Part 66. 첫 번째 문제가 발생했다 — Design Review에서 발견된 오류

설계는 완료되었습니다. 장비 사양서도 작성했고, Vendor로부터 도면과 기술자료를 받아 검토했습니다. 이제 모든 장비가 설계조건을 만족하는지 확인하고 실제 제작 단계로 넘어갈 준비를 하고 있습니다.

 

그런데 Design Review 회의에서 예상하지 못한 질문이 나왔습니다.

 

"이 배관으로 설계 유량을 실제로 확보할 수 있습니까?"

 

"펌프가 정지했을 때 이 구간의 유체는 어디로 이동합니까?"

 

"이 밸브를 닫으면 장비 내부에 압력이 갇히지 않습니까?"

 

도면에는 분명히 모든 배관과 밸브가 그려져 있었습니다. 계산서도 작성되어 있었고, 장비 사양서 역시 설계기준에 맞춰 작성되었습니다.

 

하지만 각각의 문서가 올바르다는 사실과 전체 시스템이 정상적으로 작동한다는 사실은 서로 다릅니다.

 

이번 Design Review에서 발견된 문제는 바로 그 차이에서 시작되었습니다.

 

 

1. Design Review란 무엇인가?

 

Design Review는 설계 결과물이 프로젝트의 요구사항, 설계기준, 운전조건 및 관련 기술기준을 충족하는지 확인하는 검토 과정입니다.

 

단순히 도면에 오탈자가 있는지 확인하는 작업이 아닙니다. 설계자가 의도한 기능이 실제 시스템에서도 구현될 수 있는지 검증하는 과정입니다.

 

특히 공정설비에서는 다음과 같은 항목을 확인해야 합니다.

 

검토 항목	주요 확인 내용
Design Basis	설계에 사용한 유량, 압력, 온도 및 물성치가 적절한가?
Process Design	물질수지와 에너지수지가 성립하는가?
Hydraulic Design	배관 및 장비의 압력강하가 허용범위 이내인가?
P&ID	밸브, 계기, 우회배관 및 보호장치가 적절하게 구성되었는가?
Equipment	장비가 설계조건과 운전조건을 만족하는가?
Operability	기동, 정상운전, 정지 및 비정상운전이 가능한가?
Constructability	실제로 설치하고 유지보수할 수 있는 구조인가?

 

이러한 검토는 공정 엔지니어 한 명의 판단으로 끝나지 않습니다. 배관, 기계, 계장, 전기 및 안전 분야가 서로의 설계를 확인하는 Interdisciplinary Design Review가 필요합니다.

 

설계 검토의 목적은 설계 오류가 시공과 운전 단계까지 넘어가는 가능성을 줄이는 것입니다. 다만 모든 오류를 완벽하게 제거할 수 있는 단일 검토 방법은 존재하지 않습니다.

 

Design Review와 HAZOP의 차이

두 활동은 모두 설계의 문제점을 발견하기 위한 것이지만, 검토의 관점이 다릅니다.

 

구분	Design Review	HAZOP
핵심 목적	설계의 기술적 적합성 검증	공정의 위험 및 운전상 문제 식별
주요 질문	설계가 요구조건을 만족하는가?	설계 의도에서 벗어나면 어떤 일이 발생하는가?
검토 방식	계산서, 도면, 사양서 및 설계기준 검토	Guide Word를 이용한 체계적 편차 분석
주요 결과	설계 오류 및 수정사항	위험 시나리오 및 권고사항

 

HAZOP은 설계가 어느 정도 구체화된 상태에서 다학제 팀이 공정의 각 구간을 검토하고, 설계 의도에서 벗어나는 편차를 분석하는 방법입니다. 따라서 Design Review와 HAZOP은 서로 대체하는 활동이 아니라 상호 보완적인 검토 과정으로 이해하는 것이 적절합니다. 

 

 

2. 첫 번째 오류 — 계산은 맞았지만, 설계조건이 잘못되었다

 

Beer to Zero Project의 공정설비를 검토한다고 가정해 보겠습니다.

