بخشی از مقاله
چکیده
در تجهیزات انتقال سیالات و مبحث شیرهای کنترلی بحث طراحی و بهینهسازی قفسه ازنظر میزان جریان عبوری از آن از اهمیت زیادی برخوردار است. در این مقاله به بررسی و تحلیل قفسه چند سوراخه شیر کنترلی کروی پرداختهایم، این شیر برای کنترل سیال گاز متان در خط جریان توربینی است که دچار پدیده موج و تشدید شده است به کار میرود. بدین منظور از نرمافزار کانوال برای رسیدن به مشخصات سایز این شیر کنترلی استفاده کردهایم و سپس با استفاده از نرمافزار کاسموس فلو ورکز1 آن را شبیهسازی کرده و مقدار نرخ جریان عبوری بیشینه و منحنی مشخصه را اخذ کرده، تا منطبق بر نتایج مدنظر شرکت نفت و گاز گچساران قرار بگیرد. این نتایج درنهایت توسط شرکت بهرهبرداری نفت و گاز گچساران مورد تست واقعی قرارگرفته شده و صحت سنجی شده است.
مقدمه
شیرهای کنترلی بهصورت وسیعی درزمینه های مختلف صنعتی ازجمله صنایع نفت و گاز، نیروگاهها، پتروشیمی و سامانههای انتقال آب استفاده میشوند. هدف از مدلسازی سیالاتی شیر کنترلی، شبیهسازی رفتار جریان در داخل شیر با استفاده از نرمافزار فلوسیمولیشن و سایز کردن آن توسط نرمافزار کانول است تا به کمک نتایج آن بتوانیم قفسه شیر کنترلی را طراحی یا بهینهسازی کرد. بهعبارتدیگر استفاده از مدلسازی سیالاتی کمک میکند که بهجای صرف هزینه و وقت زیاد برای انجام آزمایشهای تجربی، رفتار سیال را در داخل شیر پیشبینی کرده و به بهینهسازی پارامترهای طراحی پرداخت. در این مقاله به بررسی رفتار سیال متان در قفسه2 چند سوراخه3 شیر کنترلی کروی میپردازیم و درنهایت با بررسیهای صورت گرفته مقدار نویز را کاهش داده و اقدام به طراحی و ساخت قفسه کردهایم.
تاریخچه
استفاده از شیر کنترلی حداقل به زمان رومیان برمیگردد، زمانی که آنها از شیرهای سماوری برنزی استفاده میکردند ولی استفاده از شیر کنترل خودکار ابتدا توسط جیمز وات در اواخر قرن 18 میلادی انجام شد. وی در ماشین بخار خود جهت کنترل سرعت از شیرهای کنترل استفاده نمود. در ادامه، سالمی و همکارانش نیز در سال [5] 1387 با بهینهسازی پروفیل داخلی و قفس شیر و مقایسه با نمونه مشابه یک سازنده، مطلوب بودن عملکرد طرح ارائهشده مشخص گردید و حداکثر اختلاف مشاهدهشده در منحنی عملکرد به میزان 8 درصد بود.
صیامی و همکارانش در سال [6] 1386 با طراحی پروفیل داخلی و قفس یک شیر کنترلی و سپس شبیهسازی جریان درون آن و تحلیل نتایج در نرمافزار فلوئنت و همچنین مقایسه با نمونه ساخت شرکت فیشر مقدار جریان را کنترل نمودند و مشخص شد که طراحی انجامشده برای شکل داخلی شیر، مناسب است و قابلیت کنترل دبی با توجه به الگوی مشخصشده را دارا هست. خسروی و همکارانش در سال [7] 1389 با بررسی و ساخت یک نمونه شیر کنترلی و آزمودن آن نشان دادند که در طراحی شیرهای کنترلی، طراحی خاصیت جریان برای دستیابی به رفتار مناسب شیر بسیار حائز اهمیت است و با تحلیل طرح حاصل و مقایسه صورت گرفته با شیر کنترلی نمونه ساخت شرکت فیشر، مشخص شد که طراحی انجامشده برای شکل داخلی شیر مناسب است و قابلیت کنترل دبی با توجه به الگوی مشخصشده را دارا هست.
محسن بختیاری فرد و همکاران 8] و [9 در سال 1388 به چگونگی استفاده از روابط هندسی برای به دست آوردن دبی عبوری از مقطع کنترلی در یک شیر کنترلی موتور سوخت مایع خاص و سپس بهینهسازی آن با ایجاد کنار گذر داخلی در یک موتور سوخت مایع پرداختند. دیویس [10] با استفاده از روشهای عددی، خواص جریان شیر کنترلی کروی را در حالت خاصیت خطی و درصد مساوی موردمطالعه قرارداد و با مقایسه آن با نتایج تجربی نشان داد که استفاده از CFD در مطالعه جریانهای سهبعدی در شیر کنترلی بسیار مفید است و باعث سادگی مراحل طراحی میگردد.
