2.1 실험장치

발전소의 순환수 취수부 및 부속 구조물에 대한 수리모형 제작은 발전소 건설에 따른 기본 설계도면^{(Hyundai Engineering, 2014)}을 기준으로 제작하였으며, 일반적인 순환수 취수부의 개념도는 Fig. 1에 나타내었다. 흡입수조에서 발생 가능한 와류 및 선회류 제어를 위해 설치되는 와류제어장치는 ^{ANSI/HI 9.8(1998)}의 Pump Intake Design을 참고하여 제작하였다. 모형의 축척은 수리학적 상사와 재현 가능성을 고려하여 1/10로 제작하였으며, 유량공급장치(Water supply device)와 순환수 취수부, 순환수펌프로 구성하였다. 유량 공급장치는 철재를 이용하여 제작하였으며, 순환수 취수부는 흐름의 시각화를 위해 투명 아크릴을 사용하였다. 또한 아크릴의 수직면에 지지대를 설치하여 수압에 충분히 견딜 수 있도록 하였으며, 순환수 펌프는 유량 조절이 가능한 볼류트 펌프를 사용하였다(Fig. 2).

Fig. 1. Scheme of Circulating Water Intake Basin

Fig. 2. Hydraulic Model of Circulating Water Intake Basin

2.2 계측장비

유속 계측은 ALEC Electronics Co., Ltd.에서 만든 2차원 전자기 유속계를 사용하였으며, 지정된 계측 라인에 대해 깊이에 따라 3점 방식으로 유속을 측정 후 평균유속을 산정하였다. 펌프의 흡입수조에서는 설계기준^{(ANSI/HI 9.8, 1998)}의 적합여부를 평가하기 위해 5점 방식을 이용하였다. 수위계측은 KENEK Co. Ltd.의 디지털 포인트 게이지를 사용하였으며, 추가로 계측위치에 피조미터를 설치하여 수위를 측정하여 정확성을 높였다. 유황분석은 흐름의 시각화를 위하여 긴 바늘이 장착된 주사기에 식용 염료를 주입하여 관측하였다. 염료를 사용하면 캠코더와 디지털 카메라를 통해 흐름 특성을 기록하여 분석이 가능하다. 또한, 비균일한 흐름 분포 및 흐름 분리와 같은 와류, 흐름 이상 현상의 존재와 위치를 식별할 수 있어 염료를 사용하였다. 순환수펌프 관로에서 발생하는 와류는 와류 계측기(swirl meter)를 사용하였다(Fig. 3).

Fig. 3. Swirl Meter(ANSI/HI 9.8, 1998)

2.3 실험조건 및 방법

발전소 순환수 취수부의 운영조건을 적용하여 흡입수조에서 와류 및 선회류 발생가능성이 가장 높은 저수위(Low Water Level)에 대한 6가지 실험조건을 선정하였다. 또한, 저수위 조건은 ^{ANSI/HI 9.8(1998)}에서 권장하는 펌프의 최소 침수깊이를 만족하지만 유입부로부터 동반된 난류흐름이나 물결의 영향으로 인한 와류 발생의 비정상성도 고려 할 필요가 있어 6가지 조건을 선정하였다. 6가지에 대한 실험조건은 실제운영을 위한 침사지와 회전스크린의 개폐 유무로 설정하였다. 순환수 취수부 중 주요시설의 OFF는 시설 운영 중 고장, 시설 개선 등을 위해 유지 보수를 위해 차단하는 것을 의미한다. 특히, Travelling band screen은 해양생물과 부유물의 유입으로 인해 유지보수가 빈번하게 발생한다. Circulating water pump가 모두 운영되는 조건을 선정 한 이유는, 타 발전소 순환수 취수부의 운영에 대한 연구와 운영사례를 참고하여 최악의 조건을 선정하였다(Table 1).

수리모형 실험은 0.48 m 사각위어를 통해 유입부에 연결된 직경 0.3 m의 취수 관로 4개의 라인에서 물을 공급 받는다. 순환수 취수부의 운영조건은 Case 1 ~ Case 6과 같이 각 시설의 개폐 유무로 선정하였으며, 실험조건은 실제 운영에 사용되는 실험유량 0.181 ㎥/s와 수위조건은 최저수위 -3.140 m로 동일하게 선정하였다(Table 2). 발전시스템의 냉각수로 사용되는 순환수는 순환수펌프 8대로 공급되며, 순환수 취수부의 각 구간별 명칭은 Fig. 4에 나타내었다. 계측위치는 Line 1~8로 구성되며 유입부는 Line 1~2, 침사지는 Line 3~6, 흡입수조는 Line 7~8로 구성하였다(Fig. 5). 흡입수조에서 발생하는 와류계측은 염료를 이용하여 목측하였고, 카메라 및 캠코더를 사용하여 기록하였다. 순환수펌프의 관로 내 선회류 분석은 와류 계측기를 설치하여 측정하였고, 와류각도를 계산하여 ^{ANSI/HI 9.8(1998)}의 설계기준과 비교, 분석하여 적합여부를 평가하였다. 또한, 흡입수조에서 발생하는 수중와류 제어는 많은 연구결과를 통해 Floor Splitter가 가장 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 수중와류 제어를 위해 Floor Splitter는 기본적으로 적용하고, 자유표면와류 발생 여부를 확인하였다. Case 1~6의 모든 조건에서 자유표면와류가 다수 발생하였으며, 이를 제어하기 위한 와류제어장치를 설치하여 와류를 제어할 필요성을 확인하였다.

