KR102329136B1 - 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은, 수력터빈의 발전효율을 실시간으로 측정하는 효율 측정부; 효율 측정부에 의해 측정되는 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단하는 효율범위 판단부; 및 효율 측정부에 의해 측정되는 효율이 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 수력터빈의 각각의 버킷을 제어하는 버킷 제어부;를 포함한다. 여기서, 수력터빈은 펠톤(pelton) 수차로 이루어지며, 버킷 제어부로부터 제어신호를 수신하는 제어신호 수신부; 및 제어신호 수신부를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 버킷의 좌측 또는 우측 방향으로의 회전을 제어하는 회전 제어부;를 포함한다.

Description

수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법{CONDITION MONITORING/CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR HYDRAULIC TURBINE}
본 발명은 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수력터빈에 기반한 수력발전의 효율을 감시하는 수력터빈 상태감시 시스템에 있어서, 수력터빈에 의해 발생되는 회전력이 상시적으로 설정된 범위 내에서 유지되도록 수차를 제어하며, 과부하에 의해 수력터빈에 이상이 발생하는 것을 사전에 방지하고, 수력발전의 효율을 일정하게 유지시킬 수 있는, 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법에 관한 것이다.
수력 터빈(hydraulic turbine)은 물의 역학적 에너지를 이용하여 회전 날개인 회전차(runner)를 작동시키는 원동기의 일종으로서, 수차라고도 한다. 이와 같은 수력 터빈에 의해 발생되는 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 설비가 수력 발전설비이다.
일반적으로 수력 발전설비는 사용되는 물의 용량, 유속 등을 고려하여 그 사양이 결정된다. 그런데, 수력 발전설비에 사용되는 물은 폭우, 가뭄 등의 자연현상에 의해 그 용량, 유속 등이 변화되기 쉽다.
특히, 수력 발전설비의 정격사양의 물이 일정한 시간 이상 지속적으로 공급되는 경우, 수력 터빈의 뒤틀림이나 파손 등이 발생할 수 있으며, 이것은 결과적으로 수력 발전설비의 효율을 떨어뜨리는 원인이 되는 문제점이 있다.
또한, 수력 발전설비에 공급되는 물이 기준치보다 적어지는 경우, 수력 터빈의 회전력이 줄어들게 되며, 이로 인해 수력 발전설비의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2001-0056616호 (공개일자: 2001.07.04)
수력터빈에 기반한 수력발전의 효율을 감시하는 수력터빈 상태감시 시스템에 있어서 수력터빈에 의해 발생되는 회전력이 상시적으로 설정된 범위 내에서 유지되도록 수차를 제어하며, 과부하에 의해 수력터빈에 이상이 발생하는 것을 사전에 방지하고, 수력발전의 효율을 일정하게 유지시킬 수 있는, 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템, 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은, 수력터빈의 상태를 감시 및 제어하는 수력터빈 상태감시 시스템에 있어서, 상기 수력터빈의 발전효율을 실시간으로 측정하는 효율 측정부; 상기 효율 측정부에 의해 측정되는 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단하는 효율범위 판단부; 및 상기 효율 측정부에 의해 측정되는 효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 상기 수력터빈의 각각의 버킷을 제어하는 버킷 제어부;를 포함한다.
여기서, 상기 수력터빈은 펠톤(pelton) 수차로 이루어지며, 상기 버킷 제어부로부터 제어신호를 수신하는 제어신호 수신부; 및 상기 제어신호 수신부를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 상기 버킷의 좌측 또는 우측 방향으로의 회전을 제어하는 회전 제어부;를 포함한다.