همچنین سالوادور و همکاران [11] با تحلیل یک شیر کنترلی، رفتار جریان داخل شیر را مدلسازی نمودند و با مقایسه آن با نتایج تجربی اعتبار نتایج بهدستآمده از CFDرا مورد تأیید قراردادند. استارز و همکاران [12] نیز با استفاده از نتایج حاصل از CFD به اصلاح شکل ورودی قفس شیر و تغییر در شکل داخلی مسیر جریان پرداختند و ظرفیت جریان عبوری یک شیر کروی خاص را 15 درصد بالاتر بردند. آنها نشان دادند که نتایج پیشبینیشده توسط روشهای عددی تنها درصد با نتایج آزمایشها تفاوت دارد.
اکنون در این مقاله سعی در تغییر پروفیل - قطر سوراخهای - قفسه شیر کنترلی شده است و برای تحلیل و طراحی هندسه قفسه جدید با توجه به پرسشنامه درخواستی مجتمع گاز پارس جنوبی1 و نیازهای آنان اقدام به سایز کردن اطلاعات شیر کنترلی توسط نرمافزار کانوال کرده و نتایج را در نرمافزار تحلیل دینامیک سیالاتی کاسموس فلو ورکز قرار داده و با توجه به این نتایج اقدام به تعیین قطر سوراخهای مرحله2 چهارم قفسه میکنیم تا بتوان حداکثر میزان ممکن، نویز موجود را کاهش دهیم.
مدلسازی و تشریح مسئله
مطابق مشخصات فرآیندی ارائهشده در جدول 1 به کمک نرمافزار محاسبه و انتخاب شیرهای کنترلی کانوال، فرآیند تحلیل اولیه این شیر کنترلی صورت گرفته و ظرفیت موردنیاز شیر انتخابی تعیین گردیده است. بر اساس نتایج بهدستآمده مقدار دبی در این شرایط معادل min 446 gal محاسبهشده است. بر اساس این تحلیلهای دینامیک سیالاتی قفسه اصلی با توجه به نیاز مشتری برای کاهش ظرفیت شیر، قفسه اصلی که بهصورت مهندسی معکوس از روی نمونه اصلی استخراج شده است.
مقدار دبی به میزان 140 gal/min را از خود عبور میداده است، باید بهینه شود و این بهینهسازی با تغییر الگوی قطر سوراخهای قفسه امکانپذیر است، قطر سوراخهای خارجی قفسه اصلی 4.7 میلیمتر و قطر داخلی نیز 2.5 میلیمتر بوده است. با انتقال اطلاعات سرویس در نرمافزار کانوال3 و پس از پردازش اولیه اطلاعات، نتایج آن را در نرمافزار کاسموس فلو ورکز وارد کرده و در بازشدگیهای بیستدرصدی مورد تحلیل سیالاتی قرار دادهایم. مطابق استاندارد ISA 75.01 شیر کنترلی را در شرایط آزمودن قرار داده و شبیهسازی را انجام دادیم. [23] پس از استخراج دادهها و آزمون و خطا بدون تغییر در قطر خارجی سوراخها، قطر داخلی سوراخها، به عدد 4.4 رسانیده و به نتیجه دلخواه دستیافتهایم که نتایج آن را در ادامه قرار دادهایم.
نتایج تحلیلی در قفسه شیر کنترلی اصلی
در نرمافزار تخصصی سایز کردن کانوال میتوان با واردکردن اطلاعات ولو منحنی مشخصه مقدار دبی برحسب باز شوندگی شیر کنترلی را مطابق استاندارد محاسبه کرد.[23] و [24] بر این اساس ابتدا مقدار نرخ جریان عبوری بیشینه و منحنی مشخصه قفسه اصلی را مطابق - شکل - 2 تعیین میکنیم و پس از تعیین آنها منحنی مشخصه بهینهسازی شده را در کانوال وارد کرده - شکل - 2، سپس معادله خط جدید را دریافت کرده و بر این اساس قفسه جدید با مشخصاتی که در - شکل - 4 آمده است طراحی و ساخته شده است.
تحلیل شیر کنترلی در نرمافزار کاسموس فلو ورکز
شیر کنترلی کروی در قفسه اصلی بررسیشده و پس از اخذ منحنی مشخصه قفسه اصلی توسط تحلیلهای دینامیک سیالاتی با نرمافزار فلوسیمولیشن و معادله خط آن توسط نرمافزار کانول استخراجشده است، سپس توسط این نتایج منحنی و معادله خط، در نرمافزار مطلب پروفیل قفسه آن نیز بر همین اساس طراحی گردیده است و مجدداً مورد تحلیل CFD قرارگرفته و در تراول های 20 درصدی منحنی مشخصه آن رسم گردیده و معادله آن با معادله قفسه قبلی مقایسه میشود. این شیر چون کاهنده نویز نیز می باشد؛ به منظور آن توسط تحلیل های CFD و مقایسه نتایج آن توسط کانول به این نتیجه رسیده ایم که در فرکانس های بالا مقدار نویز کمتر از 80 دسبیل بوده و طبق استاندارد این میزان نویز برای شنوایی آسیب نمی رساند.
