بخشی از مقاله
چکیده
یک ایستگاه تقلیل فشار گاز با توجه به ماهیت هریک از قطعات ، خصوصاً فرایند اختناقی که در آن صورت می پذیرد ، سیال عبوري را در معرض شرایط گوناگونی از رفتارهاي دینامیکی قرار می دهد که هر یک از این رفتارها در نوع خود مـیتوانـد اثـر قابـل ملاحظـهاي ، در کارکرد کنتورهاي توربینی ایجاد نماید. در این مقاله تلاش شده تا بـا جمـع آوري تجـاربعملـی و تئـوريهـايعلمـی، ضـمن شناسـائی موضوعات و محورهاي تاثیرگذار بر دقت، کارکرد و عمر مفید کنتور شامل »تاثیرات فشار ، نواسانات تولیدي ، نوع اغتشاشات ، دماي سیال و همچنین هزینه کنتور انتخابی« در شرایط بالادست و مقایسه آن با شرایط پائین دست به یک نتیجهگیري جهت انتخـاب محـل مناسـب نصب کنتور توربینی دست یابیم.
درنهایت مشاهده خواهد شد اگرچه از لحاظ کمی 5 مورد از موضوعات بحث شده راي به نصب کنتور دربالادست جریان میدهند اما با توجه به شرایط ناپایدار فشار خطوط گاز در ایران طی فصول مختلـف ، بهتـر آن مـیباشـد تـا کنتـور تـوربینی در فاصـلهاي مناسـب و در پائیندست ایستگاههاي تقلیل فشار گاز و محلی که در غالب شرایط از یک فشار ثابتی برخوردار میباشد نصب گردد.
کلمات کلیدي:کنتور توربینی،دقت،اندازه گیري،بالادست،پایین دست
فهرست علائم
Q دبی جریان
P فشار
T دما
Z ضریب تراکم پذیري
G دانسیته نسبی
علائم یونانی
μ ضریب لزجت دینامیکی
ρ چگالی
زیر نویس
f شرایط جریان سیال((flow condition
b شرایط استاندارد (base condition)
r شرایط نسبی (rated condition)
min کمترین
max بیشترین
1
.1 مقدمه
کنتورهاي توربینی با هدف اندازه گیري حجم گاز مصرفی ، جایگاه ویژه اي را در شرکت هـاي گـاز اسـتانی بخـود اختصـاص داده اند ، بطوري که بخش اعظمی از سیستم هاي اندازه گیري شامل مبادي ورودي شهرها (ایستگاه هاي (C.G.S ، ایستگاه هـاي
درون شهري ، صنایع ، کارخانجات و . . . از این ابزار اندازهگیري سودمند ، بهره میبرند.
میزان اطلاع از شرایط و رفتار دینامیکی سیال در داخل لوله و همچنین شناخت ساختار عملکـردي ایـن نـوع کنتورهـا در کنار بسیاري از عوامل دیگر ، باعث خواهد شد تا کارائی ، دقت ، عمر و هزینه بهرهبرداري این نوع کنتور تحت تاثیر قرار گیرد.
ابتدائی ترین و مهمترین مسئله در مواجهه با این موضوع، »محل نصب« کنتور هاي توربینی در ایسـتگاههـاي تقلیـل فشـار می باشد. همانطور که مستحضرید ایستگاه هاي تقلیل فشار از دو بخش بالادستی- 1 قبل از رگلاتور - و بخش پـائین دسـتی- 2
بعد از رگلاتور - تشکیل شده اند. دراین مقاله سعی شده تا با استفاده از تحلیل معادلات حاکم بر مسـئله و تجربیـات خبرگـان شرکت به بررسی همه جانبه عوامل موثر بر این موضوع شامل دامنه اندازه گیري ، دقت عملکردي ، اغتشاشات آنی ، افت فشار ، تشکیل احتمالی هیدرات و جنبه اقتصادي آن و همچنین مقایسـه هریـک از ایـن مـوارد در بالادسـت و پـائین دسـت جریـان بپردازیم.
.1-2 تغییر دامنه اندازهگیري و خطاي مجاز در کنتورهاي توربینی
در کنتور توربینی ، به حداقل جریان عبوري که این کنتور میتواند در محدوده دقت3 مشخص شده ، اندازهگیري نماید ، ( Q ) گویند. براساس استاندارد [1] ISO.9951 بند 8,1 بیشینه خطاي مجاز در دبی ماکزیمم جهت کنتورهاي توربینی
%1 تعیین شده است و اگر جریان بین ، Q و %20Q برسد ، بیشترین خطاي مجاز %2 ، مورد تائید میباشد.
