15MW 프란시스수차발전기국산화및실증 1 개황 박준관 한국수력원자력 ( 주 ) 중앙연구원선임연구원 수력에너지의이용은고대그리스시대까지거슬러올라가서기원을찾을수있을정도로그역사가오래되었다. 현재수력발전에주로사용되고있는프란시스수차는 1848년미국의 James Francis에의해개발된이래로많은연구자와제작사들에의해기술개발이이루어져왔으며점차그사용범위를넓혀가고있다. 표 1 국내운영회사별수력설비현황 구분 대수 용량 [MW] 점유율 [%] 일반수력 한수원 ( 주 ) 21 591.7 9.3 수자원공사 22 1,000.6 15.7 소계 43 1,592.3 25.0 양수한수원 ( 주 ) 16 4,700.0 73.8 한수원 ( 주 ) 14 11.3 0.16 소수력 수자원공사 55 42.3 0.67 발전자회사 16 22.1 0.34 소계 85 75.7 1.2 합계 144 6,368.0 100 그러나오래된기술임에도불구하고국내의경우수력산업의비활성화로주로소수력위주의기술개발이이루어져왔으며, 이로인한중 대수력핵심기술부재로수력설비대부분을유럽, 일본등의해외기술에의존해오고있다. 30 Journal of the Electric World
+ 15MW 프란시스수차발전기국산화및실증 이러한상황에서국내수력발전설비용량 ( 양수포함 ) 의약 82%( 표 1참조 ) 을보유하고있는한수원은수력기술의국산화와이를통해국내수력산업에대한생태계를확보하고자국내최초로 15MW급수차발전기국산화및실증 과제를참여기업과더불어정부과제로수행해오고있으며현재기술개발에대한예비검증을마치고실물제작단계에있다. 한수원은수차발전기국산시제품을내년 5월전북정읍에위치한섬진강수력 2호기에설치하여실증시험을완료할계획이다. 한편, 이번개발을통해확보된기술은향후국내수력설비성능개선사업시활용할예정이며, 이를바탕으로해외진출과북한노후수력복구를위한기반을마련할수있을것으로기대하고있다. 2 15MW 급수차발전기국산화개발 가. 기술개발현황프란시스수차에대한해외수력기술개발현황은초대형수차개발이이루어지고있으며, 현재단위기기당세계최대기기는 812MW/ 기프란시스수차로서 Xianjiaba발전소 ( 중국 ) 에설치되었고발전소단위의최대설비인삼협발전소 ( 중국 ) 는 700MW급프란시스 32 기로 22.5GW출력의설비용량을보유하고있다. 프란시스수차에대한세계최고수준의효율성능은알스톰 (Alstom) 등해외선진사의경우최대 95% 의효율성능을제시하고있으나현재국내에서운용되고있는수차의최대효율은 92% 수준이다. 국내수력산업은주로소수력업체위주로구성되어있으며중수력이상에서는 OEM을통한제작위주로구성되어있다. 일반적인하천대상수력발전은환경문제및수력자원의한계로인해하천을벗어나상수도관차압, 육상양어장의배수구, 화력발전소냉각수배수구 등을활용한개발이이루어지고있다. 국내소수력업체로는대양수력, 신한정공, 금성E&C 등이있으며이중대양수력은소수력발전에서의기술력을바탕으로본과제에서 15MW급섬진강수차개발에참여하여중수력수차개발을진행하고있다. 효성은 15MW급수력발전기를개발하고있으며, 전력연구원은제어시스템을담당하고있다. 또한조선기자재연구원 (KOMERI) 은 30MW급의수차에대해개념설계기술을개발하고있다. 나. 수력설비의분류현재국내에서는일반적으로 10MW를기준으로소수력과중대형수력을구분하고있으나국제적으로는수력설비가대형화되는추세에따라 30MW이상을대형수력으로구분하고있다. 이러한구분에따라출력기준 10MW이하의설비와그이상의설비를개발할경우고려해야하는설계변수들에는차이가있다. 