비상발전기
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캐터필러의 C175-20 쿼드터보 비상발전기
1. 기본 정의
위급상황 시에 전원이 공급되지 않는 경우에 전기를 생산하는 발전기. 대부분의 발전기는 이 용도로 못 쓴다. 참고로, 백업발전기나 상시발전기 등 다른 종류의 발전기들이 있는데, 비상발전기는 다른 용도로는 사용이 가능하다.
비상발전기로 사용 가능한 발전기는 대부분이 AVR#s-2 발전기이며 엔진 시동에서 출력 시작까지 약 2초 내에 완료될 수 있어야 한다. 그래서 인버터 발전기는 비상발전기로 사용 불가. 시동에서 출력까지 5초가 넘게 걸린다. 왜냐하면 여기에는 AVR 이나 C8051 같은 컴퓨터가 들어가는데, 인버터라는 물건 특성상 부팅에 시간이 많이 걸린다.
비상발전기는 조건에 따라 다른 용도의 발전기로 사용이 가능하며, 이것이 가능한 비상발전기는 차트에 비상발전용량과 상시발전용량을 별도로 표기한다.
비상발전기는 소방용과 일반 비상용 발전기로 구분되며, 건축물에서는 대부분 소방.비상겸용 발전기로 사용된다.
소방.비상겸용 발전기는 소방부하와 비상부하를 합산하여 정격출력용량을 산정하는 '합산용량 발전기'와 소방부하 또는 비상부하 중 더큰 한쪽 용량을 기준으로 정격출력용량을 산정하는 '소방전원 보존형 발전기'로 구분된다.
합산용량 발전기는 안전성은 확보되나 대용량 고비용으로서 라이프사이클 동안 사용하지 않는 유휴용량이 과다하여 자원낭비의 측면을 지닌다.
소방전원보존형 발전기는 소용량 저비용의 특징을 가지는 기종이다.
2. 용도
2.1. 발전소 백업용
고리 원자력의 1개 호기마다 이런 설비가 들어간다. 특이하게도, 발전소의 백업에는 약 10초간의 지연이 걸리는데, 저 발전기들이 모두 다 동기화가 되어야 계통에 연결 가능하기 때문. 1개의 비상 발전기는 아주 빠르게 가동되나, 여러개가 있을수록 동기화 하기 힘들어진다.
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물론, 여기에도 종류가 나뉘는데, 발전기 백업용으로서, 발전소의 발전기가 어떤 이유로건 뻗어버리는 경우, 발전기의 부하를 모조리 다 백업하는 용도로 쓰는 발전기가 있고 내부 제어시스템에 전원을 유지하는 목적으로써 UPS 대용으로 사용하는 발전기가 있다.
대개, 발전소 주 백업[1]에 들어가는 발전기는 4행정(stroke) 중속(600~1000 RPM)의 디젤 엔진+발전기가 장착된다. 이러한 디젤엔진+발전기는 본래 선박에서 전기를 생산[2]하거나 오지[3], 섬[4] 등에서 발전용으로 많이 사용 중이다. 여기에 사용되는 엔진을 공급하는 업체로는 현대중공업(힘센[5] 디젤엔진), 독일의 MAN이나 핀란드의 Wartsila, 일본의 다이하츠 등이 있다. 해당 발전기의 대당 출력은 연속최대 9000kW로, 보통 셋팅에는 8000kW 으로 derating[6]하여 집어넣는다.[7] 또한, 기존 선박/육상에서의 디젤발전기보다 훨씬 비싼 가격을 자랑하는데, 이게 바가지가 아니라, 비상 발전기로 납품하기 위해서 통과해야 하는 시험의 숫자가 장난 아니다.
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엔진[8]이 타 회사 엔진과 달리 아주 깔끔하게 생겼으니[9] 참고해보자.
KHNP의 자료에 따르면 국내 원전에는 모두 비상발전기가 있으며, 발전소 백업과 제어계통 백업의 두 기능 모두 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이전부터 있었다고 한다. 수력 발전소의 경우, 프란시스 수차를 쓰는 대형 댐식 발전소에 제어계통 발전기가 있다고 하니 혹시 인력이 매우 매우 적고 순환이 적은 한국전력공사의 눈앞에 지진으로 인한 전력선 단선사고가 전국적으로 일어나도 원전은 알아서 정지할 수 있단 말.
