수력발전소의 최적 운영관리를 위해 상하류 수위와 방류량 측정은 필수적이다. 일반적으로 수위 모니터링은 실시되고 있지만 대부분의 발전소에서 발전 방류량의 실시간 모니터링은 못하고 있는 실정이다.
기존에는 연속적인 효율 관리를 위해 발전설비 제작사가 준공 당시 모델수차 시험을 통하여 제시한 수차발전기 성능곡선(Hill Chart)으로 유량을 유추하였다. 그러나 수차발전기 성능곡선(Hill chart)은 준공 당시의 자료이므로 경년변화를 반영하지 못하는 문제를 안고 있다. 또한, 경제성을 고려하여 모델수차 시험을 생략한 수력발전소의 경우 수차발전기 성능곡선이 없으므로 발전 방류량 모니터링도 할 수 없다. 수차발전기의 경년변화로 인한 성능을 파악하기 위해 K-water에서는 약 5년 주기로 정밀 유량측정 장비를 사용하여 발전유량을 측정하고 있다. 그러나 5년 단위의 효율변화 모니터링으로는 수차발전기의 상태감시를 통한 최적의 유지보수 시기를 판단하기 어렵다. 또한, 정밀장비의 취급은 숙련된 엔지니어가 있어야 가능하다. 따라서, 전문지식 없이도 실시간 연속적으로 발전유량을 측정할 방법이 필요하다.
본 연구는 수력발전소에서 수차발전기의 최적 운영관리에 필요한 발전유량을 실시간 연속적으로 산정할 수 있는 손실수두식 유량산정법을 개발하기 위해 수행되었다. 손실수두식 유량산정법은 수차발전기 인입관로에 1개의 압력계를 고정 설치하여 수차 정지 시와 가동 시의 차압을 측정하고 Bernoulli식, Darcy-Weisbach식, 그리고 Colebrook-White식을 적용하여 방류량을 산정하는 방법이다. 개발된 손실수두식 유량산정법의 성능을 검증하기 위해 국제공인의 K-water 유량계교정시스템에서 기준유량계와 비교측정 시험을 실시하였다. 손실수두식 유량산정법의 비교측정 시험 결과는 기준유량계 측정값 대비 –0.02%와 –0.69%로 판명되어 환경부의 유량계 허용 오차범위인 ±2% 이내로 계측됨을 확인하였다. 또한 손실수두식 유량산정법을 실제 수력발전소의 빠른 유속과 곡관 등 복잡한 관로 조건에서도 활용이 가능한지 검증하였다. 이를 위하여 국내 최대규모의 수력발전소에서 발전유량 측정시험을 실시하였다. 손실수두식 유량산정법의 정확도를 비교하기 위한 기준유량 측정은 국제전기기술위원회(IEC 60041)에 등재된 절대유량 측정법으로 하였다. 압력시간법은 손실수두식 유량산정법과 함께 압력계 설치와 데이터 취득이 가능하므로, 두 방법 간에 동시 비교측정을 실시하였다. 그리고 두 시험 결과와, 기존부터 주로 사용하고 있는 수차발전기 성능곡선에서 유추한 발전유량값을 상호 비교하여 손실수두식 유량산정법의 성능을 확인하였다. 비교측정시험은 발전출력 60 MW, 70 MW 그리고 최대출력인 100 MW에서 각각 3회씩 총 9회 수행되었다. 압력시간법의 측정값을 기준으로 손실수두식 유량산정법 측정결과는 0.01%, 수차발전기 성능곡선으로 산정한 유량 값은 –1.12%로 분석되었다. 결과적으로 손실수두식 유량산정법이 수차발전기 경년변화에 따른 효율감소를
반영하면서 정확성도 확보되는 것을 확인하였다. 또한 손실수두식 유량산정법 적용 시 유량에 영향을 미치는 인자들에 대한 민감도를 분석하였다. 결과는 압력계의 차압의 변화에 따른 유량 값의 변화가 가장 크게 나타났다. 반면에 관로 손실계수나 표면조도가 유량 측정값에 미치는 영향은 상대적으로 적게 나타났다.
