플랜트의 Single Line Diagram (단선도) 작성 방법 (1)

 

플랜트를 설계하면서 전기와 관련해서 가장 중요한 사항 중의 하나가 단선도를 작성하는 것입니다. Single line diagram (단선도)를 많이 접해본 사람이라도 실제로 자산이 단선도를 작성하려고 하면 막막한 경우가 많습니다. 이번 포스팅에서 단선도 작성에 필요한 절차를 하나씩 살펴보도록 하겠습니다. 내용이 길어서 몇 개의 포스팅으로 나누어 올리겠습니다. 

 

1. 단선도 작성 시 고려해야 하는 내용

 

1) 프로젝트를 시작하게 되면 프로젝트 계약 서류에 포함된 단선도와 부하 계산서 그리고 각종 필수 계산서 등을 확인하게 됩니다. 대규모 석유화학 플랜트는 단순하지 않기 때문에 공장을 건설하려고 하는 회사 (발주처)는 단계별로 많은 검토를 하고 사전 설계를 실시해서 비용이 얼마나 들지를 체크하게 되고 이 사전 설계 자료를 EPC 업체들에 뿌려서 입찰을 받게 됩니다.

 

그래서 계약을 하면 이 사전 설계자료가 기초로 삼아 상세설계에 들어가게 되는 것이다. 프로젝트의 규모나 지역에 따라서 사전설계가 잘 되어 있기도 하고 매우 러프하게 되어 있기도 해서 항상 같은 수준의 자료가 제공되는 것이 아니기 때문에 사전 설계 자료는 시작점이지 절대적인 기준이 되는 것은 아닙니다.

 

2) 전기 설계에서 단선도가 차지하는 비중은 매우 큽니다. 단선도의 부하용량이 달라지거나 차단용량이 증가되거나 부하 개수가 증가하면 이는 모두 COST를 증가시키거나 감소시키게 되기 때문에 사전 설계 자료를 면밀히 검토하여 실제 단선도와 얼마나 차이가 나는지를 분석하여 발주처에 COST 증가에 따른 CHANGE ORDER를 요청해야 합니다.

 

2. 단선도의 목적

 

1) 단선도는 각 기기를 단순한 심벌을 사용하여 전력 시스템을 표현하는 도면입니다.

 

2) 전력 시스템을 보여주는 단선도는 시스템의 각 구성 요소에 대한 데이터 (정격, 전압, 전류, 주파수, 저항, 리액턴스 등)와 배치 그리고 각각의 연결 상태를 네트워크 형태로 보여주는 자료입니다.

 

3) 도면상의 각 요소는 실제 사이즈나 기기의 실제 위치를 나타내는 것은 아니지만, SWITCHGEAR나 다른 기구를 나타낼 때는 좌에서 우로, 위에서 아래로 등의 상식적인 시퀀스를 고려하여 나타내야 합니다.

 

4) 단선도에는 전력 네트워크 외에도 주요한 제어 시스템의 INTERFACE를 포함해야 합니다.

 

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3. 단선도 작성에 필요한 자료

 

1) 전력 공급 방법 (UTILITY 회사에서 수전, 자체 발전소 건설, 두 가지 병용 등)

2) 비상 전원 계통

3) 정격 전압 (수전 전압, 배전 전압, 전동기 전압, 전등 및 보조 전압 등)

4) 전력 배전 네트워크의 형식

5) 접지방식

6) 부하 목록

7) LOAD FLOW 와 SYSTEM STUDY 자료

8) 전기 기기 사이즈 계산

9) 보호 계전 시스템

10) 전압 강하 계산

 

4. 디자인 절차

위의 절차에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같습니다.

먼저 부하 분석을 통해서 어떤 구조의 네트워크를 적용할지 선택합니다. 그리고 필요한 변압기의 용량을 구하고 발전기가 있으면 발전기의 용량을 구합니다.

