Part 53. 전기는 얼마나 필요한가 - Electrical Load

1. 공정은 완성되었지만, 공장을 움직일 전력은 정해지지 않았다

 

무알콜 맥주 생산 플랜트의 공정설계가 마무리되었습니다.

 

PFD와 P&ID를 통해 원료가 어떻게 이동하고, 어떤 장비에서 처리되며, 어떤 계기로 공정을 제어할지 결정했습니다. 장비 데이터시트와 배관 계산서도 준비되었고, Control Philosophy를 통해 공장의 운전 방식까지 정의했습니다.

 

그러나 아직 중요한 질문 하나가 남아 있습니다.

 

이 공장을 실제로 가동하려면 전기가 얼마나 필요할까요?

 

발효액을 이송하는 펌프, 냉각수를 순환시키는 펌프, 증기를 공급하는 보조설비, 냉동기, 공기압축기, 제어시스템까지 공장의 수많은 장비는 전력을 필요로 합니다.

 

각 장비의 사양이 정해졌다고 해서 전력 공급설비의 용량까지 자동으로 결정되는 것은 아닙니다. 모든 장비가 동시에 가동되는지, 일부 장비는 예비용인지, 기동 할 때 순간적으로 얼마나 큰 전류가 필요한지에 따라 실제 전력 시스템의 설계 조건은 달라집니다.

 

전력 공급설비를 지나치게 작게 설계하면 주요 장비를 동시에 가동하지 못하거나 전압 저하 및 보호장치 동작 문제가 발생할 수 있습니다. 반대로 실제 운전 조건을 고려하지 않고 모든 장비의 정격을 단순 합산하면 변압기와 배전설비가 불필요하게 커져 초기 투자비와 운전비가 증가할 수 있습니다.

 

이 문제를 해결하기 위해 상세설계 단계에서 작성하는 핵심 문서가 바로 Electrical Load List, 즉 전기 부하 목록입니다.

 

 

2. Electrical Load란 무엇인가?

 

Electrical Load는 전력을 소비하는 모든 장비와 설비를 의미합니다. 플랜트에서는 공정 장비뿐 아니라 생산을 지원하고 안전한 운전을 유지하는 보조설비도 포함해야 합니다.

 

예를 들어 무알콜 맥주 생산 플랜트에서는 다음과 같은 전기 부하를 검토할 수 있습니다.

 

구분	주요 부하	설계 시 고려사항
공정설비	이송 펌프, 순환 펌프	운전 유량, 양정, 모터 용량
냉동·냉각설비	냉동기, 냉각수 펌프, 냉각탑 팬	냉각 부하, 동시 운전 조건
압축공기	공기압축기, 건조기	압축공기 수요, 운전·예비 구성
열원 및 보조설비	전기히터, 보조 펌프	가열 부하, 운전 시간
자동화설비	PLC, DCS, 계측기 전원	연속 전원 공급 및 UPS 필요 여부
건물 및 유틸리티	조명, HVAC, 콘센트	사용 구역, 운전 조건
안전설비	비상조명, 비상전원 관련 부하	정전 시 작동 필요성, 전원 분류

 

여기서 중요한 점은 전력을 소비하는 장비의 목록과 실제 필요한 전력의 목록은 서로 다르다는 것입니다.

 

예를 들어 생산용 펌프 두 대가 설치되어 있더라도 정상 운전 시 한 대만 가동하고 다른 한 대는 예비용으로 대기할 수 있습니다. 반면 특정 공정에서는 두 펌프를 동시에 운전해야 할 수도 있습니다.

 

따라서 전기 부하를 계산하려면 장비의 정격뿐 아니라 공정의 운전 시나리오까지 이해해야 합니다.

 

 

3. Electrical Load List는 어떻게 작성하는가?

 

Electrical Load List는 플랜트에 설치될 전기 부하를 체계적으로 정리하고, 각 부하의 전기적 특성과 운전 조건을 기록하는 설계 문서입니다.

 

이 문서는 전기 엔지니어가 변압기, 배전반, 모터제어반(MCC), 케이블 및 발전기 등의 용량을 검토하는 기초자료로 활용됩니다.

일반적으로 다음과 같은 항목을 포함합니다.

 

• Equipment Tag: 장비 식별번호
• Equipment Description: 장비명 및 서비스
• Rated Power: 모터 또는 장비의 정격 용량
• Voltage: 공급 전압
• Phase: 단상 또는 3상
• Power Factor: 역률
• Efficiency: 효율
• Operating Status: 연속 운전, 간헐 운전, 예비 장비 등
• Operating Load: 운전 조건을 반영한 부하
• Demand Load: 설계상 동시에 요구되는 부하
• Power Supply Classification: 일반전원, 비상전원, UPS 등
• MCC 또는 Panel Reference: 전원 공급 배전반 및 관련 회로

프로젝트의 설계 기준과 전기 엔지니어링 절차에 따라 항목과 산정 방식은 달라질 수 있습니다.

