3.1 수치해석 모델링

대상 발전플랜트 심층 취수 구조물의 해양생물 및 해저퇴적물 유입 영향에 대한 정량적 분석이 필요하고 문제 발생을 방지하기 위한 유지관리 전략이 필요하다. 본 연구에서는 유동해석을 위하여 STAR CCM+ CODE를 이용하여 발전플랜트 취수설비의 해양생물 및 해저퇴적물 유입을 유발할 수 있는 해수유동을 해석하였다. 수치해석을 취수관로 전 영역을 대상으로 하면 정확한 해를 얻을 수 있겠지만, 계산해야 할 격자의 크기의 문제로 해석이 수렴하지 못할 가능성이 높기 때문에, 취수관로 내의 유동이 완전 발달된 이후의 계산은 수행하지 않았다. 즉, 실제의 취수관로의 길이는 해수인입부터 첫 번째 종점 수직구까지 약 590 m, 두 수직구간 거리가 약 913 m, 두 번째 발진 수직구에서 펌프장까지의 거리가 약 340 m이다. 수직구 전후에서의 모래입자나 해파리의 유동이 복잡할 것으로 예상되기 때문에 수직구를 중심으로 계산영역을 조정하여 각 수직구의 입구영역은 직경의 10배, 출구영역은 20배로 설정하였다. CFD의 특성상 일정 단면에서의 입자 통과유량을 구할 수 있기 때문에 계산상의 영역이 좁다 하더라도 전체 길이에 대한 값을 어느 정도 정확히 알 수 있다. 설계도면을 기준으로 해석대상의 모델링 부위는 Fig. 2와 같다. 가장 우측의 2개의 취수관로의 입구가 보이며, 약 45 m 진행한 후 종점 수직구에 도달한다. 종점 수직구에 도달한 해수의 일부는 수직구 상단의 해수관로를 통하여, 영동화력 쪽으로 공급하게 되어 있으며, 대부분의 해수는 수직구 아래로 진행한다. 종점 수직구 하부에서 TBM 터널 구간을 통하여 두 번째 발진 수직구 방향으로 해수가 이동한다. 이동 중간에 경사도가 다른 TBM 터널을 통하여 발진 수직구에 도달하고, 다시 상승하여 펌프장으로 약 100 m 이동하게 된다.

3.2 해석방법 및 경계조건

해석방법으로 해양생물 및 해저퇴적물 유입이 없는 경우의 유동해석을 먼저 수행하였다. 이때의 경계조건 으로 취수구에서의 유입 해수량을 일정하다고 가정하고, 고정 질량유량 조건으로 100.474 ton/s를 설정하였다. 본래, 안인화력의 필요 해수량은 90 ton/s인데, 영동화력으로 공급되는 해수가 포함되어 증가되었다. 첫 번째 종점 수직구에서 영동화력 방향으로 나가는 출구의 경계조건 역시 고정 질량유량 조건으로 10.474 ton/s를 설정하였다. 종점 수직구와 발진 수직구의 상부 면은 해수가 대기에 노출되는 부분이다. 실제로는 이 지점은 파도와 같이 작은 운동이 있지만 전체의 스케일로 볼 때 그 운동의 영향이 미미하기 때문에 슬립 벽면으로 처리하였다. 이 지점은 자유표면이지만 표면의 운동을 정확히 예측하지 않아도 되는 경우에는 해수가 수평으로 움직일 수 있도록 하였다. 첫 번째 종점 수직구에서 두 번째 발진 수직구사이의 TBM 터널은 연속된 형상이지만 수치해석의 편의상 구간길이를 축소하였기 때문에 고저차를 부여하였다. 이에 따라 이 두면의 경계조건은 동일한 속도이지만 압력은 다르게 전달되어야하기 때문에 주기조건을 할당하여 압력을 변화시킬 수 있도록 하였다. 이후 펌프장으로의 출구조건은 수렴성을 증가시키기 위하여 출구압력조건으로 설정하였다. 해수의 밀도 및 점성계수는 각각 1.022 kg/m, 0.0012 Pas로 설정하였다.

