중소수력발전소의 기술적 변혁은 수력발전의 중요한 부분이다. 이 글에서는 우리나라 중소수력발전소의 개발현황을 논의하고 터빈의 필요성을 분석한다. 중소 수력 발전소의 기술적 변화에 대한 러너 수정 설계, 터빈 러너 설계, 테스트 및 제조에 대한 최신 신기술을 소개합니다.
키워드 : 중소수력발전소 터빈러너 개조설계
1 우리나라 중소수력발전소 개발현황
중화인민공화국 건국 이후 우리나라의 수력발전 건설은 큰 진전을 이루었습니다. 성과에 따르면 통계에 따르면 우리나라의 기존 수력발전 설비용량은 7700×104kW에 달했고 그 중 4.5×104개 이상의 중소기업이 있습니다. 7×104개 이상의 단위를 갖춘 수력발전소는 총 설치 용량이 2020×104kW에 이르며, 그 중 거의 절반이 당시 조건의 제약으로 인해 1950년대와 1960년대에 제조되었습니다. 이들 발전소의 수력터빈은 대부분 1940년대와 1950년대 구소련의 기술을 사용했다. 제조기술이 낙후하고 효율이 낮으며 유량이 부족하고 전체적인 에너지 지수도 낮았다. 또한, 대부분의 국내 기종은 특수시대에 제작되어 발전소의 다양한 조건에 따른 정형화된 도면을 엄격히 적용하지 않았거나, 모형시험의 특정 각도에 따라서만 설계되어 원래의 주자가 낮은 성능을 보이는 원인이 되었습니다. 고효율 영역에서 벗어나는 유압 효율. 또한 작은 고효율 영역, 큰 진동 영역, 열악한 캐비테이션 성능과 같은 낮은 성능 지표가 있으며 이는 장치의 안전하고 안정적인 작동에 심각한 영향을 미치고 장치의 작동 관리 수준과 효율성을 크게 저하시킵니다. 발전소 장비.
또한 대부분의 발전소는 30~40년 동안 운영되다 보니 단위설비의 성능이나 구조가 노후화되고 사고가 늘어나고 유지보수가 잦아진다. 장기간 작동하면 유동 통과 구성 요소, 특히 캐비테이션 침식 및 마모로 인해 런너, 가이드 베인 및 기타 구성 요소의 마모가 발생하고 블레이드 모양이 손상되고 간격이 증가하며 효율성이 감소합니다. 관련 외국 정보에 따르면 효율성은 약 2% 감소합니다. 특히, 일부 발전소는 장기간 저효율로 가동되어 중복된 설비의 사용이나 발전소의 매개변수 변경 등으로 에너지를 낭비하고 있어 조속한 해결이 시급하다. 대조적으로, 최근 몇 년 동안 국민 경제가 발전하고 국민 생활 수준이 지속적으로 향상됨에 따라 전력 부하의 피크 간 차이가 점점 더 커지고 소규모 및 주파수 조정 능력이 향상되었습니다. 전력망 시스템에서 중형 발전소가 점점 더 중요해지고 있습니다. 전력 시스템에서는 피크 부하 조절, 주파수 조절 및 비상 백업 작업을 수행하기 위해 수력 발전 장치, 특히 중소 수력 발전 장치가 점점 더 많이 필요합니다. 이로 인해 장치의 시동 및 정지 횟수가 증가하여 터빈 구성 요소의 동적 부하가 증가합니다. 노후화된 장비를 갖춘 가혹한 운영 조건의 경우 이러한 작업을 수행하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 동시에, 최근 몇 년 동안 대규모 전력망은 지역 전력망에 대해 피크-밸리 가격 차이 및 피크 전력 초과 계획 가격 인상 정책을 구현하여 전력망에서 더 나은 규제 성능을 갖춘 수력 발전소가 피크 전력 생산을 달성할 수 있도록 했습니다. 더 많은 발전은 확실히 지역 전력망의 부하율과 경제적 이익을 크게 향상시킬 것입니다.
2 터빈 런너 개조의 필요성과 타당성
2.1 수력 터빈 런너 개조의 필요성
우리나라 수력산업의 발전현황을 토대로 보면 다수의 수력 발전소의 주요 문제와 심각한 결과는 주로 터빈 러너의 설계 및 제조와 사용 조건 사이의 장기적인 단절로 인해 발생하며 이는 주로 다음 측면에 반영됩니다[2]:
(1) 수력 터빈 러너 효율이 낮습니다. 터빈 효율은 수력 터빈 성능의 중요한 지표입니다. 통계에 따르면 1950년대부터 현재까지 수력 터빈 효율은 10년마다 1%씩 증가했습니다. 우리나라에는 수많은 터빈 러너 시스템이 생산되었습니다. 1950년대와 1960년대의 국내외 선진 러너들과 비교하면 격차가 커서 실제 기계의 효율은 약 2~5% 정도 낮다. 사용 가능한 에너지가 크게 낭비됩니다.
