بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی پیک برای خط لوله گازبه همراه مقداری مایع در آن
چکیده
کندانس مایع در خط لوله انتقال گاز عموما توسط برهم کنش معادلات هیدرودینامیک و ترمو دینامیک رخ میدهد. موضوع کندانس در خط لوله بصورت دوفازی به شدت به توانایی و مدلهای عملیاتی و تجهیزات بکارگرفته شده تاثیر میگذارد.بنابراین با مدلسازی پیک در خط لوله کندانس شده میتوان خط لوله را طراحی کرد.پیک متوالی به خط کمک می کند که خط عاری از مایعات و افت فشار ودر نهایت افزایش عملکرد فلو شود.یک مدل ساده شده از پیک زنی به منظور پیش بینی شرایط عملیاتی پیک زنی در خط لوله گاز با مقداری مایع بوسیله رفتار دوفازی معادلات هیدرولیک توسعه داده شده است.مقایسه محاسبات نشان میدهدکه محاسبات انتقالی دو فازی که بصورت olga و شامل دینامیک یک بعدی بامدل دو فازی می باشد و دلالت بر این دارد که مدل جدید پیک زنی دقت خوب و سرعت بالایی در محاسبات دارد.این مدل همچنین شامل توانایی پیمایش پیک زنی و طول slugمیباشد که برای طراحی مهندسی مناسب میباشد
کلمات کلیدی: کندانس گاز طبیعی .شبیه سازی پیگ زنی.مدل ترکیبی هیدرودینامیک .مدل رفتار فازی.جریان دوفازی خط لوله
.1مقدمه
با توسعه سریع صنایع بالادستی و میدان های گازی پالایش ابتدایی گاز طبیعی در سر چاه به منظور حذف فاکتورهای محیطی مخرب صورت میگیرد.انتقال گاز در کف دریا یا خطوط لوله زیر زمینی و در مسافتهای دور صورت میگیرد.مایعات کندانس شده در خطوط لوله گاز طبیعی عموما تحت تاثیر بر هم کنش ترمودینامیکی و هیرو دینامیکی بوجود میآید.کندانس در دو فاز صورت میپذیرد وبه شدت بر مدلهای عملیاتی و تجهیزات محیطی به کار گرفته شده تاثیر میگذارد.عملیات پیک رانی درصنایع نفت وگاز بکار برده می شود.
شبیه سازی زیادی در این باره صورت گرفته است. مک دونالد و بیکر 4991[1] احتمالا اولین کسانی بودند که شبیه سازی پیک رانی را انجام دادند. انها گفتند با عملیات پیک رانی میتوان بازده عملیات خط را 03 تا 03 در صد بالا برد.[2]برائو 4991 با حذف بعضی محدودیتهای مک دو نالد مدل انها را بهبود بخشید.
.2توسعه مدل پیک رانی
فلو گاز کندانس شده با انتقال مایعات کم یک پدیده جریانی چند فازی است که عموما در انتقال گاز خام صورت میگیرد.(شکل [3]( a1که بصورت شماتیک ماندگاری مایع را در خط لوله گاز کندانس شده نشان میدهد. خط لوله به دو قسمت تقسیم می شود.قسمت گاز( (A0که هیچ کندانسی نزدیک ورودی با دما و فشار گاز بالا وجود نداردو جریان دو فازی( (B0 با کندانس و دما وفشار کم. با توجه رفتار فازی و وجود مایع در ان مدلی برای توسعه پیک زنی ارائه شده است(شکل .[ 4](b1خط لوله به سه بخش تقسیم می شود. در جلوی پیک مواد بصورت مایع به نام بخش B تقسیم می شود.در ناحیه چپ پیک که ناحیه تک فازی جریان است(.(A ودر راست موادی که جریان دو فازی انتقالی را تشکیل میدهد قسمت (C) میباشد.
