예비동력원(비상발전기, UPS 등)

 

화학설비는 예기치 못한 정전, 자체 전기공급설비 고장 등 사고로 인하여 전원의 공급이 중단되면 설비의 안전문제와 경제적인 막대한 손실을 초래함으로, 최소한의 안전을 유지할 수 있도록 소방, 비상 공조, 경보, 조명, 계측제어, 통신, 필수 동력설비 등을 유지하는데 필요한 예비동력원의 확보가 필요하다.

 

 

예비동력원(비상발전기, UPS 등)

 

관련 법규

 

산업안전보건 기준에 관한 규칙 제276조(예비동력원 등) 

사업주는 특수화학설비와 그 부속설비에 사용하는 동력원에 대하여 다음 각 호의 사항을 준수하여야 한다.

1. 동력원의 이상에 의한 폭발이나 화재를 방지하기 위하여 즉시 사용할 수 있는 예비동력원을 갖추어 둘 것

2. 밸브ㆍ콕ㆍ스위치 등에 대해서는 오조작을 방지하기 위하여 잠금장치를 하고 색채표시 등으로 구분할 것

 

 

예비동력원 종류 등

 

화학설비는 대체로 장치산업인 관계로 예기치 못한 정전, 자체 전기공급설비 고장 등 사고로 인하여 전원의 공급이 중단되면 설비의 안전문제와 경제적인 막대한 손실을 가져온다. 그러므로 최소한의 안전을 유지할 수 있도록 소방, 비상 공조, 경보, 조명, 계측제어, 통신, 필수 동력설비 등을 유지하는데 필요한 예비동력원의 확보가 필요하다.

 

정격용량의 결정은 기본설계 할 때 설비의 불요불급한 최소기동설비의 전기용량을 기초로 일반 전원공급설비와 구분해서 가능한 충분한 용량의 것을 선정함이 요구된다.

 

예비동력원의 종류에는 다음과 같은 것이 있다.

비상전원(Emergency power)은 상용전원이 사고나 고장에 의해 공급되지못할 경우에 사용하기 위한 전력공급원이다.

일반적으로 비상발전기, 축전지 설비, 무정전 전원공급장치 등이 있다.

 

2곳 이상의 154 kV 이상 변전소에서 수전하고, 병렬운전하는 경우는 한 곳의 변전소에서 상용전원 공급이 차단되어도 다른 변전소에서 전원을 공급받을 수 있다면 계측제어, 비상조명 등에 공급하는 정도의 최소한의 비상전원 공급장치를 설치한다면 충분할 것이다.

 

 

비상전원 공급 대상

<비상발전기> 

화학설비에서 비상전원을 공급하여야 하는 설비는 기본설계개념, 해당 공정의 중요도, 규모, 운전방법 등에 따라 회사마다 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로 다음의 설비에는 비상발전기 비상전원을 공급한다.

 

1. 긴급차단벨브 부하(계장관련 전동벨브, 제어떨브 등)

2. 소방설비에 필요한 부하(자동화재탐지설비, 소화펌프 및 제어반 등)

3. 비상조명설비(옥내전등 및 위험물저장소 등 옥외건등 설비)

4. 양압설비, 공기 퍼지(Air purge 설비 등)

5. 배출가스 처리설비(소각, 흡수, 회수, 중화 등)

6. 이상 압력·온도 상승방지를 위한 설비(냉각수 펌프, 교반기 등)

7. 계장용 전원 및 압축공기 공급설비

8. 전기방식 및 항공장애등 설비

9. 무정전 전원공급장치(UPS) 비상전원 공급장치

10. 배출가스 회수설비에서 가스압축기

11. 계통도기타 안전상 중요하다고 인정되는 설비

 

<UPS>

무정전 전원공급장치(無停電 電源供給裝置, UPS, Uninterruptible Power Supply)로 비상전원을 공급하는 설비나 장치는 일반적으로 다음과 같다.

 

1. 긴급차단장치, 자동제어장치 및 계장용 전원

2. 방송설비, 통신설비 및 방호설비(CCTV 등) 전원

3. 소방시설의 제어 및 경보기 전원

4. 누출가스감지 경보시스템 전원

5. 조종실, 통제실, 전기실, 비상발전기실, 소방펌프실 등의 조명전원

 

 

비상발전기 용량산정

 

비상발전기 용량산정은 한국전력의 상용전원이 정전될 때 중요 부하에 대한 전력공급을 위해 비상용 발전기를 설치한다. 부하조건에 따라 발전기의 기동 및 전력공급 능력에 적합한 용량을 산정한다.