(2) 터빈과 터빈 발전기의 선택은 불합리합니다. "6차 5개년 계획" 이전에 설치된 수력 발전기 장치의 경우 설계 제약으로 인해 일부 발전소는 보수적인 터빈과 발전기를 선택하여 수력 에너지의 완전한 활용을 방해했습니다. 일부 발전소는 터빈과 발전기 용량의 부적절한 조화를 선택했습니다. , 승무원이 기여하는 것이 크게 제한되었습니다.
(3) 터빈 작동 신뢰성이 좋지 않습니다. 당시 유압 터빈은 설계 및 제조 수준에 따라 제한을 받았습니다. 유압 터빈은 수십 년 동안 작동한 후에는 캐비테이션 방지, 마모 방지 및 진동 방지 특성이 좋지 않아 심각한 캐비테이션, 마모 및 진동이 발생했습니다. 열악한 작동 조건 및 증가하는 사고 위험. 터빈의 안정적인 작동에 심각한 영향을 미칩니다.
(4) 자연 조건의 변화. 최근 몇 년 동안 경제가 발전함에 따라 일부 발전소 상류에서 물 소비량이 많은 농업 기업이 활발히 발전했으며 산업 및 농업 분야의 물 소비량이 비약적으로 증가했습니다.
또한, 국민의 삶의 질이 향상됨에 따라 과거 발전소 설계 시 무시되었던 생활용수, 환경용수, 생태용수 등의 부분에 대한 소비량도 날로 증가하고 있다. 일부 수력발전기 장치가 수십 년 동안 작동된 후 상류와 하류의 수위가 크게 변경되었으며 원래의 러너 작동이 설계 조건에서 크게 벗어나 심지어 정상적으로 작동할 수도 없습니다.
요컨대, 1980년대 이전에 건설된 발전소의 상당수는 기계 및 전기 장비가 낙후하고 기술이 노후화되었으며, 단위 설계 수준이 낮고, 제조 기술이 열악하고, 기술 매개변수가 낮았습니다. 부품의 노후화, 장치의 출력 저하, 자연 조건의 변화 등으로 인해 개발된 수자원을 충분히 활용하지 못하여 또 다른 수자원 낭비가 발생하고 있습니다. 전력망 피크 규제에 대한 긴급한 필요성과 함께. 개발된 수력 발전 자원의 경제적, 사회적 이익을 어떻게 개선할 것인가는 많은 노후 수력 발전소가 직면한 주요 문제가 되었습니다.
우리 모두 알고 있듯이 터빈 러너는 수력 발전소의 핵심 장비입니다. 유압 터빈의 유압 성능, 진동 및 캐비테이션은 주로 러너의 성능에 따라 달라집니다. 러너의 성능은 물 에너지의 합리적인 개발 및 활용과 전력망의 신뢰성 보장에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 기존 유압 터빈 러너를 업데이트하고 변형하는 것이 필수적입니다. 터빈 런너를 개조함으로써 장치의 효율을 향상시키고, 발전소의 용량을 늘리며, 장치 작동의 안전성과 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
2.2 터빈 런너 개조의 타당성
우선 경제적 관점에서 신규 발전소 개발에 대한 투자 규모가 크고 주기가 길지 않다. 댐 및 기타 수력 구조물을 건설하기 때문에 투자가 매우 적고 결과가 빠르며 경제적 이익이 매우 높습니다. 일반적으로 기존 발전소의 용량 증가 및 개조를 위한 kW당 투자는 신규 발전소에 비해 2/3 이상 낮은 것으로 알려져 있습니다[3].
따라서 터빈 러너의 개조는 수력발전소의 투자 및 생산량이 낮은 프로젝트입니다. 다양한 이점을 지닌 프로젝트는 수력발전소의 운영 신뢰성과 경제성을 향상시키는 가장 중요한 방향이며, 많은 국가에서 에너지 부족 문제를 해결하는 수단 중 하나가 되었습니다.