자주 가동 시험을 하는 지, 이런 사고가 발생할 때 잘 작동하는 것 같다.[10]
구체적인 구성에 대해선이 링크를 통해 확인 해 볼 수 있다. 이전 위키방에서 나온 결과에 따라 코렁탕의 위험으로 간주될 수 있는 내용이 1단락 존재하나 이 외에 참고자료가 없으니 양해 바란다.
2.2. 도시 백업용
대전광역시와 서울특별시에 거주하는 시민만이 누릴 수 있는 혜택.
서울시에는 위치 불명[11]의 디젤 비상발전시스템이 있어 약 3600kW 를 즉시 백업[12]할 수 있도록 되어있다. 또한, 서울특별시 마포구에 있는 당인리발전소를 사용하면, 가용률 20%대에서 서울시를 백업할 수 있다.[13]
게다가, 서울시에 있는 대부분의 대형 건물은 2000kW 이상의 자체 백업가능한 디젤,LNG 발전설비를 갖추고 있어서 실제로 한국전력 의존률은 낮을 것으로 보고있다. 즉, 다산콜센터에서 주장하는 3600kW 의 설비는 일반 재택유저가 사용할 수 있을 것으로 보인다.[14]
대전의 경우, 비상발전기를 사용하여 순시부하 분담 시스템을 운용하고 있는데, 확실히 묵혀뒀다가 급할때 안되는것보단 유익해 보인다. 대전에는 정부기관 소속의 디젤발전기가 약 570여 대[15] 있으며, 이들 발전기를 제외하더라도 3,300kW 의 발전기가 더 있다.
여기 나오는 발전기들은 다들 on-grid 가 가능한 발전기인데, 왜냐하면 일반적으로 대형 건물에는 모두 발전기가 설치되어 있으나 이들이 자기네만 물리지 계통에 연동해서 다른곳까지 전력을 공급할 일 따윈 '''절대로''' 일어나지 않을 것이기에 정부기관 소속 발전기나 발전소만이 온라인으로 전력을 공급하여 도시를 백업할 수 있기 때문이다.
다른 도시에는 없으니 집에 UPS 하나씩은 두자.
2.3. 건물 백업용
위에 보이는 발전기'들'이 하나씩 건물안에 있다고 보면 된다. 물론, 여러대 쓰는곳도 있다. 가장 좋아하는 발전기는 케터필러의 2000kW 발전기들. 이애들 단품으로 쓰거나 묶어쓰는게 가장 좋다고한다. 단품가격은 대당 10억.
커다란 빌딩에나 학교에는 다들 있는데, 기계실이나 전기실 혹은 발전기실을 따로 두어서 운영하며, 각종 계기에 의해 제어되는 불쌍한 기계다.[16] 절대적으로 ATS 나 UVR 의 입력을 우선으로 받아 작동하는것이 일단 기본적으로 쓰는 방법이다. 이 비상발전기는 보통 운용 시험을 하게되는데, 건물주 정책에 따라 다르지만 대부분 1달에 1번정도 20분을 돌려본다. 참고로, 20분 돌리는데 기름이 수백리터씩 들어간다는 점 유의 바란다.
건물이라고 해서 꼭 빌딩만 생각하지 말고, 가정용 비상발전기가 있다. 가스터빈[17]이나 디젤, 혹은 LPi 엔진이 쓰인다. 외국의 약간 갈색빛 상자모양 발전기 생각하면된다. 군대에서도 전방 GOP, GP에선 쉽게 볼 수 있다. 정전시에도 냉장고는 돌려야 탈없이 먹고 살 수 있으니까..
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왼쪽에 그거.
3. 차트
우리가 흔이 중형 비상겸용 디젤발전기를 한 돈 2천만원 주고 사면 제품 보증서와 함께 스팩차트가 딸려오는데 거기엔 최소 2가지 용량이 기입되어 있다. 가령 2016년 최신 커민스의 QSK 95 엔진을 장착한 C3500 D6e 모델의 데이터 시트를 살펴보면 출력값이 이렇게 나와있다.
model: C3500 D6e
Standby Rating: 3500 (4375)
Prime Rating: 3000 (3750)
Continuous Rating: 2750 (3438)
반면 비상발전기로 사용이 불가능한 수십억대의 현대중공업의 2016년 최신 힘센 엔진이 달린 발전기의 데이터 시트를 보면 출력값이 이렇게 나와있다.
