수력 터빈은 유체 기계 분야의 터보 기계입니다. 기원전 100년경에 수력 터빈의 원형인 물레방아가 탄생했습니다. 당시에는 주로 곡물 가공 및 관개용 기계를 구동하는 데 사용되었습니다. 물의 흐름을 동력으로 사용하는 기계 장치인 물레방아는 오늘날의 수력 터빈으로 발전했으며, 그 적용 범위 또한 확대되었습니다. 그렇다면 현대의 수력 터빈은 주로 어디에 사용될까요?
터빈은 주로 양수 발전소에 사용됩니다. 발전 시스템 부하가 기본 부하보다 낮을 때는 양수 펌프로 사용하여 잉여 발전 용량을 활용해 하류 저수지의 물을 상류 저수지로 퍼 올려 위치 에너지 형태로 에너지를 저장할 수 있습니다. 반대로 시스템 부하가 기본 부하보다 높을 때는 수력 터빈으로 사용하여 전기를 생산하고 피크 부하를 조절할 수 있습니다. 따라서 순수 양수 발전소는 발전 시스템의 총 용량을 증가시키지는 못하지만, 화력 발전소의 운영 경제성을 개선하고 발전 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있습니다. 1950년대 이후 양수 발전소는 전 세계적으로 널리 주목받으며 빠르게 발전해 왔습니다.
초기에 개발되었거나 수두가 높은 양수발전소는 대부분 발전기, 수력 터빈, 양수 펌프를 직렬로 연결한 3중 구조 방식을 채택했습니다. 이 방식의 장점은 터빈과 양수 펌프를 분리하여 설계함으로써 각각의 효율을 높일 수 있고, 발전과 양수 시 같은 방향으로 회전하여 발전에서 양수로, 또는 양수에서 발전으로 신속하게 전환할 수 있다는 점입니다. 또한, 터빈을 이용하여 발전소를 시동할 수도 있습니다. 단점은 비용이 높고 발전소 건설에 막대한 투자가 필요하다는 것입니다.
경사류 펌프 터빈의 러너 블레이드는 회전이 가능하여 수두와 부하가 변하더라도 우수한 운전 성능을 유지합니다. 그러나 수력학적 특성과 재료 강도의 한계로 인해 1980년대 초에는 순 수두가 136.2미터에 불과했습니다(일본 다카겐 제1 발전소). 더 높은 수두를 위해서는 프랜시스 펌프 터빈이 필요합니다.
양수 발전소는 상부와 하부 저수지를 가지고 있습니다. 동일한 에너지 저장 조건에서 양정을 높이면 저수 용량을 줄이고 발전 속도를 높이며 프로젝트 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 300미터 이상의 고낙차 양수 발전소가 빠르게 발전해 왔습니다. 세계 최고 낙차를 자랑하는 프랜시스 펌프 터빈은 유고슬라비아의 바이나 바스타 발전소에 설치되어 수년간 가동되었습니다. 20세기 이후 수력 발전은 고성능 및 대용량 방향으로 발전해 왔습니다. 전력 시스템에서 화력 발전 용량이 증가하고 원자력 발전이 발전함에 따라 합리적인 피크 부하 조절 문제를 해결하기 위해 주요 수계에 대규모 발전소를 적극적으로 개발 또는 확장하는 것 외에도 전 세계 국가들은 양수 발전소 건설에 박차를 가하고 있으며, 그 결과 펌프 터빈이 빠르게 발전하고 있습니다.
수력 터빈은 물의 흐름 에너지를 회전하는 기계 에너지로 변환하는 동력 장치로서 수력 발전 설비에서 없어서는 안 될 핵심 부품입니다. 오늘날 환경 보호 문제가 점점 더 심각해짐에 따라 청정 에너지인 수력 발전의 활용과 보급이 증가하고 있습니다. 다양한 수력 자원을 최대한 활용하기 위해 조수, 낙차가 매우 작은 평야 하천, 심지어 파도까지 널리 주목받으면서 관형 터빈을 비롯한 소형 터빈 장치들이 빠르게 발전하고 있습니다.
게시 시간: 2022년 3월 23일
