소양강수력 연간발전량 재산정 조사 연구

2.1 발전량과 저수지 운영 기법

다목적댐은 용수공급, 발전, 홍수조절의 목적으로 방류량을 결정하는데 각 목적의 방류는 여러 입력 자료와 조건을 필요로 한다. 복잡한 입력 자료와 조건 아래서 다목적댐의 방류량을 결정하기 위하여 컴퓨터 프로그램을 사용한다. 저수지 운영 기법은 보통 모의 기법과 최적화 기법으로 분류된다.

모의 기법은 저수지군의 복잡한 구조와 구성 요소를 다룰 수 있고 저수지군의 시간에 따라 변화하는 특성을 실제에 가깝게 나타낼 수 있다. 모의 기법의 저수지 운영에서는 주어진 운영 규칙과 유입량 계열로 방류량을 구하고, 이에 따라 발전량이 산정된다.

최적화 기법은 저수지 체계를 최적화의 수학적 틀에 맞추어 표현하기 위하여 모의 기법 보다 훨씬 많은 가정과 간략화를 도입한다. 최적화 기법에서는 주어진 제약조건 아래서 용수공급량과 발전 등의 편익을 최대화 하도록 방류량을 구하고, 이에 따라 발전량이 산정된다.

다양한 구조의 저수지/하천 시스템에 적용될 수 있는 저수지 모의 운영 모형을 ‘일반화된 저수지 시스템의 모의 모형’이라고 칭한다. 선진국에서 사용되고 있는 일반화된 저수지 시스템의 모의 모형은 여러 가지가 있으며 대표적인 것으로서 HEC-ResSim, WRAP, IRAS를 들 수 있다.

HEC-ResSim 모형은 HEC-5의 후속 모형으로서 현실의 물리적인 시스템을 실제에 가깝도록 나타내고자 하는 목적 아래 사용자 편의환경을 갖추어 개발되었다.^[12]

저수지는 하류의 유량제한, 홍수조절 및 저수지 안전을 위한 방류, 발전요구, 다른 저수지로의 양수 등 운영 규칙에 따라 운영된다.

The Water Rights Analysis Package(WRAP) 모형은 하천/저수지 시스템의 운영을 모형화하고 분석하기 위하여 Texas A&M 대학에서 개발하였다. WRAP는 우선권에 기초한 물 할당 기법을 사용하여 하천의 물 조절과 물관리를 모형화한다. 하천의 유량과 저수지의 공간은 특정한 우선권에 따라 물 사용자들에게 할당된다.

물 관리/사용에서 포함하는 요소는 물의 저류, 물 공급을 위한 분기, 회귀수, 하천 유지 용수의 요구량, 수력발전, 홍수조절이다.

WRAP는 텍사스 환경국(Texax Commission on Environmental Quality)의 Water Availability Modeling(WAM) System에 탑재되어 사용되고 있다. 텍사스 주의 23개 하천 유역을 포함하는(Fig. 1) 21개의 WRAP 입력 자료군이 WAM 시스템에 포함되어 있다.^[2-8]

The Interactive River-aquifer System(IRAS) 모형은 1989년에 UNEP 프로그램의 지원으로 개발된 The Interactive River System Simulation(IRIS) 모형을 확장시킨 것이다. IRIS의 개발 목적은 물 관리자가 물이용의 갈등을 겪는 사용자들과 협상하기 위한 것이었다.

Fig. 1.

텍사스 WAM 시스템의 하천 유역들[2]

Fig. 2.

템즈강 유역과 IRAS-2010 모형의 하천/저수지의 모식도[10]

IRIS 모형은 입력된 하천 유출량 계열을 가지고 물 공급과 수송 시스템의 거동을 모의한다. 모형의 출력으로서 저수지/하천 체계의 노드와 링크에서 유량, 댐 저수량, 발전량, 수질 인자의 시계열이 제공된다.

IRAS 모형은 지표수뿐만 아니라 지하수 체계도 모의하도록 확장 개발되었고, 영국의 템즈강 유역에 적용되었다.^[10,11]

2.2 연간발전량 재산정 흐름도

수력발전소 연간발전량을 재산정하기 위한 흐름도는 Fig. 3과 같다. 댐운영환경 분석, 발전설비제원 조사, 발전사용수량 분석을 하고 저수지 모의 모형을 사용한다.

발전소 준공이후 댐유입량, 강수량 등을 분석하여 댐의 수위변화 및 운영조건을 분석하고, 수력발전의 원리, 발전설비의 제원 및 설비 노후도를 조사하여 발전설비의 효율 및 출력 변화를 분석한다. 발전사용수량의 변동현황을 조사하여 계절별, 연도별 특성을 분석한 후 HEC-ResSim 모형을 이용하여 연간발전량을 산정한다.

