공직파(4) : Line Sizing이란 무엇인가?

화학, 정유, 가스, 발전 플랜트 등에서 공정설계(Process Design) 직무는 전체 플랜트의 효율과 안정성을 결정짓는 핵심 단계입니다. 그중에서도 Line Sizing(라인 사이징)은 단순히 배관의 크기를 정하는 작업으로 보이지만, 실제로는 유체의 흐름, 압력손실, 경제성, 안전성까지 모두 고려하는 정밀한 공학 설계 과정입니다.

이번 글에서는 공정설계 엔지니어가 수행하는 Line Sizing의 개념, 절차, 그리고 다른 계산과의 차이점을 체계적으로 살펴보겠습니다.

 

1. Line Sizing이란?

Line Sizing은 배관을 통해 흐르는 유체의 특성과 유량을 기준으로, 적정한 배관의 직경(Nominal Diameter)을 산정하는 과정을 의미합니다.
배관은 플랜트 내 모든 유체의 통로이자 연결망 역할을 하므로, 크기가 잘못 설정되면 경제적 손실이나 운전 불안정이 발생합니다.

• 너무 작은 배관 → 압력손실 증가, 펌프 과부하, 진동, 소음, 운전 불안정
• 너무 큰 배관 → 자재비 상승, 설치비 증가, 유지관리 비효율

따라서 Line Sizing은 플랜트 경제성과 안정성의 균형점을 찾는 핵심 엔지니어링 과정이라 할 수 있습니다.

 

 

2. Line Sizing의 기본 개념

Line Sizing을 이해하려면 세 가지 핵심 인자를 알아야 합니다.

1. 유량(Flow rate)
   • 배관을 통과하는 유체의 양으로, m³/h 또는 kg/h 단위로 표현됩니다.
   • 펌프, 압축기 용량 및 공정 운전 조건과 직결됩니다.
2. 유속(Velocity)
   • 유체가 배관 내를 이동하는 속도입니다.
   • 너무 빠르면 침식(Erosion)이나 진동이 발생하고, 너무 느리면 불필요한 설비비가 증가합니다.
3. 압력손실(Pressure Drop)
   • 유체가 흐르며 발생하는 마찰 손실 및 장치 손실을 의미합니다.
   • Darcy-Weisbach 식 등의 경험식을 사용해 계산합니다.

이 세 가지를 동시에 만족시켜야 하며, 이를 위해 공정설계 엔지니어는 유체역학적 분석과 경제성 검토를 병행합니다. 물론, 온도와 압력 역시 무시할 수 없는 인자이나, 이 글의 의도는 Line Sizing에서 3가지 인자 중 하나라도 범위에서 어긋나면 Trial & Error (시행착오법)을 반영하여 실무에 반영되어야 합니다.

 

 

3. Line Sizing 실무 순서

실무에서 많이 사용하는 순서는 아래와 같습니다.

1. 사이징 대상 배관의 유량 확인
   • 주로 PFD(Process Flow Diagram) 또는 Pump/Compressor 등의 사양서에서 유량 데이터를 취득합니다.
   • 유량 단위(부피/질량), 설계·운전 조건(온도·압력·상)도 함께 확인합니다.
2. 사내 설계 기준에 따른 적정 유속/압력손실/momentum 확인
   • 회사의 Design Basis에 정의된 유속 범위, 허용 압력손실(예: mbar/m 또는 kPa per 100m), momentum(특히 2 Phase·대형 유체 전환구간에서 중요)을 확인합니다.
   • 유체 특성(점도, 밀도, 상 변화 가능성)도 반영합니다.
3. Trial & Error를 통한 초안 결정 및 검토
   • 위 기준을 바탕으로 1차 배관 직경을 산정(Q = A × V).
   • 산정된 직경에서 유속·압력손실·momentum 값을 계산합니다.
   • 만약 계산값이 사내 기준을 벗어나면, 직경(또는 운전조건)을 조정하여 2)로 돌아가 재검토(반복 수행).
4. 결과 정리 및 문서화
   • 최종 확정된 사이징 결과를 Line List 및 계산 시트에 기록합니다.
   • 필요시 P&ID, Pressure Drop Report, HAZOP/운전 지침 등 후속 문서와 연계하여 배포합니다.

실무에서는 이 Trial & Error 루프를 자동화된 템플릿(Excel/VBA)으로 다수 라인에 대해 반복 계산을 빠르게 수행합니다. 하지만 최종 판단은 항상 엔지니어의 경험과 현장 운전조건을 고려해야 합니다. 

 

4. Flow Type 별 Line Sizing 설계 기준

배관 내 유체의 상(Phase)에 따라 설계 기준이 달라집니다. 각 상은 유속 범위와 설계 포인트가 다르며, 실무에서는 아래와 같이 구분합니다.

구분	유체 특성	일반 유속 기준 (예시)	주요 고려 사항
기상(Gas)	압축성 유체, 밀도 낮음	10~30 m/s	소음, 진동, 압력손실 주의
액상(Liquid)	비압축성 유체, 점도 영향 큼	1~3 m/s (Cooling water 기준)	캐비테이션(Cavitation), 펌프 흡입압력
2상(2-Phase)	기체+액체 혼합	5~20 m/s	Erosional Velocity (침식 속도)

• 기상 라인(Vapor line)의 경우, Sonic velocity(음속)에 근접하지 않도록 설계하며 압축기 입출구 배관에서는 압력손실이 매우 민감합니다.
• 액상 라인(Liquid line)은 펌프의 NPSH 조건을 고려해 과도한 손실이 없도록 설계합니다.
• 2상 흐름(2-Phase)는 배관 내 1종의 물질이 기상+액상으로 흐르는 현상을 의미합니다. 이때 2상 흐름에서 주요 고려사항은, Line Sizing 판단 시, 유속을 판단하는 기준은 Erosional Velocity 계산값이 Line Sizing 설계 기준값보다 크지 않아야 합니다.

