بخشی از مقاله
-1.1 چکیده
کاهندههای فشار دارای کاربرد وسیعی در بخشهای مختلف همچون صنایع نفت و گاز - مخازن تحتفشار، خطوط انتقال، مهارکنندهها... - ، گازرسانی - علمک های توزیع، ایستگاههای تقلیل فشار و ... - ، صنایع نظامی - موشکهای سوخت مایع و ... - ، نیروگاهای گازی، بخار و هستهای - بویلرها، مخازن تحتفشار، راکتورها - میباشند. افزایش یا کاهش فشار در قسمتی از یک واحد صنعتی باعث بروز ضایعات جبرانناپذیری در آن مجموعه خواهد شد. نقش پراهمیت کاهندههای فشار در مجموعههای مربوطه بیشتر آشکار خواهد شد. امروزه در واحدهای صنعتی و نظامی که با سیستمهای پیچیدهای مانند هواپیماها، مخازن فشار بالا و حساس، راکتورها روبرو هستند. از انواع مختلف رگلاتورها و شیرهای کنترلی استفاده میشود. بر این اساس توجه فراوانی به امر ساخت این نوع شیرها معطوف شده است با توجه به حساسیت خاصی که در این شیرها وجود دارد، امر طراحی،شبیهسازی و ساخت آنها جز از طریق تجزیهوتحلیل کامل مکانیزم عملی شیر، مدلسازی، تعیین رفتار شیر و بررسی سیستم کنترل حاکم بر آن و سپس مشخص نمودن پارامترهای حساس و اساسی در طراحی شیر قابل انجام نیست.
-1 مقدمه
با افزایش جمعیت و رشد اقتصاد، تقاضا برای انرژی زیاد میشود که در سه دهه اخیر این تقاضای انرژی بهشدت افزایشیافته است. نفت و گاز نقش مهمی را در تأمین نیازهای انرژی موردنیاز به خود اختصاص دادهاند. استفاده مدرن از انرژیهای تجدید پذیر و همچنین در تکنولوژیهای جدید از قبیل انرژی خورشید، انرژی زمینگرمایی ، نیروی باد و ... بهسرعت رشد یافته است. یکی از تأسیسات ویژهای که جزء لاینفک بهرهبرداری گاز طبیعی محسوب میگردد،ایستگاههای تقلیل فشار نام دارد. این ایستگاهها به دو صورت عمده و تحت عنوان ایستگاههای تقلیل فشار دروازه شهری - C.G.S - و ایستگاههای تقلیل فشار درونشهری - T.B.S - مورداستفاده قرا میگیرند و همانطور که از نامشان پیداست، کار شکست فشار را بر عهدهدارند.این ایستگاهها با توجه به ماهیت کاری، دارای اقلام و قطعات مختلفی میباشند، اما قطعهای که کار اصلی شکست فشار را بر عهده دارد و بهنوعی مهمترین قسمت ایستگاه محسوب میگردد، - - رگلاتور - - نام دارد. کاهندهای فشار وسایلی هستند که فشار خروجی را بدون در نظر گرفتن فشار ورودی و دبی جریان خروجی، ثابت نگه میدارند. براثر این شکست فشار اتفاقات قابلتوجهی بروز مینماید که تنها میتوان از منظر ترمودینامیکی و دینامیکی، روند بروز و علت آن را تحلیل و توجیه نمود. اما با توجه به پیچیدگیهای رفتار جریان سیال گذرنده، نیاز هست تا از ابزارهای تحلیل عددی و شبیهسازی استفاده نماییم.