 

실무에서는 Mechanical Equipment List, 장비 데이터시트, P&ID, 공급업체 자료 및 운전 시나리오를 대조하면서 부하 목록을 작성합니다. 장비 용량이 변경되면 관련 전기 부하와 상위 전력설비의 용량도 함께 재검토해야 합니다.

 

 

4. 정격용량을 모두 더하면 필요한 전력이 나오는가?

 

이제 전력 산정의 핵심으로 들어가 보겠습니다.

 

전기 부하를 이해할 때는 다음 세 가지 개념을 구분해야 합니다.

 

① Connected Load — 설치 부하

 

설치된 장비의 정격 용량을 합산한 값입니다. 설치된 모든 장비를 기준으로 하므로 예비 장비도 포함할 수 있습니다.

 

② Operating Load — 운전 부하

 

실제 운전 상태에서 소비할 것으로 예상되는 전력입니다. 장비가 정격 부하로 항상 운전하지 않는다는 점을 고려합니다.

 

③ Maximum Demand 또는 Design Demand — 최대 수요 부하

 

설계에서 고려하는 특정 운전 조건에서 동시에 요구될 것으로 예상되는 전력입니다. 변압기와 상위 배전설비의 용량을 검토할 때 중요한 기준이 됩니다.

 

이 세 가지 값은 서로 다를 수 있습니다.

 

예를 들어 30 kW 모터 두 대가 설치되어 있지만, 한 대만 운전하고 다른 한 대는 예비용으로 사용한다면 정상 운전 조건에서 두 모터의 정격을 모두 더한 값이 실제 소비전력과 같지는 않습니다.

 

다만 예비 장비라고 해서 무조건 모든 설계 계산에서 제외해서는 안 됩니다. 두 장비의 동시 운전이 가능한지, 비상 상황에서 예비 장비가 자동으로 기동하는지, 정비 중 운전 구성이 어떻게 달라지는지 등을 확인해야 합니다.

 

즉, 전력 산정은 단순한 덧셈이 아니라 장비의 정격과 실제 운전 시나리오를 연결하는 작업입니다.

 

 

5. 전기 부하 계산의 기본 공식

 

먼저 개별 부하의 설치 용량은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

$$ P_{\mathrm{connected}}=\sum_{i=1}^{n}P_{\mathrm{rated},i} $$

 

여기서 \(P_{\mathrm{rated},i}\)는 각 장비의 정격 유효전력(kW)이며, \(n\)은 대상 장비의 수입니다.

 

운전 부하는 장비별 실제 부하율을 적용해 추정할 수 있습니다.

 

$$ P_{\mathrm{operating},i} =P_{\mathrm {rated}, i}\times LF_i $$

 

여기서 \(LF_i\)는 부하율(Load Factor)입니다. 예를 들어 정격 용량이 30 kW인 장비가 평균적으로 정격의 80%에 해당하는 전력을 소비한다고 가정하면 운전 부하는 24 kW로 추정됩니다.

 

다만 모터의 정격 출력과 전기 입력전력은 구분해야 합니다. 모터 명판의 kW가 축출력 기준이라면 전기 입력전력을 계산할 때 모터 효율을 반영해야 합니다.

 

$$ P_{\mathrm{input}} =\frac {P_{\mathrm {shaft}}}{\eta} $$

 

여기서 \(P_{\mathrm{shaft}}\)는 모터 축출력(kW), \(\eta\)는 모터 효율입니다. 공급업체가 전기 입력전력을 별도로 제공한다면 그 값을 우선적으로 확인해야 합니다.

 

설계상 수요 부하는 프로젝트에서 정한 수요율을 적용하여 추정할 수 있습니다.

 

$$ P_{\mathrm{demand},i} =P_{\mathrm {operating}, i}\times DF_i $$

 

여기서 \(DF_i\)는 수요율(Demand Factor)입니다. 단, 프로젝트에 따라 수요율을 설치 부하에 적용하거나 부하율과 동시사용률을 구분해 적용할 수 있습니다. 동일한 운전 조건을 두 번 감액하지 않도록 계산 기준을 명확히 해야 합니다.

