최적의 선택과 결정
통합전기 추진체계 적용시 도전 과제
이미 상선 분야 및 육상 플랜트 산업계에서는 통합식 전기, 특히 고압전기 설비와 관련된 장비, 제품 그리고 설계 등은 많은 발전을 거듭해 왔고 지금도 충분히 적용 될 만큼 안정적인 성숙도를 보인다고 할 수 있다. 하지만 왜 중형급 수상 전투함에 있어서 아직도 통합전기 추진체계를 도입한 해군들이 없을까? 그 이유에 대해 앞서 언급한 약 10,000톤급 이하의 중형급 수상 전투함에 통합식 전기추진체계를 적용시 극복해야 할 과제 및 제한점에 대해 설명하고자 한다. 즉, 다른 말로 하면 하기 언급한 내용에 대한 대안과 충분한 예산, 리스크 감수를 한다고 하면 역설적으로 충분히 가능할 것이라 본다.
•첫번째로 출력 밀집도 높은 주요 장비를 찾는 것이다. 상대적으로 중량 및 공간적 여유가 있지 않은 전투함 특성상 고밀도 가스터빈 및 디젤 발전기와 추진 전동기 그리고 추진 컨버터를 찾는 것과 적절한 배치는 필수불가결한 것이다. 함정의 순항 속도에 맞게 운전을 하기 위해서 약 4~5MW급 높은 출력을 가진 중속 디젤엔진 발전기를 설치를 하고자 해도 중형급 전투함에서는 수용할 만한 공간과 중량의 여유가 없어 상대적으로 컴팩트한 고속 디젤엔진 발전기를 설치해야 한다. 현재까지 파악되고 있는 바로는 사용 가능한 이 고속 발전기의 최고 출력은 약 3MW이다. 동시에 가스터빈 발전기 또한 5 ~ 6MW의 출력을 내는 소형 발전기가 없고 현존 적용 가능한 대형 가스터빈 발전기는 모두 20MW 이상급으로 구성이 된다.
주어진 현존하는 군용 발전기들의 포트폴리오를 가지고 전력시스템을 구성을 하게되면 3MW 이하 디젤발전기들과 20MW이상 대형 가스터빈 발전기로 구성할 수 밖에 없는데 이는 6MW ~ 20MW의 출력 사용에 공백이 생길 수 밖에 없는 구성이 된다. 즉, 순항 속도내 대부분의 시간을 어쩔 수 없이 1대의 대형 발전기로 함정의 속력을 위한 출력을 낼 수 밖에 없게 되고 이는 단독 발전기 운전이라는 운용개념의 리스크를 해군의 감내해야 하는 문제가 있다. 또한 20MW이상 대형 발전기의 저출력대 운전으로(약 40%이하 부하율) 인해 연료비가 비효율적으로 급격히 늘어나는 문제점을 가질 수 있다. 이로인해 함정 연료유탱크 용량 증가의 요인이 되고 연차적으로 함정 크기 증가의 요인, 요구되는 추진마력 증가, 추진전동기 용량 증가 등으로 최적화 설계의 어려움에 대면할 수 있다.
참고로 영국 해군의 Type45에서는 WR21가스터빈의 폐열회수 재사용(Requperator) 장비를 신규 설치 사용함으로 비효율성을 감쇄할 수 있었기 때문에 해군이 대형 가스터빈 발전기 1대 저부한 단독 운용을 최종 결정할 수 있었다. 이러한 특수한 장치의 추가 설치 없이는 연료 감소 및 에너지 효율을 높이기 위해 통합전기 추진체계를 도입한다는 일반적 이유에 대해 반하는 정반대의 운전을 할 수 밖에 없는 경우가 될 수 있다.
•둘째로, 함정 전력시스템의 운용개념에 대한 정의 및 수립이다. 주요 장비들의 선정 전 추진/전력 시스템을 어떻게 운용할 것인지에 대한 개념을 정립한 후 이에 만족할 수 있는 장비들을 선정하는 단계로 넘어 가야한다. 예를 들어 전투배치 상황시 주어진 발전기 들에 대해 모두 병렬 운전이 가능해야 하는지, 주요 치명 장비(변압기, 추진모터 등)에 대한 이중화 장치 시스템은 무엇으로 해야 하는지 등 에 대한 운용 개념이 정립되어야 한다.
설치되는 발전기들의 용량의 차이가 클 수 있다는 것에 대해 어떻게 극복할 지 대안 또한 있어야 한다. 앞서 설명한 바와 같이 일반적 알려진 해군 사용가능 디젤발전기는 최대 3MW으로 알고 있고 가스터빈 발전기는 20MW 이상으로 알려 져 있습니다. 그 사이의 부하를 충당할 발전기가 없는 것에 대한 대비를 해야 하고 혹은 그에 따른 대형 가스터빈 발전기 단독 운용과 같은 제약에 대한 수용에 대해 열린 자세를 가져야 한다. 이를 위해 다양한 노하우가 반영되어야 하며 선행 연구들이 진행되어야 함은 자명한 사실이다.