둘째, 기술적으로 말하면 최근 몇 년 동안 컴퓨터 및 컴퓨팅 기술, 유체 기계 3차원 흐름 분석 및 설계 이론, 통신 및 센서 기술, 현대 제어 이론 및 가공 기술 진보가 이루어졌습니다. . 현대 러너의 설계, 테스트 및 제조에 큰 진전이 있었습니다. 이러한 신기술은 주로 다음과 같은 분야에 반영됩니다.
(1) 수치 시뮬레이션 기술. 1950년대와 1960년대 프란시스 러너 설계의 기초는 금세기 초 로렌츠(Lorenz)가 제안한 유동 이론으로, 러너의 블레이드 수가 무한하고 무한히 얇다는 가정으로 입체적인 구조를 단순화하였다. 축 대칭 흐름으로 흐릅니다. 1980년대 이후 컴퓨터 기술과 전산유체역학의 급속한 발전으로 유압기계의 유동 통과 구성요소의 3차원 흐름 해석, 3차원 설계 및 최적화 알고리즘이 큰 발전을 이루었으며 유압 설계 및 흐름이 되었습니다. 흐름 통과 구성 요소 분석. 현재 수력 터빈 연구 분야에서만 Tsinghua University, Harbin Electric 및 Dongfang Plant 등 거의 10개의 국내 단위에서 고급 CFD 해석 소프트웨어를 도입했습니다.
예를 들어 하얼빈 전기(Harbin Electric)는 CFD 해석 소프트웨어를 사용하여 모델 주자를 개발하고 삼협우안 주자의 전환 설계를 완료했으며 풍만강 등 여러 노후 발전소를 개조했습니다. , Xin'anjiang, Danjiangkou, Dongjiang 및 Wuxi Rivers 이 프로젝트는 수치 시뮬레이션 및 최적화를 수행하고 Luoxydu, Shuibuya, Xiaowan, Longtan, Gongboxia 및 기타 발전소의 수력 터빈의 유압 설계를 완료했습니다. Dongfang Factory는 CFD 기술을 사용하여 Futang 발전소용 D307 모델 러너를 개발했으며 최대 효율은 94.43%입니다. 캐비테이션 성능 또한 매우 높아 캐비테이션 계수 δ = 0.047, 최대 플라이어웨이 속도 특성은 106.4r/min, 최대 압력 맥동 혼합 복진폭 값은 5.5%입니다.
또한 시안이공대학교는 1980년대 후반부터 터빈유동성분의 역문제에 대한 연구를 시작하여[4], 준3차원 설계모델을 잇달아 제안하고 확립해 왔다. 및 S1 유동 표면 역문제 계산에 기반한 준3차원 설계 모델 및 방법 S2 유동 표면 역문제 계산에 기반한 전체 3차원 소용돌이 유동 역문제 계산 모델 및 방법 하이브리드 스펙트럼 방법에 기반한 방법. . 최근에는 3차원 점성 흐름 설계 모델을 기반으로 설계 방식의 컴퓨터 자체 최적화가 실현되어 플랜트 및 스테이션의 실제 수력 매개변수를 기반으로 한 "본체 기반" 설계를 달성했습니다. 유압식 기계식 러너의 목표 달성 설계 방법의 획기적인 발전. 지금까지 이 모델은 관련 발전소, 다중 터빈 공장 및 관련 연구 단위의 수십 개의 유압 터빈 러너에 대한 수정 설계를 수행하는 데 사용되었으며 모두 사용자가 제안한 수정 목표를 달성했습니다.
특정 발전소를 위해 특별히 설계, 제작된 이러한 터빈 선정 방법은 각 발전소가 자체 발전소 조건에 적합한 최적의 터빈 형식을 선택하여 최상의 결과를 얻을 수 있도록 보장합니다. 운영 결과, 최대의 경제적 이익을 달성합니다. 첨단 컴퓨터 수치 시뮬레이션 기술을 사용하여 터빈 러너의 용량을 늘림으로써 낮은 투자, 높은 출력 및 빠른 결과를 제공하는 특성을 갖습니다. 운영 성능을 개선하는 동시에 운영 및 유지 관리 비용과 장치 가동 중지 시간을 줄여 발전소의 비용을 줄이고 가능한 한 빨리 이익을 얻을 수 있습니다.
