시화호조력발전소

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  축류식기기로부터 얻어진 광범위한 경험과 터보기기의 유체역학을 시뮬레이트 하기 위해 최근 개발한 현대식 컴퓨터기기를 활용하여 ALSTOM에서는 조력발전에 충분히 적용할 수 있는 3∼4블레이드를 갖는 수차를 설계할 수 있다. ALSTOM은 모든종류의 수차를 광범위하게 보유하고 있다.
  -가동분배기 및 가동익 : MD-MB
-고정분배기 및 가동익 : FD-MB
-가동분배기 및 고정익 : MD-FB
순 낙차가 주어지며, 효율비교는 다음과 같다
 
 
MD-DB 벌브수차의 총원가를 고려한 원가비교는 다음과 같이 절감 가능하다
  -고정익 분배기 :10∼15%
-고정익 :5∼7%
일반 직접가동식 벌브의 매우 커다란 Portpolio에 추가하며, ALSTOM은 컴퓨터 유체역학 접근을 통하여 pit방식에 모형 수차시험 및 현장 점검에 대하여도 광범위한 경험을 갖고 있다
  -현수식 메탈기기 pit 기기
-혼합 콘크리트/메탈 pit 기기
 
  직접가동식 벌브기기
  2가지 주요측면이 있는데 샤프트 라인과 지지 구조물이다.
  -2개의 베어링이 있는 샤프트라인이 최적 해법인데 이는 전 세계적으로 가동되는 수많은
    벌브를 볼 수 있기 때문이다.
  -토목구조에 전달되는 모든 응력이 수차발전기의 중심부에 놓인 중앙지지대를 통하여
    이동되고 있다.
벌브수차의 3-D 모습
ALSTOM은 발전기를 하부지지대 없이 달아매는 경험과, 발전기 하부에 교각(pier)이 있는 발전기에 대한 경험을 갖고 있다.
베어링은 중력식 윤활의 shell형식이다. 트러스트 및 반(反) 트러스트 베어링 설계는 반복되는 정지와 과도 조건에서의 높은 하중(부하)을 고려하여 특별히 주의해야 한다. ALSTOM은 장기간 상호접속 된 유충진 pad 지지대(얇은 원형 맴브레인부)를 개발하여 평활한 부하배분을 자동으로 보강하게 한다.
유리박원은 보통 2개의 입축 샤프트를 통해 접근한다: 한가지는 발전기 상류부 해리커버와 노이즈 사이의 샤프트, 나머지는 발전기 하류부에서 수차충진부와 중앙지지대를 통해서 이다.
벌브식 수차의 단면도
중앙지지대외에도 대형기기의 경우 몇 개의 지주를 추가하여 지지기능은 없지만 진동작용을 증가시킨다. 윗켓게이트용 자체 윤활 베어링부 원형 분배기는 2개의 오일 서브모터로 움직이는 작동링으로 움진인다.
윗켓게이트의 폐쇄는 자체 반무게 작동으로 이루어진다. 블레이드는 입축 카프란 기기처럼 런너허브속에 있는 오일 서브모터로 움직이며 런너허브는 오일헤드로부터 전체 샤프트를 통하는 튜브에 의해 오일을 공급 받는다.
Pit 기기
  분배기로부터 흡출관 끝까지의 하류 수차부품 설계는 직접 가동식 벌브와 pit기기와
유사하다.
pit 자체는 주로 발전기와 냉각기, 속도 증가기를 수납한다.
pit 자체에 대한 ALSTOM은 2가지 주요 형식을 개발하였다.
  -17MW ARGENTAT 프로젝트(1989년 이래 가동 중)와 같은 하부 지지대가 없는 메탈
  현수식 Pit: 이 경우 부하는 중심지지대를 통하여 전달된다.
-1개의 콘크리트지지 보와 수직 메탈 벽이 붙어 있는 혼합 콘크리트/메탈 pit: 이 경우
  부하는 하부 콘크리트 보 및 축빔을 통하여 전달된다.
pit식 수차의 3D 모습
이 PIT 식에서는 샤프트라인에 2개의 베어링 2세트가 있다.
  -저속 수차 샤프트용 1개
-고속 수차 샤프트용 1개
보통, 속도증가기(증속기)는 1개의 조립 품으로서 2개의 베어링, 트러스트 및 카운터 트러스트 베어링을 포함한다.
원주형 설계가 보통 채택되고 전 샤프트 라인을 통하여 배압튜브가 부착된다.
 