또한, 상기 수력터빈은, 상기 제어신호 수신부를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 상기 버킷의 유체출구의 크기를 제어하는 유체출구 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 버킷 제어부는, 상기 효율 측정부에 의해 측정되는 효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위 이상으로 큰 경우에 상기 수력 발전기의 효율을 감소시키는 방향으로 각각의 상기 버킷을 제어하며, 상기 효율 측정부에 의해 측정되는 효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위 이하로 작은 경우에 상기 수력 발전기의 효율을 증가시키는 방향으로 각각의 상기 버킷을 제어할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 방법은, 수력터빈의 상태감시 및 제어를 수행하는 감시 및 제어 장치에 의해 수행되는 수력터빈 상태감시 및 제어 방법에 있어서, 상기 수력터빈의 발전효율을 실시간으로 측정하는 단계; 측정되는 상기 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단하는 단계; 측정되는 상기 발전효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위 이상으로 큰 경우, 상기 발전효율을 감소시키는 방향으로 상기 수력터빈을 제어하는 단계; 및 측정되는 상기 발전효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위 이하로 작은 경우, 상기 발전효율을 증가시키는 방향으로 상기 수력터빈을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 수력터빈에 기반한 수력발전의 효율을 감시하는 수력터빈 상태감시 시스템에 있어서, 수력터빈에 의해 발생되는 회전력이 상시적으로 설정된 범위 내에서 유지되도록 수차를 제어하며, 과부하에 의해 수력터빈에 이상이 발생하는 것을 사전에 방지하고, 수력발전의 효율을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 감시 및 제어 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 수력터빈의 예로서 펠톤수차를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 나타낸 버킷의 단면을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 수력터빈의 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 6의 수력터빈에 적용되는 버킷의 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 버킷의 회전에 의한 수력발전 효율의 변화를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은 수력터빈(10)과, 감시 및 제어 장치(100)를 포함한다. 이때, 감시 및 제어 장치(100)는 네트워크(12)를 통하여 수력터빈(10)과 연결되며, 수력터빈(10)의 상태를 실시간으로 감시 및 제어한다. 여기서, 네트워크(12)는 인터넷뿐만 아니라 CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband CDMA), LTE(Long Term Evolution) 등의 이동통신망과, 통신기기 사이의 직접적인 유무선 통신을 포함하는 광의의 개념으로 정의한다. 이를 위해, 수력터빈(10)은 감시 및 제어 장치(100)와 유선 또는 무선 통신을 수행하기 위한 통신장치(도시하지 않음)가 설치된다.
도 2는 도 1에 나타낸 감시 및 제어 장치(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 감시 및 제어 장치(100)는 효율 측정부(110), 효율범위 판단부(120) 및 버킷 제어부(130)를 포함할 수 있다.
효율 측정부(110)는 수력터빈(10)의 발전효율을 실시간으로 측정한다. 이때, 수력터빈(10)은 그 주변에 압력 센서, 회전수 측정 센서, 유량 센서 등을 포함하는 복수의 센서를 구비할 수 있다.
여기서, 효율 측정부(110)는 각각의 센서로부터 신호를 수신하며, 수신되는 신호에 기반하여 유량계법, 압력시간법, 상대유량법 등에 따라 수력터빈(10)의 발전효율을 측정할 수 있다. 유량계법, 압력시간법, 상대유량법 등의 발전효율의 측정방법은 공지된 기술이므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 효율 측정부(110)가 수력터빈(10)의 효율을 측정하는 방법은 기재된 방법에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 효율 측정방법을 이용하여 수력터빈(10)의 효율을 측정할 수도 있다.
효율범위 판단부(120)는 효율 측정부(110)에 의해 측정되는 수력터빈(10)의 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단한다. 이때, 효율범위 판단부(120)는 수력터빈(10)이 사양의 허용범위 내에서 사용될 때의 발전효율의 평균값을 기준값으로 설정하며, 수력터빈(10)의 사양이 허용하는 최대 발전효율로부터 최소 발전효율까지의 범위를 허용범위로 설정할 수 있다. 이 경우, 효율범위 판단부(120)는 효율 측정부(110)에 의해 실시간으로 측정되는 수력터빈(10)의 발전효율이 허용범위 내에서 동작하고 있는지의 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 수력터빈(10)은 펠톤(pelton) 수차로 구현될 수 있다.