•세번째로 전력 시스템의 효율성과 탄력성에 대한 과제이다. 약60MW 전, 후의 총 발전 전력이 요구되는 함정에서는 시스템 전압에 대해 심도있는 검토가 있어야 한다. 당연 상기와 같은 고부하에서는 현재 한국 해군에서 운용되고 있는 440V, 690V의 저압 설비로는 설치 및 운행을 할 수 없다. 처음으로 고압설비 전력시스템을 도입해야하는데 고압에는 4.16kV 부터 한국 표준인 3.3kV 와 6.6kV 그리고 11kV와 13.8kV가 고려될 수 있다.
각 전압에 따라 전력시스템의 안전 사항과 단락 사고전류치가 다르게 되어 작전 운용에 제한이 될 수 있기 때문에, 면밀한 설계 검토를 통해 어떤 전압을 사용해야 하는지에 대한 결정을 해야 한다. 만약 전투배치 상황에서 모든 발전기들이 어떤 긴급한 상황에 상호 보완할 수 있는 이중성 및 탄력성을 가지기 위해서는 모든 발전기 들이 병렬운전이 가능해야 하는데 약 60MW 전, 후의 총 전력을 쓰는 전력시스템에서는 최소한 11kV 이상으로 사용해야 안정적이다.
일례로 Type45의 4.16kV의 사례와 DDG-1000의 4.16kV사례로 전력시스템상의 효율성과 탄력성이 개선 요구 사례가 되어 가장 최근 건조된 퀸엘리자베스급 항공모함 QEC에서는 11kV로 설정함으로 상당한 효율과 탄력성을 갖출 수 있게 되었다. 또한 주어진 전력시스템 및 설치 장비(모터 드라이버 등)의 기술에 따라 때로는 대형 왜고조파 필터가 설치를 회피할 수 있는데 앞서 언급된 함정에서는 모두 대형 왜고조파 필터가 설치되어 더 복잡한 작전 운용개념 및 취약성을 가지게 되었다. 가능한한 고조파 필터를 회피하는 것이 더욱 안전하고 탄력성이 있는 전력 시스템이라고 할 수 있다.
일반적 상식으로 낮은 전압을 선택할 수록 전반적으로 전력케이블의 사이즈가 커지게 되어 중량이 기하급수적으로 늘어나게 되고, 이에 따른 전력케이블 설치 반경이 커지게 되어 설치 설계의 큰 제한이 되며 또한 설치 비용이 커진다고 할 수 있다. 대형 고조파 필터 설치시에는 관련 소음이 증가되어 별도의 소음 저감 설계가 요구되는 등 추가적 설계, 예산이 들게 된다.
•네번째는 함정의 미래를 대비한 추가 여유분(무게, 공간, 출력)에 대한 중요성이다. 함정은 한번 건조된 후 30년 이상 작전 운용되는 점을 비추어 볼 때 최근 급격한 기술변화/발전의 시대에 향후 5년 10년 뒤 어떤 무기체계 및 전투체계가 추가 또는 교체 될 지 알 수 없다. 분명한 것은 기술 발전의 속도로 볼때 레이저포와 같이 충분히 더 발전된 신형 무기체계가 설치 될 수 있다는 것이다.
이를 고려 한다면 함정과 같은 플랫폼에 적절한 공간과 에너지 출력에 대해 건조 당시 부터 고려해야 하는 것을 필수적인 요소이다. 최근 미해군의 신형 호위함 FFG-62에서도 미래 출력 마진이 함정 추진, 전력 시스템의 중요한 결정 요인으로 여겨졌고 구매요구사양서에 명기되었다. 이것을 위해 영국선급 해군함정규칙에서는 함정용 발전기의 발전자의 10% 과부하가 가능하도록 요구할 뿐만 아니라 원동기 자체에 현 기준 출력 대비 10% 여유 출력을 요구하고 있으며, 수명주기 여유분과 미래 무기 및 장비 변경과 관련되어 함정 설계의 여유분을 약 10% 또는 15%를 요구하여 사업 진행을 하고 있다. 하지만 이 기준값은 각 국 해군의 미래 정책 및 기술 정책에 따라 유동성 있게 정해지고 있다.
• 마지막 다섯번째 극복해야 할 과제는 한국형 미래 구축함 이름에 맞는 전력시스템에 대해 국산화율을 얼만큼 할 수 있는 가와 설계, 건조, 시운전, 실전배치에 까지 이르는 전반적 예상되는 위험에 대한 관리를 어떻게 통합적으로 할 것 인가에 대해 대책을 세워야 한다는 것이다.
