발전기 용량산정

왜 배우는가: 발전기 용량산정은 화재 시 소방부하와 정전 시 비상부하를 어떻게 합산·선정하느냐에 따라 비상전원의 신뢰성과 건축 설비비가 함께 달라지는 문제이다. 기술사 시험에서는 용량산정 고려사항, 부하 분류, PG·RG 방식, 전동기 기동 특성 식이 반복해서 출제되므로 한 번에 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 1교시 12번, 제113회 4교시 1번, 제93회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비상발전기 용량산정은 소방부하·비상부하·기타 중요부하를 분류하고, 기동 특성을 반영해 정격출력용량을 정하는 절차이다.

핵심 키워드

• 정격출력용량
• 소방부하
• 비상부하
• 기타 중요부하
• 기동부하(기동 전류·기동 KVA)
• PG방식·RG방식
• 소방전원 보존형 발전기
• 수용률

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 비상발전기가 정전 때 감당해야 하는 부하의 합을 계산하고, 그 합을 견딜 수 있는 발전기를 고르는 일이다. 계산이 틀리면 두 가지 문제가 생긴다. 용량이 작으면 화재 때 과부하로 멈추고, 용량이 크면 시공비와 연료·배기가스 낭비가 커진다.

정식 정의는 다음과 같다. 정격출력용량은 정전 시 발전기가 연속 공급해야 하는 부하용량에 기동 여유를 더해 정한 발전기의 정격 출력이다. 부하는 용도에 따라 세 가지로 나눈다. 소방부하는 소방법에 따른 화재 진압과 대피 지원용 부하다. 비상부하는 타 법에서 비상전원 공급을 요구하며 화재 중 건물 기능과 인명 안전을 유지하는 부하다. 기타 중요부하는 비화재 정전 때에도 필수로 유지해야 하는 부하다. 급수·배수펌프, 승용승강기, 급배기팬, 냉동·냉장설비, 전등·전열, 보안시설 등이 여기에 든다.

전동기 부하는 기동할 때 정격 전류보다 훨씬 큰 전류를 순간적으로 끌어당기므로, 용량 산정에서 기동부하를 따로 본다. 기동 전류는 인가 전압에 비례하므로 기동 방식에 따라 발전기에 걸리는 부담이 달라진다. 수용률은 부하 전체가 동시에 최대로 사용되지 않는다는 점을 반영한 계수이지만, 비상부하 산정에 임의로 적용하면 과부하를 숨기게 된다.

PG방식은 부하 집계에 계수를 곱해 개략으로 용량을 잡는 방식이다. RG방식은 부하별 상세 정보를 써서 실제 운전 조건에 가깝게 계산하는 방식이다. 두 방식의 차이는 4교시 문제에서 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 국내에서는 소방부하와 비상부하를 겸용하는 발전기를 한쪽 부하 기준으로만 정하는 경우가 많았다. 정전 때는 문제가 없어도, 화재와 정전이 겹치면 두 부하의 합이 발전기 용량을 넘어 소방펌프와 배연설비가 멈추는 사고가 생길 수 있다. 이러한 문제를 막기 위해 소방부하를 우선 보호하고 기타 중요 부하를 순차 차단하는 소방전원 보존형 발전기가 개발되었다.

이 방식은 소방부하와 비상부하를 합산해 용량을 잡되, 정전 때 필수 부하를 우선 보호한다. 소방전용 발전기는 안전성은 높지만 비상부하용 발전기를 따로 두어야 하므로 설치 면적과 공사비가 늘어난다. 반면 소방부하 겸용 발전기는 용량 산정이 쉽지만 부하 누락이나 수용률 적용으로 과부하 위험이 커진다. 이 때문에 안전성과 경제성을 함께 고려하는 기준이 필요해졌다.

비상전원 결함의 주요 원인은 관리 소홀과 용량 부족이다. 시공비를 줄이려고 작은 용량을 택하면서 보존형 제어를 적용하지 않은 것이 용량 부족의 주된 배경이다. 따라서 용량산정 기준을 정하는 일은 설계 단계에서 사고를 막는 핵심 절차다.