수차의 종류는 에너지 발생 면에서 크게 충동 수차와 반동 수차로 분류될 수 있다. 여기서, 충동 수차로는 펠톤 수차, 횡류 수차, 터고(turgo) 수차 등이 있으며, 반동 수차로는 프란시스(francis) 수차, 프로펠러(propeller) 수차, 사류 수차, 펌프(pump) 수차 등이 있다. 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은 다양한 종류의 수차 중 펠톤 수차를 이용하는 수력터빈(10)에 적용될 수 있다.
대표적인 충동 수차인 펠톤 수차는 물레방아와 유사한 구조를 가지고 있으며, 낙차가 크고, 물의 유량의 변화가 심할 때에 발전효율의 제어가 용이하다. 이때, 펠톤 수차(10)는 도 3에 도시한 바와 같이, 회전 원형의 판 주변에 표주박 모양의 복수의 버킷(bucket)(20)이 연속하여 붙어있는 구조이다.
물이 처음 수조에 있을 때는 위치에너지를 가지나, 수압관을 흐르는 사이에 단면적과 유량으로써 정해지는 속도 에너지와, 각 수압관의 위치에서 정해지는 위치에너지 및 압력에너지를 가지게 된다.
수압관의 지름이 일정한 경우에 속도 에너지는 일정하나, 물의 흐름에 따라서 위치에너지가 감소되는 대신에 압력 에너지는 증가하게 되며, 노즐(nozzle)에서는 단면적의 축소에 따라 속도 에너지가 증가되기 때문에 버킷(20)에 동력이 전달되고, 이를 통해 펠톤 수차(10)의 축을 회전시켜 발전이 되도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 버킷(20)은 일 측에 유체출구(22)가 형성될 수 있다. 여기서, 유체출구(22)는 노즐로부터 버킷(20)으로 유입되는 유체가 빠져나가도록 하는 홈으로서, 노즐로부터 버킷(20)에 직접적으로 가해지는 유체에 의한 압력 에너지에 의해 버킷(20)이 파손되는 것을 방지하는 작용을 한다.
그런데, 이와 같은 유체출구(22)는 그 크기가 클수록 버킷(20)에 가해지는 압력 에너지를 감소시키게 되며, 결과적으로 펠톤 수차(10)의 회전력을 저하시켜 발전효율을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷(20)은 도 5에 도시한 바와 같이, 버킷(20)의 내부의 오목한 부분의 중앙이 볼록하게 돌출된 볼록부(23)를 구비된다. 또한, 볼록부(23)를 중심으로 양분되는 각각의 오목부(24)는 그 오목한 표면이 설정된 곡률로 굴곡된다. 이를 통해, 버킷(20)의 각각의 오목부(24)에 가해지는 유체의 압력 에너지는 오목부(24)의 곡률에 의해 버킷(20)의 표면에 가해지는 직접적인 충격을 최소화하여 버킷(20)의 파손을 방지할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷(20)은 각각의 오목부(24)의 오목한 표면의 곡률을 크게 할수록 압력 에너지가 버킷(20)의 표면에 직접적으로 가하는 충격을 저감시킬 수 있으나 그에 반해 펠톤 수차(10)의 회전력도 저감된다. 따라서, 각각의 오목부(24)의 오목한 표면의 곡률은 수력터빈(10)의 사양에 따른 발전효율과 회전력, 압력 에너지의 크기 등을 고려하여 적절한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 바와 같은 버킷(20)의 형상은 수력터빈(10)의 제조 시에 설정되며, 설비가 완료된 수력터빈(10)에 대해서는 그 변경이 용이하지 않다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 수력터빈(30)은 도 6에 도시한 바와 같이, 제어신호 수신부(32), 회전 제어부(34) 및 유체출구 제어부(36)를 포함할 수 있다. 이때, 수력터빈(30)은 제어신호 수신부(32), 회전 제어부(34) 및 유체출구 제어부(36)를 포함하는 각각의 구성요소에 대하여 유체가 스며들지 않도록 방수 처리되는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 버킷(40)은 도 7에 도시한 바와 같이, 하나의 회전축(41)을 구비하며, 회전축(41)이 좌우 방향으로 회전이 가능하도록 수력터빈(30)의 외주 변에 연결된다. 이때, 각각의 버킷(40)은 유체출구(22: 도 4 참조)의 양 측벽에 가이드부(42)를 구비하며, 가이드부(42)를 따라 출구 차단판(43)이 전후 왕복이동이 가능하도록 설치된다.
