[20년07월] 5. 수차 및 펌프-수차의 현장 성능시험의 불확실성에 대한 고찰

 

Field acceptance test for hydraulic turbines and pumps-turbines shall be performed to verify the hydraulic turbine performance after installation of hydro power plant. If the test results fail to meet the performance guarantee value required in the technical specifications of the Contract, the Supplier shall pay to Customer the liquidated damages for non-performance, which may arise an argument between the Customer and Supplier because the performance guarantee value is simply indicated as one value in the technical specifications.

 

In particular, when the non-performance values are small, the both parties often have conflicting interests over uncertainties in the measurement process.

 

This study may assist the Customer for understanding the error of the measurement and the degree of the uncertainty and for decision-making wether the facilities will be accepted with the result of performance tests.

 

 

신대호 전무, 플랜트부(dhshin3k@samaneng.com)

김국태 전무, 플랜트부(ktkim1@samaneng.com)

이원재 전무(건축전기기술사), 플랜트부(wjlee@samaneng.com)

김수열 차장, 플랜트부(sykim@samaneng.com)

 

 

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1. 목적

 

 

수력발전소의 성능시험에 가장 중요한 수차 효율 시험을 시행함에 있어 시험 결과평가에 대한 제작사와 발주처와의 이견의 소지를 사전에 검토하여 적정한 성능시험 평가가 이루어지도록 하기 위함이다.

 

 

 

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2. 본론

 

 

2.1 측정과 결과 표현에서의 불확실성(IEC60041, Clause6.2)

 

 

2.1.1 오류의 정의

 

2.1.2 불확실성의 정의

  ◦ “측정의 불확실성” : 측정된 양의 참값이 적절하게 높은 확률 내에 있는 것을 기대하는 범위

  ◦ 확률은 95% 신뢰 수준을 사용

 

 

2.1.3 오류의 종류

 

2.1.3.1 겉보기 오류

  ◦ 인적 실수 또는 측정기 기능이상과 같이 측정을 무효화 하는 오류

  ◦ 기록 인력의 이동 또는 압력계로 연결되는 도관에 에어 포켓의 존재 등

  ◦ 만족할 만한 분석에 포함되어져서는 안 되고 측정은 미반영

  ◦ 자료는 가볍게 버려서는 안 됨.

 

2.1.3.2 무작위 오류

  ◦ 동일 입력량이 측정되고 있을 때 동일 수치를 측정 계통에 전달하는 것을 방해하는 여러 적은 독립된 영향들에 의해 기인

  ◦ 측정은 우연의 법칙에 따라 평균에서 편향되고, 측정 수가 증가한 만큼 일반적으로 분포가 정규 분포에 근접

  ◦ 무작위 오류는 측정 중 관심, 측정 수 및 운전조건에 영향을 받음.

 

2.1.3.3 시스템적 오류

  ◦ 시험의 시작 시에 일부 측정기 내 또는 측정 계통 내에 잔존하는 오류

   - 측정 장비 또는 조건 변경이 없으면 측정 수를 늘려도 감소시킬 수 없는 오류.

  ◦ 모든 제거 가능 오류는 교정, 치수의 주의 깊은 측정, 적절한 설치 등으로 제거해야함

  ◦ 잔존 오류를 시스템적 오류(편향)라 하고 항상 존재하나 적지만 측정 장비와 조건을 바꾸지 않으면 측정 수를 올려도 감소시킬 수 없는 오류

  ◦ 시스템적 불확실성의 실제 값은 일반적으로 많은 요인에 기인

  ◦ 일부는 단지 시험 후 평가될 수 있는 것

  ◦ 오류 요인들은 검토되고 예상되는 불확실성을 기술적 기반에 의해 변경해야하는지 여부를 확립하는데 시험 전 관련 당사자 간 합의 필수.

