본 연구에서는 양수발전소의 시설용량이 1,000MW이고 펌프수차 250MW급 4기가 설치되어 있으며, 유효낙차가 817m인 양수발전소에서 발생하는 수격현상에 관한 현장시험을 수행하고, 수치해석결과와 비교·분석함으로써 펌프수차와 수압관 등 양수발전소의 신뢰성 및 안전성을 확보하기 위하여 수력학적 과도현상에 관한 연구를 수행하였다.
양수발전소에서 발생하는 수력학적 과도현상은 펌프 시동 및 펌프 입력차단 시 또는 수차 기동 및 수차 부하 차단 시에 발생하는 수격현상에 관한 문제로써 수압철관과 방수로의 수격에 의한 수압변화, 유량변화, 펌프수차의 회전속도 변화 등이 있다. 이러한 수력학적 과도현상을 연구하기 위하여 수격현상을 현장에서 시험하였다. 수격현상을 분석하기 위하여 현장 시험 시 취득해야 할 주요 인자 들을 결정할 필요가 있어 펌프수차에 부착된 주요 센서들과 입구밸브에 부착된 주요 센서들을 모니터링 하였다. 그리고 수력학적 과도현상을 수치해석하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였다.
펌프수차 용량이 250MW급으로 펌프 1대가 단독으로 운전될 때와 4대가 병렬로 운전되다가 동시에 긴급 정지된 경우에 발생하는 수격현상과 수차 1대가 단독으로 운전될 때와 수차 4대가 병렬로 운전되다가 동시에 부하차단 된 경우에 발생하는 수격현상에 대하여 수치해석을 통해 분석하였다. 전체 관로에서 수격현상에 의해 발생하는 최대, 최소 압력선을 기본설계의 해석결과와 수치해석결과를 서로 비교 검증하였다.
양수발전소에서 발생하는 수격현상은 수차·발전기의 관성모멘트, 안내깃의 개도 조절, 저수지의 수위 등 많은 인자들의 영향을 받는데, 본 연구에서는 기본설계 시 예측한 값과 현장시험결과가 크게 달라진 원인을 규명하고자 하였다. 또한, 인수성능시험 시 수행하지 못한 펌프 4대 긴급정지, 수차 4대 부하 차단 등의 경우에 대한 수치해석을 수행하고, 수압터널 및 수압관, 방수로, 발전소 등에 작용하는 수격압과 부압 발생여부 등을 수치계산을 통하여 예측하였다.
기본설계 시 사용된 수차·발전기의 관성모멘트는 제조회사가 제시한 값의 4배를 사용한 것으로 조사되었다. 관성모멘트는 수압관과 흡출관의 최대, 최소압력에 영향을 미치는 중요한 설계인자인 것으로 검토되었다.
조압수조 연결관에 설치된 오리피스는 방수로에서 발생하는 서징 과정 중 연결관을 통해 유출입되는 수량을 줄임으로써 서징 주기를 좀 더 짧게 하는 효과가 있음이 수치해석결과 확인되었다. 조압수조 내 수위는 수력학적 과도현상으로 인해 82.6m∼130.5m 범위에서 오르내리는 것으로 분석되었으며, 이 수치계산결과는 기본설계 시 수행된 수리모형 실험결과와 잘 일치하였다.
수압관의 최대압력과 흡출관의 최소압력은 상부지가 고수위이고 하부지가 저수위일 때 수차 4대의 부하가 사고 등에 의해 갑자기 차단된 경우 발생한다. 또 수압관의 최소압력과 흡출관의 최대압력은 상부지가 저수위이고 하부지가 고수위일 때 펌프 4대가 긴급 정지된 경우 발생하는 것으로 나타났다.
수력학적 과도현상으로 인한 흡출관의 최대, 최소압력과 수압관의 최소압력은 문제가 없는 것으로 검토되었다. 예측된 수압관 내 최대 압력수두는 1,174m 이고, 수압변동율은 34.9%이다. 수압변동율은 수압철관의 강도와 밀접한 관계가 있고, 통상 30% 이내로 설계하기 때문에 양수발전소에서 1,000MW의 시설용량으로 발전하는 경우 부하 차단에 의한 안전사고가 발생하지 않도록 각별한 주의가 필요함을 확인하였다.
본 논문을 타 수력발전소를 포함한 양수발전소에 확대 적용함으로써 다양한 패턴의 데이터베이스를 확보하고, 수력학적 과도현상에 대해 분석을 수행하여 양수발전 및 수력발전소의 신뢰성 향상 및 안전성 확보에 기여 하고자 한다.