이 경우, 버킷 제어부(130)는 효율 측정부(120)에 의해 측정되는 수력터빈(30)의 발전효율이 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 수력터빈(30)의 각각의 버킷(40)을 제어한다. 즉, 버킷 제어부(130)는 효율 측정부(120)에 의해 측정되는 수력터빈(30)의 발전효율이 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 경우, 버킷(41)의 회전축(41)의 좌우 회전을 제어하거나 출구 차단판(43)의 전후 왕복운동을 제어할 수 있다.
제어신호 수신부(32)는 버킷 제어부(130)로부터 제어신호를 수신한다. 이때, 제어신호 수신부(32)는 효율 측정부(110)에 의해 측정되는 발전효율이 기준값으로부터 설정된 값 이상으로 큰 경우(이하, '제1케이스'라고 한다)와, 기준값으로부터 설정된 값 이하로 작은 경우(이하, '제2케이스'라고 한다)를 구분하여 제어신호를 수신할 수 있다. 또한, 제어신호 수신부(32)는 제1케이스 및 제2케이스의 각각에 대하여, 기준값으로부터 벗어난 정도에 따라 구분된 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 대한 제어신호를 수신할 수도 있다.
회전 제어부(34)는 제어신호 수신부(32)를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 버킷(40)의 회전축(41)을 좌측 또는 우측 방향으로 회전 제어한다. 이때, 회전 제어부(34)는 제1케이스 또는 제2케이스에 대응하는 제어신호가 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 따라 회전축(41)의 회전 각을 단계적으로 회전 제어할 수도 있다. 이때, 회전 제어부(34)는 복수의 버킷(40)의 각각에 대하여 동일한 방향 및 동일한 회전 각도로 회전축(41)의 회전을 제어하는 것이 바람직하다.
이와 같이 버킷(40)의 회전축(41)의 회전을 제어하는 경우(b), 도 8에 도시한 바와 같이, 버킷(40)이 유체의 압력 에너지를 정면으로 받는 경우(a)에 비하여 압력 에너지를 받는 면적이 작아지게 되며, 따라서 각각의 버킷(40)에 미치는 압력 에너지를 감소시켜 수력터빈(30)의 회전력을 감소시키게 되고, 결과적으로 수력발전의 효율을 저감시키게 된다.
유체출구 제어부(36)는 제어신호 수신부(32)를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 버킷(40)의 유체출구의 크기를 제어한다. 이때, 유체출구 제어부(36)는 제1케이스 또는 제2케이스에 대응하는 제어신호가 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 따라 출구 차단판(43)의 전방향 또는 후방향의 이동방향을 결정하고, 결정된 이동방향에 대한 이동 정도를 제어할 수 있다. 이때, 유체출구 제어부(36)는 복수의 버킷(40)의 각각에 대하여 동일한 이동방향과 동일한 이동 정도로 출구 차단판(43)을 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 버킷 제어부(130)는 효율 측정부(110)에 의해 측정되는 효율이 기준값으로부터 설정된 범위 이상 큰 경우에는 수력 발전기의 효율을 감소시키는 방향으로 각각의 버킷(40)을 제어하며, 효율 측정부(110)에 의해 측정되는 효율이 기준값으로부터 설정된 범위 이하로 작은 경우에는 수력 발전기의 효율을 증가시키는 방향으로 각각의 버킷(40)을 제어하는 것이 바람직하다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은 폭우 등에 의해 유량이 갑자기 증가한 경우에는 수력 발전기의 효율이 감소되도록 제어함으로써 수력터빈의 파손을 방지하며, 가뭄 등에 의해 유량이 감소한 경우에는 수력터빈의 회전이 증가되도록 제어하여 수력 발전기의 효율이 일정한 범위 내로 유지되도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 방법을 나타낸 흐름도이다. 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어방법은 도 1에 나타낸 감시 및 제어 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 감시 및 제어 장치(100)는 수력터빈(10)의 발전효율을 실시간으로 측정한다(S102). 이때, 수력터빈(10)은 그 주변에 압력 센서, 회전수 측정 센서, 유량 센서 등을 포함하는 복수의 센서를 구비할 수 있다.