Fig. 3.

연간발전량 재산정 흐름도

Fig. 4.

총 낙차와 유효낙차와의 관계[21]

2.3 발전량 산정을 위한 주요 입력 변수

물은 중력의 영향으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 그 흐름을 수로로 끌어 들여 수차발전기를 회전시켜 전기에너지를 발생시키는 것이 수력발전 원리이다. 발전량(P, kW)은 수로의 총낙차(H_g, m)와 흐르는 물의 양(Q, m³/s)의 식 (1-1)과 같다.

수력발전소에서는 수압관로로 수차에 물을 끌어들이기 때문에 낙차를 그대로 이용할 수는 없다. 따라서 이 손실이 발생하는 것을 고려하여 유효낙차(H_e, m)는 Fig. 4의 관계를 참고하여 식 (1-2)로 나타낸다. 이론수력(P_e, kW)은 유효낙차와 유량으로 산출하며 식 (1-3)과 같다.

식 (1-3)에 수차의 효율 η_t 및 발전기의 효율 η_g를 각각 곱한 것이 발전력(W, kW)이며, 식 (1-4)이다.

식 (1-4)이 수자원이 보유하는 전력원이라 한다.^[21]

저수지 모의 운영을 통한 발전량 산정에 필요한 입력 자료는 댐의 일별 유입량 자료, 댐 여수로의 개도별 방류곡선(Fig. 5), 댐의 저수위별 저수용량 및 수표면적(Fig. 6), 저수위, 상시만수위 등의 댐의 저류공간 구분 자료(Fig. 7)이다.^[19] 댐의 저수위 및 수표면적은 Fig. 6에서 보는 바와 같이 저수위와 비례관계가 있다.

Fig. 5.

소양강댐 여수로의 개도별 방류곡선[19]

Fig. 6.

소양강댐의 저수위별 저수용량 및 수표면적[19]

Fig. 7.

소양강댐 수위 및 영역 구분[19]

3.1 연간발전량 현황

소양강다목적댐은 발전 및 용수공급 목적으로 건설되었다. 댐계획 및 건설시(‘67~’73년) 강수량, 유입량, 방류량 등의 자료를 현재 댐운영 실적자료와 비교해 보면 많은 차이가 발생됨을 알 수 있다. 강수량은 댐 설계시 1,093.7mm로 계획하였으나, 준공이후 실적은 1,224.7mm이고, 댐 유입량은 설계시 666.9m³/s로 계획하였으나, 준공이후 운영실적은 838.5m³/s이다. 이러한 댐 운영환경은 수력발전소의 운영실적에도 많은 영향을 주게 된다. 수력발전소의 연간발전량은 댐건설 계획시 발전사용수량에 의해서 결정되므로, 준공이후 발전소의 운영환경 변화는 연간발전량의 변화를 수반하게 된다. 연간발전량은 353백만kWh이나 준공이후 37년간(‘74~’10년) 실적발전량은 Table 1에서 보는 바와 같이 457백만kWh로 연간발전량 대비 129% 수준이고, 최근 10년간(‘01~’10년) 502백만kWh로 연간발전량 대비 약 142% 수준이다.^[16-18]

Table 1.

소양강 수력발전소 연간발전량 및 실적 발전량[15] (단위 : 백만kWh)

3.2 댐 운영환경 데이터

3.2.1 강수량 실적 데이터

소양강댐 설계시의 강수량은 1093.7mm이나, 약 37년간(‘74∼’10년)의 연평균 강수량은 최소 775.1mm∼최대 2,017.7mm으로 변동성이 매우 크며 준공이후 실적(1,224.7 mm)은 설계대비 약 112% 수준으로 분석되었다. 최근 10년(‘01∼‘10년) 동안 강수량은 1,335mm로 준공 초기(‘81∼‘90년) 10년간 평균 1,096mm에 비해 약 18%(239mm) 증가하였다. 2010년까지 5년간의 평균 강수량은 지속적으로 증가하는 추세를 보였으며, 1990년대 중반이후 1,300mm 이상을 나타내고 있다.^[14,16-18]

Table 2.

Table 2. 소양강댐 강수량 분석[14,16] (단위 : mm, %)

Fig. 8.