لذا نسبت جریان حداقل (یا (Q به »محدوده تعیین شده« براي »دقت« وابسته میباشد. معمولاً این محدوده را در %1.0 تنظیم مینمایند. [2]در ادامه ملاحظه خواهد شد که با تعیین محل مناسب جهت کنتور میتوان این دامنه را
افزایش یا کاهش داد.
Q در شرایط استاندارد از رابطه زیر تبعیت مینماید :
(1)
به را دامنه اندازهگیري4 مینامند. این اصطلاح بعنوان معرفی
در فرهنگ اصطلاحات اندازهگیري نسبت
دامنه کاري کنتور براساس خطاهاي مجاز ، ابزاريQکارا در دست طراحان محسوب میگردد. در کنتورهاي توربینی موجود
Q
3)اینچ به بالا) این نسبت با دامنه 1:20 تعریف شده است. کارائی کنتورهاي توربینی در محدوده فوق تحت شرایط هواي محیط (اتمسفریک) معتبر میباشد. بطوریکه در حالتهاي مختلف و شرایط واقعی ، دامنه اندازهگیري با دامنههاي بیشتر از این را میتوان تجربه کرد. [2]
(2)
همانطور که در رابطه 2 مشاهده میشود دامنه اندازهگیري مطابق با ریشه دوم نسبت فشار رابطه مستقیم دارد.
اگر فشار افزایش یابد مقدار این دامنه نیز افزایش مییابد. [2]
در توجیه چرائی آن میتوان بیان نمود که در فشارهاي بالا ، جرم حجمی گاز افزایش یافته و با افزایش جرم حجمی ، نیروي محرك ایجاد شده جهت چرخش پره توربین افزایش مییابد. افزایش این نیرو ،کاهش تاثیر مقاومت یاتاقان را در پی
1 - Upstream 2 - Downstream 3 - Accuracy 4 - Rangeability
2
اولین همایش تخصصی آموزشی اندازهگیري هیدروکربنها (میترینگ) در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی IrSHM 2013
تهران، دانشگاه علم وصنعت، 21 - 20 آذر 1392
خواهد داشت و لذا حداقل جریان حجمی مورد نیاز Q را کاهش میدهد. بدین ترتیب محدوده کاري یا دامنه اندازهگیري افزایش مییابد.
از اینرو میتوان با افزایش فشار در دبیهاي پائین ، به درصد خطاي اندازهگیري کمتري دست یافت. از نتایج این موضوع میتوان براي مصارف ایستگاههاي تقلیل فشار دروازه شهري یا 5C.G.S و نصب کنتور در بالادست ، نسبت به پائین دست
استفاده نمود. براي مثال همانطور که میدانید، اختلاف حجم گاز مصرفی در زمستان نسبت به تابستان بعضاً به 4 تا 5 برابر میرسد. لذا با نصب کنتور در بالادست – به سبب بیشتر بودن فشار آن نسبت به پائین دست- از مزیت افزایش دامنه اندازهگیري بهره بیشتري خواهیم برد و در صورت عبور حجم گاز حداقل (درتابستان) ، کمترین میزان خطاي اندازهگیري و گاز بی حساب را خواهیم داشت.
