بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به کمک دینامیک سیالات محاسباتی و نرم افزار CFX به بررسی جریان سیال چند فازی همراه با کاویتاسیون در شیر فشار شکن خواهیم پرداخت. شیر مورد بحث از اجزای پرکاربرد در صنعت نفت و گاز کشور میباشد، که به علت کاویتاسیون اجزای درونی شیر پس از مدتی تخریب میشوند و ناگزیر به تعویض شیر مورد نظر هستیم با توجه به قیمت بالای شیر و توقف خط انتقال به علت تخریب شیر رفع این مشکل ضروری به نظر میرسید به همین سبب طرحی جدید مورد بررسی قرار گرفت تا ضمن حفظ شرایط کاری شیر قدیمی از اثرات کاویتاسیون در آن کاسته شود و به این وسیله عمر شیر افزایش یابد.
ابتدا به شبیه سازی جریان سیال چند فازی درون شیر با طرح قدیم خواهیم پرداخت، سپس نقاط مستعد کاویتاسیون در شیر قدیمی مورد بررسی قرار خواهند گرفت، سپس به شبیه سازی جریان چند فازی درون شیر با طرح جدید خواهیم پرداخت و نقاط مستعد کاویتاسیون شناسایی خواهند شد و در انتها نتایج با هم مقایسه خواهند شد.
-1 مقدمه
دامنه کاربرد شیرها بسیار گسترده و وسیع میباشد، در اغلب صنایع و ماشین آلات صنعتی استفاده از شیرها اجتناب ناپذیر است. و به طور کلی میتوان گفت شیرها جز جدایی ناپذیر صنعت هستند. به ویژه در صنعت نفت و گاز شیرها بسیار پرکاربرد هستند، از استخراج نفت در سر چاه تا پالایشگاه و دیگر مراحل بهره برداری استفاده از شیرها بسیار پرکاربرد است. دامنه استفاده از شیرها بسیار گسترده و وسیع است از قطع و وصل جریان تا کاهش فشار جریان همچنین هماهنگی بین خطوط مختلف از وظایف عمده شیرها می-باشد
شیرها در انواع مختلفی و برای مصارف مختلف در صنعت کاربرد دارند و دامنه استفاده از آنها بسیار وسیع و گسترده است، شیرهای کنترلی از مهمترین این شیرها محسوب میشوند. امروزه تحقیقات مربوط به شیرها بسیار گسترده شده و استانداردهای بینالمللی زیادی برای طبقه بندی شیرها به وجود آمده. مانند استاندارد ASTM، API ، ASME و استانداردهای زیاد دیگری که هرکدام ساختار خاص و تعریف شدهای دارند
به طور کلی شیرها بر چند اساس طبقه بندی میشوند:
-1 براساس کارکرد و نوع کنترل شیر - کنترل انسانی با الکتریکی یا هیدرولیکی و مکانیکی - .
-2 بر اساس جنس شیر - شیرها در انواع مختلف چدنی، برنجی، پلاستیکی و ... و جود دارند که هر کدام با توجه به شرایط کارکرد و سیال مورد استفاده انتخاب میشوند - .
-3 بر اساس نوع ساختمان و مغزی شیر - شیرهای دروازهای، توپی، فشارشکن و .... همگی بر اساس نوع ساختمان و نوع مغزی نامگذاری شدهاند - .
با بزرگتر و گستردهتر شدن صنایع مختلف کیفیت و تکنولوژی بسیاری از تجهیزات از جمله شیرها افزایش یافت برای نمونه مثال در سال 2015 آقای رایت 1 و همکاران بهینه سازی کنترل فشار در شیرهای فشار شکن را مورد بررسی قرار دادند و در این زمینه به نتایج جالبی رسیدند. همچنین در سال 2015 مینوکونی و همکاران 2 شیرهای فشار شکن خود تطبیق را مورد بررسی قرار دادند این نوع شیرها در صنایع ابزار دقیق و ساخت و تولید کاربرد زیادی دارد
در سال 2015 یانگ و همکاران3 پدیده کاویتاسیون را در شیرها و نازل ها مورد بررسی قرار دادندف پدیده کاویتاسیون از پدیده های مخرب در پمپها، شیرها و بسیاری از ابزارهای صنعتی است که باعث تخریب اجزاء میشود. جلوگیری و کاهش پدیده کاویتاسیون از اهداف مهندسان و همچنین تحقیق حاضر است .
