수력 터빈은 유체 기계 분야의 터빈 기계의 일종입니다. 기원전 100년경에 수력 터빈의 원형이 탄생했습니다. 당시에는 주로 곡물 가공 및 관개용 기계를 구동하는 데 사용되었습니다. 물의 흐름을 동력으로 사용하는 기계 장치인 수력 터빈은 오늘날의 수력 터빈으로 발전해 왔으며, 그 적용 범위 또한 확대되었습니다. 그렇다면 현대의 수력 터빈은 주로 어디에 사용될까요?
수력 터빈은 주로 양수 발전소에 사용됩니다. 발전 시스템의 부하가 기본 부하보다 낮을 때는 양수 펌프로 사용하여 잉여 발전 용량을 활용해 하류 저수지에서 상류 저수지로 물을 퍼 올려 위치 에너지 형태로 에너지를 저장할 수 있습니다. 반대로 시스템 부하가 기본 부하보다 높을 때는 수력 터빈을 사용하여 전기를 생산함으로써 피크 부하를 조절할 수 있습니다. 따라서 순수 양수 발전소는 발전 시스템의 총 용량을 증가시키지는 못하지만, 화력 발전소의 운영 경제성을 향상시키고 발전 시스템의 전체 효율을 높일 수 있습니다. 1950년대 이후 양수 발전소는 전 세계적으로 널리 인정받고 빠르게 발전해 왔습니다.
초기에 개발되었거나 수두가 높은 양수 발전소는 대부분 발전기, 수력 터빈, 수력 펌프를 직렬로 연결한 3중 기계 방식을 채택했습니다. 이러한 방식의 장점은 수력 터빈과 수력 펌프를 분리하여 설계할 수 있어 높은 효율을 달성할 수 있고, 발전과 양수 시 회전 방향이 동일하여 발전에서 양수로, 또는 양수에서 발전으로 신속하게 전환할 수 있다는 점입니다. 또한, 터빈을 이용하여 발전소를 시동할 수도 있습니다. 단점으로는 높은 비용과 발전소 건설에 필요한 막대한 투자 비용이 있습니다.
경사류 펌프 터빈 러너의 블레이드는 수두와 부하가 변하더라도 회전하면서 양호한 운전 성능을 유지할 수 있습니다. 그러나 수리학적 특성과 재료 강도의 한계로 인해 1980년대 초에는 최대 수두가 136.2m에 불과했습니다(일본 고원 1호 발전소). 더 높은 수두가 필요한 경우에는 프랜시스 펌프 터빈이 필요합니다.
양수 발전소는 상부와 하부 저수지를 갖추고 있습니다. 동일한 에너지 저장 조건에서 낙차를 높이면 저장 용량을 줄이고, 발전기 회전 속도를 높이며, 프로젝트 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 300미터 이상의 고낙차 양수 발전소가 빠르게 개발되고 있습니다. 세계 최고 낙차를 자랑하는 프랜시스 펌프 터빈은 유고슬라비아의 베이나바슈타 발전소에 설치되어 있습니다. 이 발전소의 단일 발전기 출력은 315MW이고, 터빈의 낙차는 600.3미터입니다. 펌프의 낙차는 623.1미터이고 회전 속도는 428.6rpm입니다. 이 발전소는 1977년에 가동을 시작했습니다. 20세기 이후 수력 발전은 고성능 및 대용량화 방향으로 발전해 왔습니다. 전력 시스템의 화력 발전 용량 증가와 원자력 발전의 발달로 인해 합리적인 피크 부하 저감 문제를 해결하기 위해 전 세계 국가들은 주요 수계의 대규모 발전소를 적극적으로 개발 또는 확장하는 것 외에도 양수 발전소 건설에 박차를 가하고 있습니다. 따라서 펌프 터빈이 빠르게 발전해 왔다.
물의 흐름 에너지를 회전하는 기계 에너지로 변환하는 동력 장치인 수력 터빈은 수력 발전 시스템에서 필수적인 부품입니다. 오늘날 환경 보호 문제가 점점 더 심각해짐에 따라 청정 에너지를 이용하는 발전 방식인 수력 발전의 적용과 보급이 확대되고 있습니다. 다양한 수력 자원을 최대한 활용하기 위해 조수, 낙차가 적은 평야 하천, 심지어 파도까지 널리 주목받고 있으며, 이로 인해 관형 터빈을 비롯한 소형 터빈 장치의 개발이 빠르게 진행되고 있습니다.
게시 시간: 2022년 4월 6일