해양생물 및 해저퇴적물의 경우, 모래 입자의 조건은 중립사, 세립사, 극세립사로 구분하였고 세 종류의 입자에 대한 평균 직경과 각각의 질량유량을 해수 취수구 영역에서 투입한다고 가정하였다. 세부적으로 모래에 대하여 조성비를 검토한 결과 조립사, 세립사 및 극세립사의 비율은 평균적으로 55:40:5 정도로 나타났다. 중립사의 평균 입경은 0.254 mm, 질량유량은 0.34529 kg/s, 세립사는 평균입경을 0.125 mm 질량유량을 0.25112 kg/s 그리고 극세립사는 평균입경을 0.063 mm, 질량유량을 0.03139 kg/s로 하였다. 모래의 밀도는 가장 보편적 수치인 2,600 kg/m으로 적용하였다. 해파리의 경우 중성부력체로 가정하였기 때문에 해수와 동일한 밀도를 갖고, 그 크기는 기초조사에서 분석된 직경 150 mm, 두께 20 mm의 원판 모양이라고 가정하였다. 수치해석 경계조건은 Table 1과 같다.

3.3 격자 구성 및 독립성 검증

CFD 수치해석을 위한 격자 구성은 유동해석 공간의 격자를 전체적으로 조밀하게 생성하는 방식과 해석공간의 중요성을 고려하여 공간을 구분하여 격자를 생성하는 방식이 있다. 본 연구에서는 해석공간의 중요성을 고려하여 Fig. 3과 같이, 해석공간을 구분하여 격자의 밀도를 조절하였으며, 총 격자의 수는 9,240,000개로 하였다. 격자 독립성 검증은 정확한 솔루션을 제공하는데 최소로 요구되는 셀(cell) 수를 결정하므로 매우 중요하다. 이러한 테스트를 수행하면 추가 계산에 소요되는 많은 시간을 절약할 수 있다. 현재 연구에서는 9,000,000개에서 15,000,000개의 셀 범위에서 2개의 서로 다른 수의 셀을 사용하여 구조화된 격자를 생성하였다. 기준 셀 길이를 0.15 m로 한 경우, 총 격자수는 9,240,000개이고 0.12 m로 설정할 경우에는 14,550,000개 된다. 각 셀 수에 대해 취수관로 내에서의 해수의 유속과 압력을 매개변수로 계산하였고 계산결과 수렴성도 양호한 것으로 나타났다. Fig. 4a)는 두 가지 격자 구성의 해석결과 중에서 속도분포를 보여준다. 취수관로의 해수의 속도분포는 거의 유사하고 취수구 방향에 가까운 종점 수직관로의 유동은 두 가지 경우 모두 거의 동일하게 나타난다. 그러나 펌프장에 가까운 발진 수직관로에서 속도는 유사하지만 상승하는 유동 형태가 약간 다르게 나타났다. 또한, Fig. 4b)는 절대압력분포를 보여주는데 속도분포 보다도 더 유사하게 일치하는 것으로 나타났다. 입구영역에서 대기압으로 진입한 해수는 수직구를 하강하면서 압력이 증가하고 TBM 터널을 지나면서 서서히 압력이 올라간다. 이는 TBM터널이 매우 작은 경사를 가지고 있기 때문이다. 또한 두 번째 발진 수직구에서 상승하면서 압력이 다시 상승하고 펌프장 방향 출구에서 다시 대기압으로 낮아지는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 매개변수의 값에 대한 두 격자 구성의 결과는 큰 차이가 없으며 어느 것을 사용해도 무관하게 되어 최적의 셀 수는 약 9,240,000개임을 보여준다. CFD 시뮬레이션에 사용된 해석모델은 동일한 소프트웨어로 수치적으로 검증되었다.

