بخشی از مقاله
چکیده
امروزه، بحث ایمنی در فرآیندها به جهت کاهش مخاطرات و صدمات جانی، مالی و محیط زیستی از اهمیت ویژه ای برخودار است. یکی از تجهیزات تامین کننده ایمنی شیرهای اطمینان1 هستند که روی تجهیزات تحت فشار نصب شده و در زمان لزوم موجب تخلیه فشار اضافی میگردند. طراحی شیرهای اطمینان فشار در موارد متفاوتی انجام میگیرد. در مطالعه حاضر محاسبه دمای تخلیه سیال محبوس که در معرض آتش است با روش شبیهسازی دینامیک سیالات محاسباتی2 صورت گرفته و با استفاده از نرمافزار HYSYS ، استاندارد نفت امریکا3 و مدلسازی ترمودینامیکی با نرمافزار MATLAB به عنوان روشهای جانبی بررسی گردیده است. مطالعات برای چندین سیال گازی با ترکیب درصد متفاوت بررسی گردید. نتایج حاصل از روش دینامیک سیالات محاسباتی و روشهای MATLAB و HYSYS برای لولهای با جنس کربن استیل تقریبا مشابه اند اما نتیجه استفاده از استاندارد API نتیجه کاملا متفاوتی ارائه میدهد.
-1 مقدمه
فشار و دما از مهمترین پارامترهای عملیاتی در صنایع نفت و گاز می باشند. افزایش فشار در سیستمها معمولا میتواند ناشی از عوامل مختلفی مانند بسته شدن یک شیر در پایین دست جریان، وقوع آتش و بالا رفتن دما در یک سیستم بسته و یا عوامل دیگری باشد.[1] از این رو فشار باید در این فرآیندها توسط مکانیزمهای کنترلی به دقت کنترل شود. چنانچه به عللی مکانیزمهای کنترل کننده وظیفه خود را درست انجام ندهند، فشار بیش از حد مجاز بالا خواهد رفت و این مساله نه تنها میتواند منجر به صدمههای جبران ناپذیر به تجهیزات گردد بلکه قادر به خطر انداختن جان انسانها نیز میباشد. برای جلوگیری از بروز حوادث، علاوه بر ابزار کنترلی، مطابق با استاندارد API-14C تجهیز دیگری به نام شیر اطمینان معمولا جهت حفاظت از افزایش فشار در مخازن، چند راههها4 و لولهها نصب میگردد.[1]
مقدار مجاز افزایش فشار با استفاده از کدها و استاندارد-های مختلف و با توجه به نوع تجهیز و شرایطی که موجب افزایش فشار شده است، تعیین میشود.[2] این مقدار برای مورد آتش %21 بالاتر از فشار تنظیم شیر اطمینان فشار میباشد.[3,4] نحوه عملکرد شیرهای ایمنی بدین صورت است که در یک فشار مشخص تنظیم5 میشوند و زمانی که فشار خط اصلی یا تجهیز - که شیر ایمنی روی آن نصب است- به هر دلیلی، از جمله بسته شدن جلوی جریان اصلی یا وقوع آتش بالا رود و به فشار تنظیم برسد، شیر ایمنی باز شده و عمل تخلیه سیال را انجام میدهد.[5]
جهت تعیین اندازه درست شیرهای ایمنی نیاز است که تمامی پارامترهای دخیل در محاسبات به درستی پیش بینی شوند. از جمله مهمترین این پارامترها، دمای تخلیه6 است .[6]در این تحقیق روش-ها و ابزارهای متفاوت محاسبه این کمیت به کار گرفته شده و برای چندین مورد صنعتی با یکدیگر مقایسه شده اند. اگرچه روشهای معمول تعیین اندازه در استانداردها موجود میباشد اما تاکنون مطالعه و تحقیقی در مورد تغییرات حالت فیزیکی سیال محبوس در لوله و در معرض آتش در راستای محاسبه دمای تخلیه صورت نگرفته است .
-2 شرایط عملیاتی و تعریف مسئله
در این تحقیق رفتار فیزیکی سیال تک فاز گاز7 به دام افتاده و در معرض شار حرارتی ثابت به منظور محاسبه دمای تخلیه شیر اطمینان در حالت آتش بررسی گردیده است. به عبارتی دیگر لوله در معرض شارحرارتی ثابت قرار گرفته است. بر اساس ترکیب درصد گاز موجود در یکی از سکوهای فراساحلی واقع در خلیج فارس میباشد. جدول - 1 - ترکیب درصد گاز بر حسب درصد جرمی را نشان میدهد. ترکیب درصد و شرایط عملیاتی مربوط به یک سیال تک فاز گازی میباشد، بدین جهت که مطالعات این تحقیق محدود به سیال تک فاز گازی است. جهت سادگی هندسه مساله، لولهای به شکل استوانه با طول و قطر معلوم در نظر گرفته شده است و از زانویی و سایر اتصالات صرف نظر شده است.