 

주의할 점은 부하율, 수요율, 동시사용률이 모든 프로젝트에서 동일한 의미로 사용되는 것은 아니라는 사실입니다. 따라서 공식에 숫자를 대입하기 전에 프로젝트의 정의와 산정 기준부터 확인해야 합니다.

 

 

6. 실제 예제로 이해하는 Electrical Load Calculation

 

무알콜 맥주 생산 플랜트에 다음과 같은 전기 부하가 설치된다고 가정하겠습니다.

 

장비	설치 수량	정격 용량	설치 부하
이송 펌프	2대	15 kW	30 kW
냉각수 펌프	2대	11 kW	22 kW
냉동기	1대	75 kW	75 kW
공기압축기	2대	22 kW	44 kW
조명 및 일반 부하	1식	15 kW	15 kW
합계			186 kW

 

위 표의 정격 용량은 설명을 위한 가정값이며 실제 설비 사양이나 설계 기준을 의미하지 않습니다.

 

이 플랜트의 Connected Load는 186 kW입니다. 하지만 이 값만으로 변압기 용량을 확정할 수는 없습니다.

 

이송 펌프와 냉각수 펌프가 각각 1대씩 운전하는지, 공기압축기 두 대가 동시에 가동되는지, 냉동기 기동 시 다른 대형 모터도 함께 기동 하는지 등을 검토해야 합니다.

 

정상 운전 시 이송 펌프 1대(15 kW), 냉각수 펌프 1대(11 kW), 냉동기(75 kW), 공기압축기 1대(22 kW), 조명 및 일반 부하(15 kW)가 모두 가동된다고 가정하면, 정격 용량을 단순 합산한 운전 부하는 다음과 같습니다.

 

$$ P_{\mathrm{operating}} =15+11+75+22+15 =138\ \mathrm {kW} $$

 

이 138 kW는 해당 운전 시나리오에서 선택한 장비들의 정격 용량을 합산한 값입니다. 실제 전기 입력전력과는 다를 수 있으며, 장비별 부하율과 효율, 역률을 확인해야 합니다.

 

또한 공기압축기 예비기가 기동하는 비상 운전 조건이나 세정·살균(CIP) 운전 중 추가 장비가 가동되는 조건에서는 필요한 전력이 달라질 수 있습니다.

 

따라서 실무에서는 정상 생산, 기동, 세정, 정비 및 비상 운전 등의 주요 시나리오를 검토하고, 그중 전력 공급설비에 가장 큰 부담을 주는 조건을 설계에 반영합니다.

 

 

7. kW와 kVA는 왜 다른가?

 

Electrical Load List를 검토하다 보면 kW뿐 아니라 kVA라는 단위도 자주 등장합니다.

 

kW는 유효전력(Active Power)으로, 실제로 일을 수행하거나 열을 발생시키는 데 사용되는 전력을 나타냅니다. 반면 kVA는 피상전력(Apparent Power)으로, 전압과 전류를 기준으로 전력설비가 부담하는 전체 용량을 나타냅니다.

 

교류 전력 시스템에서는 전압과 전류의 위상 차이 때문에 두 값이 달라질 수 있습니다. 이 차이를 설명하는 주요 지표가 역률(Power Factor)입니다.

 

$$ PF=\frac{P}{S} $$

 

따라서 단상 또는 평형 3상 시스템의 유효전력과 피상전력 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ S=\frac{P}{PF} $$

 

여기서 \(P\)는 유효전력(kW), \(S\)는 피상전력(kVA), \(PF\)는 역률입니다.

 

예를 들어 유효전력이 100 kW이고 역률이 0.8이라면 필요한 피상전력은 다음과 같습니다.

 

$$ S=\frac{100}{0.8}=125\ \mathrm {kVA} $$

 

즉, 100 kW의 유효전력을 소비하는 부하라도 역률이 0.8이면 전력 공급설비는 125 kVA 수준의 피상전력을 부담합니다.

 

변압기 용량을 검토할 때 kW만 확인해서는 안 되는 이유입니다. 실제 설계에서는 장비별 역률, 전압, 효율 및 부하 특성을 확인하고 상위 전력설비의 용량을 산정해야 합니다.

 

 

8. 모터가 기동할 때는 왜 더 많은 전류가 필요한가?

 

정상 운전 중인 모터와 기동 순간의 모터는 전기적으로 다른 조건에 놓입니다.

 

일반적인 유도전동기는 기동 순간에 정상 운전전류보다 큰 전류를 요구할 수 있습니다. 이 기동전류는 전압 강하를 유발하고, 다른 장비의 운전에도 영향을 줄 수 있습니다.

