수리 구조물 동결 방지 설계 기준에 따르면, 혹한 지역에서 중요하고 심하게 동결되며 보수가 어려운 구조물 부분에는 F400 콘크리트를 사용해야 합니다(콘크리트는 400회의 동결-융해 사이클을 견딜 수 있어야 함). 이 기준에 따라 황거우 양수 발전소 상부 저수면 사면 사면 슬래브와 사면 하단 슬래브, 상부 저수조 유입구 및 유출구의 수위 변동 영역, 하부 저수조 유입구 및 유출구의 수위 변동 영역 등에 F400 콘크리트가 사용됩니다. 이전에는 국내 수력 발전 산업에서 F400 콘크리트를 적용한 선례가 없었습니다. F400 콘크리트를 제조하기 위해 건설팀은 국내 연구기관과 콘크리트 혼화제 제조업체를 다양한 방식으로 조사하고, 전문 업체에 특별 연구를 의뢰하여 규산흄, 공기연행제, 고효율 감수제 등의 재료를 첨가한 F400 콘크리트를 제조하고 황거우 양수발전소 건설에 적용했습니다.
또한, 극심한 추위 지역에서는 물과 접촉하는 콘크리트에 미세한 균열이라도 생기면 겨울철에 물이 그 균열 속으로 스며들게 됩니다. 이러한 동결-융해 과정이 반복되면서 콘크리트는 점차 파괴됩니다. 양수발전소 상부 저수지 주댐의 콘크리트 표면 슬래브는 물을 가두고 누수를 방지하는 역할을 하는데, 만약 균열이 많이 발생하면 댐의 안전성이 심각하게 저하될 수 있습니다. 황거우 양수발전소 건설팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 콘크리트 배합 시 팽창제와 폴리프로필렌 섬유를 첨가하여 균열 발생을 줄이고 표면 슬래브 콘크리트의 내한성을 향상시킨 내균열 콘크리트를 개발했습니다.
댐 콘크리트 표면에 균열이 생기면 어떻게 될까요? 시공팀은 패널 표면에 동결 방지층을 설치했는데, 보호 코팅으로 수작업으로 폴리우레아를 도포했습니다. 수작업으로 도포한 폴리우레아는 콘크리트와 물의 접촉을 차단하여 콘크리트 표면의 동결-융해로 인한 박리 손상 진행을 늦추고, 물속의 유해 성분이 콘크리트를 부식시키는 것을 방지합니다. 또한 방수, 노화 방지, 동결-융해 저항성 등의 기능을 갖추고 있습니다.
콘크리트 사석댐의 전면 슬래브는 한 번에 타설하는 것이 아니라 여러 부분으로 나누어 시공합니다. 이로 인해 각 패널 부분 사이에 구조적 이음매가 발생합니다. 일반적인 누수 방지 처리는 구조적 이음매에 고무 덮개판을 씌우고 팽창 볼트로 고정하는 것입니다. 그러나 혹한 지역의 겨울철에는 저수지에 두꺼운 결빙이 발생하고, 노출된 팽창 볼트 부분이 결빙층과 함께 얼어붙어 결빙으로 인한 손상을 일으킬 수 있습니다. 황거우 양수발전소는 혁신적으로 압축성 코팅 구조를 채택하여 결빙으로 인한 구조적 이음매 손상 문제를 해결했습니다. 2021년 12월 20일, 황거우 양수발전소 1호기가 가동을 시작했으며, 동계 운전을 통해 이 구조가 결빙이나 동결 팽창으로 인한 패널 구조적 이음매 손상을 방지할 수 있음을 입증했습니다.
프로젝트 건설을 최대한 빨리 완료하기 위해 시공팀은 동계 공사를 시도했습니다. 실외에서는 겨울철 공사가 거의 불가능하지만, 양수발전소의 지하 발전소, 수송 터널 및 기타 건물들은 지하 깊숙이 매설되어 있어 공사가 가능한 조건을 갖추고 있습니다. 그렇다면 겨울철에 어떻게 콘크리트를 타설할 수 있을까요? 시공팀은 지하 동굴과 실외를 연결하는 모든 개구부에 단열문을 설치하고, 문 안쪽에 35kW 온풍기를 설치했습니다. 콘크리트 혼합 시스템은 완전히 밀폐하고 내부에 난방 시설을 설치했습니다. 혼합 전에는 콘크리트 혼합 시스템을 뜨거운 물로 세척했습니다. 겨울철 타설에 필요한 콘크리트 토공량에 따라 굵은 골재와 잔골재의 양을 계산하여 동계 공사 전에 터널로 운반하여 보관했습니다. 또한, 혼합 전에 골재를 가열하고, 콘크리트를 운반하는 모든 믹서 트럭에 "솜옷"을 입혀 콘크리트 운반 중 온도를 유지했습니다. 콘크리트 타설 후 초기 경화가 완료되면 콘크리트 표면을 단열재로 덮고, 필요한 경우 전기 담요로 덮어 난방했습니다. 이러한 방식으로 건설팀은 추운 날씨가 프로젝트 건설에 미치는 영향을 최소화했습니다.
