FLOW-3D를 활용한 Kelsey 발전소의 발전기 유입부 유속 모델링
연구 배경 및 목적
문제 정의
- Manitoba Hydro는 기존 발전소의 효율성을 개선하는 Supply Efficiency Improvement Program을 진행 중임.
- Kelsey 발전소(224MW)는 Upper Nelson River에 위치하며, 7개의 발전 유닛을 보유.
- 발전소 입구 채널에는 암반 장애물(rock knob)이 존재하여 비균일한 유동을 발생시키며, 특히 유닛 6, 7의 효율에 영향을 미침.
- 터빈 재설치(re-runnering) 후 유량이 1700m³/s에서 2200m³/s로 증가할 것으로 예상되므로, 최적의 유입 유동 조건 평가가 필요함.
연구 목적
- FLOW-3D를 이용하여 Kelsey 발전소의 기존 및 개선된 유입 유동을 시뮬레이션.
- 발전소 입구에서 발생하는 유속 분포를 분석하여 터빈 제조업체에 제공.
- 암반 장애물의 영향을 평가하고, 재설치 후 유량 증가에 따른 유동 변화를 분석.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
- FLOW-3D를 사용하여 3차원 수치 모델을 구축.
- 발전소 설계도면을 기반으로 주요 입구 구성 요소를 모델링, 단 작은 구조물(트래시 랙, 게이트 가이드 등)은 제외.
- 세 가지 운영 시나리오(Case 1~3) 설정:
- Case 1: 유닛 1~7 전부 재설치 후 완전 개방(Full Gate, FG)
- Case 2: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 상태 유지(FG)
- Case 3: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 최적 게이트(Best Gate, BG)
- 경계 조건:
- 상류: 일정 수위 조건 적용
- 하류: 질량 소모(mass sink) 방식 사용하여 발전기 유량 반영
- 격자 설정:
- 입구 채널은 상대적으로 큰 격자 사용, 발전소 입구는 세밀한 격자로 설정하여 정확도 향상.
주요 결과
유동 특성 분석
- Case 1(전 유닛 재설치)에서 유속 분포가 가장 균일하게 나타남.
- Case 2, 3에서는 암반 장애물로 인해 유닛 6, 7에서 강한 와류(vortex) 형성, 이는 효율 저하 가능성이 있음.
- 실제 1990년 현장 실험과 비교 시, 모델링 결과가 높은 정확도로 일치.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D 모델이 Kelsey 발전소 유입부 유속 분포를 정확히 재현 가능함을 확인.
- 암반 장애물이 유닛 6, 7의 유동을 왜곡하며, 터빈 효율을 저하시킬 가능성이 있음.
- 터빈 제조업체가 최적 설계를 수행할 수 있도록 유속 데이터를 제공.
향후 연구 방향
- 터빈 재설치 후 실측 데이터와 모델 비교 검증.
- 암반 장애물 제거 또는 유동 개선 방안 연구.
- 다른 발전소 적용을 위한 추가적인 CFD 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 발전소 유입부 유동을 분석하고, 터빈 재설치 후 유동 변화를 예측하는 기법을 제시하였다. 이를 통해 발전소 운영 효율을 극대화하고, 최적 설계를 지원할 수 있는 유용한 데이터를 제공하였다.
References
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