4.1 취수관로 내부 정상상태 유동

Fig. 5a에서와 같이, 해수가 시간변수에 독립적으로 일정 유량이 유입되는 것으로 가정한 정상상태에서의 취수관로 내부의 유체흐름을 해석하였다. 해수가 취수구로 유입되고 영동화력방향으로 일부가 흘러나가는 높이에서의 속도분포는 입구에서 대략 2.4 m/s 정도의 속도를 보이다가 이후 약간 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 입구영역에서 완전히 발달된 유동이 되면서 단면의 중앙 높이에서의 속도가 증가하기 때문이다. 취수관로를 다 통과하고, 수직관로로 들어서면 상당히 복잡한 유동이 발생한다. 이는 수직관로에서 해수의 대부분을 외부로 배출하는 관로가 수직관로 아래 부분에 설치되었기 때문이다. 영동화력 방향으로 배출되는 해수는 약 2.0 m/s 전후의 속도를 보이고 있다(Fig. 5b). 전체 취수관로영역에서의 유체흐름선형을 보면, 2.4 m/s 근처로 유입된 해수는 첫 번째 종점 수직관로에서 회전류가 되면서 복잡한 유동행태를 보이고 있고, 회전하면서 TBM 터널을 통과하고 이 회전류는 TBM 터널의 종점부분까지도 유지되고 있다. 두 번째 발진 수직관로에서 회전하면서 아래로 유입된 해수는 다시 회전하면서 상승하고, 펌프장 방향으로 해수를 배출하고 있음을 볼 수 있다. 부분별 상세 이미지를 보면, 발진 수직구는 종점 수직구보다 더 복합한 유동 형태를 보이면서 상승하고 있고, 발진 수직구에서 펌프장으로 가는 방향의 해수는 회전하면서 유입되었다가 얼마 가지 않고 유동이 선형화 되고 있음을 볼 수 있다. 궁극적으로는 해양생물 및 해저퇴적물이 유입되는 조건에서 이러한 복합한 유동 형태를 보이는 부위에서 어떠한 영향을 받는지의 검토가 필요하다.

4.2 해저퇴적물 유입 영향

다음 단계로, 앞에서 분석한 취수관로 내부 정상상태 유동의 특성을 기반으로, 발전플랜트 완공 후 해저퇴적물(모래)이 취수시스템으로 유입되는 조건에서 취수관로 내부에 퇴적되는 양을 예측하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 현장조사 결과, 대상 해역의 최대 부유사 농도는 태풍 또는 돌풍 시 15~20 ㎎/L로 조사되었고 최악의 상황을 가정하여 50년 최대 빈도인 100 ㎎/L의 유입 조건을 적용하여 분석하였다. Fig. 6은 직경이 서로 다른 3가지 모래가 유입되는 입자 추적 결과를 보여준다. 유입 모래의 입경별 입자의 궤적과 속도를 함께 분석하면 중립사가 가장 크게 속도 저하가 발생한다. 발진 수직구에 연결된 TBM 터널 내부에서의 입자속도를 살펴보면, 입자크기에 반비례하며, 극세립사가 가장 빠르고, 세립사, 중립사는 가장 느리게 이동한다. 이는 질량이 큰 중립사의 경우, 해수의 흐름에 실려 이동할 때 에너지가 더 많이 소요되기 때문에 속도의 저하가 큰 것으로 판단된다. Table 2와 같이, 모래 입자 크기별로 취수라인의 위치에 따른 퇴적량을 예측하였다. 각 구역별로 유입되는 모래의 양과 배출되는 모래의 양을 비교하여, 그 차이를 퇴적량으로 산출하였다. 최초의 입구로부터 첫 번째 종점 수직구와 영동화력 방향 취수라인에는 모래의 퇴적이 없을 것으로 예측되었다. 이는 최초의 인입 시 속도가 상당히 빠르기 때문이기도 하며 그 사이구간에서는 정체되는 영역이 거의 없기 때문이다. 모래의 퇴적은 수직구내의 유동이 매우 복잡한 발진 수직구에서 가장 많이 발생될 것으로 예측되었고, 최대 유입량이 연간 동일하게 유지되는 경우, 약 2.93 m 두께의 퇴적이 발생할 것으로 예측되었다. 그 다음으로 종점 수직구는 약 1.27 m의 퇴적물이 쌓일 것으로 예측되었다. 반면에 TBM 터널 내부에는 약 0.022 m 퇴적될 것으로 예상된다(Table 3).

그러나 과다한 모래가 연중 유입되지는 않기 때문에 이를 정상적인 유입량으로 환산해 보면, 발진 수직구는 0.8 m, 종점 수직구는 0.35 m, 그리고 TBM 터널은 0.006 m의 퇴적량이 누적될 것으로 예측되었다. 결론적으로 100 mg/L 유입을 가정할 경우, 취수관내 모래 퇴적물은 위치에 따라 연간 0.006~0.080 m 정도 퇴적될 것으로 예측되어 실제 관측 최대 부유사 농도기준(20 mg/L)으로 추산하면 발진 수직구 하부부위에서 연간 최대 0.040 m의 퇴적이 발생 가능한 것으로 판단된다.