소양강댐 5년평균 강수량 현황

3.2.2 유입량 실적 데이터

소양강댐 설계시의 유입량은 667m³/s으로 준공이후 실적(839m³/s)에 비하여 약 126% 수준이다. 연도별 유입량 분석결과, 6~7년 주기로 홍수 및 가뭄이 심해짐을 알 수 있다. 건설초기(‘74∼‘83, 10년)와 최근 유입량(‘01∼10, 10년)을 비교･분석한 결과, 이수기는 건설초기에, 홍수기는 최근의 유입량이 높은 것으로 분석되었다. 따라서 설계시 산정되었던 유입량보다 실적유입량이 높음을 알 수 있다.^{[14,16-18,20]}

Table 3.

소양강댐 유입량 분석[14,16] (단위 : m3/s, %)

Fig. 9.

소양강댐 기간별 유입량 현황

3.2.3 방류량 실적 데이터

댐에서의 방류는 발전방류, 생･공용수공급, 농업용수공급, 하천유지용수공급 등의 용수공급을 위한 이수목적 방류와 홍수조절 등의 치수목적을 위한 방류가 있다. 댐의 일차적인 목적은 댐을 이용하여 풍수기의 잉여수량을 저류하였다가 갈수기에 공급하는 것으로 소양강 다목적댐의 경우 대부분의 방류량은 발전을 통하여 이루어지고 있으며 운영실적은 1974～2010년의 일자료를 조사하여 분석하였다.

소양강댐의 방류량은 생･공업용수, 하천유지용수, 농업용수로 구분되며, 방류량은 모두 발전방류량으로 사용한다.

Table 4는 소양강댐의 월별 발전방류량을 준공이후부터 2010년까지 분석한 것이다.^[16-18]

Table 4.

소양강댐 방류량 분석[17] (단위 : m3/s)

3.2.4 소양강수력 발전현황 데이터

소양강댐 수력발전소는 1973년 10월에 상업발전을 개시하였으며, 1990년도에는 준공이후 최대 연평균 방류량(140 m³/s)으로 713백만kWh의 최대실적을 기록하였다. 2010년도 수력발전 실적은 약 457백만kWh에 이르고 있으며, K-water 전체 발전량 1,938백만kWh의 약 23.4%를 담당하고 있다. Table 5는 소양강댐의 1974년부터 2010년까지의 발전량 실적으로 연평균 발전량은 456.8백만kWh로 설계당시 연간발전량 353백만kWh에 비하여 약 129%의 운영실적을 나타내고 있다.

소양강댐 수력발전소의 이용율은 준공이후 평균 26.1%로 첨두부하를 담당하고 있는 것으로 분석되었다⁽¹⁵⁾.

Table 5.

소양강댐 준공이후 발전량 실적 (단위：백만kWh, %)

Fig. 10.

소양강댐 준공이후 발전량 그래프

4.1 댐환경 및 운영자료 분석

연간발전량을 재산정하기 위해 발전소 준공이후 37년간(‘74~’10년) 댐운영 자료를 조사 분석하였다. 유입량은 저수지모의운영의 기초자료로서 일별자료를 조사하여 저수지모의운영 프로그램에 입력하였고, 저수량, 여수로방류량, 댐높이, 댐길이, 계획홍수위, 상시만수위 등은 댐제원 자료를 사용하였다.^[15]

4.2 발전설비 및 운영자료 조사

저수지모의운영프로그램 입력인자인 발전설비의 제원 및 운영자료를 조사 분석하였다. 발전설비의 종합효율은 Table 6과 같이 최근 수차 및 발전기의 노후도를 고려한 최근 효율시험결과를 적용하였다.^[15]

Table 6.

발전설비 제원[15]

발전량 산정의 기본자료인 발전방류량은 실적방류량, 기본공급계획량의 2가지로 구분하여 Table 7과 같이 모의운영 하였다. 실적방류량은 실제 발전에 사용된 방류량 평균이며, 기본공급계획량은 월별 댐용수공급계획에 의거한 발전방류량이다.^[14,16-18]

CASE1의 실적방류량은 기간 유형별(37년, 20년, 15년, 10년, 5년)로 구분하였고, 5년 단위로 나누어 기후변화에 따른 발전량 변화를 모의운영 하였다.

Table 7.

CASE별 발전사용수량

4.3 발전량 모의운영

발전량 모의 운영은 일일 유입량 및 댐운영 제약사항을 반영하여 HEC-ResSim 모형으로 운영하였다. 유입량은 소양강댐 준공이후 일별 유입량 자료를 이용하였으며, 기간 유형별(37년, 20년, 15년, 10년, 5년) 방류량은 2가지 CASE(실적방류량, 기본계획량)로 구분하여 모의운영 하였다.

준공이후 37년(‘74~’10년)의 모의운영결과 실적방류량(평균방류량 65.67m³/s)에 따른 발전량은 439백만kWh로 준공이후(37년) 평균발전실적(457백만kWh) 대비 96.0% 수준을 보이고 있으며, 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 124.3%를 보이고 있다.

