발전기 용량 산정

왜 배우는가: 발전기 용량 산정은 비상전원 설계의 출발점이며, 용량이 작으면 소방부하가 기동되지 않고 크면 설비비가 낭비된다. 예비전원설비 기준에 따른 일반부하와 소방부하 산정식은 2교시 논술과 1교시 용어 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제130회 2교시 2번, 제126회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

발전기 용량 산정은 상용전원 정전 시 부하를 기동·운전할 수 있도록 예비발전기의 정격출력을 계산하는 절차이다. 예비전원설비 용량은 일반부하와 소방부하를 나누어 산정하고, 그중 큰 값을 정격용량으로 선정한다

• 예비전원설비
• 자가발전설비
• 정격출력용량
• 기동부하
• 전동기 직입기동
• PG법
• 소방부하
• 일반부하

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 정전이 나면 발전기가 건물의 중요 설비를 대신 돌려야 하는데 그때 필요한 발전기 크기를 정하는 일이다. 정식 정의는 상용전원이 차단되었을 때 예비전원설비가 소방설비와 일반 중요 부하에 전력을 공급할 수 있도록 발전기의 연속정격출력과 기동 능력을 산정하는 과정이다.

예비전원설비는 상용전원 정전 시 소방설비 등 법정 부하에 전력을 공급하는 설비다. 구성은 발전기, 원동기, 연료설비, 자동절환장치(ATS)로 나뉜다. 자가발전설비는 같은 목적으로 건물 내에 설치하는 발전설비를 가리키는 일반 명칭이다.

정격출력용량은 발전기가 연속으로 낼 수 있는 정격 출력(kVA)이다. 계산된 부하용량 이상의 표준 정격을 선정하는 것이 원칙이다. 기동부하는 전동기가 기동할 때 순간적으로 흐르는 큰 입력을 말하며, 정상 운전 부하보다 크므로 발전기 용량 산정에서 별도로 본다.

일반부하는 소방설비를 제외한 건물 설비 중 정전 시 공급이 필요한 부하다. 소방부하는 소방펌프, 제연설비, 비상조명 등 법정 소방설비의 부하다. 두 부하는 동시 사용 여부와 기동 순서가 달라 따로 계산한다.

3. 등장 배경과 필요성

현대 건축물은 고층화와 전자화로 정전 시 중단되면 안 되는 부하가 많아졌다. 화재가 발생하면 소방펌프와 제연팬이 정전 없이 작동해야 인명 대피가 가능하다. 이 때문에 상용전원 외에 자가발전설비를 설치하도록 법으로 정하고 있다.

상용전원 정전 후 발전기가 부하를 투입하면 전동기의 기동전류로 전압이 크게 떨어질 수 있다. 그래서 용량이 작으면 소방펌프가 기동하지 않는 사고가 생긴다. 반대로 용량을 과도하게 크게 잡으면 설비비와 연료 설비 비용이 늘어난다.

기동부하를 고려하여 정격출력용량은 부하용량보다 여유를 두고 선정되는 경우가 많다고 알려져 있다. 이 값은 설계 조건에 따라 달라지므로 계산식으로 확인해야 한다.

따라서 설계 기준은 부하를 일반부하와 소방부하로 나누고, 전동기 기동 조건을 반영한 산정식을 정해 두었다. 이것이 KDS 31 60 20의 용량 산정 체계다.

4. 구성요소·원리·절차

예비전원설비 용량 산정은 발전기가 공급해야 할 부하 집계와 기동 특성을 함께 고려하는 과정이다. 부하는 상용전원 정전 시 공급 대상인 일반부하와 소방부하로 나뉘며, 전동기 부하는 기동전류 때문에 별도로 다룬다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

표 해설: 구성요소마다 역할과 집계 방법이 다르다. 전동기 부하는 기동 순간의 큰 전류가 발전기 용량을 결정하므로 운전 입력과 구분해 집계한다. 고조파 발생 부하는 발전기 출력을 키우는 방향으로 가중치를 준다.