.2-2 تاثیر اغتشاش ناشی از تغییر پروفیل جریان در خط
تولید اغتشاش و گردابه پس از تجهیزاتی مانند شیرهاي نیمه باز ، رگلاتور ، زانو ، تبدیل و ... کـه تغییـر مسـیر جریـان را باعث می گردد عواملی هستند که بر میزان دقت اندازه گیري گاز در کنتورها اثر مستقیم می گذارند. بهترین محل ، جهت نصـب کنتور توربینی ، مکانی است که پروفیل خطوط جریان در شکل توسعه یافتـه٦ باشـند. از آنجائیکـه سـرعت ، شـرایط خـط و خصوصاٌ ویسکوزیته جریان ، این اجازه را به ما نمی دهند تا رژیم حاکم بر خط ، آرام٧ باشد ، لذا جریـانی کـه همیشـه (اکثـر قریب به اتفاق) ، با آن روبرو میباشیم ، جریان مغشوش٨ میباشد. [3]
شکل .1 پروفیل جریان آرام و توربولنت
همانطور که در تصویر 1 مشاهده می شود پروفیل سرعت در جریان هاي توربولنـت در بـیش از 3/4 قطـر لولـه بـا سـرعت متوسط می باشد. در منحنی جریان توربولنت نشان داده شده ، پروفیل سرعت متوسط می باشد و گردابه هـاي توربولنـت را کـه می تواند حدود %10 سرعت متوسط جریان باشد نادیده می گیرد.(این اطلاع در جانمائی کنتور و حتی سنسورهاي دمـا و فشـار کمک بسیار مهمی مینماید.) [3]
از این رو سازندگان کنتورهاي توربینی در محاسبات و طراحی هاي خود ، پروفیل جریان در لوله را کاملاً توسعه یافته فرض می نمایند. براي رسیدن به چنین پروفیلی ، نیازمند طول مستقیم نسبتاً زیادي در بالادست کنتور می باشیم. بعضی از زمـان هـا حداقل طول مورد نیاز 60D سفارش شده است.[3 ]
عدم تامین طول مستقیم مورد نیاز ، سبب خواهد شد تا به نحوي پروفیل جریان از شکل منظم و توسعه یافته خـود خـارج شود. درتصاویر 2 شماتیکی از پروفیلهاي جریان که در ادامه عبور از اتصالات مختلف بوجود میآید را مشاهده مینمائید:
شکل . 2 الف )پروفیل جریان بعد از زانوي 90 درجه
5 .city gate station 6 . Fully Developed 7 . Laminar 8 . Turbulent
3
اولین همایش تخصصی آموزشی اندازهگیري هیدروکربنها (میترینگ) در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی IrSHM 2013
تهران، دانشگاه علم وصنعت، 21 - 20 آذر 1392
شکل.2 ب )پروفیل جریان بعد از یک تبدیل افزاینده
شکل .2 ج )پروفیل جریان بعد از 2 زانوي 90 درجه
همانطور که در مجموعه تصاویر2 مشاهده شد ، وجود اتصالات در بالادست کنتور ، هر یک به نحوي باعث خواهـد شـد تـا یکنواختی مسیر جریان بهم ریخته و پروفیل جریان توسعه یافته را از دست بدهیم. این آشفتگی و عـدم یکنـواختی در آرایـش جریان ورودي به توربین باعث خواهد شد تا زاویه حمله به پره تغییر یافته و مومنتوم بهینه ، جهت بحرکت در آوردن پـرههـاي توربین ایجاد نگردد.
از سوي دیگر براساس استاندارد AGA7 بخش 7,1,3 بطور صریح عنوان شده »نصب رگلاتور یا شیر نیمه بسـته٩ در بـالا دست نزدیک کنتور توصیه نمی گردد، در صورت لزوم یا اجبار جهت نصب کنتور در پائین دست ابزار خفه کننده١٠ می بایسـت هشت برابر قطر لوله در بالادست و دو برابر قطر لوله در پائین دست به مقداري که کارخانه سازنده جهت نصب کنتور بیان کرده ، اضافه گردد.[2]«
هرچند شرکت هاي سازنده با ساخت مستقیم کننده١١ هاي مختلف ، سعی در پایدار کردن جریان ورودي به کنتور را دارنـد اما خاطر نشان می دارد نصب مستقیم کننده در بالادست کنتور صرفاً به جهت حذف جریان هاي گردشی در حد نرمال١٢ بوده و قادر به حذف گردابههاي سنگین یا جت نمیباشد. [3]
نتیجتاً بلحاظ محدودیت هاي فضائی ،نصب کنتور در بالادست و قبل از رگلاتور ارجحتر از پائین دست بنظر میرسد. چرا که با توجه به موارد اشاره شده دراین بخش نصب کنتور در پائین دست بلحاظ وجود جریان هاي گردشی (بعد از رگلاتور) نیـاز بـه افزایش طول بیشتر بمنظور دست یابی به پروفیل جریان توسعه یافته را طلب مینماید.
9 - Partially Closed 10 - Throttling Device 11 - Straighter 12 - Minor Swirl
4
.3-2 احتمال تشکیل هیدرات در پائین دست
موضوع مهم دیگري که شاید تنها از تجارب ارزشمند واحد هاي بهرهبرداري قابل کسب باشد توجـه بـه ایـن امـر اسـت کـه استقرار کنتور در پائین دست ایستگاه هاي CGS که براي آنها هیتر در نظر گرفته نشده است ، می تواند تهدیدي بـراي قطعـات داخلی کنتور محسوب گردد.