따라서 손실수두식 유량산정법을 적용 시에는 압력계의 정확도가 가장 중요하므로 검교정을 거친 기기를 사용해야 한다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제안한 손실수두식 유량산정법의 장점은 유량계 설치조건이 열악한 수력발전소에서도 고가의 정밀 측정장비 없이 간단한 압력계만으로도 연속적인 발전유량을 기준오차율 범위 이내로 측정할 수 있는 것이다.
또한, 기존의 수차발전기 성능곡선과 다르게 경년변화에 따른 효율 저하까지 반영할 수 있어 수력발전소의 체계적인 유지보수 및 발전효율 관리에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

For the optimal operation of hydraulic power plants, the measurements of water levels of the upper and tailrace reservoirs and the discharge flow rate are essential. Real-time monitoring for the water levels is
carried out in most power plants, but the discharge flow rate cannot be monitored in real time.
In the past, to manage the efficiency of hydraulic turbine generators, the discharge flow rate was estimated from the hill-chart indicating the performance of the hydraulic turbine. It is the testing results for the
small-scale model turbine under laboratory conditions. Power plants cannot be consturcted under the same laboratory test conditions, and the hydraulic turbine is also aging as the operating time increases.
Therefore the estimation of the discharge flow rate from the hill-chart has limitations in accurately measuring the flow rate. In K-water, the discharge flow rate is measured with precision equipment every 5 years to manage the performance degradation caused by the aging. Nevertheless, it is not easy to determine the optimal maintenance time of a hydraulic turbine system, and the measurement require experienced engineers who deal with precision equipment. So, there is a need for a method of continuously discharge flow rate
measurement in real time without experts. This study has been conducted to develop a method for continuous
measurement of the discharge flow rate, which is required for optimal operation and management of turbine generators in the hydraulic power plant. The head loss type flow rate assessment method is the discharge flow
rate measurement method using the pressure measured at the inlet pipe during hydraulic turbine stop and operation. It is based on the Bernoulli, Darcy-Weisbach and Colebrook-White equations.
To verify the method, comparative flow rate measurement tests were performed using the K-water flow meter calibration system. It is confirmed that the flow rate calculated by the head loss type flow rate assessment method has a difference of –0.02% and –0.69%, which is smaller than a standard error rate range ±2.0%, from the reference flow meter measurement results. Also, the head loss type flow rate assessment method was verified whether it could be available under complex pipeline conditions such as high flow velocity and curved pipes that can appear in actual hydraulic power plant sites.
At the largest hydraulic power plant in Korea, comparative flow rate measurement tests were performed using the pressure-time method, which is one of the absolute flow rate measurement methods listed in IEC 60041, and turbine hill-chart estimation method. The pressure transducer and data acquisition system were used
together with the pressure-time method and the head loss type flow rate assessment method, and comparative measurement tests were conducted at the same time. In addition to the two test results, the flow rate estimated from the hill-chart is compared with each other. And it is confirmed that accurate discharge flow rate could be measured by the head loss type flow rate assessment method. The comparative measurement tests were conducted 9 times in total, 3 times each at the power output of 60 MW,
70 MW, and the maximum output of 100 MW of the hydraulic turbine generator. Based on the result of the pressure-time method, the measurement result of the head loss type flow rate assessment method has 0.01%
difference on average, and the flow rate value calculated by the performance curve of the hydraulic turbine generator has –1.12% difference on average.
As a result, it was confirmed that the head loss type flow rate assessment method secured accuracy while reflecting the efficiency deterioration due to the aging of hydraulic turbine generators.
In addition, when the head loss type flow rate assessment method was applied, the sensitivity of factors affecting the measurement was analyzed. The analysis results showed the change in differential pressure had the largest effect on the flow rate value. Also, the pipeline loss coefficient and surface roughness had relatively small effect on the change in flow rate value. Therefore, it was confirmed that the pressure gauge should be
calibrated periodically when applying the head loss type flow rate assessment method.
The advantage of the head loss type flow rate assessment method proposed in this study is that discharge flow rate measurement possible using a simple pressure gauge continuous within the standard error rate
without expensive precision measuring equipment. Also, unlike the performance curve of the hydraulic turbine generator, it can reflect the efficiency deterioration due to aging. In conclusion, the head loss type flow rate assessment method can contribute to the systematic maintenance and optimal operation of hydraulic power plants.