수용가 측에 설치한 발전기는 크게 비상용과 상용으로 나눈다. 비상용 발전기는 상용 전원 공급이 중단됐을 때 필요한 부하에 비상 전원을 공급하기 위한 것이며, 상용 발전기는 한전의 상용 전원 외에 상시 운전하는 부하에 전원을 공급하는 것이다. 일본은 3월에 동북부 지역의 대지진과 지진해일로 말미암아 대규모 정전 사태를 겪었다. 전력 부족이 심각해지자 일부에선 비상용 발전설비를 상용 발전으로 운전할 수 없는지 고민했다. 그러나 제작 목적과 그에 따른 관련 법령의 제약으로 현실적으로 어렵다는 것이 일반적인 견해다. 최근 국내에서도 전력 사용량 급증과 일본 원전 사고의 향후 대책으로 비상 발전기의 상용 발전 활용 여부를 문의하는 사례가 몇몇 눈에 띈다.
2011년 3월 일본 동북부 대지진은, 지진해일로 말미암은 피해와 더불어 도쿄전력과 도호쿠전력 관내 전력 공급 설비에 막대한 손해를 끼쳐 관내에 전력 공급 부족 사태를 초래했다. 이에 따른 전력회사의 계획 정전과 전력 수요 억제에 대응하기 위해, 비상용 발전 설비를 설치한 수용가에서 비상용 발전 설비를 상용 발전 설비로 운전할 수 없을까를 검토하는 움직임이 활발했다.
본고는 내연력(디젤 기관, 가스 엔진)이나 가스터빈을 이용한 자가 발전 설비에 대해 시스템 구성과 장치 · 기기 사양의 차이점을 소개한다.
시스템
비상용 발전 설비 | 비상용 발전 설비는 상용 전원이 정전됐을 때 비상용 예비 전원을 얻을 목적으로 전기를 발생하는 것으로, 상용 전원 사이에 인터록 장치를 시설하든지 접속하는 부하 회로를 상용 전원측 회로에서 독립시키는 것이 필요하다.
상용 발전 설비 | 상용 발전 설비의 운전 방식에 ▲피크 차단(Peak-cut) 운전 ▲기저 부하 운전이, 그리고 열병합 발전 설비로 할 경우엔 ▲전력 부하 추종 운전 ▲열 부하 추종 운전 등 여러 가지가 있다. 한편, 상용 전원 계통과 연계 유무에서 다음과 같은 구분이 가능하다.
① 독립 운전 : 상용 전원 계통과 관계없이 독립해 부하에 급전하는 방식이다. 자가 발전 설비에서 모든 부하에 급전하는 방식, 상용 전원으로 전환해 급전하는 방식 등이 있다.
② 계통 연계 운전 : 상용 전원 계통과 자가 발전 설비 출력 계통을 서로 접속하고 발전 설비가 수전계통과 병렬 운전해 부하에 급전하는 방식이다.
어떤 시스템을 택할지 상세한 검토가 필요하며, 채용하는 시스템에 따라 발전 설비의 제어 장치나 필요한 주변 설비도 다르므로 적절한 설비 설계가 필요하다.
법령 등으로 지정한 필요 보호 장치 | 일본 법령과 기준에 나타난 비상용 및 상용 발전 설비의 보호 장치는 <표 1>과 같다. 상용 발전 설비는 상시 감시를 하지 않는 발전소로 감시 제어 방식의 종류에 따라 규정되며, 표는 임시 순회의 경우를 나타낸다.
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한편, 이 표에 나타난 보호 장치는 법령 등에서 규정한 최저한의 필요 장치로, 기기 보호 등의 이유로 추가하는 보호 장치도 있다.
계통 연계 시 요건 | 상용 전원과 계통을 연계할 경우, 보안에 관한 사항은 전력 품질과 관련 있는 계통 연계 기술 요건 가이드라인(일본 자원에너지청)의 규정을 만족하는 동시에 전력회사와 사전 협의해야 한다.
보안을 위해 수변전 설비의 수전부 등에 일본 <전기해석>에서 제시한 계통 연계용 보호 계전기를 설치하며, 계통 사고가 발생했을 때 상용 전원 계통에서 분리해야 한다. 또한, 발전 설비에서 다음과 같은 이상이 발생했을 때 상용 전원 계통에서 분리하고 원동기를 자동으로 정지시키는 장치가 필요하다.
① 발전 전압이 크게 올라간 경우
② 발전 전압이 크게 떨어진 경우
그 밖에도 상용 전원과 계통 연계 운전하려면 발전 설비는 연계 운전에 필요한 동기 투입 제어 장치, 출력 전력 제어 장치 등과 같은 제어 장치가 필요하다.