발전기 용량 산정의 원리는 정격 운전 부하와 기동 부하의 두 가지 조건을 만족하는 값을 찾는 것이다. 정상 운전 중 부하를 감당하는 용량과, 최대 용량 전동기를 기동할 때 허용 전압강하 안에서 감당하는 용량을 비교한다. 두 값 중 큰 쪽이 발전기 정격이 된다. 이때 기동 순서상 마지막 전동기 기동 조건도 함께 검토한다.

산정 절차는 다음과 같다.

• 상용정전 시 공급 대상 부하를 일반부하와 소방부하로 구분하여 부하일람표를 작성한다.
• 전동기 부하와 전열부하를 나누어 각각 집계하고, 전동기는 직입기동으로 계산한다.
• 고조파 발생 부하는 별도로 집계하고 가중치 λ 를 적용한다.
• 정격 운전 조건에서 필요한 발전기 용량을 구한다.
• 최대 전동기 기동 시 허용 전압강하를 만족하는 용량을 구한다.
• 기동순서상 마지막 기동 조건의 용량을 구한다.
• 세 값 중 최댓값을 선정하고, 표준 정격 이상의 용량으로 정한다.

일반부하와 소방부하를 나누는 PG법의 기본식은 다음과 같다. 기호는 다음과 같다. G_p: 발전기 용량(kVA), \sum P: 전동기 이외 부하의 입력용량 합계(kVA), \sum P_m: 전동기 부하 집계(kW), \lambda: 고조파 발생 부하 가중치.

$G_p = \frac{\sum P}{\cos\theta \cdot \eta} + \ldots$

위 식은 입력용량을 효율과 역률로 나누어 출력 기준 용량으로 바꾸는 골격이다. 고조파 부하는 \lambda 를 곱한 값으로 더한다. 전동기 항은 기동 특성에 따라 별도 식으로 계산한다.

발전기 용량은 정격 운전 조건과 기동 조건 중 큰 값으로 결정한다

5. 관련 법령·기준·표준

예비전원설비의 용량 산정 기준은 예비전원설비 설계기준(KDS 31 60 20) 이다. 이 기준은 건설기술 기준 체계인 KDS 코드에 속하며, 비상발전기 설치와 용량 산정의 기준을 정한다.

표 해설: 전동기 기동 조건과 용량 결정 방식은 용량 계산의 핵심이다.

발전기 정격은 계산 용량 이상의 표준 정격으로 선정한다. 계산된 용량 이상의 표준정격 선정. 고조파를 발생하는 전력전자기기 부하가 많으면 제조업체가 제시하는 계산 방식을 참조한다. 정격출력은 기동부하를 감당해야 하므로 부하용량보다 크게 선정하는 것이 일반적이다. 실무에서는 부하용량보다 여유를 둔 용량으로 선정되는 사례가 보고되어 있다.

전동기 부하는 직입기동을 기준으로 계산하며, 동시 기동은 배제한다. 이 원칙은 기동 순간의 전압강하와 발전기 과부하를 줄이기 위한 것이다. 상용전원 정전 시 자동절환스위치로 비상전원을 공급하는 구조도 함께 고려한다.

KDS 31 60 20 은 현행 개정본을 기준으로 적용한다.

6. 유형과 비교

예비전원설비 용량 산정은 방식에 따라 결과가 달라진다. 용량 산정 방식은 일반부하와 소방부하를 어떻게 나누어 계산하느냐로 구분한다. 아래 표는 두 방식의 적용 대상과 계산 기준을 비교한다.

일반부하 산정은 정상 운전 부하를 기준으로 하고, 소방부하 산정은 기동 순간의 전압 강하와 기동 순서를 함께 본다. 두 방식 중 큰 값을 정격 용량으로 선정한다.