 

예를 들어 냉동기와 공기압축기 같은 대형 모터가 설치된 플랜트에서 여러 장비가 동시에 기동 한다면 정상 운전 부하만으로는 전력 공급 시스템의 적정성을 충분히 판단할 수 없습니다.

전기 엔지니어는 다음 사항을 검토합니다.

 

• 모터의 정격전류와 기동전류
• 직입기동(DOL), 소프트 스타터 또는 인버터(VFD) 적용 여부
• 대형 모터의 기동 순서와 동시 기동 가능성
• 기동 중 허용 가능한 전압 강하
• 변압기 및 발전기의 기동 부하 대응 능력

여기서 중요한 점은 최대 수요 부하와 모터 기동 조건이 서로 다른 검토 항목이라는 것입니다. 부하 목록에서 정상 운전 부하가 충분하다고 확인되더라도, 모터 기동 및 전압 강하 검토를 별도로 수행해야 합니다.

 

 

9. 비상전원과 UPS 부하는 어떻게 구분하는가?

 

플랜트의 모든 전기 부하가 동일한 전원 공급 조건을 요구하는 것은 아닙니다.

 

정상적인 생산에 사용하는 일반 부하와 정전 시에도 기능을 유지해야 하는 안전·제어 관련 부하는 구분해서 검토해야 합니다.

 

예를 들어 제어시스템, 통신장비, 일부 계측장비는 정전 순간에도 일정 시간 전원을 유지해야 할 수 있습니다. 이러한 부하에는 설계 요구사항에 따라 UPS를 적용할 수 있습니다.

 

반면 비상조명, 비상정지 관련 설비, 비상 시 필요한 펌프 등은 해당 설비의 기능과 적용 규정에 따라 비상전원 공급 여부를 결정합니다. 모든 계측기나 모든 펌프에 UPS 또는 비상전원이 필요한 것은 아닙니다.

 

Electrical Load List에는 각 부하가 일반전원, 비상전원 또는 UPS 중 어디에 연결되는지 표시하는 것이 좋습니다. 이후 전기 엔지니어는 필수 부하의 우선순위와 정전 시 운전 시나리오를 바탕으로 비상전원 및 UPS 용량을 검토합니다.

 

이 과정에서는 단순한 전력 합계뿐 아니라 정전 시 어떤 기능을 유지해야 하는지에 대한 공정 및 안전 측면의 판단이 필요합니다.

 

 

10. Electrical Load List는 어떻게 변압기 용량으로 연결되는가?

 

Electrical Load List의 최종 목적은 장비 목록을 만드는 데 그치지 않습니다. 계산된 부하를 바탕으로 전력을 공급하는 상위 설비의 용량과 구성을 검토하는 데 있습니다.

 

일반적으로 설계 과정은 다음과 같이 연결됩니다.

 

1. 공정 및 유틸리티 장비 목록에서 전기 부하를 식별합니다.
2. 장비별 정격 용량, 효율, 역률 및 운전 조건을 확인합니다.
3. 정상 운전, 예비 장비 전환, 기동 및 비상 운전 조건을 검토합니다.
4. 운전 부하와 최대 수요 부하를 산정합니다.
5. 피상전력(kVA)과 전류를 계산하고 부하를 배전반별로 분배합니다.
6. 변압기, 배전반, 케이블 및 보호장치의 용량을 검토합니다.
7. 모터 기동, 전압 강하, 단락전류 및 보호협조 등 후속 전기 계산을 수행합니다.

변압기 용량은 단순히 총 kW에 일정한 비율을 곱해서 결정하는 값이 아닙니다. 최대 수요 피상전력, 부하 특성, 향후 증설 계획, 주변 온도 및 설치 조건, 전원 신뢰도 요구사항 등을 함께 검토해야 합니다.

 

또한 전기 부하 목록에서 사용한 가정과 계산 결과는 Single Line Diagram(SLD), 모터 목록, 케이블 스케줄 및 관련 계산서와 일관성을 유지해야 합니다.

 

 

11. 전력 설계에서 흔히 발생하는 실수

 

Electrical Load List를 작성하거나 검토할 때는 다음과 같은 실수를 주의해야 합니다.

 

첫째, 모든 장비의 정격 용량을 무조건 합산하는 것입니다.

 

Connected Load를 파악하는 데는 유용하지만, 그 값만으로 실제 최대 수요를 판단하면 설비가 과대 산정될 수 있습니다.

 

둘째, 예비 장비를 고려하지 않거나 반대로 무조건 제외하는 것입니다.

 

정상 운전과 비상 운전의 구성은 다를 수 있습니다. 예비 장비의 자동 기동 여부와 동시 운전 가능성을 확인해야 합니다.

