2. 전력 공학 > 11. 수력 발전

2. 전력 공학 > 11. 수력 발전

 

1. 수력학

 

1. 연속의 원리

 

1) 정의:

 

-유체에 대한 질량 보존의 버빅이 성립한다는 가장 기본적인 수력학이다.

 

-A, B 두 지점에 통과하는 물의 양은 항상 보존되어 같다. 

 

Q1 = Q2 (Q: 물의 유랑 m^3 / s)

 

2) 내용

 

-A, B 두 지점에서의 유량은 아래와 같고 이를 연속의 원리라고 함

 

Q1 = S1 v1 [ m^3 / s ]

 

Q2 = S2 v2 [ m^3 / s ]

 

Q1 = Q2

 

Q = A v

 

Q1 = Q2   -> A1 v1 = A2 v2

 

 

2. 베르누이의 정리

 

1) 정의 

 

-유체에 대한 에너지 보존의 법칙이 성립한다는 법칙이다.

-유체가 가지고 있는 위치 에너지, 압력 에너지, 속도 에너지의 합은 일정하는 수력학 법칙이다.

 

2) 수식

 

h + p/w + v^2 / 2g = H [m]

 

h: 위치에너지

p/w: 압력 에너지

v^2/2g: 속도 에너지

 

 

3. 토리첼리의 정리

 

1) 정의: 수력 발전소에서 분출되는 물의 속도를 구할 경우에 사용되는 법칙

 

2) 내용

 

-이론적인 유속 계산식: v =  √ 2g H  [m/s]

 

-실제 유속 계산식: v = k √  2g H  [m/s]

 

단, k = 유속 계수, g = 중력 가속도 9.8 [m/s^2], H = 유효 낙자 [m]

 

 

2. 수력 발전소의 출력

 

1. 수력 발전소 각 부분의 출력

 

w[kg/m^3] , H [m], Q [m^3/s]  

 

이론출력 P0 = 9.8 Q H [kW]

 

수차 효율:  ηt

 

수차 출력: Pt = 9.8 Q H ηt  [kW]

 

발전기 효율:  ηg

 

발전 출력 Pt = 9.8 Q H ηg [kW]

 

2. 수력 발전소 건설을 위한 유량 자료

 

1) 유량도: 가로축에 1년 (365일)을 세로축에 매일의 하천 유량을 기입한 것

 

2) 유황곡선: 유량도 작성 후 이 유량도를 사용하여 가로축에 1년의 일수를 세로축에 유량을 취하여 매일의 유량 중에서 큰 것부터 1년 분을 배열한 곡선

 

3) 적산 유량 곡선: 매일 수량을 차례로 적산하여 가로축에 일수를 세로추게 적산 수량을 그린 곡선

 

 

3. 수차 (Turbine)

 

1. 수차의 정의 : 수차는 물이 가지고 있는 에너지를 이용하여 회전 우동 에너지로 변환하는 장치이다.

 

2. 수차의 종류별 적용 낙차 범위

 

종류	유효 낙차 [m]	형식
펠턴 수차	300~1800	충동
프란시스 수차	50~500	반동
사류 수차	50~150	반동
카플란, 프로펠러 수차	10~50	반동

 

 

3. 수차의 종류별 특성

 

1) 펠턴 수차 (충동수차)

 

-원리: 조즐에서 분사된 물을 러너 주변에 부착한 버킷에 작용시켜 그 충격력으로 회전력을 얻는 수차이다.

-비속도가 낮아 고낙차용으로 적합하다.

-마모부분의 교체가 용이하다.

-사용 노즐개수, 니들 밸브 조정으로 고효율 운전이 가능하다.

 

2) 프란시스 수차 (반동 수차)

 

-원리: 수압관에서 유입된 고압의 물이 안내 날개를 통해 러너의 반지름 방향으로 들어와 속도를 올린 다음 축 방향으로 방향을 바꿔 유출될 때까지 반동력으로 회전력을 얻는 수차

-적용 낙차 범위가 넓다

-구조가 간단하여 가격이 싸다.

-고낙차 영역에서 펠턴 수차보다 소형으로 제작이 가능하다.

 

3) 사류 수차 (반동 수차)

 

-원리: 유수가 러너의 45도 경사로 토과하는 구조의 수차이다.

-고낙차에 따른 러너 날개에 작용하는 하중이 최소이다.

-변동 낙차에 대해 가동형 날개 조정으로 고효율 운전이 가능하다.

 

4) 프로펠러 수차 (반동 수차)

 

-비속도가 높아 저낙차용이다.

-날개 분해가 가능하여 제작 수송이 편리하다.

 

 

4. 조압 수조 (Surge Tank)

 

1. 조압 수조의 정의와 기능

 

1) 조압 수조의 정의: 압력 수로와 수압관을 접속하는 장소에 자연 수면을 가진 일종의 물탱크이다.

 

2) 조압 수조의 기능

 

-수압관 내에서 발생하는 수격압을 흡수한다.

-수압관을 보호한다.

 

2. 조압 수조의 종류

 

-단동 서지 탱크

 

-차동 서지 탱크

 

-수실 서지 탱크

 

-제수공 서지 탱크

 

 

5. 캐비테이션 (Caviation)

 

1. 캐비테이션의 정의: 수압관 내의 흐르는 물에 부하의 급격한 변화로 기포가 생기고 이 기포가 압력이 높은 곳에 도달하면 갑자기 터져서 수차에 큰 충격을 주는 현상을 말한다.

 

2. 캐비테이션의 영향

 

-수차의 수명을 단축시킨다.

-수차에 진동 및 난조를 발생시킨다.

-수차와 발전기 효율을 저하시킨다.

 

3. 캐비테이션 방지 대책

 

-수차의 특유 속도 Ns를 너무 크게 하지 않는다.

-흡출관의 높이를 너무 높게 취하지 않는다.

-수차 러너를 침식에 강한 스테인레스강 특수강으로 제작한다.

-러너의 표면을 매끄럽게 가공한다.

-수차의 과도한 부분 부하, 과부하 운전을 피한다.

 

 

6. 수차의 특유 속도 (Ns, 비속도: Specific Speed)

 

1. 특유 속도의 정의

 

1) 실제 수차와 기하학적으로 닮은 모형 수차를 1m 낙차에서 1 [kW] 출력을 발생 시키는 데 필요한 1분간의 회전수 [m kW]를 의미하는 가상의 회전 속도이다. 

 

2) 특유 속도가 크다는 것은 유수에 대한 수차 러너의 상대 속도가 빠르다는 것을 말한다.

 

특유 속도: Ns = N * P^ 1/2  / H^5/4   [m kW]

 

N: 실제 수차 회전수 [rpm]

 

P: 출력 [kW]

 

H: 유효 낙차 [m]

 

 

7. 양수 발전소

 

1. 양수 발전소의 정의 : 양수 발전소는 심야 경부하 시 잉여 전력을 이용하여 상부 저수지에 양수하였다가 한낮의 최대 전력이 필요한 시간에 발전하는 첨두 (Peak) 부하용 발전소이다.