شکل b1 :مدلسازی پیکرانی برای گاز کندانس شده خط لوله شکلa1 :ماندگاری گاز کندانس شده در خط لوله
.3 مدلسازی پیک رانی
.3.1 مدل هیدرودینامیکی ترکیبی
پیشبینی دما و انتقال جرم به شدت برای جریان ترکیبی مهم است .ترکیبات پنین سیستمهایی مثل سیستم کندانس گازی ثابت نیستند. اما تغییرات مهمی در طول خط لوله به عنوان یک عامل فشار ودما صورت میگیرد. بنابر این مدل نفت سیاه که توسط معادلات مایع وبخار و محاسبات فلش برای هر دما وفشاری برای سیستمهای ترکیبی مناسب وکافی نخواهد بود.پیشبینی دقیق دما و فشار از ضروریات است.این مقاله این مدل ترکیبی هیدرو دینامیکی گاز کندانس را که در قسمتهای مختلف کندانس وبخار میشود را شرح میدهد. یکی از مشکل ترین بخشهای سیستم بخش (کندانس/بخار)میباشد که باید شناسایی شود.این مسئله با کوپل کردن مدل رفتاری فازی بر پایه معادلات هیدرو دینامیکی حل میشود.
مدل رفتاری فازی توسط [5](4909) peng-robinson برای محاسبات ترمو دینامیکی خواص فیزیکی گاز برای هر دو فاز با توجه به دما و فشارو ترکیبات موجود گاز مدلسازی میشود.این ضمیمه ارتباط سریعی بین محاسبات فرایندی هیدرو کربنی سبک که سابقا برای شناسایی تعداد فازهاصورت می گرفت برای تخمین دانسیته.انتالپی.ظرفیت گرمایی ویژه گاز ومایع. پارامترهای فلو از قبیل ویسکوزیته مایع و گاز و تنش سطحی برقرار می کند.زمانی کندانس پدیدار می شود که دو فاز همزمان در خط لوله با جرم پیوسته ومومنتوم بین فاز ها انتقال پیدا کند.این همزمانی یک کاربرد اضافی را خلق میکند.سرعت انتقال جرم به ترکیب گاز.دما وفشار بستگی دارد.سرعت انتقال جرم شناسایی نخواهد شد مگر با حل معادلات هیدرو دینامیکی که برای نگهداری جرم وانرژی و مومنتوم راضی کننده باشند.برای محاسبه پروفایل فشار و دما در لوله این معادلات نگهدارنده به دو معادله غیر مستقل منتهی می شود.گرادیان فشاری و انتالپی بصورت زیر است.(شکل(2
شکلk :2ا مین بخش خط لوله
.3.1.1 معادله مومنتوم
معادله گرادیان فشار بوسیله ترکیب مومنتوم و معادله توازن جرمی برای جریان یک بعدی در لوله توسعه پیدا کرده است بوسیله افت فشار .ارتفاع و گرادیات شتاب.
.3.1.2 معادله انرژی
به عنوان یک سیال که از لوله جریان پیدا میکند این سیال با گرمای محیط تبادل حرارت میکند.پروفایل دما در جریان سیالات بوسیله انتقال حرارت .تغییرات ارتفاع.تغییرات ویسکوزیته و تاثیر افزایش قطر لوله تاثیر میپذیرد.نتیجه تغییرات دما از افزایش قطر لوله به تاثیر ژول تامپسون اشاره داردکه میتواندباعث این مسئله شود که دما به زیر دمای لوله برسد.با شمارش همه تاثیرات جریان دوفازی و تعادل انتالپی بر روی یک بخش لوله به معادله زیر میرسیم.