- 용도에 따라 적절히 출력을 조정하면 얼마든지 비상발전기로 사용이 가능하다, 위에 발전소에서도 이보다 작은 사양의 힘센 엔진이 비상발전기로 들어간다. 아래 출력은 정격출력일 뿐이며, 용도에 따라 출력을 낮추고 다른 특성(110% 운전 가능시간 증가, 높은 가속성능 등)을 최적화하는 것이 가능하다.
model: 20H46/60V
engine power: 25,000kW
Generator power: 24,250kW
신기하게도 비상발전기는 같은 동체인데 여러개의 출력값이 나와있다. 이는 비상발전기의 부하 특성에 따른 것인데, 비상 발전기가 감당해야 하는 부하는 보통 120분을 기준, 발전기의 비상 발전을 목적으로 한 가동 시간 역시 120분으로 설정되기에 120분간 문제없이 출력 가능한 용량이 가장 먼저 비상발전기로서의 용량, 즉 Standby Rating에 기입된다. 비상발전기로 사용이 불가능한 발전기들은 이 Standby Rating이 없는 것으로 구분이 가능하곤 하다.
그렇다면 나머지 차트는 무엇인가. Prime Rating은 상용전원 절환상태로 운용시 발전기가 공급 가능한 최대 전력이다. 그러나 여기엔 약간의 함정이 숨어있는데, 상용운전 패턴이라고 하는 것이 24시간 동안 최소 3번 이상의 1시간 간격 110% 과부하가 있을 때 이 과부하 구간에서의 출력 가능 용량이며 전체 24시간 동안의 발전기 평균 출력은 70% 이하여야 한다는 것이다.
Continuous Rating은 과부하 없이 그냥 끝까지 가는 스팩을 말한다. 기동부하도 존재하지 않으며 언제나 일정한 출력이 나와야 할 때 이 수치를 근거로 발전기의 실질적 용량을 가늠해 볼 수 있다. 요즘은 이 표기를 데이터센터 레이팅이라고도 부르는데, 데이터 센터의 부하량은 거의 일정한 편이므로 발전기가 장시간 중단 없이 일정한 부하량을 백업할 수 있음을 보증하기 위해 이러한 표기를 하기도 한다.
따라서 비상 발전기의 용량을 산정할 때엔 비상발전시 구동될 부하량에 대해 용량 단위로만 선정하지 말고 비상전원으로서 얼마나 장시간 사용될 지도 검토를 해야 안태워먹고 쓸 수 있다. 물론 상시발전 용량으로 그걸 끼워맞춰도 되지만 이러면 용량낭비가 심하니까 가급적이면 적당히 좁히는 것이 좋다.
4. 비상발전기가 돌아간다면
비상발전기는 되게 다양한 이유에 있어서 간혹 가동되곤 한다. 자동화된 빌딩 관리 프로그램에이나 수변전 관리 프로그램이 예방정비와 점검을 위해 주기적으로 작동시키는 경우도 있고, 피크 부하시점에 피크 부하 경감을 위해 비상발전기를 돌려다가 병결운전하여 수전설비의 부담을 줄이는 경우도 있으며, 정말 정전이 났을 때에는 당연히 작동한다. 이 때 어떤 일들이 일어나는지 간단하게 알아보자.
비상발전기에는 높은 풍량의 Axial Flux Fan 이 엔진 동력과 직결되어 있다. 보통의 디젤엔진 발전기나 인버터 발전기나 아니면 자동차용 수냉식 엔진은 전자식 팬을 사용하거나 적어도 팬클러치는 끼고서 기계적인 동력을 팬에 전달하지만 비상 발전기는 그런 거 없다. 라디에이터에 달린 팬이 직결로 엔진의 주 구동축에 붙어있다던지 아니면 벨트로 구동된다. 비상발전기의 보통 돌아가는 속도는 어지간한 규모의 발전기가 아닌 이상 보통 1800rpm으로, 대량의 바람이 라디에이터를 들어가게 된다. 보통 건물에 비치되는 발전기의 경우 발전기 라디에이터의 배기 덕트 라인이 건물 외부로 연결되어 있는 구조, 보통 주차장이라던지 기계실 인근에 위치한 지상으로 가게 되며 발전기가 기동될 경우 보통 사람이라도 충분히 눈치 챌 만큼 엄청난 바람이 나온다.