또한, 함정 인도 이후 승조원들의 정기적인 교육을 위한 설비 또한 고려 대상에 있어야 한다. 통합전기 추진체계의 핵심은 고압전기, 전력 시스템을 설계하고 장비들을 선정하는 것인데 아직 특수성능을 요구하는 전투함정용 고압전력 시스템에 대한 설계 경험이 국내에는 없어 국외 기술을 의뢰해야하고 관련 장비 또한 대부분 수입해야 하는 실정이다. 그만큼 국산화율은 떨어진다고 할 수 밖에 없다. 또한 처음 도입하는 것으로 전반적인 건조 과정의 리스크로 인해 통합적인 설계와 건조, 시운전 또한 해외 업체에 의지할 수 밖에 없는 구조가 되어 예상치도 못한 추가 예산 투입 및 건조 지연 위험으로 함인도 지연에 따른 작전 투입 시기 또한 놓칠 수 도 있다.
무엇보다도 고압전기설비를 다루는 승조원들에 대한 철저한 교육 및 훈련이 전제 되어야 한다. 무엇보다 승조원 들의 생명과 직결된 사항은 보호가 되어야 하고 충분한 사전 준비가 되어야 한다. 이에 안전에 상당한 위험이 도사리고 있는 고압전기설비에 대해서 함정이라는 한정된 공간에서 다양한 숙련도와 기능을 가진 수많은 승조원 들에 대한 교육과 훈련은 실전 배치 전 육상에서 충분히 되어야 한고 실전과 유사한 육상 테스트 설비를 구축해야 한다. 이러한 예산과 지속적 교육, 훈련에 대한 대비책을 준비 하지 않고는 언제든 안전 사고를 맞이할 수 있다.
상기 논의한 도전 과제들과 제약들로 세계의 해군들의 전투함 사업에 있어 전기화(Electrification)의 흐름이 주어진 함정 플랫폼에 어떻게 영향을 주어 왔는지 간단히 설명하였다. 함정 사업간 주어진 작전 함운용 기본 조건과 건조 예산에 맞추었을때 가장 최적화된 추진시스템으로 적어도 상기 언급한 것에 대해 돌아보고 심도있는 검토가 필수적으로 선행되어야 할 것이다.
최적의 선택과 결정
앞서 지속적으로 설명한 바와 같이 영국을 포함한 선진 해군들은 1990년대 부터 추진, 전력 체계에 전기화(Electrification)를 도입하여 함정 사업을 이어져 왔으며 2000년대를 기점으로 통합식과 복합식(하이브리드) 추진체계 2가지 트렌드가 동시에 이뤄져 왔음을 알 수 있었다. 약 10,000급 이하의 중형 수상 전투함에 통합식 전기추진체계를 적용시에는 반드시 극복해야 할 과제로 전력 시스템 운영 개념 사전 수립과 시스템에 맞는 전압 설정 검토, 함정 수명주기동안 운용할 여유분(Growth margin)에 대한 면밀한 검토후 완벽하고 안정적인 대책이 수립되어야 한다. 즉, 함정 플랫폼의 조건, 형태에 따라 통합전기 추진체계 도입 여부가 다양하게 달라질 수 있다는 것을 알 수 있다.
한국 해군은 이미 알려졌듯이 정보함 등 지원함정에는 통합식으로, 신형 호위함, 신형 유류수송함 등 에는 복합식 전기추진체계를 선진 해군과 동일한 트렌드에 맞추어 여정을 함께해 오고 있다. 세계 어느 해군과도 뒤쳐지지 않고 앞서 나가는 선진 해군 그룹에 함께하고 있다고 자신있게 말할 수 있다. 그리고, 향후 5년 이후에는 울산급 배치 2, 배치 3함정이 주력 신형 호위함으로 실전 배치되고 롤스로이스의 MT30 신형 가스터빈으로 단독 가스터빈 복합식(하이브리드) 추진체계를 사용함으로써 해군의 전기화에 대한 기술력은 점차 완숙해 지고 충분한 노하우를 또한 축척할 것으로 예상되어 진다. 특히 현재 저전압 전기체계로 사용되는 함정에서 향후 고압 전력을 사용하는 복합식 추진체계의 징검다리 단계로 충분히 경험과 노하우를 축척하고 중이라고 할 수 있다.
미래 한국형 해군 전투 함정에 있어 전기화의 트렌드에 맞춰 추진, 전력 시스템에 대해서는 면밀히 검토되고야 하고 해군에서 어느정도의 리스크를 감내할 것에 대해 논의가 되어야 한다. 다시 말해 향후 미래 해군의 주축이 될 함대 기동전단에 맞는 한국형 구축함에 최적합한 추진체계를 찾아 선정하는 과정이 필요한 때이다.
[디펜스투데이]