 

비상발전기 용량산정에 대한 계산 세부 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/549

산안법의 비상전원

 

비상전원 공급대상 설비의 구성은 평상시에는 상용전원을 공급받아 운용한다. 정전이 되면 자동전환스위치(ATS)가 비상발전기 전원 쪽으로 자동 전환시켜 발전기의 비상전원을 해당 부하에 공급하는 방식으로 한다.

 

비상발전기 정격용량의 선정은 주요설비의 기동순서를 고려한 기동부하, 계산된 용량 이상의 표준정격을 선정하여야 한다. 그리고 고조파를 발생하는 전력전자기기 부하가 많을 경우는 발전기 제조업체에서 제시하는 계산방식을 참조해 선정한다.

 

비상전원을 공급받는 설비는 기동방법에 따라 정격용량의 3 ~ 7배 이상의 기동부하가 걸려 기동부하가 중복되지 않도록 중요도와 용량에 따라 한다. 동시에 계산된 순서에 따라 기동될 수 있도록 일반전원과 분리하여 전원공급설비를 설치하는 것이 안정된 비상전원 공급이 가능하다.

 

 

비상발전기 종류 등

 

비상발전기 종류는 연료종류에 따라 경유(디젤)엔진, 가솔린엔진, 스팀터빈, 가스터빈 등이 있으나 일반적으로 신뢰성이 높은 경유엔진을 주로 사용한다. 최근에는 신속하고 안정된 비상전원을 공급하기 위해 가스터빈을 사용하는 경향이 있다.

 

NFPA 규격은 가솔린 엔진사용을 금지하고, 4시간 이상의 연료를 저장토록 권장하여 제조자가 요구하는 소비량 이상으로 저장한다. 또는 별도의 요구사항이 없다면 5.1 ℓ /kw(1 gal/hp)로 환산하여 저장한다.

 

정전되었을 때 모터기동 소방펌프 기동순서는 발전기 엔진을 기동하여 발전기에서 정주파수, 정전압을 확인한다. 동시에 ATS 스위치를 비상전원 쪽으로 자동 또는 수동으로 전환시키면 비상전원 공급설비 운전 기동순서에 따라 모터펌프를 기동하는데 까지 수분이 걸릴 수 있다.

 

그래서 모터펌프와 엔진펌프가 설치된 경우는 신속한 소방용수 공급을 위해 엔진기동을 우선순위로 운전토록 하여야 하다. 모터 용량이 큰 냉각수 펌프, 냉동기는 신속하고, 확실한 기동을 위해 엔진이나 터빈에 의한 직접구동 방식의 예비전원을 공급하는 것을 적극 권장한다.

 

소방용수 공급설비는 고가수조 및 산정수조, 엔진구동 소방펌프, 모터구동 소방펌프 순으로 신뢰도가 낮아진다. 고가수조나 산정수조는 비상시 간단한 밸브조작으로 냉각수, 소방용수 등을 공급할 수 있는 장점이 있다. 따라서 예비동력원으로 아주 신뢰성이 높으나 초기 투자비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

 

그러나 화재 등의 비상시 상용전원 공급이 불가능한 경우가 많아 모터구동 소방펌프는 엔진구동 소방펌프 보디 신뢰도가 2.27(42.5/18.7)배 낮아 엔진구동 소방펌프를 우선적으로 기동하는 이유 중에 하나가 된다.

 

엔진구동 압축기, 냉각수 펌프, 소방용수 펌프 등은 비상발전기의 용량. 기동순서, 기동부하, 모터의 기종방법, 전원의 안정성 등을 고려한다. 이 때 모터 용랑이 100 ~ 200 kW를 초과하면 엔진구동 비상발전기 전원을 이용한 기동은 어려울 것이다. 따라서 대용량의 모터 구동설비 대신에 엔진구동 설비를 설치하는 것이 안정된 비상전원 공급과 신속한 예비동력원 공급을 위해 적극 권장된다.

 

<비상설비 구동용 엔진 작동시험>

비상설비 구동용 엔진은 KOSHA GUIDE M-145-2012 “비상설비 구동용 엔진의 보수유지에 관한 기술지침”에서 무부하 상태에서 시동한다. 주 1회 시동시험을 실시하되, 비상발전기 구동용 엔진은 다음 방법 중 한 가지 이상을 이용하여 적어도 한 달에 한 번 이상, 최소 30 분 이상 작동시험을 실시한다. 작동시험 후에는 설비를 자동운전 상태로 유지한다.