여기서, 감시 및 제어 장치(100)는 각각의 센서로부터 신호를 수신하며, 수신되는 신호에 기반하여 유량계법, 압력시간법, 상대유량법 등에 따라 수력터빈(10)의 발전효율을 측정할 수 있다. 유량계법, 압력시간법, 상대유량법 등의 발전효율의 측정방법은 공지된 기술이므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 감시 및 제어 장치(100)가 수력터빈(10)의 효율을 측정하는 방법은 기재된 방법에 한정되는 것은 아니며, 공지된 다양한 효율 측정방법을 이용하여 수력터빈(10)의 효율을 측정할 수도 있다.
감시 및 제어 장치(100)는 측정되는 수력터빈(10)의 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단한다(S104). 이때, 감시 및 제어 장치(100)는 수력터빈(10)이 사양의 허용범위 내에서 사용될 때의 발전효율의 평균값을 기준값으로 설정하며, 수력터빈(10)의 사양이 허용하는 최대 발전효율로부터 최소 발전효율까지의 범위를 허용범위로 설정할 수 있다. 이 경우, 감시 및 제어 장치(100)는 실시간으로 측정되는 수력터빈(10)의 발전효율이 허용범위 내에서 동작하고 있는지의 여부를 판단하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 수력터빈(10)은 펠톤(pelton) 수차로 구현될 수 있다.
수차의 종류는 에너지 발생 면에서 크게 충동 수차와 반동 수차로 분류될 수 있다. 여기서, 충동 수차로는 펠톤 수차, 횡류 수차, 터고(turgo) 수차 등이 있으며, 반동 수차로는 프란시스(francis) 수차, 프로펠러(propeller) 수차, 사류 수차, 펌프(pump) 수차 등이 있다. 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은 다양한 종류의 수차 중 펠톤 수차를 이용하는 수력터빈(10)에 적용될 수 있다.
대표적인 충동 수차인 펠톤 수차는 물레방아와 유사한 구조를 가지고 있으며, 낙차가 크고, 물의 유량의 변화가 심할 때에 발전효율의 제어가 용이하다. 이때, 펠톤 수차(10)는 회전 원형의 판 주변에 표주박 모양의 복수의 버킷(bucket)(20)이 연속하여 붙어있는 구조이다.
물이 처음 수조에 있을 때는 위치에너지를 가지나, 수압관을 흐르는 사이에 단면적과 유량으로써 정해지는 속도 에너지와, 각 수압관의 위치에서 정해지는 위치에너지 및 압력에너지를 가지게 된다.
수압관의 지름이 일정한 경우에 속도 에너지는 일정하나, 물의 흐름에 따라서 위치에너지가 감소되는 대신에 압력 에너지는 증가하게 되며, 노즐(nozzle)에서는 단면적의 축소에 따라 속도 에너지가 증가되기 때문에 버킷(20)에 동력이 전달되고, 이를 통해 펠톤 수차(10)의 축을 회전시켜 발전이 되도록 한다.