 

맥주를 생산하는 발효공정이 아니라, 기존 맥주에서 알코올을 제거하는 공정이므로 원료의 조성과 처리량에 따라 공정조건이 달라질 수 있습니다.

 

설계자는 우선 처리량을 기준으로 장비와 배관을 선정합니다.

 

예를 들어 다음과 같은 조건을 가정하겠습니다.

 

항목	설계조건
설계 유량	10 m³/h
배관 내경	52.5 mm
유체	물과 유사한 액체
밀도	1,000 kg/m³
점도	1.0 mPa·s

 

이 조건에서 배관의 평균 유속을 계산하면 다음과 같습니다.

 

$$ v = \frac{Q}{A} = \frac {4Q}{\pi D^2} $$

 

여기서,

 

• \(v\) : 평균 유속 (m/s)
• \(Q\) : 체적유량 (m³/s)
• \(D\) : 배관 내경 (m)

설계 유량 10 m³/h를 초당 유량으로 변환하면 다음과 같습니다.

 

$$ Q = \frac{10}{3600} = 0.002778 \; \mathrm {m^3/s} $$

 

배관 내경 52.5 mm를 적용하면 평균 유속은 약 1.28 m/s입니다.

 

$$ v = \frac{4 \times 0.002778} {\pi \times 0.0525^2} \approx 1.28 \; \mathrm {m/s} $$

 

이 계산만 보면 배관은 설계 유량을 처리할 수 있는 것으로 보입니다.

 

그런데 Design Review에서 다음과 같은 질문이 나옵니다.

 

"이 유량은 실제 정상운전 유량입니까? 아니면 최대 설계 유량입니까?"

 

이 질문이 중요한 이유는 설계 유량이 실제 공정의 운전조건과 일치하지 않을 수 있기 때문입니다.

 

만약 10 m³/h가 최대 설계 유량이고 정상운전 유량이 6 m³/h라면, 정상운전 시 유속은 약 0.77 m/s가 됩니다.

 

반대로 실제 공정에서 12 m³/h가 필요한데 설계 유량을 10 m³/h로 설정했다면, 계산서가 정확하더라도 시스템은 요구조건을 만족하지 못할 수 있습니다.

 

계산 오류와 설계기준 오류는 서로 다른 문제입니다.

 

계산 오류는 올바른 입력값을 잘못 계산한 경우입니다. 설계기준 오류는 애초에 잘못된 입력값이나 가정을 사용한 경우입니다.

 

Design Review에서는 계산 결과뿐만 아니라 계산에 사용된 입력값과 가정까지 확인해야 합니다.

 

 

3. 두 번째 오류 — P&ID에서는 문제가 없어 보였다

 

다음은 배관 및 계장도(P&ID)를 검토하는 과정입니다.

 

P&ID에는 장비, 배관, 밸브 및 계기 등이 표시되어 있습니다. 하지만 P&ID는 공정의 기능과 연결관계를 표현하는 도면이지, 모든 실제 배관의 물리적 형상을 보여주는 도면은 아닙니다.

 

따라서 P&ID가 완성되었다고 해서 배관설계가 완전히 검증되었다고 볼 수는 없습니다.

 

예를 들어 펌프 토출측 배관을 검토한다고 가정하겠습니다.

 

펌프 토출측에 차단밸브가 설치되어 있고, 배관의 양쪽이 차단될 수 있는 구조입니다.

 

이때 배관 내부에 액체가 가득 차 있다면 어떤 문제가 발생할 수 있을까요?

 

액체가 갇힌 상태에서 온도가 상승하면 체적팽창으로 인해 압력이 증가할 수 있습니다.

 

이러한 상황을 Thermal Expansion이라고 합니다.

 

액체의 체적팽창을 단순화하여 계산하면 다음과 같습니다.