요즘같이 EURO 규제를 받는 비상발전기들은 커먼레일이 적용된 최신예의 엔진을 사용하지만 그런 엔진들도 매연은 나온다.(특히 냉각수 히터로 예열이 되지 않으면 더 심하다. 특히 겨울에는 재수 없으면 매연만 나오고 시동이 걸리지 않다가 걸릴 때까지 돌리면 머플러와 배기매니폴드 사이 연결부위에 엔진오일이 뿜어져나오고 계속돌리면 엔진이 손상을 입는다. 그리고 스타트모터도 터진다. 그러므로 예열은 미리 해두어야 한다. 엔진 출력이 높을 수록 덩치도 거대해 시간이 많이 걸린다.)하물며, 안전성과 신속성이란 이유로 인해 기계식 타이밍 디바이스와 플런저 분사기구를 아직도 사용하는 근시대의 엔진들이 만들어내는 매연은? 심지어 비상발전기에 들어가는 엔진들은 무조건 ramp up era 를 줄이기 위해 다른 발전기들과 달리 가버너 디바이스의 PID 동작에서 제어계수가 매우 크게 되어있으며 이로 인해 초기 시동시에도 일반 플런저기반 디젤엔진에 비해 막대한 연료를 때려부어 엄청난 검은 연기를 만들어내는것은 물론이며, 부하가 변동되는 경우에도 매우 빠른 안정화를 위해 연료를 대량으로 투입, 다량의 매연이 발생하는 경향이 크다. 따라서, 비상발전기가 가동될 경우 건물 주변의 배기구에서 대량의 매연이 발생, 화재로 오인받을 가능성이 커지니 운전이 만약 시작될 경우 반드시 매연이 발생됨을 고지해야 한다.
비상 발전기는 소방전원과 비상전원을 공급하기 위해 존재한다. 가끔 가다보면 소방용 주 펌프가 엔진식인 경우도 있는데 이건 소방전원 보존형인 경우가 대부분이고 만약 합산식인데 소방펌프가 전기식이랑 엔진식이 병렬인 경우 건물주나 시설 설계한곳이 매우 센스가 좋을 가능성이 크다. 여튼, 이렇게 비상 전원은 소방용 전원과 비상용 전원으로 나뉘어져 공급이 진행되며, 보통 화재가 발생하지 않는 경우 소방용 전원의 사용량은 거의 없다고 보아도 무방하다. 그러나, 비상 발전기의 전력은 보통의 엔드 유저가 상주하는 공간까지 전력을 공급하지 못 한다. 설계 용량의 한계로 인해, 그리고 공급 우선 순위로 인해 대부분의 경우 정전이 발생하였을 때 비상발전기가 공급하는 전원은 당신이 있는 공간까지 가지 못 한다. 그런데 밖은 어두우면서 이 건물만 내가 있는곳까지 빛나는데요 한다면? 세상에 기계실에 비상발전기만 존재한다고 생각하지 말도록. 대형 건물들의 경우 비상발전기 말고도 상시발전기를 추가로 설비하는 경우도 많으며 이 경우 상시발전기와 비상발전기의 출력을 합산해 빌딩 전체를 백업하는것도 무리는 아니다. 대형 900RPM 8MW발전기의 시동 속도는 약 20~30초로 비상발전기의 2~3초대보단 느리지만 그 전력은 두어 대만으로도 빌딩을 백업하기에 충분하다. 유류비 빼고.
비상발전기가 공급하는 전력은 완벽한 형태의 사인파가 아니다. 특히 brushless AVR 방식을 사용하는 현대의 발전기 동체는 브러쉬리스 여자 방식을 사용하는 특성으로 인해 계자 코일에 맥류가 흐르는 경향이 크며, 이로 인해 전기자에서 만들어지는 교류에도 여자 전압에 남아있던 맥류가 흐르는 경향이 크게 나타난다. 일부 업체에서 사용중인 효율 98% 이상의 영구자석 보조식 발전기 또는 완전 영구자석식 발전기가 아닌 이상 또는 독일 Philler 같이 세상의 종말에서 나는 전기를 공급합니다 류의 물건이 아닌 이상 어쩔 수 없는 구조상의 한계로 인해 출력 전력에 맥류가 흐르게 되며 이로 인해 많은 조명부하들, 특히 AC직입력식 LED 조명이나 전자식이든 기계식이든 안정기를 끼고 작동하는 형광등은 불빛이 많이 흔들리게 된다. 단, 조명이 안 흔들리는 경우가 있는데 SMPS등 직류로 전환해서 구동하는 LED조명이나 내부에 정류회로와 타여자회로를 가지고 있는 형광등 안정기를 쓴 경우 및 CCFL 과 EEFL 조명 은 어지간히 거지같은 조건에서 불빛이 흔들리지 않는다.