이때, 버킷(20)은 일 측에 유체출구(22)가 형성될 수 있다(도 4참조). 여기서, 유체출구(22)는 노즐로부터 버킷(20)으로 유입되는 유체가 빠져나가도록 하는 홈으로서, 노즐로부터 버킷(20)에 직접적으로 가해지는 유체에 의한 압력 에너지에 의해 버킷(20)이 파손되는 것을 방지하는 작용을 한다.
그런데, 이와 같은 유체출구(22)는 그 크기가 클수록 버킷(20)에 가해지는 압력 에너지를 감소시키게 되며, 결과적으로 펠톤 수차(10)의 회전력을 저하시켜 발전효율을 저감시킬 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷(20)은 내부의 오목한 부분의 중앙이 볼록하게 돌출된 볼록부(23)를 구비한다(도 5 참조). 또한, 볼록부(23)를 중심으로 양분되는 각각의 오목부(24)는 그 오목한 표면이 설정된 곡률로 굴곡된다. 이를 통해, 버킷(20)의 각각의 오목부(24)에 가해지는 유체의 압력 에너지는 오목부(24)의 곡률에 의해 버킷(20)의 표면에 가해지는 직접적인 충격을 최소화하여 버킷(20)의 파손을 방지할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 버킷(20)은 각각의 오목부(24)의 오목한 표면의 곡률을 크게 할수록 압력 에너지가 버킷(20)의 표면에 직접적으로 가하는 충격을 저감시킬 수 있으나 그에 반해 펠톤 수차(10)의 회전력도 저감된다. 따라서, 각각의 오목부(24)의 오목한 표면의 곡률은 수력터빈(10)의 사양에 따른 발전효율과 회전력, 압력 에너지의 크기 등을 고려하여 적절한 값으로 설정되는 것이 바람직하다.
한편, 전술한 바와 같은 버킷(20)의 형상은 수력터빈(10)의 제조 시에 설정되며, 설비가 완료된 수력터빈(10)에 대해서는 그 변경이 용이하지 않다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 적용되는 수력터빈(30)은 제어신호 수신부(32), 회전 제어부(34) 및 유체출구 제어부(36)를 포함할 수 있다(도 6 참조). 이때, 수력터빈(30)은 제어신호 수신부(32), 회전 제어부(34) 및 유체출구 제어부(36)를 포함하는 각각의 구성요소에 대하여 유체가 스며들지 않도록 방수 처리되는 것이 바람직하다.
또한, 각각의 버킷(40)은 하나의 회전축(41)을 구비하며, 회전축(41)이 좌우 방향으로 회전이 가능하도록 수력터빈(30)의 외주 변에 연결된다(도 7 참조). 이때, 각각의 버킷(40)은 유체출구(22: 도 4 참조)의 양 측벽에 가이드부(42)를 구비하며, 가이드부(42)를 따라 출구 차단판(43)이 전후 왕복이동이 가능하도록 설치된다.
이 경우, 감시 및 제어 장치(100)는 측정되는 수력터빈(30)의 발전효율이 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면(S106), 수력터빈(30)의 각각의 버킷(40)을 제어한다. 즉, 감시 및 제어 장치(100)는 측정되는 수력터빈(30)의 발전효율이 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 경우, 버킷(41)의 회전축(41)의 좌우 회전을 제어하거나 출구 차단판(43)의 전후 왕복운동을 제어할 수 있다.
제어신호 수신부(32)는 감시 및 제어 장치(100)로부터 제어신호를 수신한다. 이때, 제어신호 수신부(32)는 효율 측정부(110)에 의해 측정되는 발전효율이 기준값으로부터 설정된 값 이상으로 큰 경우(이하, '제1케이스'라고 한다)와, 기준값으로부터 설정된 값 이하로 작은 경우(이하, '제2케이스'라고 한다)를 구분하여 제어신호를 수신할 수 있다. 또한, 제어신호 수신부(32)는 제1케이스 및 제2케이스의 각각에 대하여, 기준값으로부터 벗어난 정도에 따라 구분된 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 대한 제어신호를 수신할 수도 있다.