중수력이상의설비들에있어서는설비에전달되는하중 ( 수력, 구조, 동역학, 전자기하중 ) 규모차이에따라이를고려한설계가진행되어야한다. 그러나이러한부분들은경험적인요소이므로주로소수력위주로제작해왔던국내수차제작업체독자적인중수력이상의수력설비설계능력은미흡한실정이다. 다. 15MW 섬진강수차발전기의개발특징섬진강수력은 15MW급 2기와 6MW급 1기의입축프란시스수차로구성되어있다. 이중 2호기는 1965 년준공이후성능개선없이계속운전되어왔다. 그러나노후화가심각해성능개선사업을앞두고중수력국산화를위한실증단지역할을제공할예정이다. 섬진강발전소는유역변경식으로낙차 155m, 사용유량 10.8m 3 /s로서기준수차출력 15MW를낼수있는 September 31
사양을가지고있다 ( 표 2 참조 ). 표 2 섬진강 2 호기사양 낙차유량회전속도출력수차형식 155 [m] 10.84 [m 3 /s] 514 [rpm] 15.0 [kw] 입축프란시스 신규개발에비해성능개선의경우발전소구조물에대한변경이제한적이어서수차및발전기의설치위치, 직경, 높이등의설계변수를선택하는데제약이따르므로설계의난이도가높다. 1) 수차및베어링수차는물이가진수력에너지를기계적인에너지로바꾸는설비로발전설비효율성능의가장큰부분을차지하며그림 1과같이도수로를통해유입되는물을수차시스템으로인도하고수차에균일하게물을분배해주는역할을하는스파이이럴케이스, 회전을통해물이가진에너지를기계적인에너지로변화시키는런너, 런너로유입되는물의양과유속을조절하는 Wicket gate, 런너출구에서부터완만하게압력이회복되도록유도하는흡출관 (Draft tube) 등으로구성되어있다. 기구적인구성이상대적으로복잡하여수력설계에있어난이도가가장높은구성품이다. 섬진강수력의경우처럼매설부인스파이어럴캐이스와흡출관을그대로사용하고런너부와 wicket gate만을대상으로하여설계사양을만족시키는최적의고유수차모델을개발하는것은매우도전적인과제이다. 그림 1 프란시스수차의구성 15MW급프란시스수차개발을위해개념설계와기본설계단계를거치는직접적인방법으로수력설계를수행하였으며, 유동해석기술을적용하여이론적인성능을예측하여수차의특성곡선을도출하였다. 또한, 모델시험을통해설계에대한수력성능을검증한후구조설계를통해구조건전성을평가하고실물제작의단계로진행하였다. 이러한일련의수력설계절차는기존국내에서주로수행해오던역설계적인방법과는달리비속도가변경되어도동일한방법을적용할수있어수력설계방법을확보했다고할수있다. 일반적으로소수력용수차개발에서는요구되지않는수차의축소모델을이용한모델시험은중대형용수차설계의설계성능을검증하는데필수적인절차로서해당과제를통해개발된수차에대해로잔공대에서의모델시험을통해설계에대한검증을실시하여 92.5% 이상의모델수차효율성능을확인하였다. 이러한모델수차효율성능값은 IEC60193에따르면, 현장시험에서 93.5% 이상의효율성능을확보할 32 Journal of the Electric World
+ 15MW 프란시스수차발전기국산화및실증 수있을것으로예상되면서설계사양인 92% 이상의효율성능만족에는문제가없을것으로판단된다. 뿐만아니라국내연구인력이이러한모델시험에직접참여하여일부시험기술을확보하였으며이러한기술들은향후발전소운영시, 해외제작사의기술에의존해왔던수차의성능진단에활용될수있을전망이다. 기존의터빈베어링은오일윤활방식과화이트메탈을사용해왔다. 이방식은누설로인한환경오염및베어링표면의마모로인한내구성한계등의단점이있다. 이를보완하기위해터빈베어링에수윤활기술을적용하였으며또한가이드베인에는윤활유가필요치않는오일리스타입의윤활을적용하여누유에의한환경오염문제를원천적으로차단하였고, 베어링패드에수지소재를적용하여마찰력감소와내구성증대를동시에실현하였다. 