-3 شبیه سازی CFD
1-3 معادلات حاکم
در این روش معادلات پیوستگی - - 2، مومنتوم - - 3 و موازنه انرژی - - 4 به طور همزمان برای گاز به صورت جداگانه در مختصات استوانهای به صورت ناپایا حل میشوند.[7] این کار با بهکارگیری نرمافزار FLUENT انجام گرفته است. در جابجایی طبیعی، حرکت سیال ناشی از نیروهای بویانسی است. نیروهای بویانسی در اثر حضور همزمان گرادیان چگالی سیال و نیروی گرانشی به وجود میآیند. از طرفی متداولترین علت وجود گرادیان چگالی، گرادیان دماست.
عدد گراشف نسبت نیروهای بویانسی به ویسکوز است و اهمیت آن در تعیین جابجایی آزاد یا اجباری است. جهت تعیین رژیم جریان - آرام یا درهم - در جابجایی طبیعی از عدد بدون بعد رایلی استفاده میشود.[8] این مقدار برای مخلوط گازی مورد نظر برابر ًٌٌَ ٌََ.ٌ Ra شده است. بنابراین جریان سیال محبوس داخل لوله درهم است و در معادلات مربوطه در نرم افزار CFD مدل جریان درهم k- استاندارد انتخاب گردیده است .[9]
2-3 شبکه بندی و شرایط مرزی
در این تحقیق ابتدا، مطالعه پارامتری در مورد اثر طول لوله در مقدار دمای تخلیه صورت گرفت. لولههایی با طولهای مختلف شبیه-سازی شد و این نتیجه حاصل شد که طول لوله در نتایج حاصل از شبیه سازی CFD تاثیر چندانی نداشته و در نهایت طولی که زمان محاسبات شبیه سازی را بهینه میکرد - طول یک متر - به عنوان طول مورد بررسی در این تحقیق انتخاب گردید. شبکهبندی سهبعدی لوله به کمک نرمافزار GAMBIT انجام شد. جهت مشبندی باید به این نکته توجه کرد که تغییرات پدیدهها در کنار دیوارهها قابل ملاحظه است.
لذا در این نواحی باید از مش-بندی ریزتری استفاده کرد.[10]تعریف شرایط مرزی از جمله مهمترین قدمها در شبیه سازی CFD است. از آنجاییکه هیچگونه ورود و خروج جرم به سیستم وجود ندارد، بنابراین مرز ورودی، خروجی و سطح جانبی لوله به عنوان شرایط مرزی Wall - دیواره - انتخاب میگردد. شرط مرزی شار حرارتی ثابت نیز روی دیواره ها اعمال گردید.جهت شبیه سازی مساله با استفاده از روش دینامیک سیالات محاسباتی از نرم افزار FLUENT 14 استفاده شده است .
در این حل از گزینه Pressure based استفاده شد، به این دلیل که سیال مورد نظر تراکمناپذیر است. همچنین گزینه Transient به علت ناپایا بودن شرایط مساله انتخاب گردید. از آنجاییکه حل معادله بقای انرژی در این مساله جایگاه مهمی در اختیار دارد و شار حرارتی ثابتی نیز به سطح جانبی لوله وارد میشود، بنابراین معادله Energy جهت تعیین توزیع دما و مساله انتقال حرارت فعال میشود. با توجه به عدد گراشف محاسبه شده برای این جریان میتوان دریافت که جریان ناآرام بوده و در نتیجه مدل ویسکوزیته k-epsilon - 2 eqn - جهت انجام شبیهسازی انتخاب گردید.
-4 روش API
استاندارد موسسه نفت آمریکا - API - نیز در دستوالعمل شماره 520 خود روشی جهت محاسبه دمای تخلیه گاز به دام افتاده داخل لوله ارائه داده است که در این تحقیق نیز به کار گرفته شده است. این روش بر مبنای گاز ایده آل بوده و از رابطه زیر جهت دمای تخلیه استفاده می نماید.[2]
-5 شبیه سازی نرم افزار HYSYS
به کارگیری ابزار Adjust در نرمافزار HYSYS نیز روش دیگری است که معمولا در صنعت به کار گرفته میشود. ابزار Adjust جهت برقراری شرط دانسیته کل ثابت به کار گرفته میشود و دمای تخلیه به عنوان مجهول مساله محاسبه میگردد.[6]
-6تجزیه و تحلیل نتایج
1-6 بررسی استقلال نتایج از مش
شبیهسازی در طولهای 1 متر و 0.5 متر با طول بازههای 0.005 و 0.01 انجام شد. بنابر جدول - 4 - اختلاف در دمای محاسبه شده ناچیز است اما زمان محاسبات نسبت به حالتی که طول بازه 0.01 است، افزایش مییابد.
-2-6 بررسی اعتبار مدل
برای اعتبار سنجی نتیجه حاصل از شبیهسازی CFD، از سه روش دیگر که پیشتر ذکر شد استفاده گردید، جدول . - 5 -