 

2.1.4 불확실성의 추정
2.1.4.1 무작위 오류

 

2.1.4.2 시스템적 오류

  ◦ 시스템적 오류에 의한 불확실성은 실험적으로 측정의 장비 또는 조건의 변경없이 평가할 수 없음
    - 이 변경은 시스템 오류의 자릿수를 나타낼 수 있고 가능하면 언제나 적용해야함
    - 대안은 경험에 기초하고 사용장비를 고려하여 주관적 판단을 해야함
  ◦ 불확실성의 추정은 통계적 기법에 의함
   - 첫 번 단계 : 이들 값에 영향을 줄 수 있는 측정의 양상들을 확인
   - 두 번째 단계 : 이들 영향의 각각에 허용하는 불확실성 한계를 확정
  ◦ 오류가 알려진 유일한 값을 갖으면 측정의 결과에 더하거나 빼고 이 자료에 의한 측정의 불확실성은 영(0)으로 받아들인다.
  ◦ 측정 장치의 시스템적 오류는 알려지지 않았으나 오류의 한계(정밀도급)가 규정되어 있으면 그들 간의 간격은 95%보다 높은 신뢰수준으로 그 장치의 시스템적 불확실성으로 추정될 수 있음
 ◦ 시스템적 오류는 일반적으로 고품질 현장 시험에 무작위 오류보다 상당히 크다.

 

2.1.4.3 총 불확실성

 

 

2.2 주 보증 사항(IEC60041, Clause3.2)

 

2.2.1 출력

다음 기기에 대하여 하나 이상의 규정 속도에서 요구될 수 있음

  ◦ 조정 수차: 하나 이상의 규정된 비 수력 에너지(낙차)에서의 도달 출력(Fig. 1)

  ◦ 비 조정 수차: 규정 낙차에 도달 출력 및 규정 낙차 범위를 초과하지 않는 출력(Fig. 2)

 

 

1. 조정 수차(Regulated turbine)

   가이드 베인, 니들, 런너, 임펠러 등 유량조절기구를 갖추고 수차에 유입되는 유량을 제어할 수 있는 수차

2. 비 조정 수차(Non-regulated turbine)

   유량조절기구가 없어 수차에 유입되는 유량을 제어할 수 없는 수차

 

  ◦ 비 조정/조정 펌프: 규정 낙차 범위를 초과하지 않는 출력(Fig. 3)

2.2.2 유량

다음 기기에 대하여 하나 이상의 규정 속도에서 요구될 수 있음

  ◦ 조정 수차: 하나 이상의 규정 낙차에서의 도달 유량(Fig. 1)

  ◦ 비 조정 수차: 규정 낙차 범위에 도달하는 유량(이 보증은 통상 상응하는 출력 보증으로 대체) 및 초과하지 않는 유량(Fig. 2)

  ◦ 비 조정/조정 펌프: 규정 비 수력 에너지 범위를 초과하는 유량, 도달 또는 초과하지 않는 값을 포함(Fig. 3)

 

 

2.2.3 효율

  ◦ 조정수차 : 하나 이상의 규정 속도 및 낙차에서 요구될 수 있음

   - 하나 이상의 개별 규정 출력 또는 수량 또는 곡선(Fig. 1)

   - 출력 또는 유량의 범위를 넘어서는 가중 평균 효율

   - 출력 또는 유량의 범위를 넘어서는 수학적 평균 효율

  ◦ 비 조정 수차 또는 비 조정/조정 펌프 효율 : 하나 이상의 규정 속도에서 요구될 수 있음.

   - 하나 이상의 개별 규정 출력 또는 수량 또는 곡선(Fig. 2 및 3)

   - 출력 또는 유량의 범위를 넘어서는 가중 평균 효율

   - 출력 또는 유량의 범위를 넘어서는 수학적 평균 효율

 

2.2.4 출력, 유량 및 효율 보증의 선택

  ◦ 계약적 합의는 연관된 양에 대하여 하나 이상의 보증을 확정 하는 것을 피하도록 추천한다. ; 예로서 조정 수차의 경우 효율은 유량 또는 출력에 대하여 보증하여야 하며, 유량과 출력에 대하여 보증은 안 된다.