혹한 지역에서 양수 발전소의 안전한 운영을 보장하는 것
양수발전소가 물을 퍼 올리거나 전기를 생산할 때, 상부 및 하부 저수지의 수위는 끊임없이 변동합니다. 특히 추운 겨울철에 양수발전소가 매일 가동될 경우, 저수지 중앙에는 부유빙이 형성되고 그 바깥쪽에는 쇄빙띠가 생깁니다. 이 빙상은 양수발전소 운영에 큰 영향을 미치지 않지만, 장기간 양수발전소 가동이 필요하지 않을 경우 상부 및 하부 저수지가 얼어붙을 수 있습니다. 이때 양수발전소 저수지에 물이 충분히 있더라도 대기와 연결되지 않아 물이 흐르지 않으므로, 강제 운전은 급수 시설 및 발전소 설비에 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다.
건설팀은 양수발전소의 겨울철 운전 방식에 대한 특별 연구를 수행했습니다. 연구 결과, 양수발전소의 겨울철 안전 운전을 위해서는 전력 배분이 핵심이라는 점이 밝혀졌습니다. 추운 겨울에는 최소 한 개 발전기가 매일 8시간 이상 전력을 생산하거나 물을 양수해야 저수지에 완전한 결빙이 발생하는 것을 방지할 수 있습니다. 전력망 배분이 이러한 조건을 충족할 수 없는 경우에는 결빙 방지 및 제빙 조치를 취해야 합니다.
현재 양수 발전소의 저수지와 수문정에는 인공 제빙, 고압 가스 주입, 워터 펌프를 이용한 제빙 등 세 가지 주요 결빙 방지 및 제빙 대책이 있습니다.
인공 제빙법은 비용이 저렴하지만, 인력 투입 시간이 길고 위험도가 높으며 안전사고 발생 가능성이 큽니다. 고압 가스 주입법은 심해에서 공기 압축기로 압축된 공기를 분사하여 강한 온수 흐름을 만들어 얼음층을 녹이고 새로운 얼음층 형성을 방지하는 방식입니다. 황거우 양수발전소는 수중 펌프를 이용한 세척 및 제빙법을 채택하고 있는데, 이는 수중 펌프로 심해수를 끌어올린 후 분사관의 분사구를 통해 물을 분사하여 지속적인 수류를 형성함으로써 수면의 결빙을 방지하는 방식입니다.
양수 발전소의 겨울철 운전 시 또 다른 위험 요소는 유로에 부유빙이 유입되는 것인데, 이는 수력 터빈 및 기타 기계 장비에 손상을 줄 수 있습니다. 황거우 양수 발전소 건설 초기 모형 실험을 통해 유로에 부유빙이 유입될 때의 임계 유속이 1.05m/s로 계산되었습니다. 유속을 줄이기 위해 황거우 양수 발전소는 유입구와 유출구의 크기를 충분히 크게 설계하고, 유입구와 유출구의 서로 다른 높이에 유속 및 온도 모니터링 장치를 설치했습니다. 겨울철 모니터링 결과, 발전소 직원들은 유로에 부유빙이 유입되는 것을 발견하지 못했습니다.
황거우 양수발전소의 준비 기간은 2016년 1월부터 시작되었으며, 1호기는 2021년 12월 20일, 마지막 호기는 2022년 6월 29일에 가동될 예정입니다. 총 건설 기간은 6년 반입니다. 중국 내 동일 유형의 양수발전소 프로젝트와 비교했을 때, 황거우 양수발전소는 혹독한 추위 지역에 위치해 있음에도 불구하고 건설 기간이 지연되지 않았습니다. 혹독한 겨울을 견뎌낸 황거우 양수발전소의 모든 수리 구조물, 장비 및 시설은 정상적으로 가동되고 있습니다. 특히 상부 저수지 콘크리트 사석댐 후방의 최대 누수량은 4.23L/s에 불과하며, 이는 중국 내 동일 규모의 사석댐 중 최고 수준입니다. 각 호기는 가동을 시작하여 신속하게 반응하고 안정적으로 운영되고 있습니다. 이 부서는 동북 전력망의 여름, 겨울 및 주요 명절 기간의 최대 수요를 충족하고 동북 전력망의 안전하고 안정적인 운영을 보장하는 임무를 수행합니다.
게시 시간: 2022년 11월 17일