 

$$ \Delta V = \beta V \Delta T $$

 

여기서,

 

• \(\Delta V\) : 체적 변화량 (m³)
• \(\beta\) : 체적팽창계수 (1/K)
• \(V\) : 초기 액체 체적 (m³)
• \(\Delta T\) : 온도 변화 (K)

예를 들어 1 m³의 액체가 온도 상승으로 1% 팽창한다면, 팽창 체적은 0.01 m³입니다.

 

그러나 배관 내부가 완전히 밀폐되어 있다면 액체가 팽창할 공간이 없습니다.

 

실제 압력 상승은 액체의 압축성, 배관의 탄성, 온도 변화 및 갇힌 체적 등에 따라 달라집니다. 따라서 단순한 체적팽창 계산만으로 압력을 결정해서는 안 됩니다.

 

이러한 상황에서는 다음과 같은 검토가 필요할 수 있습니다.

 

• Thermal Safety Valve(TSV) 설치 필요성
• 배관의 차단 및 운전 시나리오
• 장비와 배관의 허용압력
• 열원 유입 가능성
• 압력 방출 위치와 배출처의 적절성

특히 TRV가 필요한 경우에는 단순히 밸브를 설치하는 것만으로 검토가 끝나지 않습니다. 방출 유체의 특성과 배출처, 보호 대상 설비의 허용압력 등을 함께 검토해야 합니다.

 

이처럼 P&ID에서 발견되는 작은 구성상의 오류는 실제 운전 중 압력 상승이나 장비 손상으로 이어질 수 있습니다.

 

 

4. 세 번째 오류 — 장비는 적합하지만 시스템은 적합하지 않았다

 

이번에는 장비 자체의 문제를 살펴보겠습니다.

 

Vendor Data Review에서 펌프의 성능곡선을 확인했다고 가정하겠습니다.

 

펌프는 설계 유량과 양정을 만족하는 것으로 확인되었습니다. 하지만 실제 배관을 연결한 이후에는 유량이 설계값보다 낮게 나타날 수 있습니다.

 

이유는 펌프의 성능과 시스템의 요구조건이 서로 다르기 때문입니다.

 

펌프는 일정한 양정을 제공하고, 시스템은 배관과 장비의 저항에 따라 필요한 양정이 달라집니다.

 

이를 System Curve로 표현할 수 있습니다.

 

$$ H_{\mathrm{system}} = H_{\mathrm {static}} + KQ^2 $$

 

여기서,

 

• \(H_{\mathrm{system}}\) : 시스템 요구양정 (m)
• \(H_{\mathrm {static}}\) : 정수두 차이 (m)
• \(K\) : 시스템 저항계수
• \(Q\) : 유량

실제 운전점은 펌프 성능곡선과 시스템 곡선이 교차하는 지점에서 형성됩니다.

 

따라서 펌프의 Vendor Datasheet에 설계 유량과 양정이 기재되어 있다는 사실만으로 실제 유량을 보장할 수는 없습니다.

 

배관 길이가 변경되거나, 밸브가 추가되거나, 열교환기 및 필터의 압력강하가 증가하면 시스템 곡선이 변할 수 있습니다.

 

그 결과 펌프가 동일하더라도 실제 운전 유량은 달라질 수 있습니다.

 

이 문제를 확인하기 위해 Design Review에서는 다음 자료를 서로 비교해야 합니다.

 

1. Pump Datasheet
2. Pump Performance Curve
3. Hydraulic Calculation
4. P&ID
5. Equipment Datasheet
6. 실제 운전조건 및 제어방식

특히 Hydraulic Calculation에서 사용한 배관 길이와 P&ID의 배관 구성이 서로 다르다면, 계산 결과를 그대로 신뢰하기 어렵습니다.

 

이러한 오류는 개별 장비의 문제가 아니라 시스템 전체의 연결관계에서 발생하는 오류입니다.

 

 

5. Design Review에서 오류를 발견하는 방법

 

Design Review를 효과적으로 수행하기 위해서는 검토자가 단순히 도면을 읽는 것만으로는 부족합니다.

 

설계 의도와 실제 구현 결과를 비교할 수 있는 체계적인 검토가 필요합니다.

