개념 한 쪽
수력설비 세트는 조압수조의 설치 위치와 형식(수실조압수조), 헤드탱크의 기능, 적산유량곡선의 용도와 기울기, 유속·발전량 계산을 묻는다.
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출제기준 단원 「수력설비」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 분사 유속 변수 대조 | 1 | 유효낙차를 정하는 요소와 무관한 것을 고른다 |
| 연간 발전전력량 산출 | 1 | 유역면적·강우량으로 연간 발전량을 구한다 |
| 조압수조 형식 매칭 | 1 | 이용 수심이 클 때 유리한 조압수조를 고른다 |
수로 끝에 서는 두 탱크의 역할이 다르다 — 무압수로의 종단에는 헤드탱크(상수조), 압력수로(도수관)의 종단·수차 직전에는 조압수조(surge tank)가 온다. 수차 부하가 급변하면 물의 관성으로 수로에 큰 충격압력인 수격작용이 생기는데, 조압수조는 이 완충통 노릇을 하며 수격압이 압력터널 안으로 침입하는 것을 막는다. 헤드탱크는 용량이 수분~10여 분 분량이고 부하 급증 시 물을 보급(공급)한다 — '배제한다'고 쓴 보기나 위치를 뒤집은 보기가 대표 오답이다.
조압수조는 형식조건이 정해져 있다 — 저수지의 이용 수심(물위가 오르내리는 범위)이 커지면 서징(수조 수위의 요동)도 커지는데, 수실조압수조는 상부에 넓은 수실(단면 확대부)을 두어 초과 수량을 흡수하고 부족할 때 내주므로 이용 수심이 큰 고낙차 발전소에 유리하다. 단동조압수조는 구조가 간단한 소규모용, 차동조압수조는 수위 응답이 빠른 경우, 제수공조압수조는 손실을 크게 해 서징을 빨리 감쇠시키는 용도다.
댐 설계는 누적 곡선에서 나온다 — 적산유량곡선(유량누가곡선)은 시간에 따라 유입된 유량을 계속 더해 그린 그래프로, 기울기가 급하면 유입이 많고 완만하면 가뭄이라는 뜻이다. 여기에 저수 용량선을 겹쳐 비교하면 어느 시기에 얼마를 저장·방류할지 정할 수 있어 댐 설계와 저수지 용량 산정에 쓴다. 곡선 위 임의 점의 절선(접선) 기울기는 그 일자의 하천 유량이다 — '누적의 기울기는 지금 값'으로, 주행거리 계기와 순간 속도의 관계와 같다. 유황곡선은 유량을 크기순으로 배열해 연중 며칠 이상 확보되는지 보는 발전 계획용 별개 곡선이다.
세트의 계산 축도 그대로 딸린다 — 수압관 분사 유속은 v=√(2gH)로 유효낙차(총낙차−마찰손실)가 결정하고 관의 길이는 직접 변수가 아니다. 속도를 알 때는 H=v²/(2g)=31.3²÷19.6≈49.98m로 거꾸로 구하고, 같은 수차의 회전수는 낙차의 제곱근에 비례해 N₂=N₁√(H₂/H₁)로 500×√(225/290)≈440rpm다. 연간 발전전력량은 '연간 이용수량÷31.5×10⁶초 → 9.8qHη → ×8760h' 3단계로 유역면적 80km²·낙차 30m 조건에서 약 5.49×10⁶kWh가 나온다.
① 유효낙차 역산 — H=v²/(2g)=31.3²÷19.6≈49.98m. ② 연간 발전전력량 — q=80×10⁶×1.5×0.7÷31.5×10⁶≈2.66m³/s, P=9.8×2.66×30×0.8≈626kW, E≈5.49×10⁶kWh.
어떤 수력발전소의 수압관에서 분출되는 물의 속도와 직접적인 관련이 없는 것은?
정답 ③ · 수압관에서 분출되는 물의 속도는 (H: 유효낙차)로 결정된다. 유효낙차는 총낙차(수면에서의 연직거리)에서 관의 경사, 유량에 따른 마찰손실수두를 뺀 값이므로 연직거리·관의 경사·유량은 모두 유속에 영향을 준다.
수압관 분사 유속은 v=√(2gH)이고 H는 유효낙차로 결정되며, 관의 길이는 직접 변수가 아니다.
유역면적 80km², 유효낙차 30m, 연간 강우량 1500mm의 수력발전소에서 그 강우량의 70%만 이용하면 연간 발전 전력량은 몇 kwh인가?(단, 종합효율은 80%이다.)
정답 ③ · 연간 이용 수량 이며, 초당 유량 입니다. 발전출력 이고, 연간 발전전력량 가 됩니다.
수력 연간발전량은 9.8×(연간 이용수량÷31.5×10⁶초)×H×η[kW]에 8760h를 곱해 구한다.
저수지의 이용 수심이 클 때 사용하면 유리한 조압수조는?
정답 ③ · 조압수조(surge tank)는 수차 부하 급변 시 발생하는 수격작용을 완화하기 위한 설비입니다. 이 중 수실조압수조는 상부에 수실(단면 확대부)을 두어 저수지 이용 수심이 큰 고낙차 발전소에서도 서징을 효과적으로 억제할 수 있어 유리합니다.
수실조압수조는 상부 확대 수실이 초과 수량을 흡수해 이용 수심이 큰 고낙차 발전소에 유리하다.
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