턴수 (Number of turns), 그리고회로병렬수최적화를통해효율목표치 96.5% 를넘어서 98.2% 까지도달하였다. 또한섬진강발전소는광역정전발생시율촌복합으로의시송전을담당해야하므로이를위해단락비 1.0을확보하여시송전발전소로서의역할을수행할수있도록설계하였다. 수지계열의베어링패드를가이드베어링과쓰러스트베어링에적용하여베어링의내구성을높였다. 또한, 정지형여자기의도입과철심길이의감소를통해축길이를저감하였다. 이를통해시스템의동적안정성을증가시켰고, 구조적으로는발전기기초하중을기존대비약 20% 경감시켜구조안정성을증가시켰다. 특히, 효율의증가를위해서는냉각설계에대한고도화도필요한데이를위해과열방지를위해회전자내부냉각방식에구조를개선하여특허를출원하였다. 2) 발전기수력용발전기는수차의형식에따라여러가지형태로제작되며주로동기교류식이많이사용된다. 중대형이상의수력발전기는일반적으로 500rpm미만의저속으로다수의극수를가짐으로써중량이큰특징이있어중대형이상에서는제조공장에서일체형제작이불가하고, 현장조립이필요하며이에따른현장조립기술이요구되지만섬진강수력발전기의경우 효성측에서보유하고있는제작설비규모가최대 15MW급으로서공장에서일체형으로제작하였다. 섬진강수력발전기의설계적인특징으로는먼저동 ( 銅 ) 량증가를위한회전자외경증가및무방향성규소강판의적용으로동일직경기준출력이 14.4MW에서 15MW로증대되었고, 고조파왜형율 (Hormonic Distortion) 감소와고정자권선의피치, 3) 수차발전기통합제어시스템제어시스템은수차및발전기를안전하고효율적으로운전하는역할을하는설비로서, 수차및발전기의운전상태정보를사용자에게실시간으로제공하여최적운전이이루어지게한다. 또한수차및발전기외부로부터전달되는위험조건으로부터설비를보호하기위해서높은신뢰성과안정성이확보되어야하며이를위해최근제어시스템은아날로그방식보다는성능이우수하고응답성이좋은디지털시스템을기반으로제어기능을구현하고있다. 수력발전소의제어시스템은 DCS(Distributed Control System), 수차의회전속도및출력제어를담당하는 GOV(Governor) 제어, 발전기제어로크게분류된다. 본통합제어시스템은 GOV 제어기를 DCS에통합하여보다 Compact한제어시스템을구성하였다. 또한발전기제어기는고속기능블럭형구 September 33
그림 2 섬진강통합제어시스템구성도 조의소프트웨어를채택하여사용자가보다편리하게제어및감시가가능하도록구성하였다. 3 향후계획 현재주기기인수차및발전기의제작공정이 60% 이상진행되고있다. 발전소는 10월철거를시작으로 12월에설치할계획이며, 현장에서설치후현장성능시험과 3개월의시운전을통해그기술개발에대한검증을실시할예정이다. 또한 15MW급수차개발을통해확보한설계, 해석기술을바탕으로이를확대적용하여 30MW급설계기술을개발하고이를화천수력발전소 (30MW급) 의성능개선에적용하여실증할계획이다. 이를통해 30MW 급프란시스수차의수력설계원천기술을 100% 국산화할계획이다. 프란시스수차개발을통해확보한기술을바탕으로 Run-over댐등비교적낮은낙차의발전소들에주로사용되는카플란이나벌브수차에적용할수있는설계기술확보와함께, 한수원을중심으로중대형수력에대한기술을 100% 국산화하여국내수력산업을생태계를조성해나갈계획이다. 또한, 이를통해향후북한수력설비의성능개선필요시국내기술을활용할계획이다. 한편, 수차개발에서확보한기술을확장하여양수기술에응용하기위한첫단계로써기술을실증할수있는실증사이트로서의소형양수를계획하고있다. 34 Journal of the Electric World