Part 67. 예상보다 압력강하가 크다 - Hydraulic Troubleshooting

설계가 끝났고, 장비 발주도 완료되었습니다. 배관은 설치되었으며, 시운전 준비도 순조롭게 진행되고 있습니다.

 

하지만 시운전이 시작되자 예상하지 못한 문제가 발생합니다.

 

설계 단계에서 계산한 압력강하는 0.8 bar였습니다. 그런데 실제 운전에서 측정된 압력강하는 1.5 bar에 달합니다. 유량을 높이려고 펌프를 더 운전해도 기대했던 유량이 나오지 않습니다.

 

무엇이 잘못된 것일까요?

 

배관 직경이 작게 선정된 것일까요? 밸브가 완전히 열리지 않은 것일까요? 아니면 설계 계산에서 놓친 요소가 있었던 것일까요?

 

이러한 문제를 해결하는 과정이 바로 Hydraulic Troubleshooting입니다.

 

이번 Beer to Zero Project Part 67에서는 예상보다 큰 압력강하가 발생했을 때, 엔지니어가 어떤 데이터를 확인하고 어떤 계산을 수행하며, 어떻게 원인을 좁혀 나가는지 살펴보겠습니다.

 

 

1. 설계 계산과 실제 운전 사이에 발생한 차이

 

Beer to Zero Plant의 유틸리티 배관을 가정해 보겠습니다.

 

공정 장비에 냉각수를 공급하는 배관입니다. 설계 단계에서는 요구 유량을 만족하도록 배관 직경과 펌프 조건을 선정했습니다.

 

설계 계산서에는 다음과 같은 결과가 기록되어 있습니다.

 

항목	설계값
요구 유량	10 m³/h
배관 직경	DN50
설계 압력강하	0.8 bar
실제 압력강하	1.5 bar
압력강하 편차	+0.7 bar

 

실제 압력강하는 설계값보다 약 87.5% 높습니다.

 

이 상황에서 중요한 것은 압력강하가 크다는 사실 자체가 아닙니다.

 

설계에서 예상한 유동 저항과 실제 시스템의 유동 저항이 왜 달라졌는가?

 

이 질문에 답해야 합니다.

 

압력강하는 유체가 배관과 장비를 통과하면서 에너지를 잃는 현상입니다. 직관의 마찰, 밸브와 피팅의 저항, 장비 내부의 유로, 높이 차이 등이 전체 압력 변화에 영향을 줍니다.

 

따라서 단순히 배관 직경만 확인하는 것으로는 원인을 찾기 어렵습니다.

 

 

2. 압력강하를 결정하는 기본 원리

 

배관의 압력강하를 계산할 때 가장 널리 사용되는 관계식 중 하나는 Darcy-Weisbach Equation입니다.

 

직관에서 발생하는 마찰 압력손실은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ \Delta P_{pipe} = f\frac{L}{D}\frac{\rho v^2}{2} $$

 

여기서 각 변수의 의미는 다음과 같습니다.

 

기호	의미	단위
ΔP	압력손실	Pa
f	Darcy 마찰계수	-
L	배관 길이	m
D	배관 내경	m
ρ	유체 밀도	kg/m³
v	평균 유속	m/s

 

이 식을 보면 압력강하가 증가하는 이유를 직관적으로 이해할 수 있습니다.

 

• 배관 길이 L이 증가하면 마찰손실이 증가합니다.
• 배관 내경 D가 감소하면 압력강하가 크게 증가합니다.
• 유체 밀도 ρ가 증가하면 동일한 유속에서 압력손실이 증가합니다.
• 유속 v가 증가하면 압력강하는 대체로 유속의 제곱에 비례하여 증가합니다.
• 마찰계수 f가 증가하면 압력강하도 증가합니다.

여기서 가장 주목해야 할 부분은 유속입니다.

 

유량이 증가하면 유속도 증가합니다. 그리고 유속이 증가하면 압력강하는 단순히 같은 비율로 증가하지 않습니다.

 

이 때문에 설계 유량보다 실제 유량이 높아지는 경우, 압력강하가 예상보다 크게 증가할 수 있습니다.