회전 제어부(34)는 제어신호 수신부(32)를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 버킷(40)의 회전축(41)을 좌측 또는 우측 방향으로 회전 제어한다. 이때, 회전 제어부(34)는 제1케이스 또는 제2케이스에 대응하는 제어신호가 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 따라 회전축(41)의 회전 각을 단계적으로 회전 제어할 수도 있다. 이때, 회전 제어부(34)는 복수의 버킷(40)의 각각에 대하여 동일한 방향 및 동일한 회전 각도로 회전축(41)의 회전을 제어하는 것이 바람직하다.
이와 같이 버킷(40)의 회전축(41)의 회전을 제어하는 경우(b), 도 8에 도시한 바와 같이, 버킷(40)이 유체의 압력 에너지를 정면으로 받는 경우(a)에 비하여 압력 에너지를 받는 면적이 작아지게 되며, 따라서 각각의 버킷(40)에 미치는 압력 에너지를 감소시켜 수력터빈(30)의 회전력을 감소시키게 되고, 결과적으로 수력발전의 효율을 저감시키게 된다.
유체출구 제어부(36)는 제어신호 수신부(32)를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 버킷(40)의 유체출구의 크기를 제어한다. 이때, 유체출구 제어부(36)는 제1케이스 또는 제2케이스에 대응하는 제어신호가 복수의 단계 중 어느 단계에 해당하는지에 따라 출구 차단판(43)의 전방향 또는 후방향의 이동방향을 결정하고, 결정된 이동방향에 대한 이동 정도를 제어할 수 있다. 이때, 유체출구 제어부(36)는 복수의 버킷(40)의 각각에 대하여 동일한 이동방향과 동일한 이동 정도로 출구 차단판(43)을 제어하는 것이 바람직하다.
여기서, 감시 및 제어 장치(100)는 측정되는 효율이 기준값으로부터 설정된 범위 이상 큰 경우에는 수력 발전기의 효율을 감소시키는 방향으로 각각의 버킷(40)을 제어하며(S108), 측정되는 효율이 기준값으로부터 설정된 범위 이하로 작은 경우에는 수력 발전기의 효율을 증가시키는 방향으로 각각의 버킷(40)을 제어하는 것이 바람직하다(S110).
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템은 폭우 등에 의해 유량이 갑자기 증가한 경우에는 수력 발전기의 효율이 감소되도록 제어함으로써 수력터빈의 파손을 방지하며, 가뭄 등에 의해 유량이 감소한 경우에는 수력터빈의 회전이 증가되도록 제어하여 수력 발전기의 효율이 일정한 범위 내로 유지되도록 한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10, 30: 수력터빈 12: 네트워크
20, 40: 버킷 22: 유체출구
23: 볼록부 24: 오목부
41: 회전축 42: 가이드부
43: 출구 차단판 100: 감시 및 제어 장치

Claims (3)

  1. 수력터빈의 상태를 감시 및 제어하는 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템에 있어서,
    상기 수력터빈의 발전효율을 실시간으로 측정하는 효율 측정부;
    상기 효율 측정부에 의해 측정되는 발전효율이 기 설정된 기준값으로부터 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단하는 효율범위 판단부; 및
    상기 효율 측정부에 의해 측정되는 효율이 상기 기준값으로부터 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 상기 수력터빈의 각각의 버킷을 제어하는 버킷 제어부;
    를 포함하며, 상기 수력터빈은 펠톤(pelton) 수차로 이루어지고,
    상기 버킷 제어부로부터 제어신호를 수신하는 제어신호 수신부; 및
    상기 제어신호 수신부를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 상기 버킷의 좌측 또는 우측 방향으로의 회전을 제어하는 회전 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수력터빈은,
    상기 제어신호 수신부를 통해 수신되는 제어신호에 따라 각각의 상기 버킷의 유체출구의 크기를 제어하는 유체출구 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수력터빈 상태감시 및 제어 시스템.
  3. 삭제
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