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발전 설비의 구조 · 성능
상용 전원 정전 시 단시간에 운전되는 비상용에 비해, 상용은 긴 시간 연속 운전하기에 특히 원동기의 경우 긴 시간 운전에 적합한 기종 선정, 장치 설계, 내구성이 우수한 재료 채용 그리고 러닝코스트저감을 목적으로 한 고효율 기종 채용 등 비상용과는 다른 점이 있다.
비상용과 상용 발전 설비의 성능, 구조 등 주요 차이점을 소개한다(<표 2> 참조).
발전 설비의 운전 시간 | 비상용은 비상시 단시간 운전을 전제로 설계 · 제조하며, 특히 원동기의 경우 기계적 · 열적 강도 제약으로 장시간 운전에 한계가 있다. 일본 소방법과 건축기준법에 따른 방재 부하 중 자가 발전 설비가 감당할 수 있는 방재 부하가 필요로 하는 운전 시간은 30~120분이다. 흔히 방재용의 1회 연속 운전 시간은 2시간 정도로 하며, 연간 총 운전 시간은 약 500시간 이내로 한다. 한편, 보안용은 연속 운전 시간을 72시간 등으로 하는 경우도 있다.
상용은 피크 차단용, 기저부하용 등 용도에 따라 운전 시간이 다르다. 대략적인 운전 시간은 피크 차단용이 연속 운전 시간 4~10시간/일, 연간 총 운전 시간 500~2000시간, 기저 부하용이 연속 운전 시간 8~24시간/일, 연간 총 운전 시간 2000~8000시간이다.
발전 설비의 출력 | 원동기의 정격 출력은, 비상용은 연간 총 운전 시간과 1회 연속 운전 시간을 만족하는 범위에서 성능상 한계에 가까운 정격 출력으로 선정하며, 장시간 연속 운전하는 상용은 긴 수명을 고려해 여유가 있는 정격 출력으로 선정한다. 일반적으로 상용 정격 출력은 비상용 정격 출력의 70~80%다.
연료 소비량, 연료 종류 | 운전 시간이 짧은 비상용에 비해 운전 시간이 긴 상용은 러닝코스트를 간과할 수 없다. 따라서 연료 소비율이 적은 고효율 원동기를 선정한다.
한편, 발전 전용 설비 신설에 대해 '공장 등에서 에너지 사용 합리화에 관한 사업자 판단 기준'에서는 일본 내 화력 발전 전용 설비의 평균 수전단 효율과 비교해 연간 이 효율을 크게 밑돌지 않을 것으로 정했다.
또한, 사용 연료는 비상용은 경유 사용이 많으나 상용은 러닝코스트를 중시하다 보니 A중유가 많다.
윤활유 보유량 | 비상용은 표준 기름통에 따른 유량으로 연속 운전 시간을 만족하지만, 상용은 운전 시간이 길기에 윤활유 보유량을 늘리든지 자동 보급을 고려한다.
정기 점검 · 정비 | 비상용은 비상시가 아니면 정지상태여서 주로 설치 후 경과 시간을 기준으로 정한 시간 · 주기마다 점검과 정비를 한다. 방재용의 경우 일본 소방법에 기기 점검(6개월마다)과 종합 점검(1년마다)이 의무로 규정돼 있다.
상용은 장시간 연속 운전을 하기에 운전 시간을 기준으로 한 보수가 필요하다.
한편, 가스 터빈의 경우, 주야 연속 운전보다 매일 기동과 정지를 반복하는 것이 부품 피로 수명에 큰 영향을 미치기에 운전 계획에 맞춰 점검과 정비를 계획한다.
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비상용 발전 설비와 상용 발전 설비는 본디 설치 목적이 다르기에 관계 법령의 규제뿐 아니라 설비 · 장치 설계에서 부품 선정에 이르기까지 다방면에서 차이점이 있다. 따라서 비상용 발전 설비를 상용 발전설비로 사용하는 것은 현실적으로 어려운 점이 많다.
본고는 비상용 발전 설비와 상용 발전 설비의 일반적인 주요 차이점을 소개했으나, 비상용 혹은 상용이라고 한마디로 정의해도 그 시스템이나 사양은 개개 시설과 설비 설계, 제조사 등에 따라서도 다르다. 그러므로 구체적인 검토를 할 때엔 제조사를 포함한 관계자와 상담이 필요하다.
정리 전화영 기자
<Energy News>
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