공직파(5-1) : Line Hydraulic Calculation에 대한 모든 것

플랜트 공정설계(Process Engineering)에서 배관의 크기를 결정하는 Line Sizing이 끝났다면, 그다음 단계는 바로 Hydraulic Calculation입니다.

이 단계는 단순히 ‘유량이 잘 흐를 수 있는지’ 확인하는 수준이 아니라, 실제 압력손실(Pressure Drop)을 정량적으로 계산하고, 펌프나 압축기 등의 기기 선정에 직접적인 영향을 주는 핵심 업무입니다.

 

이번 글에서는 Line Hydraulic Calculation 계산과정에 대해서 먼저 설명 드리는 시간을 갖겠습니다.

 

 

1. Line Sizing과 Hydraulic Calculation의 관계

Line Sizing은 주어진 유량에 대해 적절한 배관 내경(Nominal Diameter)을 선정하는 과정입니다.

 

반면 Hydraulic Calculation은 이 크기로 결정된 배관을 기준으로, 실제 운전 시 발생하는 압력손실과 에너지 손실을 수치로 검증하는 과정입니다.

 

즉, Line Sizing이 ‘설계 기준을 정하는’ 과정이라면, Hydraulic Calculation은 그 기준이 현실적인지 검증하는 엔지니어링 계산 단계입니다.

구분	Line Sizing	Hydraulic Calculation
목적	적정 배관 내경 선정	실제 압력손실 산출 및 검증
주요 입력값	유량, 유체 성질, 설계 압력	유량, 배관 길이, 피팅 개수, Elevation 차이
결과값	배관 내경	Total Pressure Drop, Head Loss
활용	기본 설계(PFS, P&ID 단계)	상세 설계 및 Pump/Compressor Spec 확정

 

2. Hydraulic Calculation의 핵심 개념

배관 내의 유체는 마찰과 피팅(Elbow, Valve 등)을 거치며 압력을 잃습니다. 이 손실을 정량화한 것이 Pressure Drop(압력손실)이며, 주로 Darcy-Weisbach 식을 사용합니다.

 

Darcy–Weisbach Equation

압력손실 계산식:
ΔP = f × (L/D) × (ρ × v² / 2)

• ΔP : Pressure Drop (Pa)
• f : Friction Factor (Darcy 마찰계수)
• L : Line 길이 (m)
• D : 내부 지름 (m)
• ρ : 유체 밀도 (kg/m³)
• v : 유속 (m/s)

Darcy 마찰계수 f는 유동 상태에 따라 달라집니다. 일반적으로 Moody Chart 또는 Colebrook-White 식을 통해 f값을 계산합니다.

 

 

3. 부차적 손실: Fitting 및 Elevation Head

실제 플랜트 배관에는 밸브, 엘보, 티(Tee) 등 다양한 피팅이 존재합니다. 이들은 유체의 흐름을 방해하며 추가적인 손실을 발생시킵니다. 이를 Minor Loss라 부릅니다.

Minor Loss 식:
h_L = K × (v² / 2g)

• h_L : 손실수두 (m)
• K : 피팅 손실계수 (Dimensionless, 각 피팅별 다름)
• v : 유속 (m/s)
• g : 중력가속도 (9.81 m/s²)

이 Minor Loss는 피팅의 개수와 종류에 따라 합산됩니다. 예를 들어 90° 엘보가 많거나, 밸브가 복잡한 라인일수록 손실이 커집니다.

 

또한, 배관의 높이차(Elevation Head)도 압력손실 계산에 포함됩니다.

전체 압력손실 식 (Total Head Loss):
H_total = h_f + h_L + h_z

• h_f : 배관 마찰손실
• h_L : 피팅 손실
• h_z : 고저차 손실 (Elevation Head)

 

4. 실무에서의 Hydraulic Calculation 절차

1) 입력값 확인

• 유량(Q), 밀도(ρ), 점도(μ), 배관 길이(L), 피팅 리스트를 확보
• 배관 재질 및 내경(D)을 Line Sizing 결과로부터 적용

2) Reynolds 수 계산

Re = (ρ × v × D) / μ

→ 난류 여부를 판단 (Re > 4000 → 난류)

 

3) Friction Factor(f) 산출

• Colebrook-White 식 또는 Moody Chart를 이용
• Roughness(조도)는 배관 재질별 표준값 사용

4) Pressure Drop 계산

• 각 구간별로 ΔP 계산 후, 총합하여 Total Pressure Drop 도출

5) 결과 검토 및 보고

• 전체 압력손실이 허용기준(예: 1.0~2.0 bar/km)을 초과하는지 검토
• 초과 시 배관 크기 재조정(Line Size Up)

 

5. 주의사항 및 실무 팁

• 온도 변화에 따른 밀도·점도 보정을 반드시 고려해야 합니다.
• Pipe roughness는 신품 기준이 아닌, 운전 후 열화 조건을 반영해야 현실적입니다.
• Piping isometric 또는 Layout drawing을 검토하여 실제 경사(Elevation)를 반영합니다.
• Control Valve, Orifice 등 압력강하 요소는 별도 Spec에서 Loss를 입력합니다.

 

마무리: 설계의 ‘수치적 검증’ 단계

Line Hydraulic Calculation은 플랜트 설계에서 배관의 유효성을 검증하는 마지막 단계입니다.

이 결과는 이후 펌프 선정, 압력용기 설계, 제어밸브 용량 결정 등 후속 설계 전반에 직접적인 영향을 미치는 핵심 데이터로 활용됩니다.

 

Line Sizing이 감(感)으로 시작됐다면, Hydraulic Calculation은 그 감을 수치로 증명하는 엔지니어의 논리적 검증 과정입니다.

다음시간에는 Pump Hydraulic Calculation에 대해서 설명드리겠습니다.