 

1. 제조자가 권장하는 최소 배출가스온도를 유지하는 부하상태

2. 발전기 명판 정격용량(kW)의 30 % 이상으로 한 작동온도 조건

3. 위에서 요구되는 조건으로 부하를 연결하기 어려울 경우, 엔진의 냉각수 온도와 윤활유 압력이 정상 안정화 될 때 까지 엔진을 작동하여야한다. 그리고 그 후 30분 내에 작동시험을 종료한다.

 

비상발전기는 예비전원이나 최대부하부담(Peak shaving)에 사용되는 등 비상설비를 때때로 정상 상태에서도 운전하는 경우도 있다. 그러나 가능한 비상사태 이외에 사용하는 것은 피한다.

 

특히 소방펌프는 화재방호 이외의 목적으로 사용해서는 안 된다. 2대 이상의 비상발전기 또는 비상발전기와 상용전원 계통을 함께 병렬 운전하는 방법은 전압의 일치, 주파수의 일치, 위상의 일치 등의 조건을 만족시키고 계통적으로 동기투입이 가능한 설비를 갖추어야 한다.

 

또한, 상용전원의 일시적인 전압강하와 상시 전원 차단 시에 비상발전기의 우발적인 기동을 방지하기 위해 몇 초 동안 기동시간 지연장치(타이머)를 설치하는 것이 권장된다.

 

 

비상발전기실 설치 시 고려사항

 

비상발전기실은 UPS에 의한 비상조명을 확보하여야 한다. 실내의 조도는 100 lux 이상으로 하고, 비상발전기에서 방출되는 열로 인하여 발전기실 내의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위한 적절한 환기조치와 연료탱크의 용량산정은 다음과 같이 한다.

 

비상발전기의 기동시간, 상용전원의 정전 지속시간, 제작상의 권장 유지보수 시간을 고려해서 연료는 4 ~ 8 시간 이상 사용이 가능한 양을 저장한다. 배기가스는 근로자가 있는 건물 안으로 침입하는 것을 방지하는 기밀구조이어야 한다.

 

특히, 창문 환기구 입구 또는 엔진 공기흡입설비를 통해 건물이나 구조물에 독성 연무가 역류되지 않도록 방열기의 가열된 공기는 가능한 직선의 덕트를 이용하여 건물 밖으로 배출한다. 비상발전기실에는 비상발전기 운전절차 및 비상전원 공급계통도(전기단선도) 등을 비치한다.

 

만약 엔진실의 급기가 부족하거나 뜨거운 공기가 유입될 경우는 엔진실의 온도상승으로 엔진출력 저하, 엔진과열 위험이 있다. 따라서 급기구는 배기구의 반대쪽에 설치하고, 급배기구는 항상 열려있는 구조의 Damper를 설치한다. 만약 급기구 또는 배기구가 닫히면 공기의 흐름이 부족하여 엔진출력 저하와 과열위험이 있어 항상 열려있는 상태로 유지되어야 한다.

 

경유발전기실은 정전 시 신속하고 신뢰성 높은 기동을 위해 4 ℃ 이상 유지와 발전기에서 발생하는 열을 외부로 배출시키고 연소공기를 공급하기 위해 급배기시설을 설치한다.

 

 

축전지설비 및 UPS 개요

 

축전지설비는 축전지, 충전장치, 인버터 장치 등으로 구성되며 상시 전원이 정전되었을 때 비상발전기가 가동되어 정격전압을 확보할 때 까지 예비전원으로 사용한다. 축전지에서 부하에 이르는 전로에는 개폐기 또는 과전류차단기를 설치한다. 개방형 축전지는 전해액에 의해 쉽게 부식되지 않도록 절연물질의 거치대에 자기 유리재 등의 애자로 지지해서 설치한다.

 

축전지를 사용하는 비상전원으로서 무정전 전원공급장치(無停電 電源供給裝置, UPS, Uninterruptible Power Supply)가 있으며, 이것이 밀폐형 축전지설비를 이용한 무정전 Type의 전원장치이다.

 

정전 시 공기압축기 재기동 시간동안 계장(계측제어) 용 압축공기를 약 5 ~ 10분 이상 공급할 수 있도록 압력용기에 공기를 고압 또는 대용량을 저장한 설비와 비상전원을 공급하는 공기압축기 또는 공기압축기를 엔진으로 구동하는 설비 등이 있다.