همانطور که مستحضرید وجود رگلاتور در ایستگاه ، باعث شکست یکباره فشار (در شرایط آدیاباتیک١٣ و آنتالپی ثابـت١٤) و درنتیجه باعث کاهش دما می گردد. بعضاً این افت دما در ایستگاه هاي C.G.S به کاهش 23 درجه سانتیگراد و در ایستگاه هـاي
تقلیل فشار ترکیبی (CGS & TBS) تا 28 درجه سانتیگراد میرسـد. کـاهش دمـا تـا ایـن مرحلـه باعـث ایجـاد هیـدرات یـا واکس١٥در مسیر بعد از رگلاتور خواهد شد. از این رو است که بمنظور کاهش و مقابله بـا پیامـدهاي ناشـی از کـاهش دمـا در ایستگاه هاي CGS از هیتر استفاده می نمایند تا دماي بعد از شکست را بالاتر از دماي تشکیل هیدرات نگه دارند. موضـوع قابـل توجه در این مقوله این است که اگر به هر علتی گاز تا دماي بالاتر از دماي تشکیل هیـدرات گـرم نشـود ، چـه اتفـاقی خواهـد افتاد؟!
شکل .3 توضیح: به علت از مدار خارج شدن هیتر ، در دهانه خروجی رگلاتور، هیدرات تشکیل شده تا حدي که دهانه رگلاتور را مسدود
شده است
با از مدار خارج شدن هیتر و محیا شدن شرایط جهت تشکیل هیدرات ، این احتمـال وجـود دارد کـه ذرات جامـد (یخـی)
تشکیل شده ، به پره هاي توربین و متعلقات کنتور برخورد نموده و آسیب جدي برساند. لذا به منظور حذف این احتمال ، نصب کنتور در بالا دست میتواند یک دلیل دیگر براي طراحان جهت جانمائی کنتور درایستگاه محسوب گردد.
.4-2 تاثیرات نوسانات آنی جریان بر کنتور
موضوع دیگري که کارکرد و دقت کنتورهاي توربینی را تحت تـاثیر قـرار مـی دهـد ایجـاد اغتشاشـات حاصـل از نوسـانات لحظه اي است که در مسیر جریان عبوري ، تولید می گردد. این نوسانات می تواند بر اثر وجود موج جریان در ورودي و یا بـر اثـر تغییرات ناگهانی مصرف در پائیندست و یا بجهت نوع کارکرد قطعات ایستگاه بوجود بیاید.
وجود نوسانات آنی در ورودي ایستگاه هاي تقلیل فشار برون شهري با توجه به پایداري و یکنواختی جریان در خطوط انتقال و در صورتی که ایستگاه هاي تقلیل فشار در فاصله مناسبی از ایستگاههاي تقویت فشار ، جانمائی شده باشند کمتر گزارش شده است.
13 - Adiabatic
14 - Constant Enthalpy 15 - Wax
5
از سوي دیگر این مشکل با ظهور موج١٦ ، براي ایستگاه هائی که بطور اختصاصی براي یک مصرف کننده عمده (براي مثـال
CNG یا سیمان) در نظر گرفته شده اند مشاهده شده است. هر بار با شروع فعالیت یکباره مصرف کننده ، یا قطـع آن ، مـوجی بصورت مکش یا برگشت جریان در خط ایجاد شده و از آنجائی که این مصرف کننده بعد از ایستگاه میباشد ، مـوج حاصـله در متعلقات پائین دست ایستگاه ، ایجاد اختلال می نماید. این امر اساساً صحت عملکرد کنتور را تحت الشعاع قرار داده تا حدي که
بعضاً پره توربین و شفت آن را از محل نصب خارج می نماید. اما در مواردي که مصرف کنندگان پائین دسـت بصـورت تجمعـی باشد (مانند (C.G.S ، از آنجائی که تغییر در میزان مصرف آنها ، با نوسان یکباره اي همراه نمی باشد تاثیرات آن بر روي کارکرد
کنتور محسوس نخواهد بود.
