 가까우므로 중량도 수차 전용기에 비하여 30~40% 무겁다. 동일 유량에 대하여 수차와 펌프의 최적 설계점이 다르므로 펌프수차는 수차 전용기에 비해 효율이 약간 저하된다.
 
  나. 프란시스형 펌프수차
 
  1) 펌프수차는 대부분이 고양정으로 개발되고 있어 프란시스형이 많이 채용되고 있다.
 
  2) 전형적인 프란시스 펌프수차는 펌프 효율이 높아지도록 설계하므로 동일한 낙차와 출력에 해당되는 발전 전용 수차보다 지름이 1.3 ~ 1.5배 정도 커진다.
 
  3) 적용 낙차 범위는 30 ~ 600m 정도이다.
 
 6. 양수 기동방식
 
* 최근 채용되고 있는 양수용 발전 전동기는 동기기이므로 자기기동 능력이 없어 별도의 기동 방법이 고려되어야 한다.
* 가역형 양수는 양수 발전 시와 반대 방향으로 회전하므로 전기회로의 상절환 장치가 필요하다.
* 기동장치를 작게 하기 위해 기동토크를 적게 해야 하므로 수차급기 장치나 추력 베어링의 압유에 의한 유막형성 장치가 필요하다.
 
  1) 동기 기동 방식
 
  가) 기동용 발전기를 정지 상태에서 전동기에 전기적으로 결합(electrical shaft)하고, 양기를 여자시킨 후 발전기를 기동하면 전동기는 발전기에 동기되어 기동, 가속된다.
 
  나) 외부 전력은 필요 없으므로 계통에 미치는 영향이 없고 한 대의 기동용 발전기로 여러 대의 전동기를 기동할 수 있다.
 
  다) 부속 설비로는 양기를 전기적으로 결합시키기 위한 모선, 차단기 및 단로기가 필요하며 제어회로의 구성은 다소 복잡하게 된다.
 
  라) 무주 양수 2호기를 기동용 발전기로 이용하여 1호기를 양수 기동하는데 적용되어 있다.
 
  2) 사이리스트(SFC) 기동 방식
 
  가) 정지 상태의 전동기를 여자시키고, 고정자에는 정지형 주파수 변환기(SFC, static frequency converter)에 의해 회전자의 자극 위치에 비례하는 주파수의 전류를 공급하여 전동기를 기동한다.
 
  나) 기동 시 계통에 미치는 영향이 적고 여러 대의 전동기를 순차적으로 기동할 수 있으며, 주파수 변환기를 발전기나 전동기의 정지 시 전기적 제동(electrical braking)에도 이용된다.
 
  다) 부속설비로 변압기, 리엑터, 기동용 모선 및 개폐장치, 냉각설비 등이 필요하며, 제어회로는 비교적 복잡하게 구성된다.
 
  라) 무주양수, 산청양수 등 신설기에 적용되며 일부 복합화력의 가스터빈 기동에도 이용된다.
 
  3) 직결 전동기(pony motor)
 
  가) 전동기와 동일한 축에 기동용 전동기를 직결하여 기동하는 방식으로 기동용 전동기에는 권선형 유도 전동기가 사용된다.
 
  나) 기동 시 계통에 미치는 영향이 비교적 적고, 대용량 전동기에도 적용할 수 있으나, 축의 전체 길이가 증가되어 지하 발전소 굴착량이 많고 축진동 증가와 정상 운전 시 기동용 전동기의 공전 손실이 생긴다.
 
  다) 부속 설비로 기동 전동기 개폐장치, 액체저항기 및 냉각 설비가 필요하며, 제어회로의 구성은 비교적 간단하다.
 
  라) 청평양수, 삼랑진양수에 적용된 기동 방식이다.
 
  4) 제동권선 기동 방식
 
  가) 정지 중에 전동기를 계통에 직접 접속하고, 회전자의 제동 권선으로 유도 전동기와 같은 방법으로 기동하는 방식이다.
 
  나) 기동용 부속설비가 특별히 필요 없으나 기동 전력이 매우 크므로 대용량 전동기에는 적용하기 어렵다.
 
  다) 이 기동 방식은 제동 권선을 보강할 필요가 있고, 저감 전압을 이용할 경우에는 기동용 변압기나 리엑터 또는 주변압기의 중간 탭 및 개폐장치가 필요하다.
 
  5) 기타 기동 방식
 
  가) 저주파 기동방식은 기동 초기에 기동용 발전기의 저주파, 저감 전압으로 제동권선 기동방식을 이용하고, 적정속도(약 80%)에서 동기 기동 방식으로 바꾸어 가속 및 병입을 완료하는 기동 방법이다.
 
  나) 조합 기동 방식은 동기 기동 방식이나 저주파 기동 방식을 직결 전동기 기동 방식 등과 조합하여 각 기동 방식의 장점을 이용하는 방식이다.
 
 

수력발전 개요.hwp
0.04MB

 

 

 
 
반응형
LIST

'발전분야' 카테고리의 다른 글

발전기계 개요  (0) 2019.10.13
배열회수보일러 개요  (0) 2019.10.05
열병합발전 개요  (0) 2019.10.05