Study on the Effect of Earthquake Loads for Fixed Offshore Wind Turbines According to Soil Type

지반 종류에 따른 고정식 해상 풍력발전기 지진 하중 영향 연구

Abstract

In this study, using the commercial software Bladed developed by DNV for integrated load calculation of wind turbines, the generation of seismic waves according to soil type based on Korea's domestic regulations, and load calculation considering earthquake conditions were performed according to the IEC standard, and load in the main coordinate system of the fixed offshore wind turbine was calculated. By comparing the calculated load with the design load of the fixed offshore wind turbine, the effect of earthquake loads according to soil type on the main components of fixed offshore wind turbines was evaluated. As a result of the evaluation, when an earthquake load on a wind turbine is considered, the effect of the earthquake load is related to the natural frequency of the major components and the magnitude of the adjacent acceleration in the earthquake response spectrum, and the earthquake load differs according to soil type and may exceed the design load.

기호설명

F_a : 단주기 지반 증폭 계수 [-]

F_v : 장주기 지반 증폭 계수 [-]

t_r : 상승시간 [sec.]

t_m : 강 진동 지속시간 [sec.]

t_d : 하강시간 [sec.]

1. 서론

2016년 9월 12일 경주에서 발생한 규모 5.8의 지진이후 지진에 대한 구조적 안전성이 중요시되고 있으며, 국내에서 발생한 규모 2.0 이상의 지진 발생 횟수는 1978 ~ 1998년 (아날로그 관측) 평균 19.1회에서 1999년 ~ 2020년 (디지털 관측) 평균 70.6회 [1]로 점차 증가하고 있다.

풍력발전기 내진설계 기준에 대한 대표적인 국제인증 기준으로 참고문헌 [2, 4]가 있으며, 이 기준들은 지진의 위험 지역에 대해서는 지진에 의해 발생하는 하중을 고려하고, 지진 응답 스펙트럼은 지역 기준이 있는 경우, 지역 기준을 따른다고 명시하였다. 풍력발전기 내진설계 관련 국내 기준은 2021 한국 전기설비규정, KEC 180 [5]과 건설기준 설계 코드 내진설계 일반, KDS 17 10 00 [6]이 있으며, 지진구역 및 지반 종류에 따라 지진 응답 스펙트럼의 차이를 보인다.

본 연구는 통합 하중 계산을 위해 DNV에서 개발된 상용 소프트웨어 Bladed version 4.11을 사용하여 지진구역 Ⅰ 기준, 지반 종류에 따른 지진파 생성과 지진이 고려된 하중 계산을 수행하였으며, 풍력발전기 주요 구성부품 (허브, 피치 시스템, 메인베어링, 발전기, 메인프레임, 요 시스템, 타워, 잠금 시스템 등) 설계를 위해 사용되는 주요 좌표계에서의 하중을 산출하였다. 산출된 하중을 지진하중이 고려되지 않은 설계하중 조건에서 산출된 풍력발전기 설계하중과 비교하여 풍력발전기 주요 구성 부품에 대해서 지진하중 영향을 평가하였다.

2. 지진

2.1 국내 기준

2021 한국전기설비규정, KEC 180 [5]에 따라 풍력발전기 발전 단지에 대한 내진 등급 및 관리 등급이 정의된다. “2017년 10월 1일 이후 신규 인허가를 취득한 발전시설로써, 사업구역 내 총 설비 용량이 20MW 초과 3 GW 이하인 시설”에 대한 내진 등급 및 관리 등급은 “특” 등급 및 “중요시설”로 구분 관리되며, 최근 국내외에서 개발 및 설치되는 정격 출력 10MW 이상의 대형 풍력발전기를 고려하였을 때, 대부분의 풍력발전 단지가 이에 해당할 것으로 보인다. 이 경우, 재현 주기 2,400년 설계지진에 대하여 “붕괴 방지 (내진특등급)”의 내진성능 수준을 만족하여야 하며, 건설기준 설계 코드 내진설계 일반, KDS 17 10 00 [6]에 따라 설계지진의 응답 스펙트럼이 산정된다.

2.2 지진 응답 스펙트럼 산정

지진 응답 스펙트럼은 “Table 1”과 같이 정의된 지반 종류에 따라 결정되며, 각 지반 종류에서 주기 영역별 설계 스펙트럼 가속도, S_a는 “Table 2 ~ Table 4”에 의해 결정된다. 여기서 지진구역 계수, Z(= 0.11, 지진구역 Ⅰ 기준)에 평균 재현 주기의 위험도 계수, I(= 2.0, 2,400년)을 곱하여 결정된 유효수평 지반 가속도, S (=Z×I)는 0.22 g를 적용하였다.