 

다만 Darcy-Weisbach 식은 직관의 마찰손실을 계산하는 식입니다. 실제 배관 시스템에서는 밸브, 엘보, 티, Reducer 등의 국부손실도 함께 고려해야 합니다.

 

국부손실은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

$$ \Delta P_{minor} = \sum K_i\frac{\rho v^2}{2} $$

 

여기서 K는 각 피팅이나 밸브의 손실계수입니다.

 

전체 배관 시스템의 압력손실은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ \Delta P_{total} = \sum f\frac{L}{D}\frac{\rho v^2}{2} + \sum K_i\frac{\rho v^2}{2} $$

 

실제 계산에서는 배관 구간별 내경과 유속, 유체 물성, 피팅의 종류를 구분하여 계산해야 합니다.

 

특히 서로 다른 직경의 배관이 연결된 경우에는 각 구간의 유속을 별도로 계산해야 합니다.

 

이러한 계산 원리는 Darcy-Weisbach Equation과 국부손실계수를 이용한 일반적인 배관 유압 설계 방법에 기반합니다.

 

 

3. 첫 번째 점검: 실제 유량이 설계 유량과 같은가?

 

Hydraulic Troubleshooting을 시작할 때 가장 먼저 확인해야 할 데이터는 유량입니다.

 

압력강하가 증가했다고 해서 반드시 배관이 막혔다고 판단할 수는 없습니다.

 

실제 유량이 설계 유량보다 높아졌다면, 압력강하가 증가하는 것은 자연스러운 현상일 수 있습니다.

 

예를 들어 설계 유량이 10 m³/h였는데 실제 유량이 12 m³/h로 증가했다고 가정하겠습니다.

 

유량과 유속의 관계는 다음과 같습니다.

 

$$ v=\frac{Q}{A} $$

 

원형 배관의 단면적은 다음과 같습니다.

 

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

 

따라서 배관 내경이 일정하다면 유속은 유량에 비례합니다.

 

유량이 10 m³/h에서 12 m³/h로 증가하면 유속은 1.2배가 됩니다.

 

마찰계수가 크게 변하지 않는다고 가정할 때 압력강하의 비율은 다음과 같습니다.

 

$$ \frac{\Delta P_2}{\Delta P_1} \approx \left(\frac{Q_2}{Q_1}\right)^2 $$

 

$$ \frac{\Delta P_2}{\Delta P_1} \approx \left(\frac{12}{10}\right)^2 =1.44 $$

 

즉, 유량이 20% 증가하면 압력강하는 약 44% 증가할 수 있습니다.

 

이 계산은 동일한 배관과 유체 조건에서 마찰계수의 변화가 작다는 가정에 기반한 근사값입니다.

 

실제 유동에서는 Reynolds Number와 마찰계수의 변화도 함께 고려해야 합니다.

 

그렇다면 유량이 설계값과 같다면 어떻게 해야 할까요?

 

다음 단계는 배관 시스템의 실제 구성을 확인하는 것입니다.

 

 

4. 두 번째 점검: 배관의 실제 내경과 설치 상태

 

배관 설계에서 사용하는 직경은 일반적으로 Nominal Diameter입니다.

 

그러나 유압 계산에 사용하는 직경은 실제 내경(Inside Diameter)입니다.

 

예를 들어 동일한 NPS 2 배관이라도 Schedule에 따라 내경이 달라질 수 있습니다.

 

배관 내경이 감소하면 유속이 증가하고, 압력강하는 크게 증가합니다.

 

특히 유량이 일정한 조건에서 배관 내경의 영향을 이해하는 것이 중요합니다.

 

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

 

이를 Darcy-Weisbach Equation에 대입하면 다음과 같습니다.

 

$$ \Delta P = \frac{8fL\rho Q^2}{\pi^2D^5} $$

 

마찰계수 f가 일정하다고 가정하면 압력강하는 내경의 5제곱에 반비례합니다.

 

즉, 내경이 조금만 감소해도 압력강하는 상당히 증가할 수 있습니다.