 

5.1 Design Basis부터 다시 확인한다

가장 먼저 확인해야 할 것은 설계의 출발점입니다.

 

• 처리량은 정상운전 기준인가, 최대운전 기준인가?
• 설계압력과 설계온도는 적절한가?
• 유체의 조성 및 물성치는 실제 공정과 일치하는가?
• 운전조건과 비정상조건이 구분되어 있는가?
• 설계기준과 적용 코드가 명확하게 정의되어 있는가?

설계기준이 잘못되었다면 이후의 계산과 도면이 모두 잘못된 방향으로 진행될 수 있습니다.

 

5.2 계산서와 도면을 교차 검토한다

계산서와 도면을 별도로 검토하면 서로 다른 가정이 적용된 사실을 놓칠 수 있습니다.

 

예를 들어 Hydraulic Calculation에서는 2인치 배관을 사용했지만, P&ID에서는 1.5인치 배관이 적용되었다면 계산 결과와 실제 설계가 일치하지 않습니다.

 

이러한 오류를 방지하기 위해서는 다음과 같은 항목을 비교해야 합니다.

 

검토 항목	비교 자료
배관 사이즈	Hydraulic Calculation ↔ Line List ↔ P&ID
설계 유량	Design Basis ↔ Process Calculation ↔ Pump Datasheet
압력강하	Hydraulic Calculation ↔ Equipment Datasheet
밸브 구성	P&ID ↔ Control Philosophy
보호장치	P&ID ↔ PSV/Relief Calculation
장비 연결부	Equipment Datasheet ↔ Vendor Drawing

 

핵심은 각각의 문서가 독립적으로 맞는지 확인하는 것이 아니라, 서로 같은 설계조건을 기반으로 작성되었는지 확인하는 것입니다.

 

5.3 정상운전 외의 조건도 검토한다

정상운전 조건에서는 문제가 없어 보이더라도, 기동과 정지 과정에서 문제가 발생할 수 있습니다.

 

따라서 다음과 같은 조건을 검토해야 합니다.

 

• Start-up
• Normal Operation
• Shutdown
• Emergency Shutdown
• Maintenance
• Equipment Failure

예를 들어 펌프가 정지했을 때 역류가 발생할 수 있는지, 장비가 차단되었을 때 액체가 갇히는 구간이 있는지, 유지보수를 위해 장비를 격리할 수 있는지 등을 확인해야 합니다.

 

이러한 검토는 설비가 단순히 작동하는지 여부를 넘어, 다양한 운전상황에서도 적절하게 기능하는지 확인하는 과정입니다.

 

 

6. 발견된 오류는 어떻게 처리해야 할까?

 

Design Review에서 오류가 발견되었다면, 이를 회의 중 구두로 지적하는 것만으로는 충분하지 않습니다.

 

문제의 원인과 수정사항을 기록하고, 실제 설계문서에 반영되었는지 확인해야 합니다.

 

일반적인 Design Review Comment 처리 과정은 다음과 같습니다.

 

Step 1. Comment 등록

발견된 문제를 검토 의견으로 기록합니다.

 

Step 2. 원인 분석

문제가 발생한 원인을 확인합니다. 설계기준 오류인지, 계산 오류인지, 도면 간 불일치인지 구분해야 합니다.

 

Step 3. 설계 수정

담당 엔지니어가 계산서, P&ID, Datasheet 및 관련 문서를 수정합니다.

 

Step 4. 재검토

수정된 설계가 기존 요구조건을 만족하는지 확인합니다.

 

Step 5. Comment Close

수정사항이 적절하게 반영되었음을 확인한 후 Comment를 종료합니다. 이때 중요한 것은 Comment의 상태를 명확하게 관리하는 것입니다.

 

 

상태	의미
Open	검토 의견이 등록되었으며 해결되지 않음
In Progress	담당자가 수정 또는 검토 중
Closed	수정사항이 확인되어 종료됨
Hold	추가 정보 또는 다른 검토 결과가 필요함

 

프로젝트의 절차에 따라 상태 명칭은 달라질 수 있지만, 검토 의견이 실제로 해결되었는지 추적할 수 있어야 합니다.