 

5. Hydraulic Calculation과 다른 점은?

Hydraulic Calculation은 Line Sizing과 유사하지만, 목적과 범위에서 차이가 있습니다.

구분	Line Sizing	Hydraulic Calculation
목적	적정 배관 직경 선정	실제 운전 조건에서의 압력 및 유량 분포 분석
범위	단일 라인 또는 계통 기준	전체 배관망(System) 기준
결과물	적정 Line Size, 유속	압력 분포, 펌프 헤드, 시스템 저항곡선
활용 시점	기본설계(Front-end Engineering)	상세설계(Detail Engineering) 이후 검증단계

즉, Line Sizing은 “배관을 얼마로 할지”를 결정하는 설계 초기단계의 기준 설정 작업, Hydraulic Calculation은 실제 배관망에서 유동 거동과 압력분포를 검증하는 시뮬레이션 단계입니다.

 

실무에서는 Line Sizing 결과를 기반으로 Hydraulic Study를 수행하여 설계가 실제 운전에 적합한지 확인합니다.

프로젝트를 수행하다 보면, 일부 장치(Stationary+Rotating Equipment)들의 납기 기간이 최소 5~6개월 걸리는 경우도 많습니다. 이런 경우, Line Sizing을 초기 설계했다가, 장치 사양 조건 혹은 Piping Layout 등이 변함에 따라, 다시 Line Sizing 이후 Hydraulic Calculation 업무를 몇 번이고 동시 수행합니다. 그렇기에 Hydraulic Calculation은 당연히 Line Sizing과 별도 업무는 맞으나, 프로젝트 설계 업무 동안에는 항상 같이 따라오는 업무가 되겠습니다.

Line Sizing과 Hydraulic Calculation의 업무 상관관계는 다음과 같습니다: 제조회사 등 Client社에서 Line Sizing을 반영한 기본 설계 Data를 제공하고, 상세설계사 or EPC에서 접수된 Data에 의거하여 Hydraulic Calculation을 진행 후 적정 여부를 판단하여 Client에 솔루션을 제공하는 과정입니다. 

 

 

6. Line Sizing 이후의 실무 문서와 적용 과정

Line Sizing 결과는 여러 부서와 협업 시 핵심 기준 문서로 활용됩니다.
주요 문서는 다음과 같습니다.

1. Line List
   • Line No., Size, Material, Design Pressure/Temperature, Insulation 등 배관의 기본정보를 정리한 문서입니다.
   • Piping, Mechanical Engineer가 주로 참고하는 핵심 문서입니다.
2. P&ID (Piping & Instrument Diagram)
   • Line List의 정보가 시각화된 도면으로, 밸브, 계기, 드레인, 벤트 위치가 포함됩니다.
   • Line Sizing 결과가 반영되어 배관 굵기가 결정됩니다.
   • Line Sizing을 P&ID에 표기하는 방법은 회사마다 다르므로, P&ID Symbol&Legend를 반드시 확인하여 수정/이해 과정에서 오해가 없어야 합니다.
3. Process Design Basis
   • 회사별 설계 기준 및 유속 허용 범위가 정의된 문서입니다.
   • Line Sizing 수행 시 모든 엔지니어가 참조하는 기준이 됩니다.
   • 보통 회사의 노하우와 실무 경험을 바탕으로 범위가 적용되며, 특정 조건에서 범위가 일반적으로 다르면, 반드시 기재하여 오해 소지를 최소화해야 합니다.
4. Hydraulic Calculation Sheet / Pressure Drop Report
   • 상세 계산 결과를 검증하는 보조문서로, 주로 펌프·압축기 설계 시 활용됩니다.

결국, Line Sizing은 단독 업무가 아니라 공정설계, 배관설계, 기계설계 간의 협업 기반 데이터이며,
이 문서들의 정확성이 플랜트의 시공성과 운전 안정성을 좌우합니다.

 

 

결론 – 보이지 않는 설계의 정밀함, Line Sizing의 가치

Line Sizing은 단순한 배관 크기 결정이 아닌, 유체의 거동을 예측하고 경제성과 안전성을 동시에 만족시키는 핵심 엔지니어링 과정입니다.

적정한 배관 직경을 선정함으로써 압력손실을 최소화하고, 펌프 전력비용을 절감하며, 플랜트의 효율을 극대화할 수 있습니다.

디지털 트윈(Digital Twin), AI 기반 시뮬레이션 등 최신 기술이 발전하면서, Line Sizing 또한 점차 자동화·지능화 단계로 발전하고 있습니다. 하지만 여전히 핵심은 엔지니어의 판단력과 경험입니다.

 

공정설계 직무를 꿈꾸는 이들에게 Line Sizing은 ‘유체의 흐름을 수치로 읽는 첫 번째 기술’이며,
플랜트 엔지니어로 성장하기 위한 필수적인 출발점입니다.

 

다음 시간에는 Hydraulic Calculation에 대해서 글을 작성해 보겠습니다.