중규모 수력발전의 현대화… 모델수차로 미리 성능확인
중규모 수력발전의 현대화… 모델수차로 미리 성능확인
  • 강영호 기자
  • 승인 2021.08.16 19:31
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[공학저널 강영호 기자] 그간 국내외 수력기업들은 3MW 이하의 소수력 수차의 설계, 제작 기술에만 의존하고 있는 실정이며, 중대규모 수력이 개발될 가능성은 극히 적다. 하지만 기존의 노후화된 설비나 성능이 떨어지는 설비에 대한 개보수와 현대화 요구는 순차적으로 진행될 것으로 예상되고 있다.

국내 수력발전 플랜트 관련 기술력은 대기업의 시장성 확보의 불확실성으로 인한 제한적 참여와 원천기술의 부족으로 어려움을 겪고 있으며, 대부분 소수력 발전기 위주의 기술개발이 진행됐다. 이 역시도 중소기업의 위주의 설계, 제작, 설치 등의 제한적인 기술로써 국내외 수력시장 진출에 어려움이 있다.

최근 신재생에너지에 대한 관심과 개발의 필요성을 절감한 정부 주도로 중대규모 기술개발에 관한 연구를 지원해 건설기술, 수차발전기 원천기술개발, 수력성능에 대한 운용기술 등의 설계기술을 확보하고자 중규모 수력 플랜트 건설기술 개발이 본격적인 시작을 알렸다.

또한 이 연구사업의 구성상 공기업, 중소기업, 국책연구기관이 협력 체계를 구축해 분야별로 연구개발 경험과 향후 표준화 단계를 거쳐 국내·외 수력발전시장의 신규개발과 현대화 시장에 적극적으로 참여할 수 있는 국제적 경쟁력을 갖추기 위한 연구가 진행되고 있다.

중대규모 수차개발은 소수력 발전과 달리 경제성 문제로 인해 처음부터 실물수차로 개발하기 어렵기 때문에 상사성을 적용한 축소된 모델수차를 설계, 제작, 설치하고 성능실험을 통해 특성을 분석하는 것이 중요하다.

모델수차의 설계, 제작, 설치를 통한 성능시험은 50MW 중규모 프란시스 원형 수차의 형상정보를 측정하고 데이터화해 이 정보를 기반으로 축소비를 검토하고 모델수차의 주요 구성 요소인 러너와 가이드베인, 스파이럴 케이싱 등의 주요부품 역설계를 통해 제작된다. 제작된 제품에 대한 단품별 3차원 형상 치수 검사와 밸런싱 테스트 등의 성능시험을 통한 단품 성적서 확인 후 이를 조립해 러너 실링도 측정, 가이드베인 갭측정, 축 정렬 등의 전체적 조립에 대한 성능을 확인했다.

이러한 모델수차의 설계, 제작, 설치에 대한 연구를 맡고 있는 ㈜금성이앤씨는 전통적인 제조기반의 중소기업으로써 기술 중심, 도전 정신, 미래 개발의 기치로 자전적인 경영체계가 녹아있는 구본철 회장의 40여 년의 기술적 경험과 노하우를 보유하고 있다. 금성이앤씨는 수문, 권양기 등의 수자원기반시설과 더불어 신재생에너지전문 기업으로써 수력과 해양에너지, 플랜트, 엔지니어링 분야에 주력하고 있으며, 기업부설연구소를 보유해 국내외에 소수력설비 공급과 연구개발을 지속적으로 수행하고 있다.

특히 2000년부터 신재생에너지핵심기술 개발과 더불어 국내에서 최초로 5MW 고정밀 반동형 모델수차의 연구개발의 성공했던 것이 이번 연구 사업에 참여할 수 있었던 이유 중 하나다. 이와 더불어 50MW 프란시스 수차의 런너 기술개발 연구에서 핵심적인 요소인 러너의 기술개발과 국산화를 위해 모델수차의 설계, 제작, 시험을 한국기계연구원, K-water등과 협업을 통해 성공적으로 수행한 경험도 작용했다.

조립된 원형의 모델수차는 한국수자원공사 K-water 연구원의 수력성능시험센터에 설치해 수력학적 특성분석과 더불어 시험을 했다. 이러한 시험을 기초로 신규 개발 러너를 제작해 개선사항을 비교 검토하고자 개선된 러너의 형상을 반영한 모델수차도 시험을 수행 후 설계와 성능에 대해 비교 분석했다. 또한 개선된 러너의 경우는 실물 수차에서 수력학적 성능이 92.8% 출력의 증가가 예측됐다.

특히 노후화된 수력 설비의 경우 성능개선뿐만 아니라 출력의 증감도 중요한 요소다. 이러한 결과가 경제적 영향력이 지대하기 때문에 수력발전설비 가운데 성능에 미치는 영향이 큰 러너를 개선해 설계 기술과 더불어 전체적인 성능개선과 효율향상 도모하는 기술이야말로 핵심 기술이라 할 수 있다.

금성이앤씨 박노현 부사장은 “모델수차의 설계, 제작, 성능 검증 기법은 세계적으로 소수의 수력기기 생산 전문기업들만이 가지는 원천핵심기술로서 기술적인 난이도는 물론 제한적인 요소가 많은 기술”이라고 설명하며 “특히, 검증된 수력성능에 대한 검증 및 분석 기술과 경험에 대한 많은 경험을 필요로 하고 있지만 설계, 제작 분야는 중소기업의 전문성을 바탕으로 기술을 습득하여 완전 국산화가 가능하다”고 말했다.

그는 이어 “모델수차 기술은 중규모 수차 개발 시나 노후화된 설비의 개대체를 통한 성능 개선, 현대화와 주요 파트별 개선을 위한 기술 확보와 개발에서 선행적인 필수 기술”이라며 “이에 따라 사전 수력성능 검증기술 실현으로 모델 수차에서부터 중 대규모 실물 러너의 제작기술까지의 체계적 정립을 통한 시장의 확대 가능성을 보여줄 것”이라고 덧붙였다.

이러한 기술은 국내 중대규모 시장의 개보수와 현대화는 물론 국내외 대기업과의 상생협력을 통한 국외의 수력 개발에서도 필수적으로 적용될 수 있는 기술이다. 가능성과 소형 모델수차의 역할 영역이 전문적이고 수력경험이 풍부한 중소기업의 특징상 대중소 창조적 협업 시스템을 기반으로 중규모 수력시장까지 생성될 수 있으므로 중소기업에게는 자생력과 경쟁력이 공존하는 기회가 될 전망이다.


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