و برای جریان ثابت گاوسی
بنابراین برای قسمت خروجی توسط معادله زیر خواهیم داشت
انتالپی مخلوط در یک بخش لوله (HK)تابع فشار((PKو دما((TKمیباشد.اگر چه PK وTK ناشناخته هستنداما PK از مدل هیدرودینامیک بدست میاید.زمانی که PK و TKپارامترهای تابع هستند بوسیله مدل رفتار فازی حساب می شوند.بنابراین لازم است رفتار فازی و هیدرودینامیکی در هم ادغام شوند.فرض دما و فشار قبل از وارد کردن محاسبات لازم میباشد. در یک بخش لوله با خاصیت دو فازی بدست امده بوسیله مدل رفتاری فازی ماندگاری مایع بوسیله معادلات تجربی قابل پیشبینی است.که شامل BB[6] و MB[7] میباشد
.3.2 محاسبه گازی بخش A
با فشار ورودی دما جریان گاز ترکیب گاز دمای همرفت(دمای لوله و خاک )ضخامت دیواره مدل تک فاز جریانی گاز برای پیشبینی سرعت پیکدر پشت ان قابل پیشبینی است.جرم و مومنتم شرح داده شده بوسیله معادلات گاز کمپرس شده بوسیله معادلات زیر مدوله میشود.عامل اصطکاک بوسیله معادلات تجربی محاسبه میشود
فشار ودانسیته گاز بوسیله EOS گاز به هم ارتباط پیدا میکنند
که Zو MG ضریب تراکم پذیری گاز و جرم مولکولی میباشند
.3.3محاسبه بخش SLUG قسمت B 3.3.1 .حجم کنترل CV
خط جریانی گاز کندانس شده اغلب بصورت کره میباشدکه بصورت پریود منظم برای کنترل تجمع مایع استفاده می شود.این فرایند باعث میشود که توده مایع شکل در جلوی پیک جمع بشود.برای مدل کردن پدیده پیک رانی معادلات مومنتم و جرم همزمان بکار برده میشوند.یک حجم کنترل توسعه یافته بصورت سیستم ثابت هماهنگ مثل شکل (b4)استفاده میشود
.3.3.2معادلات تعادلی جرمی
معادله عمومی تعادل جرمی برای حرکت و حجم کنترل توسعه یافته بوسیله معادله زیر داده شده است.
هیچ مایعی در پشت پیک نمیباشد.در هر dt مایع جمع شده و دانسیته با زمان تغییر نمیکند.با فرض بالا معادله 9) )بصورت زیر نوشته میشود
فرم زمانی تغییرات طول توده مایع در لوله در بخش B بصورت زیر داده شده است
با واردکردن معادله 43 در معادله 9 سرعت Vt از معادله زیر حاصل میشود
که توده جمع شده عموما به عنوان یک تابع از ʋs معادله [8] Gregory 1978بدست میاید
.3.3.3معادلات تعادلی مومنتوم
معادله عمومی تعادلی مومنتوم بوسیله 40 بیان میشودو همچنین برای CVنشان داده شده در شکل (b1) بکاربرده میشود.معادله مومنتوم که معادله ای جهت دار است از جایی مثل x در نظر گرفته میشودو نیروی Fیک نیروی خارجی است که بوسیله محیط بر CV (حجم کنترل) اعمال میگردد.
فرض میکنیم که دانسیته مایع سرعت توده و ماندگاری توده با زمان تغییر نمیکندو مایع جمع شده پشت پیک صفر میباشد.قسمت تجمع و جریان مومنتوم در طول سطحی که حجم کنترل را در برگرفته را میتوان مجددا بصورت زیر معادله کنیم
ونیروی خارجی F بدست میاید
که در ان τS تنش بین توده و دیواره لوله میباشد.برای خط لوله افقی با جایگزینی معادله 41و41 در معادله 40 معادله تعادلی مومنتوم بوسیله زیر نوشته میشود
که ELو ʋL ماندگاری مایع وسرعت بین Bو Cرا شرح میدهد
.3.3 محاسبات توده مایع جلوی پیک
هنگامی که توده جلویی به خروجی لوله می رسد و به گیرنده مایع میرسد.توده تحویلی اتفاق میافتدو شتاب پیک سریعتر میشودشکل((0