 

예를 들어 실제 배관 내경이 설계 내경보다 10% 작아졌다고 가정하면 다음과 같습니다.

 

$$ \frac{\Delta P_2}{\Delta P_1} \approx \left(\frac{1}{0.9}\right)^5 \approx1.69 $$

 

내경이 10% 감소하면 압력강하는 약 69% 증가할 수 있습니다.

 

이는 마찰계수가 일정하다는 단순화된 가정이며, 실제 계산에서는 Reynolds Number와 상대조도에 따른 마찰계수 변화가 반영되어야 합니다.

 

따라서 현장에서는 다음 사항을 확인해야 합니다.

 

• 실제 설치된 배관의 Nominal Size
• 배관 Schedule과 실제 내경
• Reducer 또는 Expansion 설치 여부
• 배관 내부 이물질이나 침전물
• 용접부의 내부 돌출이나 변형
• 설계와 실제 배관 경로의 차이

특히 배관 내부에 침전물이나 이물질이 쌓이면 유효 유로가 감소합니다.

 

이 경우 압력강하가 증가할 뿐만 아니라 유량 분포가 불균일해지거나 국부적인 저항이 커질 수 있습니다.

 

 

5. 세 번째 점검: 밸브와 피팅의 국부손실

 

배관 길이와 직경이 설계와 일치한다면 밸브와 피팅을 확인해야 합니다.

 

설계 단계에서는 일반적으로 P&ID와 Piping Layout을 기반으로 밸브와 피팅의 종류 및 수량을 산정합니다.

 

그러나 실제 설치 상태에서는 다음과 같은 차이가 발생할 수 있습니다.

 

• 설계보다 엘보가 많이 설치된 경우
• 밸브의 종류가 변경된 경우
• Control Valve가 예상보다 높은 압력손실을 발생시키는 경우
• Check Valve가 완전히 열리지 않는 경우
• 밸브가 부분적으로 닫혀 있는 경우
• Strainer가 오염되어 차압이 증가한 경우

이러한 요소는 모두 시스템의 압력강하에 영향을 줍니다.

 

밸브와 피팅의 압력손실은 손실계수 K를 사용하여 계산할 수 있습니다.

 

$$ \Delta P_{fitting} = K\frac{\rho v^2}{2} $$

 

또한 국부손실을 등가길이(Equivalent Length)로 환산할 수도 있습니다.

 

$$ L_{eq} = \frac{KD}{f} $$

 

이 방법을 사용하면 밸브와 피팅의 저항을 직관의 마찰손실과 동일한 형태로 계산할 수 있습니다.

 

다만 K값은 밸브의 종류, 형상, 개도 및 유동 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 따라서 실제 설계에서는 일반적인 참고값보다 Vendor Data나 적절한 기술자료를 우선적으로 확인하는 것이 바람직합니다.

 

 

6. 네 번째 점검: 유체 물성이 설계와 달라졌는가?

 

배관과 밸브의 설치 상태가 설계와 일치한다면 유체 물성을 검토해야 합니다.

 

유체의 밀도와 점도는 압력강하 계산에 영향을 미칩니다.

 

특히 점도는 Reynolds Number와 마찰계수에 영향을 주므로 중요합니다.

 

Reynolds Number는 다음과 같습니다.

 

$$ Re=\frac{\rho vD}{\mu} $$

 

여기서 μ는 Dynamic Viscosity입니다.

 

Reynolds Number가 감소하면 유동 상태가 달라질 수 있으며, 이에 따라 마찰계수도 변합니다.

 

층류 영역에서는 Darcy 마찰계수를 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

$$ f=\frac{64}{Re} $$

 

난류 영역에서는 Reynolds Number와 상대조도를 고려하여 마찰계수를 산정해야 합니다.

 

따라서 실제 운전 유체의 물성이 설계 조건과 다르면, 기존 설계 계산서의 압력강하를 그대로 적용하기 어렵습니다.

 

실제 현장에서는 다음과 같은 상황을 검토할 수 있습니다.