4.3 해양생물 유입 영향

마지막 단계로, 발전플랜트 완공 후 해양생물(해파리)이 취수시스템으로 유입되어 조건으로 취수관로 내부에 퇴적되는 양을 예측하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다. 해양기초조사를 근거로 해파리는 중성부력을 가지며 원판형의 지름 0.15 m, 두께 0.02 m로 가정하였다. 수치해석은 정상상태 해석과 비정상상태 해석을 모두 수행하였다. 해파리의 모사는 정상상태 해석 시는 동일부피의 구로 가정하여 계산하였고, 비정상상태 해석은 해당 수역에서 발생하는 해파리가 취수구로 급격하게 유입되는 최악의 경우를 고려하여 초당 40개체(울진 사고 사례 기준)의 해파리가 유입된다고 가정하였다. Fig. 7의 비정상상태 해석결과, 약 200초 진행 후, 해파리는 원반형의 입자가 회전 및 중첩되면서 이동하는 상황을 확인할 수 있었다. 즉, 해파리의 취수관로 내 이동시간은 총 길이 약 377 m(shaft포함) 이동하는데 약 200초가 소요된다. 해파리는 중성부력의 특성상 대부분의 입자가 2.0 m/s 내외의 속도로 고르게 취수관로로 유입되며(Fig. 7b)), 종점 수직구 상부와 하부의 유동이 정체되는 영역에서 해파리가 다수 발견되었다. 그러나 대부분의 해파리는 유동에 따라 펌프장으로 이동한다. TBM 터널에서는 정체되는 구역 없이 원활한 해파리의 이동이 관찰되었으며, 발진 수직구의 경우, 종점 수직구와 유사하게 정체구역이 적어서 균질하게 분포되어 이동하고 있다(Fig. 7c)). 정상상태 해석결과, 해파리의 체류시간은 약 2.7시간 내에 대부분 취수관을 통과하는 것으로 나타났으며 수직구의 최 상단부분에서 정체가 되기 시작하였다. 해파리의 정체 위치 및 누적량을 계산하면 Table 4와 같다. Fig. 8과 같이, 유입되는 해파리의 76.6%는 펌프장까지 이동하지만 나머지는 주로 수직구에서 정체되고 있다. 해파리의 유입은 대부분 객체수가 급속히 증가하는 1개월 정도가 문제가 된다고 알려져 있다. 따라서 1개월 간 지속적으로 해파리가 유입된다면 최대 4,750,000 ton이 유입되고 영동화력 방향으로는 약 8.1%가 이동된다. 그리고 두 수직구에 각각 5.6% 및 9.7%의 해파리가 정체될 것으로 예상된다. 이런 정도의 양은 수직관로 전체 부피의 3%에 해당하는 면적에 해파리가 존재하게 되므로 가능하면 적절한 간격마다 두 수직구의 청소가 필요하다.

해파리의 비정상 해석에서, 340초가 경과할 때까지 유입된 해파리는 13,600마리였으나 계산영역에 남아 있는 해파리는 8,500마리였다. 즉, 5,100마리(37.5%)는 이미 펌프장으로 배출된 상태이다. 해파리는 수직구에서 정체되기 때문에 종점 수직구에 많은 수의 해파리가 보이며, 상대적으로 발진 수직구에는 해파리의 수가 많지 않았다. 결론적으로 해파리의 경우 중성부력체로서 해수를 따라 이동하는 것으로 검토되었으며 초당 40개체가 유입되는 시나리오를 적용한 결과, 분당 2,400마리가 유입되어 관내 누적되는 것으로 나타났다. 정상상태 해석결과는 취수관로를 모두 통과하는 시간이 약 300초로 예상되며, 취수관로 내부에 체류하고 있는 해파리 개체수는 유입량의 약 15%로 계산되었다. 약 8%는 영동화력으로 유입되고 약 77%의 해파리는 펌프스테이션으로 이동하는 것으로 예상된다. 대상 사업지역의 해파리 분포량이 약 9,000개의 개체로 추정되었고, 무게로 환산하면 약 3 ton이며, 이를 적용하면 해파리 유입으로 인한 큰 문제는 없을 것으로 판단되지만 최악의 상황을 고려한 수치해석 결과이다.