ایستگاههای تقلیل فشار گاز یکی از مهمترین عوامل توزیع و مصرف گاز میباشند. در این ایستگاهها پس از فیلتراسیون گاز توسط شیر تقلیل فشار - رگلاتور - کاهش مییابد. مهمترین بخش ایستگاههای تقلیل فشار بخش رگلاتور یا تنظیمکننده فشار جریان گاز هست، که گاز بعد از عمل فیلتراسیون وارد بخش کاهش فشار و یا تنظیم فشار میگردد که در آن هدف، کاهش فشار گاز از فشار موجود در شبکه انتقال است که میتواند حداکثر تا 1000psi باشد به فشار موردنیاز مصرفکننده که در ورودی شهرها 250psi است. تحول ترمودینامیکی که در رگلاتور ایستگاه گاز اتفاق میافتد عبارت است از عبور گاز پرفشار از یک روزنه که در آن عمل انبساط اتفاق میافتد. انبساط گاز به کاهش دمای آن منجر میشود که میتواند همراه میعان گاز و یا بدون میعان گاز باشد در ایستگاههای تقلیل فشار گاز، هدف این است که گاز حالت خود را در هنگام تقلیل فشار حفظ کند. معادله انرژی برای این تحول بهصورت ذیل هست :
که در این رابطه hi و heآنتالپی گاز در ورودی و خروجی رگلاتور و Vi و Ve سرعت جریان گاز در ورود و خروج از رگلاتور میباشند. فرآیند تقلیل فشار را یک فرآیند آنتالپی ثابت در نظر گرفت که به انبساط ژول تامسون معروف است.
ضریب ژول تامسون عبارت است از :
در حالتی که ضریب ژول- تامسون مثبت باشد درجه حرارت در این تحول افت میکند و چنانچه منفی باشد درجه حرارت افزایش مییابد. تحول ترمودینامیکی که در شیرهای انبساط - رگلاتورها - اتفاق میافتد در زمره 0 j هست بنابراین با کاهش دما همراه خواهد بود که این کاهش دما در اطراف شیر موجب میعان بخارآب و حتی در مواردی یخزدگی در داخل و اطراف شیر میگردد. بهمنظور جلوگیری از این موضوع نیاز به گرم کردن گاز قبل از ورود به رگلاتور هست. استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای پیشبینی جریانهای داخلی و خارجی در دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. در دهه 1980 حل مسائل جریان سیال توسط CFDموضوع تحقیق بسیاری از محققین بوده است. قابلیت وسیع موقعیت کاری مهندسی توأم با الگوریتم حل مؤثر و پیشرفته شدن امکانات ریزپردازنده امکان استفاده از برنامههای CFDتجاری را برای فارغ تحصیلان مهندسی بهمنظور تحقیق، توسعه و طراحی در صنعت فراهم کرده است. برنامههایی که در حال حاضر در بازار موجود است ممکن است بسیار قوی باشند اما عملکرد آنها نیاز به درک بسیار بالا از سوی کاربر هست که نتایج قابل قبولی در حالت بسیار پیچیده به دست آید. مزایای روش حجم محدود بازار در اختیار چهار برنامه PHONICS,FLUENT,FLOW3D,STARCD قرارگرفته است که همگی بر اساس حجم محدود کار میکنند. در این شبیهسازی نتایج خروجی که شامل توزیع سرعت، فشار، متغیرهای استفادهشده در مدلهای مختلف توربولانس در ورودی کنتور هست. دو نوع عمده اختلال و ناآرامی در جریان دینامیک سیال به وجود میآید: -1 تغییر در پروفیل سرعت -2 پیچش این دو وضعیت میتواند بهتنهایی و یا باهم در سیال ایجاد شود. تغییر پروفیل سرعت - شکل - 1 درواقع تغییر در توزیع محوری سرعت هست. این حالت ممکن است در زانوها، شیرهای نیمهباز، عدم نصب صحیح آببندها، برآمدگی داخل لوله به وجود آید.
شکل 1پروفیل سرعت در دو حالت آرام و متلاطم
در سیستمهای گازرسانی از رگلاتور بهمنظور تثبیت فشار گاز در دامنهای خاص و جلوگیری از افزایش ناگهانی فشار استفاده میشود. رگلاتور با تغییر جریان گاز میزان فشار آن را در حد معینی کنترل مینماید . - 1 - از انواع مختلف رگلاتورها میتوان به
