بخشی از مقاله
چکیده
هدف از انجام این پژوهش، محاسبهی میزان گاز هدر رفته طی عملیات تخلیه - پرجینگ - گاز طبیعی است. در این پژوهش، با استفاده از نرمافزار تجاری انسیس-فلوئنت به شبیهسازی عددی و محاسبه میزان گاز تخلیه شده از شیرهای پرجینگ واقع بر خطوط لولهی انتقال گاز طبیعی در یک جریان تراکمپذیر، آشفته و ناپایا با رفتار گاز واقعی، پرداخته شده است.
نتایج حاصل از این شبیهسازی نشان میدهند که به دلیل اختلاف فشار بسیار زیاد بین خط لوله و محیط سرعت گاز خروجی بیشتر از سرعت صوت شده و در مقطع خروجی، عدد ماخ بزرگتر از یک میشود؛ در واقع، شیر و انشعاب مربوط به آن مانند نازل همگرا-واگرا عمل میکنند. همچنین اطلاعات حاصل از برازش دادهها بیانگر این است که دبی گاز خروجی از شیر با فشار خط لوله رابطه خطی، با قطر شیر تخلیه کننده رابطهی درجه دو، و همچنین با نسبت قطر شیر به قطر خط لولهای که عملیات تخلیه بر روی آن انجام میشود رابطهی درجه چهار دارد.
-1 مقدمه
متان بخش عمدهای از گاز طبیعی را تشکیل میدهد و زمانیکه وارد اتمسفر شود، یک گاز گلخانهای 1 قوی محسوب میگردد. نشتیهای متان میتواند از نظر اقتصادی به میزان قابل توجهی برسد و موجب خطرات ایمنی گردد؛ لذا با کاهش این نشتیها میتوان به منافع اقتصادی و محیط زیست اساسی دست یافت. انجام فرصتهای موثر موجود برای کاهش نشتی در صنعت نفت و گاز میتواند به کاهش گم شدن محصول، نشت کمتر متان و منافع بیشتر منجر شود.
بنابراین اطلاع از میزان گازهای گمشده بنا به دلایل اقتصادی و زیست محیطی برای شرکتهای توزیع مهم است تا بتوانند هم میزان نشتی را محاسبه کنند و هم بدنبال راهحلهایی برای کاهش منظم نشتیها باشند و همچنین در رابطه با نحوهی استفاده از گازهای رهاسازی شده تصمیمگیری کنند .[1] یکی از مباحث مهم و قابل توجه در صنعت گاز محاسبه گازهای تلف شده میباشد و این مسئله همواره بعنوان یک معضل مورد توجه بوده است.
عوامل مختلفی در اتلاف گاز نقش دارند که در خیلی از موارد قابل اندازهگیری نیستند و باید روشهایی برای تخمین و محاسبه آنها پیشبینی نمود، برای مثال گازهای نشت شده از رگلاتورها ، گازهای خروجی از شیرهای ایمنی و گازهای تلف شده در اثر سوراخ شدن خطوط لوله به هنگام برخورد با یک وسیله مکانیکی و غیره .[2] با توجه به وسعت هر شهر، متراژ شبکه تغذیه و توزیع، از جمله عوامل تاثیرگذار در میزان گازهای گمشده میتوان به عدم دقت در کنتورهای خانگی و صنعتی، سرقت گاز توسط مشترک، عدم تاثیر و یا دخالت صحیح، ضرایب تصحیح دما، فشار و تراکم عالی، عدم اندازهگیری گازهای خروجی از شیرهای اطمینان2، عدم اندازهگیری گازهای تخلیه شده از خطوط، نشت گاز و ... اشاره نمود.
یکی از مهمترین عوامل در میزان گازهای گمشده، تخلیهی گاز از خطوط میباشد. تخلیهی گاز از خطوط لوله به دو شکل انجام میشود. حالت اول، تخلیهی کامل خط لوله جهت انجام عملیات تمیز کاری کلی یا انجام تعمیرات میباشد که در این حالت گاز داخل خط لوله را به صورت کامل و از طریق تزریق یک گاز خنثی به داخل قسمت مورد نظر از خط لوله، تخلیه می-نمایند؛ بدین صورت که ابتدا و انتهای قسمت مورد نظر از خط لوله را مسدود کرده و از یک سمت لوله گاز خنثی را تزریق و از سمت دیگر گاز داخل خط لوله را تخلیه میکنند.
نوع دیگر تخلیه نیز با باز کردن ناگهانی شیرهای تخلیه انجام میشود. با باز کردن این شیرها به دلیل اختلاف فشار بالای خط لوله با محیط، گاز با سرعت زیادی که نزدیک به سرعت صوت میباشد وارد اتمسفر میشود و با خود ناخالصیها را بیرون میکشد. که منظور از عملیات تخلیه - پرجینگ - 3 در مقاله حاضر، شکل دوم عملیات تخلیه است.
در تمام مسیرهای خطوط لولهی گاز، لولههای صاف وجود دارند، سطح مقطع این لولهها بجز در اتصالات صاف و در جداره-ی آنها اصطکاک وجود دارد و جریان درون آنها مغشوش درنظر گرفته میشود. در سال 1991 وودوارد و مودان [3] به بررسی نرخ کاهش فشار به عنوان تابعی از زمان به دلیل وجود سوراخ بر روی لوله و تخلیهی آن ارائه دادند. الورونمی و ایماید [4] نیز در سال 1993 یک مدل ریاضی برای جریان ناپایای نشتی از انتهای شکستهی یک لوله ارائه دادند و مقدار نرخ جریان خروجی از انتهای شکستهی این لوله را مورد بررسی قرار دادند.