 

특히 안전과 관련된 오류는 단순한 문서 수정으로 끝내서는 안 됩니다. 해당 오류가 다른 장비나 배관, 운전절차에 미치는 영향까지 확인해야 합니다.

 

 

7. 첫 번째 오류가 알려준 것

 

Design Review에서 발견되는 오류는 반드시 설계자가 계산을 잘못했기 때문에 발생하는 것은 아닙니다.

 

때로는 설계기준이 잘못 설정되었을 수 있습니다.

 

때로는 개별 장비는 적합하지만 시스템 전체가 요구조건을 만족하지 못할 수 있습니다.

 

또한 계산서와 도면이 서로 다른 조건을 사용하고 있을 수도 있습니다.

 

이러한 문제는 설계가 진행될수록 복잡해집니다.

 

설계 초기에는 단순한 공정 흐름만 존재하지만, 상세설계 단계에서는 배관, 밸브, 계기, 장비, 제어 및 안전장치가 서로 연결됩니다.

 

따라서 설계 검토의 핵심은 개별 문서의 정확성뿐만 아니라, 시스템 전체의 일관성을 확인하는 데 있습니다.

 

설계 오류를 발견했다는 것은 프로젝트가 실패했다는 의미가 아닙니다.

 

오히려 설계 단계에서 오류를 발견하고 수정할 수 있었다는 것은, 해당 문제가 시공이나 운전 단계까지 넘어가는 것을 방지할 기회를 확보했다는 의미입니다.

 

다만 Design Review가 모든 오류를 제거해 주는 것은 아닙니다. 검토 범위와 깊이에 따라 발견할 수 있는 문제에는 한계가 있습니다.

 

 

설계는 끝났지만, 검증은 아직 끝나지 않았다

 

Beer to Zero Project의 PART 6에서는 설계한 장비를 실제로 구매하기 위한 과정을 살펴보았습니다.

 

Vendor에게 요구사항을 전달하고, 기술자료를 검토하고, 제작 전 검사까지 진행했습니다.

 

그러나 실제 설비를 구현하기 위해서는 장비 하나하나가 적합하다는 사실만으로는 부족합니다.

 

장비와 배관, 제어시스템이 하나의 공정으로 연결되었을 때에도 설계 의도가 유지되는지 확인해야 합니다.

 

이번 Part 66에서는 Design Review에서 발견되는 대표적인 오류와 검토 방법을 살펴보았습니다.

 

다음 Part에서는 설계조건과 실제 운전조건 사이의 차이가 어떻게 문제를 일으키는지 살펴보겠습니다.

 

설계상으로는 충분한 유량을 확보할 수 있었지만, 실제 운전에서는 유량이 부족하다면 무엇이 원인일까요?

 

그 답을 찾기 위해서는 설계 유량, 배관 압력강하, 펌프 성능 및 시스템 곡선을 다시 살펴볼 필요가 있습니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 7. Troubleshooting — 설계대로 되지 않는 이유

 

• Part 66. 첫 번째 문제가 발생했다 - Design Review에서 발견된 오류
• Part 67. 예상보다 압력강하가 크다 - Hydraulic Troubleshooting
• Part 68. Pump가 원하는 유량을 만들지 못한다 - Pump Troubleshooting
• Part 69. NPSH가 부족하다 - Cavitation Risk
• Part 70. Control Valve가 제대로 제어되지 않는다 - Control Troubleshooting
• Part 71. 열교환기의 성능이 부족하다 - Heat Transfer Troubleshooting
• Part 72. Vacuum이 원하는 수준까지 내려가지 않는다 - Vacuum Troubleshooting
• Part 73. Utility Capacity가 부족하다 - Utility Troubleshooting
• Part 74. 문제의 원인을 찾아내다 - Root Cause Analysis