 

비상시 계장용 압축공기 압력이 낮아지면 불활성 가스설비(에 질소, 이산화탄소 등)를 자동으로 전환하여 압축공기 설비에 공급하는 경우는 계장용 압축공기를 지속적으로 공급하는 장점도 있다. 그러나 계장설비에서 방출되는 불활성가스가 밀폐장소 또는 통풍이 불량한 곳에 체류되면 질식위험이 있어 금지한다.

 

기타 소방펌프, 자체 배터리 저장 경보설비(자동화재 탐지기, 가스경보기 등) 고가수조, 비상발전기의 신속한 기동과 점검을 위해 실내는 축전지 등을 이용한 무정전 조명장치로 100 lux 이상 유지해야 한다.

 

 

<축전지설비 작동시험 등>

 

비상발전기는 NFPA 110 “Standard for Emergency and Standby Power Systems 1996 Edition"에서 4.5 ℃에서 1회 15초 동안 기동을 시도해 실패한 경우 축전지 냉각과 성능회복을 위해 15초 동안 대기후 재가동을 총 3회(75초) 이상 시도하도록 규정하고 있다.

 

축전지방식 기동장치는 비상발전기 또는 소방펌프 제조자의 지침에 따라 비상시 기동하여야 한다. 그러나 일반적으로 NFPA 20 Standard for the Installation of Centrifugal Fire Pumps 2003 Edition에서 소방펌프는 4.5 ℃에서 1회 15초 동안 기동을 시도하여 실패한 경우 축전지 냉각과 성능회복을 위해 15초 동안 대기후 재기동을 총 12회(6분) 이상 시도하도록 규정하고 있다.

 

축전지방식 기동장치는 납축진지 외기(설치)온도, 축전지 방전상태, 엔진오일의 상태에 영향을 받는다. 대기온도기 25 ℃ 일 때 용량을 100 %라면 저장온도가 0 ℃ 이하로 떨어지면 축전지 용량이 63 %로 떨어져 기동이 실패할 기능성이 커진다.

 

일반적으로 상온 상태에서는 정격용량의 약 85 % 정도까지 방전되어도 기동이 가능할 수 있지만 장시간 사용으로 납축전지 용량이 떨어진 상태에서 외기온도가 - 10 ℃ 이하에서 50 % 이하로 방전되면 기동실패 가능성 높아 주기적으로 납축전지를 교체하여야 한다.

 

상온에서 엔진오일의 점도는 종류에 따라 별 차이가 없지만 겨울과 같이 외기온도가 낮아지면 점도가 올라가 기동모터의 부하가 증가할 수 있어 NFPA 20에서 엔진실의 온도는 4℃ 이상으로 유지하고, 냉각수 온도를 32 ℃ 이상으로 유지하도록 하는 것이다.

 

일반적으로 산업현장에서 사용하는 납축전지의 수명은 최소한 250회의 충/방전 사이클을 반복할 수 있어야 하는 것으로 규정되어 있다. 하지만, 외기온도에 따라 다음 그림과 같이 온도가 높으면 수명이 짧아진다.

 

<그림 1> 외기온도와 납축전지 작동수명

 

상온에서 2 ~ 3년이 지나면 일반적으로 납축전지는 사용이 가능한 용량이 정격용량의 50 % 이하로 떨어져 교체하여야 한다. 납축전지실은 통풍이 잘 되고, 직사광선을 피하여, 그늘진 곳에 설치하고, 25 ℃ 이하로 유지한다.

 

 

<축전지설비 분류 등>

 

비상전원 분류는 다음과 같다. NFPA 110 Standard for Emergency and Standby Power Systems 1996 Edition에서는 전환스위치의 부하단자에 허용전원이 없는 상태에서 비상전원공급설비에 비상전원을 공급하는데 허용하는 초단위의 최대시간으로 정의한다.

 

이러한 비상전원 유형과 비상전원공급설비(EPSS : Emergency power supply system)가 연료 재공급 없이 정격부하에서 작동하도록 설계한 최소시간등급을 다음 <표 1>, <표 2>와 같이 규정하고 있다. 화학공장에서는 10초 이내에 2시간 이상 동안 비상전원을 공급하는 설비를 설치하는 것을 권장한다.

 

<표 1> 비상전원공급 유형

유형 U	기본적으로 무정전(UPS 설비)
유형 10	10초
유형 60	60초
유형 120	120초
유형 M	수동 또는 비자동 ~ 시간 제한 없음

 

<표 2> 비상전원공급설비 등급

등급 0.083	0.083시간(5분)
등급 0.25	0.25시간(15분)
등급 2	2시간
등급 6	6시간
등급 48	48시간
등급 X	사용자가 필요로 하는 시간

 

Reference : KOSHA 화공안전 기술편람