5. BSDG
일반적으로 비상발전기의 전력은 크리티컬 부하 및 크리티컬 부하를 백업해주고 있는 UPS에 공급된다. 이들 비상발전기의 용량은 캐바캐가 있지만 건물 및 장비의 요구사항에 따라 2000kW ~ 10,000kW 또는 높은 경우엔 40,000kW 정도까지도 가능하다. 물론 일정 용량 이상은 여러개의 발전기를 묶어서 용량을 구현한다.
그러나 BSDG, Black Start Diesel Generator 라고 불리는 발전기들은 발전소를 재가동하기 위해 존재하는 특수한 디젤 발전기로, 출력 용량이 적게는 4MVA 에서 높게는 30MVA 까지 단일 동체만으로 구현하여 엄청난 출력을 보여주며 주로 화력 발전소를 재가동하기 위한 전력원으로 사용된다. 근래엔 여러개의 발전기를 싱크로나이저를 통해 다닥다닥 물려 캐스케이드로 발전기를 껏다켯다 하지만 출력과 관련된 문제가 있을 경우 대형 발전기 1개만 사용하는 경우가 대부분이다.
[1] 뻗은 발전기 백업[2] 예를 들어 냉동컨테이너를 운반하는 컨테이너선은 많은 양을 전기를 필요로 한다. 애시당초 바다 한 가운데에서 전기를 송전 받을수도 없고, 이런 엄청난 전력을 배터리로 때울 수는 없으니 선박에서는 추진용 엔진 외에 디젤 발전기로 전기를 생산한다. 크기가 작거나, 주로 전기를 많이 쓰는 시추선은 아예 추진용 2행정(stroke)엔진 대신, 이런 발전용 엔진을 여러 대 설치하여 전기추진을 하기도 한다. [3] 송전 설비를 갖추느니 차라리 이런 발전기를 설치하는 것이 싸게 먹힌다[4] 예를 들어 육지가 가까운 거제도와 같은 섬도 아니고 울릉도쯤 되면 송전탑으로 전기를 받아오는 건 불가능.[5] HiMSEN[6] 엔진출력을 줄이는 것. 비상발전기는 매우 좋은 가속성능-예를 들어 부하를 0%에서 33%까지 올리는데 소요되는 시간이 5초 이내로 될 것-을 얻기 위해 실시하는 경우가 있다.[7] (아래 사진의) 엔진의 경우, 실린더 당 500kW의 출력(현대중공업 엔진기계사업부 카탈로그 참조)을 내므로 9000 kW (= 500 kW x 18 cyl), 8000 kW로 추정된다)[8] 사진의 모델은 현대 힘센 H32/40V type 엔진[9] 기존의 발전용 엔진들에서 많이 사용하던 파이프를 최대한 억제하여 엔진 내부로 설계하였다.[10] 위에서 보다시피, 발전소 내 전원은 ATS 나 CTTS 같은 장치에 의해 전원이중화가 이루어져있다. 특히, 경미한 화상으로 그칠 정도의 저전류(지만 고전압)에서 바로 차단이 들어간 것은 설비관리가 잘되었음을 증명하기도 한다. [11] 상세한 위치는 코렁탕주의, 서울시가 수도이기도 하고 위치도 위치이며 무엇보다도 테러 방지 및 공작원의 공작을 방지하기 위함이기도 하다.[12] 다산 콜센터의 답변[13] 한국전력 전력통계속보에 따른 서울시 전력이용률과 당인리발전소의 출력증강시 최대 사용가능한 시간의 런타임을 사용한 계산값.[14] 라지만, 당인리발전소의 백업이 있으면 굳이 운용되지 않겠지.[15] 뉴스와이어 보도에 따름[16] 어디서는 기동 신호 들어오는데 어디서는 끄라는 신호 들어온다던지.[17] 터보샤프트 엔진이다.