 

 

 

2.3 보증 사항과 비교

 

2.3.1 출력

2.3.1.1 조정 수차

  ◦ A 범위가 보증치를 만족시키지 못함

2.3.1.2 비 조정 수차

  ◦ A 범위가 보증치를 만족시키지 못함

 

2.3.1.3 비 조정 펌프

  ◦ A 범위가 보증치를 만족시키지 못함

 

2.3.2 효율

  ◦ 조정 수차에 대해서만 검토함

  ◦ 측정 효율 η는 규정 낙차 및 속도에 상응하도록 필요한 변환을 한 수차 출력 또는 유량에 대해 불확실성 대역폭으로 좌표화한다.

  ◦ 그림의 좌표에 선택된 두 양 내에 총 불확실성을 나타냄(95%의 신뢰수준)

 

  ◦ Fig. 8은 불확실성 범위 이내를 나타내며 어느 점에서도 동등하게 유효

  ◦ Fig. 9의 A 구역에 해당하는 부분이 배상의 범위

  ◦ Fig. 10의 B 구역에 해당하는 부분은 보상 범위

 

 

2.3.3 기술규격서와 일치여부 규정

  ◦ 보증이 하나 이상의 개별 규정 출력 또는 유량 또는 곡선으로서 주어졌으면(2.2.3 조정 수차의 첫 번째 항), 규정 속도 및 규정 낙차에서, 보증 단일 값 또는 보증 곡선이 보증 출력(또는 유량) 범위(Fig. 8, 9, 10)를 넘어 총 불확실성 대역의 상한 이하에 놓이면 만족한다.

  ◦ 보증이 가중평균 또는 수학적 평균 효율로 주어졌으면(2.2.3 조정 수차의 두, 세 번째 항), 보증은 규정 속도 및 규정 낙차에서, 총 불확실성 대역폭의 상한을 사용하여 동일 규정 출력(또는 유량)에서 계산된 평균값이 보증 평균 효율을 넘으면 만족한다.

 

 

2.3.4 보증 및 배상관련 검토

 

2.3.4.1 수차 보증 효율(기술규격서)

  ◦ 낙차별 부하 분담별 표시를 하고 보증은 가중 평균 효율로 표시함

  ◦ 보증 수차 가중평균 효율은 92.8%(기술규격서상 제시 예)

  ◦ 기술 규격서 상은 불확실성에 대한 기준은 언급되지 않음

 

2.3.4.2 불확실성 검토

 

2.3.4.3 보증 미달 시 배상 기준 검토

  ◦ 보증 수차 가중평균 효율은 시험결과가 90.69%(92.8% - 1.84%) 이상이면 유효한 시험으로 인정

  ◦ 상기 기준을 벗어나면 계약 기술규격서에 의한 배상액을 결정해야 할 것임.

 

 

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3. 결 론

 

 

상기와 같이 검토한 결과 계약 규격서 성능 인수시험에서 효율 시험은 IEC 60041에 따라 시행하게 되어 있으므로 불확실성에 대한 기준을 적용하여 보증 성능의 판정을 수행하는 것이 바람직 할 것으로 판단됨

다만 성능 인수 시험은 제작사가 제품에 대한 신뢰도를 판정하는 시험이므로 철저하게 주의를 기울여 시험하고 결과에 대한 제반 자료(기초 데이터를 포함한 전체 자료)를 제시하게 하여 결과 값에 대한 철저한 분석이 이루어 질 수 있도록 조치하여야 할 것으로 사료됨

 

 

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Appendix

 

 

 

 

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Reference

 

1. IEC 60041 (1991). “Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines”, 3.3, 6.1, 6.3 (in GENEVA, SWITZERLAND)