 

• 운전 온도가 설계 온도보다 낮아진 경우
• 유체 조성이 변경된 경우
• 농도 변화로 점도가 증가한 경우
• 유체가 설계와 다른 상태로 공급되는 경우
• 고형물이나 오염물질이 혼입된 경우

특히 액체의 점도가 크게 증가하면 동일한 유량을 유지하기 위해 더 큰 압력차가 필요할 수 있습니다.

 

따라서 유압 문제를 해결할 때는 배관뿐만 아니라 유체 자체의 상태도 함께 확인해야 합니다.

 

 

7. 실제 Troubleshooting 사례: 압력강하가 0.8 bar에서 1.5 bar로 증가했다면?

 

이제 앞서 제시한 사례로 돌아가 보겠습니다.

 

설계 압력강하는 0.8 bar였지만 실제 압력강하는 1.5 bar입니다.

 

이 상황에서 엔지니어는 다음과 같은 순서로 원인을 분석할 수 있습니다.

 

Step 1. 압력계와 유량계의 신뢰성 확인

가장 먼저 계측값이 정확한지 확인합니다.

 

압력계의 Calibration 상태, 압력 Transmitter의 Range, 설치 위치, Impulse Line의 막힘 등을 점검합니다.

 

차압을 측정하는 경우에는 High Pressure Side와 Low Pressure Side의 연결이 올바른지도 확인해야 합니다.

 

측정값이 잘못되었다면 이후의 계산은 의미가 없습니다.

 

Step 2. 동일한 운전 조건에서 비교

설계값과 실제값을 비교할 때는 동일한 조건이어야 합니다.

 

유량, 온도, 유체 조성, 압력, 밸브 개도 등이 다르면 압력강하의 차이가 발생할 수 있습니다.

 

따라서 설계 조건과 실제 운전 조건을 동일한 기준으로 정리합니다.

 

Step 3. 압력강하를 구간별로 분리

전체 배관의 압력강하만 측정하면 원인을 특정하기 어렵습니다.

 

가능하다면 주요 장비의 전후단, Strainer 전후단, Control Valve 전후단 등에서 압력을 측정합니다.

 

이렇게 하면 압력강하가 집중되는 구간을 찾을 수 있습니다.

 

예를 들어 다음과 같은 결과를 얻었다고 가정하겠습니다.

 

구간	설계 차압	실제 차압
배관 구간 A	0.2 bar	0.25 bar
Strainer	0.1 bar	0.55 bar
Control Valve	0.3 bar	0.35 bar
장비 및 기타	0.2 bar	0.35 bar
Total	0.8 bar	1.5 bar

 

이 경우 Strainer의 차압이 설계보다 크게 증가했습니다.

 

따라서 Strainer의 오염이나 막힘 가능성을 우선적으로 검토할 수 있습니다.

 

단, Strainer의 차압은 유량과 운전 조건에 따라 달라지므로, 동일한 유량 조건에서 비교해야 합니다.

 

Step 4. 원인 확인 후 조치

Strainer의 차압이 비정상적으로 높다면 다음 사항을 확인합니다.

 

• Strainer 내부 이물질 축적 여부
• Mesh 또는 Element의 손상
• 설치 방향과 유동 방향
• Strainer의 설계 유량 및 압력손실
• 상류 배관에서 유입되는 오염물질

원인이 확인되면 청소, Element 교체, 배관 세정 또는 운전 조건 조정 등의 조치를 검토할 수 있습니다.

 

여기서 중요한 것은 원인을 확인하기 전에 배관 직경을 확대하거나 펌프를 교체하지 않는 것입니다.

 

압력강하가 증가한 원인이 Strainer의 막힘이라면, 배관 직경을 확대하는 것은 근본적인 해결책이 아닙니다.

 

 

8. Hydraulic Troubleshooting에서 주의해야 할 사항

 

압력강하 문제를 해결할 때는 다음 사항을 주의해야 합니다.

 

첫째, 압력강하와 압력손실을 구분해야 합니다.

 

배관에서 측정한 정압의 변화에는 마찰손실뿐 아니라 유속 변화와 높이 차이의 영향도 포함될 수 있습니다.