4. 구성요소·원리·절차

비상발전기 용량산정은 부하를 화재 시 부하와 정전 시 부하로 나누어 집계하는 것에서 시작한다. 부하집계와 기동부하 여유가 핵심 구성요소다.

원리는 다음과 같다. 화재 시 부하 합계와 정전 시 부하 합계를 각각 구한 뒤, 두 값 중 큰 쪽을 정격출력 산정의 기준으로 삼는다. 전동기 부하는 기동 순간에 정격전류의 5~7배가 흐르므로 정상 운전 부하만으로 발전기를 고르면 기동 시 전압 강하와 기동 실패가 생긴다. 따라서 기동 특성을 반영한 여유를 더한다.

절차는 다음과 같다.

• 화재 시 부하와 정전 시 부하를 구분하여 각각 부하일람표를 작성한다.
• 전동기 부하와 전열 부하를 나누어 비상발전기 부하집계표를 작성한다.
• 전동기 부하별 기동방식과 기동전류 배수를 확인한다.
• 기동 시 필요 용량을 GP 공식으로 구하고 정격출력용량을 선정한다.
• 전원단선결선도에 정전 시 부하용 차단기를 지정하고 제어장치의 출력단자와 트립단자를 제어선으로 연결한다.
• 제어장치가 공인 검수시험성적서로 소방전원 보존 성능을 확인받았는지 점검한다.

정격출력용량은 기동부하를 감당해야 하므로 부하용량보다 약 1.6~1.8배 더 크게 선정된다. 이 값은 설계 절차에서 흔히 쓰는 개략 배수이며, 실제 값은 기동 방식과 부하 구성에 따라 달라진다.

화재 시 부하와 정전 시 부하 중 큰 쪽을 기준으로 용량을 정하고, 전동기 기동 여유를 더한다.

위 절차에서 두 번째 단계(부하집계표)가 누락되면 정격출력이 과소 산정되어 화재 시 과부하가 생긴다. 따라서 집계 단계를 생략하지 않는다.

5. 관련 법령·기준·표준

비상발전기 용량 산정의 기준은 소방 기준과 건축·설비 설계 기준으로 나뉜다. 소방 쪽은 2022-12-01부터 화재안전기준이 화재안전성능기준(NFPC, 고시)과 화재안전기술기준(NFTC, 공고)으로 나뉘었고, 법률은 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」(소방시설법)이다. 설계 쪽은 건설기준코드의 비상용 예비발전설비 설계기준(KDS 31 60 20)이 GP 공식을 제시한다.

국내 실무에서는 LH공사 전기통신설비설계지침 등에 따라 화재 시 부하와 정전 시 부하를 각각 집계하고 더 큰 쪽을 적용하는 방식이 널리 쓰인다. 이 방식이 경제성과 안전성의 표준 격으로 보편화되어 있다.

개정 연혁은 다음과 같다. 소방전원 보존형 발전기는 한쪽 부하 기준 산정의 문제를 해결하기 위해 개발된 제품이다. 기존 방식은 합산부하가 아니라 한쪽 부하만으로 용량을 정해 화재·정전 시 용량 부족을 낳았다. 이 문제를 줄이려고 제어장치 기반의 보존 방식이 도입되었다.

기동방식에 따른 계수는 과거 일본 방식의 전동기 기동계급 계수와 관련이 있다. 현행 국내 설계는 KDS 31 60 20 의 GP 공식을 쓰는 것을 기본으로 한다.

6. 유형과 비교

비상발전기는 부하를 어떻게 묶어 용량을 산정하느냐에 따라 소방전용 발전기, 소방부하 겸용 발전기, 소방전원 보존형 발전기로 나뉜다. 세 기종은 정격출력용량, 안전성, 경제성이 서로 다르므로 설계 단계에서 발주자 요구와 건물 용도에 맞춰 선택한다.