بخشی از مقاله
اصول طراحی و بهره برداری از خطوط لوله انتقال نفت و گاز
خلاصه
بسیاری از مخازن گازی کشف شده در دنیا از جمله مخزن عظیم پارس جنوبی (به عنوان بزرگترین مخزن گازی مستقل دنیا) در دسته مخازن گاز‐گازمایع (Gas-Condensate) قرار میگیرند. مشخصه اصلی این نوع مخازن تک فازی بودن سیال درون مخزن است ولی در حین تولید و انتقال سیال به سمت واحدهای فراورش در اثر کاهش دما و فشار درون چاه ویا لوله های انتقال امکان تشکیل هیدروکربن مایع و آب نیز وجود دارد. نظر به اینکه تفکیک مایعات در مدخل خط لوله و انتقال آنها بوسیله خط لوله مجزا عملاﹲ کاری بسیار هزینه بر است امروزه از خطوط انتقال دوفازی به همین منظور استفاده میشود. مدل سازی وشبیه سازی این خطوط انتقال همواره یکی از دغدغه های اصلی طراحان در شاخه مهندسی نفت بوده است. همچنین در مواردی مانند انتقال نفت خام و یا میعانات گازی درورن خط لوله ممکن است در اثر پاره ای از شرایط ضربه قوچی در خط لوله ایجاد گردد که پیش بینی میزان موج ناشی از آن برای طراحی خط لوله بسیار ضرورری است.
اصول کلی در رابطه با شبیه سازی جریان سیال در خطوط انتقال نفت و گاز در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: شبیه سازی, لخته گیر, CFD
مقدمه
جریان تولیدی از یک مخزن هیدروکربنی بسته به نوع آن ممکن است در شرایط مختلف فازی از طریق چاههای تولیدی به سطح زمین بیاید. در مورد مخازن Wet-Gas وGas-Condensate مطابق تعریف سیال درون مخزن در حالت گازی قرار داشته ولی در اثر افت فشار و دمای ناشی از تولید در مسیر انتقال سیال مقداری از آن به مایع تبدیل میشود.
شرایط مختلفی باعث تشکیل مایعات درون خطوط لوله انتقال و چاههای تولیدی میشود که از آن جمله میتوان به تشکیل میعانات گازی به فرم ثابت و پیوسته ناشی از قرار گرفتن سیال مخزن در شرایط دما وفشار درون گنبد فازی و همچنین تشکیل مایع به صورت مقطعی در اثر تغییر جریان درون خطوط لوله انتقال مانند افزایش تولید پس از یک مقطع کاهش تولید (Ramp-up) و یا حرکت سیال دوفازی در Riser که سیال مخزن را تأسیسات فراساحل از کف دریا به Platform میرساند( تشکیل و حرکت میعانات گازی در این حالت به Severe Slugging موسوم است) اشاره کرد.
شبیه سازی رفتار خطوط انتقال سیال دوفازی به دلیل ماهیت دینامیک مسئله همواره با دشواریهایی همراه بوده است. نرم افزارهای متداول طراحی تا همین چند سال پیش قادر بودند تنها رفتار پایای خطوط انتقال دوفازی را شبیه سازی کنند که این امر طراحی را به عدم قطعیتهای قابل ملاحظه ای مواجه میساخت. همچنین در رابطه با پدیده Water Hammer در خط لوله انتقال مایع نیاز به پیش بینی موج فشار ناشی از این پدیده به شدت احساس میشود که پدیده ای کاملاﹲ دینامیکی محسوب میگردد. در این مقاله به تشریح موارد یاد شده پرداخته خواهد شد.