 

셋째, 모터의 축출력과 전기 입력전력을 혼동하는 것입니다.

 

모터의 정격 kW가 축출력을 의미한다면 효율을 반영해야 합니다. 공급업체 데이터시트의 정격 정의를 확인하지 않으면 부하 산정이 부정확해질 수 있습니다.

 

넷째, kW만으로 변압기 용량을 결정하는 것입니다.

 

역률에 따라 피상전력이 달라지므로 kVA와 전류를 함께 검토해야 합니다.

 

다섯째, 모터 기동과 비상 운전 조건을 놓치는 것입니다.

 

정상 운전 부하가 적정하더라도 대형 모터의 기동 또는 비상 부하의 동시 투입 시 문제가 발생할 수 있습니다.

 

여섯째, 근거 없이 일률적인 여유율을 적용하는 것입니다.

 

향후 증설 여유는 필요할 수 있지만, 그 비율은 프로젝트 기준과 증설 계획에 따라 결정해야 합니다. 여유율을 적용했다면 적용 대상과 근거를 문서에 명시하는 것이 좋습니다.

 

 

12. 공정을 이해해야 전력도 정확하게 계산할 수 있다

 

Electrical Load List는 전기 엔지니어링 문서이지만, 정확한 부하 산정은 공정설계와 밀접하게 연결되어 있습니다.

 

어떤 펌프가 동시에 운전하는지, 냉동기가 언제 가동되는지, 세정 공정에서 어떤 유틸리티가 추가로 필요한지, 정전 시 어떤 장비가 계속 작동해야 하는지를 결정하는 데 공정의 운전 시나리오가 필요하기 때문입니다.

 

공정 엔지니어가 장비의 운전 조건과 공정 간 연계 관계를 정확하게 전달할수록 전기 엔지니어는 실제 운전 조건에 적합한 전력 시스템을 설계할 수 있습니다.

 

반대로 장비 목록만 전달하고 운전 조건을 설명하지 않으면, 전기 설계자는 실제 공정을 충분히 반영하지 못한 채 보수적인 가정을 적용할 수 있습니다.

 

결국 좋은 상세설계는 각 분야가 개별 문서를 완성하는 것만으로 이루어지지 않습니다. 공정설계에서 정의한 운전 조건이 기계, 배관, 계장 및 전기설계에 일관되게 반영되어야 비로소 하나의 플랜트가 완성됩니다.

 

 

공장을 움직이는 에너지의 크기를 결정하다

 

이번 Part 53에서는 Electrical Load의 개념부터 Electrical Load List 작성, 설치 부하와 운전 부하의 차이, 수요 부하 산정, kW와 kVA의 관계, 모터 기동 및 비상전원 검토까지 살펴보았습니다.

 

전기 부하 산정은 단순히 장비의 정격 용량을 더하는 작업이 아닙니다. 실제로 어떤 장비가 언제, 어떤 조건에서, 얼마나 동시에 운전하는지를 이해하고 이를 전력 공급 시스템의 설계 조건으로 변환하는 과정입니다.

 

이제 플랜트의 주요 장비가 요구하는 전력의 크기와 공급 조건을 검토할 수 있게 되었습니다. 다음 단계에서는 이렇게 산정된 전력을 실제 배전 시스템에 어떻게 연결하고 분배할 것인지 살펴볼 필요가 있습니다

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 5. Detailed Engineering — 공정을 실제 플랜트로 바꾸다

 

• Part 44. PFD 다음에는 무엇을 해야 하는가 - P&ID
• Part 45. 장비 하나를 설계하려면 무엇이 필요한가 - Equipment Datasheet
• Part 46. 배관은 몇 인치로 해야 하는가 - Pipe Sizing
• Part 47. 배관에서 압력은 얼마나 떨어지는가 - Hydraulic Calculation
• Part 48. 밸브는 어떻게 선정하는가 - Valve Selection
• Part 49. Control Valve의 크기는 어떻게 결정하는가 - Cv Sizing
• Part 50. 압력이 올라가면 어떻게 할 것인가 - PSV Design
• Part 51. 계기는 무엇을 측정해야 하는가 - Instrumentation
• Part 52. 공장은 어떻게 자동으로 움직이는가 - Control Philosophy
• Part 53. 전기는 얼마나 필요한가 - Electrical Load
• Part 54. 장비를 실제 공간에 배치하다 - Plot Plan & Layout
• Part 55. 배관을 실제 공간에 연결하다 - Piping Layout
• Part 56. 모든 설계가 서로 연결되어 있는가 - Interdisciplinary Design Review

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