  조속용 유압은 보통 64bar이나 ALSTOM은 예를 들어 100bar 등 고압을 사용한 실적이 있다. 조속기유 회로는 전체 샤프트라인의 윤활계통과 분리 또는 공통이다:ALSTOM은 양쪽의 설계경험이 있음.

벌브식이나 pit 식 같은 축류식 수차용으로 주요 기기부품이 물속에 둘러싸여 있으므로 중심 지지대나 pit와 같은 하부부품의 요소들은 오일 냉각을 피하기 위해 오일 탱크로 사용된다.(랑스 프로젝트 경우) PID 조속기기체는 디지털식이다:ALSTOM은 최근 ALSPA SLG 조속기를 개발했는데 P320에 완벽히 통합되며 ALSTOM은 수력분야에서 P320을 공통으로 사용하고 있다.
 
  RANCE의 경험으로부터 생물학적,전기기계학적, 그리고 화학적 부식에 대한 풍부한 경험을 보유하게 되었다. 그러나 그 결과는 올바른 조합의 선정이다.
  -내부식 자재의 사용
-런너 및 윗겟게이트용 마텐사이트(martensite)철(17% Cr,4%NI,1.5%Mo)
-스러트 링 및 샤프트 실부용 오스텐닉(anstenitic) 철(18%Cr,8%Ni,3%Mo)
-해수와 접하는 부분의 보호로서 비닐페인트와 오염방지계
-음극과 양극을 사용한 전기방식
 
 
 
  고정자 설계
발전기의 고정자 틀은 용접구조이다. 이 설계에는 특수 V모양의 요소를 채용하여 다음과 같은 기능이 있다
  -고정자 철심을 동심(同心)으로 유지시킨다.
-냉각 스롯트를 통한 공기순환을 위하여 고정자 철심과 케이싱간의 필요공간 확보
-냉각공기용 가이드로서의 기능
-외부수력직 압력에 대하여 케이싱을 보호
-일정한 공극(Air gap) 확보
-V모양의 요소에 대한 스프링 효과를 촉진하여 고정자 철심의 방사적 열팽 창을 허용.
  이 기능으로써 고정자 철심의 적층이 축방향으로 표면장력파 (ripphing)나 구부림
  (buckling) 영향방지
고정자철심의 중첩부위

고정자철심의 중첩부위는 각 기능 단면(Prismatic cross-section)의 double-wedge-shaped bar에 의해 안내된다. 바(bar)는 프레임 내부구멍에 정확하게 위치하며 밀접된 공차(tolerances)로 고정자 프레임에 용접되는 고정판을 사용하여 프레임 리브(rib)의 최종위치에 고정된다.
고정자 철심과 프레임간의 이러한 연결방식은 구멍공차(bore tolerances)를 최대 직경거리까지도 준수되도록 보장한다. 그것은 또한 명확히 정의된 가동 토크와 기타 응력들을 고정자 프레임에 전달하게 하고, 그로부터 수차콘(cone)을 거쳐 기초로 전달된다.
고정자 부품의 중간선을 따르는 클램핑 볼트의 위치는 철심압력의 일정한 분배를 보장한다. 클램핑볼트에 추가하는 스프링요소는 볼트의 압축응력으로 인한 적층에 가해지는 압력이 발전기의 장기간 사용 후에도 남아 있도록 보장한다.