Table 8.

기간 유형별 실적방류량 (단위 : m3/s)

기본계획량(평균방류량 46.8m³/s)에 따른 발전량은 425백만kWh로 준공이후(37년) 평균 발전실적(457백만kWh) 대비 93.1% 수준을 보이고 있으며 연간발전량(353백만kWh) 대비 120.5%를 보이고 있다.

연간발전량 재산정 결과는 Table 9와 같으며, Fig. 11은 댐 모의운영에 따른 연간 발전량 변화를 나타내고 있다.

Table 9.

37년 평균유입량 적용에 따른 발전량

Fig. 11.

37년 평균유입량에 따른 발전량 모의운영 그래프

준공이후 20년(‘91~’10년)의 모의운영결과 실적방류량(평균방류량 68.23m³/s)에 따른 발전량은 472백만kWh로 20년 평균발전실적(485백만kWh) 대비 97.2% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 133.6%를 보이고 있다.

기본계획량(평균방류량 46.8m³/s)에 따른 발전량은 436백만kWh로 20년 평균 발전실적(485백만kWh) 대비 89.8% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 123.4%를 보이고 있다.

연간발전량 재산정 결과는 Table 10과 같으며, Fig. 12는 댐 모의운영에 따른 연간 발전량 변화를 나타내고 있다.

Table 10.

20년 평균유입량에 따른 발전량

Fig. 12.

20년 평균유입량에 따른 발전량 모의운영 그래프

준공이후 15년(‘96~’10년)의 모의운영결과 실적방류량(평균방류량 70.32m³/s)에 따른 발전량은 484백만kWh로 15년 평균발전실적(502백만kWh) 대비 96.4% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 137.1%를 보이고 있다.

기본계획량(평균방류량 46.8m³/s)에 따른 발전량은 440백만kWh로 15년 평균 발전실적(502백만kWh) 대비 87.7% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 124.7%를 보이고 있다.

연간발전량 재산정 결과는 Table 11과 같으며, Fig. 13은 댐 모의운영에 따른 연간 발전량 변화를 나타내고 있다.

Table 11.

15년 평균유입량 적용에 따른 발전량

Fig. 13.

15년 평균유입량에 따른 발전량 모의운영 그래프

준공이후 10년(‘01~’10년)의 모의운영결과 실적방류량(평균방류량 70.06m³/s)에 따른 발전량은 483백만kWh로 10년 평균발전실적(508백만kWh) 대비 95.1% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 136.9%를 보이고 있다.

기본계획량(평균방류량 46.8m³/s)에 따른 발전량은 433백만kWh로 10년 평균 발전실적(508백만kWh) 대비 85.3% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 122.7%를 보이고 있다.

연간발전량 재산정 결과는 Table 12와 같으며, Fig. 14는 댐 모의운영에 따른 연간 발전량 변화를 나타내고 있다.

Table 12.

10년 평균유입량에 따른 발전량

Fig. 14.

10년 평균유입량에 따른 발전량 모의운영 그래프

준공이후 5년(‘06~’10년)의 모의운영결과 실적방류량(평균방류량 69.42m³/s)에 따른 발전량은 489백만kWh로 5년 평균발전실적(502백만kWh) 대비 97.3% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 138.4%를 보이고 있다.

기본계획량(평균방류량 46.8m³/s)에 따른 발전량은 436백만kWh로 5년 평균 발전실적(502백만kWh) 대비 86.9% 수준을 보이고 있으며 연간발전량 대비(353백만kWh) 대비 123.6%를 보이고 있다.

연간발전량 재산정 결과는 Table 13과 같으며, Fig. 15는 댐 모의운영에 따른 연간 발전량 변화를 나타내고 있다.

Table 13.

5년 평균유입량에 따른 발전량

Fig. 15.

5년 평균유입량에 따른 발전량 모의운영 그래프

댐 유입량을 5가지 기간 유형(37년, 20년, 15년, 10년, 5년)으로 구분하여 소양강수력 발전소의 연간발전량을 재 산정한 결과는 Table 14와 같으며, 기간 유형별 재 산정 결과를 그래프(Fig. 16)로 표현하였다.

기후변화에 따른 강수량 증가세와 발전량 패턴을 비교 분석한 결과 소양강수력 연간발전량은 최근 10년간의 유입량을 적용하여 산정한 483백만kWh로 재 산정함이 타당하다.

Table 14.

유입량별 연간발전량 산정 결과

Fig. 16.

기간 유형별 재산정 결과 그래프