Table 1 Classification of soil type

Table 2 Transition cycle

Table 3 Design spectral acceleration, S_a by period range

Table 4 Ground amplification factor, F_a and F_v

국내 기준에 기초하여 각 지반 종류별 산정된 지진 응답 스펙트럼과 유니슨 10MW 고정식 해상 풍력발전기 주요 부품인 타워와 블레이드의 1차 고유진동수는 Fig. 1과 같으며, 지반 종류 S₁에서 S₅로 갈수록 타워와 블레이드의 고유진동수와 인접한 설계 스펙트럼 가속도의 값이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 주요 구성 부품의 하중에 미치는 영향이 커질 것을 예상할 수 있다.

Fig. 1 Earthquake response spectrum according to soil type

본 연구에서는 부지 고유의 특성 평가 및 지반 응답 해석이 필요한 지반 종류, S₆는 제외되었다.

2.3 지진파 생성

2.2절에서 산정된 지진 응답 스펙트럼을 이용하여 Bladed 소프트웨어에서 시간 이력 지진파를 생성하였다. 가속도 시간 이력 구간 선형 포락 함수에 대한 지진 규모별 지속시간은 “Table 5”와 같으며, 가장 보수적인 결과 도출을 위해 지진 규모 7.0 이상 7.5 미만을 적용하였다.

Table 5 Duration by earthquake magnitude for an acceleration time history interval linear envelope function

지진파는 x, y축에 대해 독립적인 성분을 가지도록 생성하였으며, 총 28 초 (=t_r + t_m + t_d) 동안의 지진파를 모사하였다. 각 지반에 대해서 같은 조건에서 생성된 시간 이력 지진파는 Fig. 2 ~ Fig. 6과 같다.

Fig. 2 Seismic wave at time domain in soil type, S₁

Fig. 3 Seismic wave at time domain in soil type, S₂

Fig. 4 Seismic wave at time domain in soil type, S₃

Fig. 5 Seismic wave at time domain in soil type, S₄

Fig. 6 Seismic wave at time domain in soil type, S₅

“Table 6”과 같이 각 지반에서 T = 0일 때, 설계 스펙트럼 가속도, S_a의 값과 생성된 지진파의 최대 가속도 절댓값이 같은 것을 확인할 수 있다.

Table 6 S_a(T = 0) and acceleration of seismic wave

3. 하중 계산

3.1 풍력발전기 제원

하중 계산에 사용된 유니슨 10MW 고정식 해상풍력발전기 모델은 기어 리스 (Gearless) 타입의 직접 구동형 해상 고정식 풍력발전기 모델로 전방위 형(Upwind) 타입이며, 3개의 블레이드 (Blade)를 가지는 정격 출력 10 MW 급 수평축 풍력발전기이다. 풍력발전기 지지구조물로는 강재 타워 (Tower)와 석션 버켓 (Suction bucket) 타입의 트라이팟(Triod) 하부구조물이 적용되었으며, 허브 높이는 131 m 이다. 풍력발전기 및 하부구조물의 제원은 “Table 7”과 Fig. 7과 같다.

Table 7 Information of the fixed offshore wind turbine

Fig. 7 Information of the substructure of suction bucket type

3.2 설계하중 조건 (Design Load Case, DLC)

본 연구에서는 고정식 해상풍력발전기의 운전 상태, 외부 환경 조건, 고장 및 유지 보수 등과 같이 설계시 고려되어야 하는 설계하중 조건과 지진하중에 대한 설계하중 조건이 제시된 IEC61400-1 [2]과 IEC61400-3-1 [3]을 적용하였다. 지진을 고려하는 설계하중 조건은 “Table 8”과 같이 정상 운전 중에 지진이 발생하는 경우, 정상 운전 중 지진과 계통 손실 (Grid loss)가 발생하여 정지되는 경우, 정상 운전 중 지진과 비상정지(Emergency stop)가 발생하여 정지되는 경우 그리고 계통 손실로 정지된 후 지진6ㅇ이 발생하는 경우로 정의하고 있다. 지진하중이 고려 된 설계하중 조건에 대한 부분 안전 계수는 IEC61400-1 [2]에 제시된 1.0을 적용 하였다.