در سال 2015 یولانیکی و همکاران4 تاثیرات کاویتاسیون را در کاهش فشار در شیر فشار شکن مورد بررسی قرار دادند
در این پژوهش به بررسی شیر فشار شکن با سطح مقطع ثابت خواهیم پرداخت، سیال عامل سیال چند فازی خواهد بود، شبیه سازی با فرآیند کاویتاسیون همراه خواهد بود.
این نوع شیر در صنایع نفت و گاز کاربرد دارد، اجزای این شیر عبارت است از بدنه شیر، درپوش نازل و نازل سیال عامل با فشار بالا از یک طرف وارد شیر میشود و پس از عبور از نازل به علت تغییر سطح مقطع و با توجه به قانون برنولی با افزایش سرعت فشار سیال کاهش پیدا میکند و در نهایت با فشاری کمتر از فشار ورودی سیال از شیر خارج میشود.
با توجه به اینکه در این شیرها پدیده کاویتاسیون امری رایج است این شیرها پس از مدتی خراب میشوند با توجه به گران بودن این نوع شیرها و همچنین وقت گیر و هزینه بر بودن تعویض این شیرها و با توجه به شرایط کشور و سعی بر خود کفایی و جلوگیری از خروج ارز از کشور بر آن شدیم که طراحی در این شیرها را به نوعی بهینه کنیم، که با کاهش پدیده کاویتاسیون همراه باشد تا به دوام شیر افزوده شده و در وقت و هزینه ها صرفه جویی شود
شکل : 1- 1 نمایی از شیر مورد شبیه سازی
شکل : 2- 1 نمایی از مغزی مورد استفاده در شیر مورد تحلیل
-2 جریانهای چند فازی
بخش مهمی از مکانیک سیالات مربوط به مسائلی است که تنها یک نوع سیال در محیط بررسی قرار پدیدههای روزمره در زندگی به نوعی از دیدگاه علمی مسائل دو فازی یا چند فازی محسوب می-شوند. از موارد مهم میتوان به جریان نفت خام درون لولهها در هنگام استخراج اشاره کرد، نفت خام چون از اعماق زمین استخراج میشودمعمولاً همراه با سیالات دیگر همچون آب از عمق زمین بیرون میآید که این نوع سیال هم دو فازی از نوع مایع - مایع است. در هنگام جدا سازی نفت خام نیز با سیال دو فازی مواجه میشویم. جریانهای دو فازی درون لولهها را میتوان به چهار دسته اصلی زیر تقسیم بندی کرد .
-1 جریان گاز- مایع - همانند جریان آب با بخار آب درون بویلرهای حرارتی - .
-2 جریان مایع - مایع - جریانهای نفت خام و آب درون لولهها هنگام استخراج از چاه - .
-3 جریان جامد- مایع - ذرات رسوب درون جریان-های مایع مثالی از این نوع جریان است - .
-4 جریان گاز - جامد - شبیه ذرات ریز گرد و غبار درون هوا - .
همچنین جریان مخلوط آب با نفت میتواند منجر به تشکیل یک امولسیون و در نتیجه رفتار جریان شناسی پیچیدهای شود. پدیدهای که در اغلب جریانهای دو فازی آب با نفت دیده میشود پدیده وارونگی فازی است که در آن فاز پخش شده به فاز گسسته تبدیل میشود.