(2) 모델 테스트 기술. 현재 압력 측정 기술, 유량 측정 기술, 입자 이미지 속도 측정 기술 등 유체 기계 테스트 기술이 빠르게 발전하고 있으며 멀티미디어 기술과 컴퓨터 네트워크 기술이 유체 기계 테스트 시스템에 추가로 적용되고 있습니다. 즉, 컴퓨터를 핵심으로 하는 자동 테스트 시스템은 현대 테스트 시스템의 특징이자 일반적인 형태가 되었습니다. Harbin Electric, Dongfang, Shuangfu와 같은 국내 제조업체와 Tsinghua University, Hohai, Academy of Water Resources와 같은 과학 연구 기관은 원래 수력 터빈 모델 테스트 벤치의 전기 및 테스트 시스템을 구축하거나 포괄적으로 변형했습니다. . 포괄적인 테스트 정확도, 작동 안정성 및 반복성이 크게 향상되었습니다. 현재 전국에 장관 평가를 통과한 현대식 테스트 베드가 5개 있으며, 이들의 종합 효율 테스트 오류는 ±0.25%~±0.3% 범위로 터빈 모델 테스트 및 발전소 변환 검증 연구에 좋은 조건을 제공합니다. 예를 들어 Harbin Electric은 광섬유 내시경과 카메라 정보를 통해 런너 입구의 디플로우, 블레이드 와류, 캐비테이션, 출구의 캐비테이션 및 와류 밴드를 수집할 수 있는 런너 내부 흐름 패턴 관찰 및 이미징 시스템[5]을 성공적으로 개발했습니다. CFD 해석 결과를 검증합니다. 또한 다양한 작업 조건에서 런너의 흐름 패턴을 관찰하여 수정 설계의 기초를 제공할 수 있습니다.
(3) 강성 및 강도 계산 기술 [5] 터빈 러너는 유압 성능이 좋을 뿐만 아니라 강성과 강도 성능도 높아서 효율적이고 안전한 작동을 보장해야 합니다. 단위. 따라서 러너의 강성 계산과 계산의 정확성이 특히 중요합니다. 전통적인 설계 방법은 간단한 재료 역학 이론을 사용하여 최대 수두 압력 하에서 캔틸레버 빔으로 블레이드의 루트 응력을 계산합니다. 계산 결과가 실제 결과와 상당히 다르거나 발전소의 모델 테스트 및 실제 측정이 사용됩니다. 디자이너에게 참고 자료를 제공합니다. 또한 블레이드의 정적 변위와 고유 진동수를 계산할 수 없습니다. 최근에는 유한요소의 발전으로 기계부품의 강성 및 강도 계산 기술이 크게 향상되었습니다. 모델 테스트와 실제 발전소 측정을 대체하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 기술을 사용하는 것이 가능합니다. 현재 ANSYS와 IDEAS로 대표되는 수많은 대규모 유한 요소 구조 분석 및 계산 소프트웨어가 러너 강성과 강도 계산에 널리 사용되어 수력학 및 강도의 대화형 설계를 실현하고 있으며 계산 결과가 더욱 정확해졌습니다. 더 정확하게 말하면 블레이드의 응력 조건도 더 합리적입니다. 동시에, 유동 통과 부분의 유체-구조 결합 진동을 계산하기 위해 유한 요소 경계 요소 방법이 사용됩니다. 유체 속에서 진동하는 구조물에 부착된 수분 질량을 고려하므로 계산이 사용될 수 있습니다. 물 속에 있는 구조물의 고유 진동수를 추정하려면 이 방법을 변형에 사용할 수 있습니다. 프로젝트 중 장치의 안정성을 예측합니다.
(4) 블레이드 성형 기술. 터빈 러너는 터빈의 핵심이므로 제조 품질이 매우 중요합니다. 러너의 효율성, 캐비테이션 방지 성능 및 작동 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 과거에는 대부분의 블레이드를 주조, 광택 처리한 후 상부 크라운과 하부 링에 용접했습니다. 이 공정 방법에는 큰 프로파일 편차, 거친 표면, 낭비적인 연삭, 빈약한 캐비테이션 성능 및 주조 블레이드에 주조 결함이 있어 블레이드의 성능이 저하되는 등 많은 단점이 있습니다. 더 어렵습니다. 제어하기가 어렵고 궁극적으로 요구 사항을 충족시키기도 어렵습니다. 최근에는 유압터빈 런너 블레이드 제조에 성형기술이 널리 활용되고 있다. 이는 정확한 블레이드 형상, 적은 긁힘량, 적당한 가격, 짧은 생산주기를 달성할 수 있는 런너 블레이드 제조기술이다. 블레이드 모재를 1차 가공한 후 CNC공작기계로 가공한 다이에 넣고 프레스로 프레스한 후 최종적으로 부분연마하는 방식이다. 이런 방식으로 만들어진 블레이드는 모양이 좋고 재질이 좋으며 캐비테이션 마모에 대한 저항력이 강하고 효율성을 보장하기 쉽습니다. 예를 들어 Harbin Electric은 IDEAS와 DEFORM-3D라는 두 가지 유한 요소 소프트웨어를 사용하여 성형 블레이드의 중심과 압력 톤수를 동적으로 계산하는 방법을 개발했으며 이는 성공적이었습니다.