پیش گویی پدیده ضربه قوچی (Water Hammer) در خطوط لوله انتقال
در حالتی که مایعی هیدروکربنی در خط لوله در حال جریان است اگر به واسطه عواملی مانند بسته شدن سریع شیر ویا از کارافتادن سریع پمپ در ناحیه ای از خط لوله یک تغییر ناگهانی در سرعت سیال در خط لوله بوجود بیاید این تغییر اثر خود را به صورت یک موج فشار میرا ورفت و برگشتی در خط لوله نشان میدهد. صورتی که فشار ناشی از این موج در طراحی خط لوله در نظر گرفته نشده باشد ممکن است باعث تخریب خط لوله گردد. در مثالی به همین منظور پدیده ضربه قوچی ناشی از بسته شده شیر خروجی خط لوله در زمانی کمتر از ثانیه در شکلهای زیر آورده شده است. این نتایج با استفاده از نرم افزار ٢٠٠٠OLGA بدست آمده است:
شکل شماره یک: میزان فشار در خط لوله قبل (شکل سمت چپ) و بعد (شکل سمت راست) از بسته شدن شیر
شکل شماره دو: پیش گویی ضربه قوچی در خط لوله توسط نرم افزار تهیه شده و مقایسه آن با نرم افزار PipeNet
همچنین نتایج داده های حاصل از شبیه سازی پدیده ضربه قوچی با نتایج نرم افزار PipeNet به عنوان نرم افزار تخصصی شبیه سازی پدیده قطره قوچ با یکدیگر مقایسه شده است. مقایسه نتایج نرم افزار تهیه شده با نتایج دو فرم افزار یاد شده and PipeNet) ٢٠٠٠(OLGA تطابق خوبی را نشان میدهد.
با پیش گویی پدیده ضربه قوچی در داخل لوله امکان راههای مختلف جلوگیری ومقابله با آن فراهم میگردد. از جمله میتوان به نصب Pressure Relief Valve در نقاط به خصوصی از خط لوله و یا افزایش فشار طراحی آن اشاره نمود. لازم به ذکر است این پدیده کاملاﹲ دینامیکی بوده و با نرم افزارهایی مانند PipePhase قابل پیش گویی نیست ( البته ماﮊول Tacite در Pipephase قابلیت انجام شبیه سازی به فرم دینامیک در خطوط لوله را دارد.
پیش گویی رفتار سیال در خطوط جریان دوفازی به طور عمده سه روش طراحی برای خطوط لوله دوفازی قابل اجراست که بر اساس هرکدام از آنها یک ویا چند نرم افزار تجاری توسعه داده شده است. در روش اول که بر اساس فرمولهای مربوط به جریان تک فازی استوار است نتایج حاصل از شبیه سازی خطوط لوله تک فازی به جریان دوفازی تعمیم داده میشود. در روش دوم از فرمولهای تجربی به منظور افت فشار، میزان مایع درون خط لوله و رﮊیم جریان استفاده میشود. عیب مهم روشهای مبتنی بر روابط تجربی در این است که این روابط به ازای شرایط خاص و در محدود مشخصی از جریان جوابهای قابل قبول از خود ارائه میکنند.نرم افزارهایی مانند PipeSys و PipePhase عمدتاﹲ بر روی دو روش یاد شده متمرکز هستند. در شکل زیر ضمن معرفی مرزهای عملیاتی درون خط لوله محدوده عملکرد چند روش تجربی نشان داده شده است. همچنین شکل نشان داده شده یک روش ابداعی برای طراحی خطوط لوله دوفازی و تک فازی در صنعت نفت است. همانند انچه که برای ناحیه پایدار عملکرد برای سینی های برج تقطیر تعریف میشود در اینجا نیز یک ناحیه پایدار برای عملکرد خط لوله تعریف میگردد. برای تعریف این ناحیه پایدار ابتدا مرزهای کلیدی و بحرانی مانند سرعت بحرانی و سایش((Errosion ، مرز تشکیل هیدرات و Wax و... در یک نمودار واحد ترسیم شده و سپس ناحیه ای که خط لوله بدون مشکل حاد قابل بهره وری است مشخص میگردد. این روش مبنای مفهوم جدیدی با نام Flow Asuurance در خطوط لوله است و امروزه در سطح وسیعی جایگزین روشهای متداول شبیه سازی خطوط لوله شده است.
شکل شماره سه: محدوده جریان پایدار در یک نمونه خط لوله دوفازی
در روش سوم که به روش مکانیستیکی((Mechanistic Models موسوم است روابط حاکم بر جریان شامل موازنه جرم، انرﮊی وMomentum به طور دقیق و مشروح در طول خط لوله حل میشوند. حجم محاسبات مورد نیاز در این قسمت باعث میشود نرم افزارهای ارائه شده بر این اساس عملاﹲ سرعت حل پایینی داشته باشند ولی جوابهای ارائه شده از