منتیل و همکارانش [5] نشت گاز طبیعی - متان - از خط لوله با سطح فشار پایین و متوسط را با فرض گاز ایدهآل مورد بررسی قرار داده و لوله را به صورت یک مخزن مدلسازی کردند. در این بررسی جریان گاز در محل نشتی بیدررو در نظر گرفته شد و مدل پیشنهادی خود را در دو حالت جریان پایا و ناپایا ارائه دادند. ابراهیمی مقدم و همکاران [6] در سال 2016 به شبیهسازی عددی جریان نشت گاز طبیعی از یک سوراخ واقع بر سطح جانبی خط لوله در شبکه توزیع گاز درون شهری پرداختند.
آنها نشت گاز را برای دو حالت لوله روزمینی و لوله مدفون در خاک مدلسازی نموده و برای هر یک از این حالتها، یک رابطه همبسته - برحسب تمام متغیرهای دخیل در مساله - جهت برآورد میزان گاز نشت یافته ارائه نمودند. همان طور که از این فرمول بر میآید، عوامل تاثیر گذار بر روی دبی جرمی خروجی از شیر عبارتنداز: ضریب جریان، ضریب انبساط، سطح مقطع لوله، شتاب گرانش زمین، چگالی گاز خروجی و اختلاف فشار بین محیط و لولهای که عملیات تخلیه را از آن انجام میدهیم.
جهت تخلیه کامل خط لوله در انجام عملیات تمیز کاری کلی یا انجام تعمیرات، گاز داخل خط لوله را به صورت کامل و از طریق تزریق یک گاز خنثی به داخل قسمت مورد نظر از خط لوله انجام میدهند، به این شکل که ابتدا و انتهای قسمت مورد نظر از خط لوله را مسدود کرده و از یک سمت لوله گاز خنثی را تزریق و از سمت دیگر گاز داخل خط لوله را تخلیه میکنند. برای محاسبهی میزان گاز تخلیه شده طی این فرایند نیز در کتابی که تحت عنوان [8] Purging Principles and Practice در سال 2001 منتشر شده است، فرمولی برای محاسبهی حجم گاز خارج شده از خط لولهی گاز جهت تخلیهی کامل، ارائه شده است.
نتایج حاصل از این فرمول حجم گاز تخلیه شده طی عملیات تخلیهی کامل خط لوله را نشان میدهد. همچنین در هندبوک مهندسی گاز [9] - GPSA - منتشر شده در سال 2004، رابطهای جهت تخمین دبی حجمی هدر رفت گاز از یک اوریفیس که در انتهای یک لولهی عمودی نصب شده، ارائه گردیده است. شاید بتوان ادعا نمود که اولین اقدامات اساسی جهت دستیابی به مدلی برای محاسبهی ضرایب افت فشار جریان گاز درون اتصالات با احتساب اثرات تراکم پذیری در سال 2006 و مربوط به گارسیا و همکاران [10] میباشد.
ایشان یک مطالعه عددی و آزمایشگاهی بر روی جریانهای تراکم پذیر درون اتصالات T شکل انجام دادند و ضریب افت فشار موضعی درون اتصالات را محاسبه نمودند. در سال 1391 در گزارش ماهیانهی فعالیتهای انجام شده توسط دفتر پژوهش گاز استان خوزستان ایران [11] جهت محاسبهی حجم گاز خارج شده به هنگام عملیات پرجینگ بر حسب قطر لولهی تخلیه کننده و فشار، قبل از انجام عملیات تخلیه رابطهای ارائه شده است. در این پژوهش میزان دبی گاز خروجی در تمام مراحل تخلیه ثابت در نظر گرفته شده و از همین جهت می توان گفت نتایج دقیقی از آن بدست نمیآید.
در این پژوهش با استفاده از شبیهسازی عددی به محاسبه میزان گاز تخلیه شده از شیرهای پرجینگ واقع بر خطوط لوله ی انتقال گاز طبیعی پرداخته شده است. برای هرچه نزدیکتر کردن فرایند حل و نتایج حاصله به شرایط واقعی، شیر در ابتدا بسته، و برای باز کردن آن زمانی در نظر گرفته شده است. به این صورت که در ابتدا که شیر بسته است، جریان در خط لوله بصورت پایا برقرار شده و سپس در شرایط ناپایدار، اقدام به باز نمودن شیر شده است.
جهت رعایت موارد ایمنی، شیر بصورت مستقیم و به شکل یک دریچه بر روی خط لولهی اصلی قرار نمیگیرد و و معمولا شیر تخلیه در انتهای یک انشعاب که از خط لولهی اصلی گرفته شده است قرار میگیرد؛ که در این پژوهش نیز شیر در انتهای یک انشعاب قرار گرفته است. در این پژوهش که بصورت سه بعدی نیز انجام شده، عملیات تخلیه تحت شرایط مختلف از قبیل مقادیر مختلف فشار ورودی به خط لوله، قطر خط لوله و همچنین شیر با قطرهای متفاوت انجام شده شده است. بزرگترین برتری این پژوهش نسبت به تحقیقات پیشین، نزدیک بودن نحوهی حل و مراحل انجام کار و همچنین فیزیک مسئله به شرایط واقعی و در نظر گرفتن تمامی عوامل تاثیر گذار بر نتایج حاصله میباشد.
-2 بررسی پدیدهی تخلیه خطوط لوله گاز طبیعی
تخلیهی خطوط لولهی گاز جهت تمیز کاری انجام میشود. از افزایش سرعت ایجاد شده به هنگام باز کردن شیر های پرجینگ، جهت زدودن ناخالصیهایی که در لوله جمع میشود میتوان استفاده کرد. از این رو معمولا از قسمت پایین لوله یک انشعاب گرفته میشود.