اما ابزاري که که بیش از هر چیز در ایستگاه هاي تقلیل فشار می تواند مولد موج آنی باشد ، شیرهاي رهاساز ١٧ (اطمینـان)
هستند. هربار، باز و بسته شدن شیرهاي اطمینان و تخلیه میزان قابل توجهی از حجم گاز ، موجی در جریان پائین دستی گاز ایجاد مینماید که این موج پره توربین ، شافت ، بلبرینگ ها و متعلقات آن (وحتی شات آف١٨) را تحت تاثیر قرار داده و فشـاري ناگهانی اعمال مینماید.
از این رو نظر به موارد اشاره شده و بمنظور پرهیز از تاثیرات منفی جریان هاي مزاحمی که ممکن است بر عمر مفید و دقت کنتور تاثیر بگذارد ، جانمائی کنتور در سمت بالادست ایستگاه ها مناسب تر از پائین دست بنظر مـی رسـد. چـرا کـه در صـورت نصب کنتور در پائین دست نیاز است تا طول لازم جهت حذف اثرات ناشی از موج آنی را تامین نمائیم.
.5-2 لحاظ اقتصادي
از منظر اقتصادي عمده فاکتورهائی که بر روي قیمت کنتور تاثیر می گذارند ، »سایز« و «G‐Rat» کنتور می باشد. با ملاك قرار دادن اصول طراحی و روابط مهندسی در می یابیم که شرایط حاکم بر جریان، در بالادست این امکان را به ما خواهد داد تـا کنتوري با G‐Rat و سایز کمتر نسبت به پائین دست ، همان ظرفیت مورد نظر را پوشش دهد. از این رو باعث کاهش قیمت و صرفه اقتصادي خواهد شد.
اما شاید تنها مزیت اقتصادي نصب کنتور در پائین دست بکارگیري کنتوري با یک کلاس کاري پائین تر نسبت به کنتور در بالادست باشد که این مسئله تاثیر چندانی در قیمت تمام شده کنتور نخواهد داشت.
.6-2 اثرات افت فشار بر عمر و کارکرد کنتور
شاید بتوان این بخش را یکی از مهمترین فاکتورهائی که تاثیر بسزا ، ولی پنهان در کارکرد کنتـور دارد نـام بـرد. طراحـان ایستگاهها ، عموماً G‐Rtae کنتور را بر مبناي ماکزیمم دبی عبوري و در بیشترین فشار کاري١٩ تعیین مینمایند.
اما آن چیز که حائز اهمیت است گزارشات حاصله از قرائت فشاري است که از خطـوط انتقـال دریافـت مـی شـود. در اکثـر فصول سرد سال بعلت رشد مصرف ، با افت فشار در خطوط انتقال و بالطبع کاهش فشار در ورودي ایستگاه ها مواجه می باشیم.
این افت فشار ، افزایش سرعت ناخواسته را در کنتور بهمراه خواهد داشت که جبـران آن جـز بـا افـزایش ظرفیـت و G‐Rtae
کنتور امکانپذیر نخواهد بود.
براي تشریح بهتر ، این موضوع در قالب مثالی مطرح می شود. فرض می کنیم میخواهیم بر روي هر رن ایسـتگاه C.G.S بـا ظرفیت اسمی 000،100 متر مکعب ، یک کنتور در بخش بالادست نصب نمائیم ، محاسبات معمول جهت انتخاب کنتور بـراي هر رن 000،50 متر مکعبی را مدل مینمائیم:
حالت نخست) فشار ورودي در بالادست 1000 psi
16 - Surge
17 - Relif Valve 18 - Shout of Valve
19 - Maximum Allowable Operaiting Pressure
6
حجم واقعی گاز عبوري معادل در این فشار جهت ظرفیت 000،50 مترمکعب استاندارد ، تقریباً برابر 710 متـر مکعـب بـر ساعت می باشد. لذا کنتوري با مشخصه G‐650 انتخاب می شود. این شرایط حالت معمولی است که در اکثر ایستگاه هـا اتفـاق میافتد.
حالت دوم ) فشار ورودي 600 psi
حجم واقعی گاز عبوري معادل در این فشار جهت ظرفیت 000،50 مترمکعب استاندارد ، تقریباً برابر 172،1 متر مکعب بـر ساعت می باشد. لذا کنتوري با مشخصه G‐1000 انتخاب می شود. این فشار حالتی است که در طول فصل سرما ( خصوصـاً در
خط شمالی) بسیار شاهد آن میباشیم.