(5) 블레이드 CNC 가공 기술. 블레이드 가공에는 과거에는 "3차원 원형-삽 연삭" 공정을 사용했는데, 이는 많은 수작업을 투자하고 3차원 원형을 측정 도구로 사용하여 주조 블랭크를 회전시키는 공정입니다. 완성된 칼날이 됩니다.
문헌[6]에 따르면, 이 처리 기술의 사용에는 세 가지 치명적인 단점이 있습니다: 낮은 측정 정확도, 어려운 작동 및 높은 비용. 최근 국내외 터빈 제조업체에서는 전통적인 3차원 프로토타입을 취소하고 CNC 가공 기술을 채택하고 있습니다. 이는 컴퓨터 시스템 소프트웨어로 제어되는 공작 기계의 자동 작동으로 완성되는 이상적인 가공 기술입니다. 블레이드의 이론적인 곡면 그래픽을 데이터 출력을 통해 명령을 실행하는 작동 메커니즘에 정확하게 전달할 수 있기 때문에 블레이드 측정 및 이론 위치의 자동 정렬 문제와 측정점 가공 공차의 자동 계산 문제를 해결하여 대형 유압 장치를 만듭니다. 터빈 블레이드 제조 정밀도는 기존의 3차원 프로토타입 프로세스에 비해 크게 향상되었습니다. 예를 들어 Liujiaxia 2# 러너와 Tianshengqiao 5# 및 6# 러너는 모두 CNC로 처리됩니다. 더욱이, 엔지니어링 응용의 관점에서 볼 때, 최근 몇 년간 노후 발전소 장치의 기술적 변혁은 전 세계, 특히 수력 자원 개발 수준이 높은 일부 국가에서 광범위한 관심을 끌었습니다. 우리나라는 선진국에 비해 발전소 개량공사가 늦게 시작됐지만. 그러나 탐사 작업은 1980년대 초에 시작되었습니다. 지난 20년 동안 다양한 수력 발전소의 기술 변혁에서 많은 성과와 경험을 얻었으며, 다양한 발전소 및 과학 연구 단위에서 수많은 기술자와 숙련공을 양성하여 수력 발전소의 기반을 마련했습니다. 우리나라의 다양한 발전소의 용량 증가와 전환을 통해 다양한 수력 발전소의 기술 전환 작업의 원활한 완료가 가능해졌습니다. 3 결론
신규 발전소 개발은 대규모 투자와 긴 사이클이 필요한 반면, 노후 발전소의 용량 확장 및 개량은 댐 등 수력구조물 건설이 필요하지 않아 투자금액이 적다. 주기는 짧고 이익은 크다. 수력 발전소의 개조 및 개조는 많은 국가에서 에너지 부족을 해결하는 중요한 수단 중 하나가되었으며 유압 터빈 러너는 수력 발전소의 주요 장비 중 하나임을 알 수 있습니다. 러너는 물 에너지의 합리적인 개발 및 활용에 매우 중요하며 수력 발전소의 운영 신뢰성을 향상시키고 경제에 큰 영향을 미치며 전력망의 신뢰성을 보장합니다. 따라서 수력 발전소의 터빈 러너 개조 설계는 수력 발전소의 갱신 및 재건을 위한 주요 작업이자 핵심 접근 방식 중 하나가 되었습니다. 동시에 현대 컴퓨터 수치 시뮬레이션 기술, 모델 테스트 기술, 강성 계산 기술 및 제조 기술의 지속적인 발전으로 인해 유압 터빈 러너의 수정된 설계 조건이 만들어졌습니다. 그러므로 우리는 현대과학기술의 성과를 리용하고 우리나라에서 1980년대 이전에 건설한 중소수력발전소의 실태에 기초하여 단위, 특히 터빈의 기술적개조를 진행하여야 합니다. 수력 터빈의 고성능, 고품질, 안전하고 안정적인 작동을 보장합니다.
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