 

따라서 측정 위치가 서로 다른 직경의 배관에 있거나 높이가 다른 경우에는 단순히 두 압력값의 차이를 마찰손실로 판단해서는 안 됩니다.

 

둘째, 유량이 일정하다는 가정이 실제로 성립하는지 확인해야 합니다.

 

배관 시스템에서 유량은 펌프의 성능곡선과 시스템 저항곡선의 교점에 의해 결정됩니다.

 

압력강하가 증가하면 펌프의 운전점이 이동할 수 있으며, 이로 인해 실제 유량이 감소할 수 있습니다.

 

셋째, 압력강하 계산에 사용한 마찰계수의 기준을 확인해야 합니다.

 

Darcy 마찰계수와 Fanning 마찰계수는 서로 다릅니다.

 

$$ f_D=4f_F $$

 

두 계수를 혼용하면 압력강하 계산 결과에 큰 오차가 발생할 수 있습니다.

 

넷째, 배관 직경을 변경하거나 펌프를 교체하기 전에 전체 시스템의 운전 조건을 검토해야 합니다.

 

유압 문제는 단순한 배관 문제로 보일 수 있지만, 실제로는 펌프, Control Valve, 열교환기, 공정 장비 및 제어 시스템과 연결되어 있습니다.

 

따라서 한 요소의 변경이 전체 시스템에 미치는 영향을 확인해야 합니다.

 

 

9. 설계 엔지니어가 기억해야 할 것

 

Hydraulic Troubleshooting의 핵심은 계산 결과를 다시 계산하는 데 있지 않습니다.

 

설계 단계에서 사용한 가정이 실제 운전에서도 성립하는지 확인하는 데 있습니다.

 

압력강하가 예상보다 크다면 다음 순서로 접근하는 것이 효과적입니다.

 

1. 계측값과 실제 운전 조건을 확인합니다.
2. 실제 유량이 설계 유량과 일치하는지 확인합니다.
3. 배관 직경, Schedule, 설치 경로를 확인합니다.
4. 밸브, 피팅, Strainer 및 장비의 국부손실을 검토합니다.
5. 유체 물성과 운전 온도의 변화를 확인합니다.
6. 구간별 압력 측정을 통해 원인을 좁혀 나갑니다.
7. 원인이 확인된 후 적절한 개선 조치를 수행합니다.

이러한 순서로 접근하면 불필요한 배관 변경이나 장비 교체를 줄이고, 실제 문제의 원인을 보다 정확하게 파악할 수 있습니다.

필자의 경험을 추가하면, Hydraulic Troubleshooting을 검토할 때는 압력 단위도 통일해야 합니다.
예컨대 1 bar = 1 kg/cm2로 생각하는 경우가 있는데, 압력이 낮을 때는 이 경우를 quick으로 계산한다고 하면 적용할 수 있으나, 고압 조건일때부터는 얘기가 다릅니다.
1 bar = 1.019716 kg/cm2이고, 이는 즉 100 bar = 101.9716 kg/cm2으로 100 bar에서 kg/cm2로 전환시 숫자만 놓고 보면 2의 차이가 존재합니다. 계산을 통해 수치 접근은 더욱 오답의 방향으로 넘어갈 수도 있습니다.
이를 고려하여, 반드시 압력 단위는 통일하고, 단위 별 환산 기준을 명확히 해야겠습니다.

 

 

마무리

 

설계 계산서에 기록된 압력강하는 하나의 예상값입니다.

 

실제 운전에서는 설계 조건과 다른 유량, 유체 물성, 배관 설치 상태, 밸브 개도 및 장비 상태가 압력강하에 영향을 줄 수 있습니다.

 

따라서 설계 엔지니어는 계산 결과를 단순히 정답으로 받아들이기보다, 실제 운전 데이터와 비교하고 그 차이를 설명할 수 있어야 합니다.

 

압력강하가 예상보다 크다는 것은 단순히 시스템이 잘못되었다는 의미가 아닙니다.

 

오히려 설계 단계에서 고려하지 못했던 조건이나 실제 설비의 상태를 발견할 수 있는 중요한 신호입니다.

 

 

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