각 네트워크를 연결하는 CABLE, BUSDUCT 등의 사이즈를 선정합니다. 전압 강하를 계산해서 시스템이 정상적으로 운전 가능한지를 검증합니다. 단락 전류를 계산합니다. 그리고 차단기의 차단 용량을 선정합니다.

단락 전류에 따른 CABLE 사이즈의 적정성을 판단합니다. 보호계전 시스템을 선정하고 COORDINATION을 합니다. 각 단계에서 기기나 CABLE의 사이즈가 적절하지 않으면 다시 위로 가서 재 계산을 통해서 수정 반영하고 계속 진행하면 됩니다.

 

단선도 작성 두 번째는 LOAD LIST에 관한 내용입니다. LOAD LIST를 정확히 작성하는 것은 무엇보다 중요합니다. 운전 방식이나 부하의 특성을 정확히 이해하고 반영해야 과도한 부하 용량으로 설계되는 것을 방지할 수 있습니다.

 

5. 부하 정보 - 다음과 같은 자료나 정보가 필요합니다.

 

1) 설비 목록 (EQUIPMENT LIST) - 공정에서 작성합니다.

 

2) 정격용량 (Rated kW), 운전 용량 (Absorbed kW) - 전동기의 명판 상의 용량과 실제 운전 시 소모되는 용량을 확인, 운전 용량은 기계팀에 요청하여 접수하는데 대용량 전동기는 개별로 운전 용량을 접수하고 소용량은 정격용량의 90% 정도로 반영할 수 있습니다.

 

3) 부하율 (Load Factor) - 크게는 연속운전 (Continuous), 간헐적 운전 (Intermediate), 운전대기 (Standby)로 나누고 C, I, S로 표시하며 발주처 Spec에 따라 일반적으로 C - 1.0, I - 0.3, S - 0.0으로 반영하나 I를 0.5로 S를 0.1로 반영하는 경우도 있습니다.

 

4) 효율, 역률, kW, kVAR, kVA - 일반적으로 100% 부하에서의 효율과 역률을 적용하고 이 효율과 역률에 따른 kW, kVAR, kVA를 계산합니다.

 

5) 기동 방식 (Starting Method) - DOL (직입기동), Y-D (스타-델타 기동), VSD (인버터 기동), Soft Starter, Reactor Starter, Autotransformer Starter 등이 있습니다.

 

6) 전등, 전열, UPS, 보조 전력 등도 반영합니다.

 

7) 비상 부하 (Emergency Load), 정전 시 기동 부하 (Black Start Load)

 

8) 전력을 공급하는 Switchgear No, Bus No. 등을 기입합니다.

 

9) 최대 운전 부하 (Maximum Running Load), 최대 부하 (Peak Load)를 부하 계산서 (Load Summary Sheet)에 표현합니다.

 

10) 증설용 부하 (Future Load), 변압기 손실 (Transformer Loss) 등을 고려한 개별 Transformer 용량을 결정합니다.

 

6. 부하 계산서 (Load Summary Sheet) 샘플

최대 운전 부하 (Maximum running load) - 위 샘플에서는 maximum normal operating load로 표현되어 있는데 intermidiate 부하를 계산할 때는 부하 용량에 0.3 곱해서 합한 값과 intermidiate load 중 최댓값의 부하를 비교해서 더 큰 값을 포함시켜야 합니다. 즉 intermidiate load 중 용량이 큰 것이 있을 경우 이런 대용량 부하의 운전을 고려해야 하는 것입니다. Standby load의 계산에서도 부하 용량에 0.1을 곱한 값과 최대 용량의 부하 값 중에서 큰 것을 반영해야 합니다.

이번 포스팅에서 단선도 작성 절차와 부하 계산서에 대하여 알아 보았습니다. 부하 계산서 작성은 단선도 작성을 위해서 가장 필요한 업무이며 이 부하 계산서가 잘 작성되었다면 전기 설계의 상당 부분이 마무리되었다고 보아도 과언이 아닙니다. 다음 포스팅에서는 단선도에 포함되는 각종 기기의 사이즈를 결정하는 것부터 시작해 보겠습니다.