Table 8 Design load cases with earthquake

3.3 하중 평가

Fig. 8 ~ Fig. 15에 도시된 그래프는 산출된 지진하중 조건만 적용된 경우와 지진하중이 고려되지 않은 설계하중 조건만 적용된 경우를 비교한 결과를 보여준다. 그래프의 y 축은 풍력발전기 구성 부품의 설계하중에 대한 지진하중의 비율을 나타낸 것으로, 1보다 큰 값은 설계하중을 초과하는 것을 의미한다. 2.3절에서 생성된 지진파의 최대 가속도의 절댓값은 S₃ 지반 조건에서 가장 크게 나타나지만, 풍력발전기의 지진하중은 지반 종류 S₁에서 S₅로 갈수록 증가하였다.

Fig. 8 Load comparison: blade root

Fig. 9 Load comparison: rotating shaft

Fig. 10 Load comparison: stationary shaft

Fig. 11 Load comparison: yaw bearing

Fig. 12 Load comparison: tower top

Fig. 13 Load comparison: tower bottom

Fig. 14 Load comparison: blade edgewise moment

Fig. 15 Load comparison: blade flapwise moment

이것은 2.2절에서 예상한 바와 같이 지반 종류 S₁에서 S₅로 갈수록 주요 구성 부품의 고유진동수와 인접한 설계 스펙트럼 가속도 값의 크기에 따라 지진하중이 결정된다고 볼 수 있다.

따라서, 풍력발전기의 지진하중은 지진의 절대적인 가속도 크기보다 풍력발전기 주요 구성 부품의 고유진동수와 인접한 설계 스펙트럼 가속도의 크기가 주요구성 부품에 미치는 지진하중의 영향이 크다는 것을 알 수 있다.

특히 지반 종류 S₄와 S₅의 경우, 대다수 결과에서 설계하중을 초과하며, 블레이드의 Edgewise 하중의 경우, 지반 종류 S₁을 제외한 S₂부터 S₅까지는 설계하중을 초과하는 결과를 보인다.

여기서 주요 부품에서의 설계하중 초과가 설계 기준에서 요구하는 안전계수(Required safety factor)를 충족시키지 못한다는 의미는 아니다. 왜냐하면 각 구성품은 안전여유(Safety margin)를 갖도록 설계되었기 때문에, 하중이 증가하더라도 요구 안전계수를 충족시킬 수도 있기 때문이다. 그러나 산출된 하중이 설계하중을 초과하면 주요 부품의 안전율은 반드시 재검토되어야 한다.

4. 결론

본 논문에서는 국내 내진설계 관련 기준에 따라 지반 종류에 따른 지진 응답 스펙트럼 산정 및 지진파를 생성하였다. 국내 최대 규모의 지진은 2016년 9.12 지진, 규모 5.8 [7]로써, 본 논문에서 보수적인 결론 도출을 위해 적용된 지진 규모 7.0 이상 7.5 미만과 비교하여 낮은 수준이다.

IEC 기준에 따라 석션 버켓 타입의 트라이팟 하부구조물을 가지는 고정식 해상풍력발전기 모델에 대해서 지진이 고려된 하중 계산 및 하중을 산출하였다. 산출된 하중을 지진하중이 고려되지 않은 설계하중과 비교 및 평가 결과, 풍력발전기 주요 구성 부품의 고유진동수와 인접한 설계 스펙트럼 가속도의 크기에 의해 결정되며, 지반의 기반암 깊이가 깊고 연약한 지반일수록 지진하중이 증가하며, 진동에 취약한 풍력발전기 상부에 있는 주요 구성 부품에서 설계하중을 초과하는 결과가 나타났다.

또한, S₄와 S₅와 같이 연약한 지반의 문제점으로 외적 요인, 지진에 의해 발생하는 액상화 현상으로 발생하는 지반 침하 현상에 의한 추가 피해를 방지하기 위한 사전검토가 필수로 판단된다.

따라서 풍력발전기에 지진하중을 고려하는 경우, 지반 종류에 따라 지진하중의 차이를 보이고 설계하중을 초과할 수 있으므로, 지진하중 고려 시, 정확한 지반조건 선정 및 사전검토, 주요 부품의 안전성 검토가 필수적이다.

후기

이 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임. (20223030020010, 10MW급 해상풍력발전시스템 개발 및 실증)