هیدرات ترکیبی برفک گونه از آب وگاز طبیعی است، که تشکیل آن افت فشار را افزایش داده و باعث انسداد و در نهایت انفجار خطوط لولههای انتقال خواهد شد. اصول حاکم بر جریانهای دو فازی به دلیل بر هم کنش دو فاز به مراتب پیچیدهتر از جریانهای تک فاز است. در محاسبات جریانهای تک فازی هدف تعیین افت فشار در طول خطوط لوله است. در حالی که در محاسبات جریانهای دو فازی دو هدف مهم یعنی افت فشار و ماندگی مایع مد نظر است. اصولاً پیچیدگی موجود در پیش بینی و طراحی سامانههای که با دو فاز سر و کار دارند ناشی از وجود همزمان دو فاز و بر هم کنش آنهاست
وجود هر کدام از فازهای گاز و مایع در جریان سیال درون لوله باعث ایجاد اصطکاک و اتلاف انرژی میشود، اما میزان این اتلاف متأثر از وجود یکدیگر است. به علاوه اصطکاک بین دو فاز نیز یکی از عوامل تأثیر گذار در اتلاف انرژی سیال است .
بررسی سیالات و جریانهای دو فازی از مسائل مهم و پر اهمیت در صنعت نفت و استخراج میباشند. که تاکنون الگوی کامل و جامعی برای بررسی جریانهای دو فازی حاصل نشده. پس از اتمام عملیات حفاری و کار گذاشتن لولهها و تسهیلات سر چاهی عملیات بهره برداری آغاز میشود. جهت انتقال سیال به واحد بهره برداری از لوله و کانال و شیرها استفاده میشود. لولهها و شیرها به طور کل ابزاری هستند که سیال را از خود عبور میدهند و یکی از ضروریات صنعت نفت میباشند، که برای رساندن نفت و گاز و سایر میعانات از محل استخراج تا واحدهای بهره برداری و سپس در رساندن به محل مصرف در بندرها و پالایشگاهها به کار گرفته میشود .
تعداد زیادی از جریانهای فرآیندی، مخلوطی از فازها هستند. فازهای فیزیکی مواد شامل گاز، مایع و جامد است. اما مفهوم فاز در سیستم جریان چند فازی به معنای گستردهتری به کار میرود. در جریان چند فازی یک فاز قسمتی از جریان است که امکان تفکیک آن وجود دارد و نسبت به میدان پتانسیلی که در آن قرار میگیرد پاسخ داده و با سایر فازها برهم کنش دارد. مثلاً ذرات جامد با اندازه-های مختلف از همان ماده را میتوان به عنوان فازهای مختلف در نظر گرفت چون هر مجموعه ذرات با اندازه یکسان دارای عکس العمل مشابه به میدان جریان خواهند بود .[3]
به واسطه وجود ناپیوستگیها درخواص سیال و در میدان حل و همچنین در محلی که سطح مشترک وجود دارد و همچنین متحرک بودن این سطح و وجود تغییر فاز در لایههای مجاور سطح و دارا بودن کشش بین سطحی و بدون ضخامت بودن سطح مشترک بین دو سیال؛ شبیه سازی این گونه جریانها از سویی جالب و از سویی دیگر چالش برانگیز است
-3 جریانهای آشفته
احتمالاً معادلات ناویراستوکس تمامی جزئیات جریانهای توربولانس را بیان می کنند اما حل دقیق و قابل اعتماد این معادلات در زمان و مکان هنوز به صورت رضایت بخشی وجود ندارد. در حال حاضر جریانهای توربولانس با عدد Re کم را با روشهای مستقیم DNS که به حل عددی معادلات ناویر- استوکس - NS - بر روی شبکه های بسیار ریز و در فواصل زمانی بسیار کوتاه می پردازند، حل نموده اند که البته مستلزم استفاده از کامپیوترهای بسیار پر قدرت می باشند .
در تئوریهای نیمه تجربی- نیمه تحلیلی توربولانسمعمولاً در مراحل اولیه فرضیات ساده کننده ای بر مبنای نتایج تجربی انجام می شود