회전자 설계
회전자는 회전자 중심부와 림, 자극 및 축으로 구성되는 용접 설계부품이다. 사선형암으로 회전자 림과 허브를 연계한다. 방사형 구멍을 로타림에 뚫어 방사형 통풍도 하고 자극을 볼트로 연결하기도 한다. 수력발전기에서 사선형 요소는 회전자,고정자 및 기초에 나타나는 기계적 및 열적응력으로 기인되는 발전기 설계한도를 극복하는 혁신적인 수단이다.
사선형 요소는 90˚이내의 두 가지 동심축 고리형 부품을 연결한다. 즉 회전자 허브와 림의 연결이다.
동심적 팽창과 함께 사선형 요소는 최소의 저항을 받는 방향으로 구부러짐으로써 연결된 두 부품을 상대적으로 회전하게 한다. 사선형 요소는 회전자 spider에도 이용되어 원심력 및 가동 토크인 열적 팽창에 관하여 최적의 단력을 공급한다. 방사형 암(arm)을 갖는 보다 일반적인 설계방식과 비교하여 사선형요소를 사용하는 발전기에는 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다.
  -기계력은 암을 장력방향으로 힘을 가한다.
-사선형암은 원심력과 열적 팽창으로 인한 허브에 대한 림의 회전을 허용함으로써 림팽창
  을 흡수한다. 이러한 응력(stress)을 발전기의 기동.정지와 모든 부하 변동시에 발생한다.
                   사선식암을 갖는 벌브발전기의 회전자
발전용 보조기기
발전기 가동부의 냉각은 폐쇄 공기순환시스템에 의해 수행되며, 폐쇄공기순환 시스템을 접근통로와 벌브노즈실(nose room)과는 완전하게 분리되어 있다. 공기-물 열교환기는 벌브노즈내에 위치하여 격벽에 설치되어 있어 열교환기의 냉온측의 공기 혼합을 방지한다. 소요공기압은 공기-물 열교환기 부근에 설치된 전기팬에 의해 형성된다. 회전자 림과극은 추가적인 팬 역할을 한다. 회전자로부터 형성되어 나오는 방사형 공기순환은 고정자 철심 속에 있는 냉각덕트를 통과하고 V요소에 의해 형성된 채널을 거쳐 공기격자 내에 설치된 공기-물 열교환기로 들어간다.
 
  직접 구동식 발전기에 비해 600∼720rpm의 고속발전기가 재래식 설계이다. 주의할 것은 runaway 속도인데, 이 속도는 주의 깊게 점검해야 하는데 조력용과 같이 저속수차는 동기속도에 비하여 높은 runaway비율은 요구하기 때문이다.
 
  조력기기의 운전은 매우 광범위한 낙차범위에서 수행되고 있다. 정속도로써 고낙차 운전 시 수차효율은 높지만 저낙차에서는 낙차에 따라 효율이 저하한다. 낙차가 감소함에 따라 기기속도가 낮아지면 사이클 구동중에 발전출력은 개선 하게한다. 저낙차에서 출력은 크지 않으므로, 가장 관심이 집중되는 솔루션은 정지식 주파수변환기에 접속된 발전기이다. ALSTOM은 수력분야에서 가변속 발전기와 정지식 주파수 변환기에 대한 경험을 갖고 있다.
 
 
 
  조수간만의 유속을 이용하여 터빈을 회전시켜 발전하는 방식으로 자연적인 조류흐름을 그대로 이용한다는 점에서 조력발전과 구별됨
 
 
ㅇ 헬리컬 터빈(개발자 : 알렉산더 고를로프)
ㅇ 동작원리
  -런너 블레이드를 유전자 구조와 같은 나선형으로 만들어 조류
  방향이나 파도의 방향과 상관없이 항상 동일 회전성을 유지하며
-항공기를 뜨게 하는 양력을 이용, 날의 굵기가 다르게 설계되어
  물이 1노트(1.85km/h=0.5m/s)의 속도로 흐르더라도 스스로
  움직이기 시작하고- 낙차 0인 조수에서 에너지 전환효율이
  35%임(기존의 다리우스터빈 23%)
ㅇ 적용사례
  -미국 메인주 비날헤이븐 지역에 엘리컬터빈을 이용한 소규모
  조류발전소 건설
-전남 해남군과 진도군사이 울돌목 조류발전 연구개발 및 시험
  발전을 위한 기초 타당성조사 계획
헬리컬터빈 모형
 
 
(a) 측면도
 
(b) 후면도
전력생산량
  해상에 바지선 같은 대형 부표를 띄우고 여기서 해저로 길이 1m짜리 헬리컬 터빈 15개를 수직으로 세우는 방식으로 연결된 15개 터빈이 1개 세트가 된다. 울돌목의 조류속도가 평균 6.0m/s(=21.6km/h) 수준인 점을 감안 터빈 1개당 시간당 64kW의 전력, 울돌목에서 최대 477MW의 전기를 생산 가능