Fig. 4. Title of Each Section in the Circulating Water Intake Basin

Fig. 5. Measuring Point of the Circulating Water Intake Basin

2.4 와류제어장치의 종류

순환수 취수부 중 순환수 펌프의 흡입구가 설치된 흡입수조에는 유입되는 난류 흐름 및 순환수펌프의 가동으로 인해 와류가 예측되거나 발생하였을 때는 적절한 와류제어장치를 설치하여 와류를 제어하여야 한다. 일반적으로 흡입수조에 설치하는 와류제어장치는 ^{ANSI/HI 9.8(1998)}의 설계기준을 참고하여 설치하며 필요에 따라 형태를 변형하거나 새로운 와류제어장치를 설치하여 와류를 제어해야 한다. 본 연구에서는 수중와류 제어를 위해 플로어 스플리터(floor splitter)는 기본적으로 적용하였고, 자유표면에서 발생하는 와류제어를 위해 새로운 형태인 컬럼 커튼월(Column curtain wall)을 추가적으로 적용하여 효과를 확인하였다. 또한, 일반적으로 적용되었던 커튼월에 새로 개발한 컬럼 커튼월을 복합적으로 적용하였다(Fig. 6).

Fig. 6. Anti Vortex Devices

3.1 흡입수조의 와류저감 효과 분석

흡입수조에서 발생하는 와류계측은 카메라와 캠코더를 이용하여 사진과 영상으로 비접촉 형태로 분석하였다. 또한 흐름의 시각화를 위하여 긴 바늘이 장착된 주사기에 염료를 주입하여 기록하였다. 3차원유속계와 같은 계측기기를 이용하여 수중에서 계측할 때는 흐름 상태를 교란시켜 전혀 다른 흐름특성을 발생시킬 수 있다. 따라서 흡입수조에서 발생하는 와류분석을 위해 비접촉식 분석방법을 선택하였으며, 와류의 발생여부와 위치 등을 기록하였다. 목측과 영상을 통한 와류에 대한 분석을 통해 실험조건 Case 1~6에서 와류제어장치 적용전에 모두 와류가 발생함을 확인하였다(Fig. 7).

와류제어장치인 커튼월과 컬럼 커튼월을 복합 적용하였을 때에는 Fig. 8과 같이 와류가 완전히 제어되었음을 확인하였다.

Fig. 7. Observation of Vortex in the Pump Sump (Before Installation)

Fig. 8. Observation of Vortex in the Pump Sump (After Installation)

3.2 순환수펌프 관로의 와류저감 효과 분석

순환수펌프 관로 내에서 발생하는 선회류는 ^{ANSI/HI 9.8(1998)} 설계기준을 참고하여 와류 계측기를 관로 내에 설치하여 계측하였다. 선회류의 와류각도 측정은 60초간 블레이드의 회전수를 측정하며, 회전수를 이용하여 관로 내에서 발생하는 와류각도를 계산한다. 와류각도는 관로 내에서 와류의 강도를 확인하는데 사용되고, 권장되는 와류각도 기준은 5° 이내이며, Eq. (1)과 같다.

여기서, $V_{a}(4Q/\pi D^{2})$=축방향 평균속도, $V_{t}(\pi dn/60)$=블레이드 끝단에서의 접선 평균속도, Q=유량(㎥/s), D=파이프 직경(m), d=와류 계측기 직경(m), n=와류 계측기 회전수(rpm)이다.

와류제어장치를 적용하기 전, 와류 계측기의 회전을 통해 계산된 와류각도의 분포는 0°~7.25°로 나타났다. Case 1과 Case 3의 실험결과는 설계기준 와류각도 5° 이하로 계산되어 설계기준을 만족시키지만, Case 2, Case 4, Case 5, Case 6은 설계기준 이상으로 계산되어 와류제어장치의 설치가 필요한 것으로 나타났다(Table 3).

와류제어를 위해 커튼월을 설치하여 와류 저감효과를 확인한 결과, Case 1의 와류각도 분포는 0°~0.105°, Case 2는 0.011°~ 5.047°, Case 3은 0°~0.894°, Case 4는 0°~4.953°, Case 5는 0.011°~4.733°, Case 6은 0°~1.146°로 나타났다. Case 2의 3-B를 제외한 모든 실험조건은 설계기준 와류각도 5° 이하로 나타나 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다(Table 4). 하지만, 모든 순환수펌프 관로에서의 와류각도는 설계기준을 만족시켜야 하므로, 새로운 와류제어장치의 적용이 필요한 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 흡입수조에서 발생하는 와류를 추가적으로 제어하기 위하여 새로운 형태의 컬럼 커튼월을 개발 및 적용하여 와류 저감효과를 확인하였다. 커튼월에 컬럼 커튼월을 복합적으로 적용하여 실험 한 결과, Case 1의 와류각도 분포는 0°~0.6°로 나타났으며, Case 2는 0°~1.4°, Case 3은 0°~0.3°, Case 4는 0°~0.7°, Case 5는 0°~0.6°, Case 6은 0°~1.2°로 나타났다. 모든 실험조건 Case 1~6은 설계기준 와류각도 5° 이하로 나타나 설계기준을 만족하는 것으로 나타났다(Table 5 and Fig. 9).

Fig. 9. Results of Vortex Angle in the Circulating Water Pump Pipeline