بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي مبدل زميني و مدلسازي عددي تقليل فشار گاز در ايستگاهها با تامين انرژي حرارتي مورد نياز از لايه هاي سطحي زمين
چکيده
در سالهاي اخير، بحران انرژي در جهان و مشکلات زيست محيطي ناشي از احتراق سوختهاي فسيلي باعث توجه جدي به بهينه سـازي مصـرف انرژي و کاربرد انرژيهاي تجديدپذير شده است . در خطوط انتقال گاز طبيعي، گاز در فشــارهاي بالا(psi ١٠٠٠) منتقل مي شــود. در ايســتگاههاي تقليل فشــار با توجه به مصــرف کننده هاي مختلف ،فشـار گاز توسـط شـير فشـارشـکن به فشارهاي پايين تر(psi٢٥٠)تقليل ميابد. کاهش فشار گاز طبيعي منجر بـه کـاهش دما و ايجاد ترکيبات هيدراته و يخ زدگي در خطوط انتقال گاز مي شـــود.براي اجتناب از ايجاد چنين مشـکلي گاز طبيعي قبل از ورود به شـير فشـارشـکن توسط هيترگازي گرم شده تا اثر افت دماي ناشي از کـاهش فشـــارخنثي گردد. هيترهـاي گـازي از جملـه دســـتگـاههـاي پرمصـــرف در صـــنعـت انتقـال گـاز (day.m١٥٠٠٠٠٠٣)به شـمار مي رود. اين مقاله با عنايت به ضـرورت کاهش مصـرف سـوختهاي فسـيلي و آلودگيهاي هوا در کشـور به اين موضوع پرداخته است . محاسبات و اندازه گيري هاي ميداني نشان ميدهد، دما در حدود ٥ متري عمق زمين حدود ١٨ تا ٢٢ درجه سـانتيگراد مي باشـد لذا با طراحي سـيسـتمي نوين و منشعب کردن خط لوله گاز ورودي توســط کلکتور در زير ســطح زمين ، علاوه بر اينکه انرژي حرارتي لازم جهت کنترل دماي هيدراته گاز طبيعي ١٠تا ١٥ درجه سانتيگراد،از گرماي دروني زمين استحصال مي شود،فشار گاز ورودي را نيز تا حد مطلوب کاهش مي دهد. در نتيجه شـير فشـار شـکن و هيتر گازي از ايسـتگاه تقليل فشـار حذف مي شودکه اين امر صرفه جويي اقتصادي قابل ملاحظه اي براي کشور بدنبال دارد.
واژه هاي کليدي : ايستگاههاي تقليل فشار،انرژي زمين گرمايي ، هيترگازي، شير فشارشکن .
مقدمه
در ايران و بسياري از کشورهاي ديگر دنيا گاز طبيعي از طريق خط لوله در فشارهاي بالا psi ١٠٠٠ از محل توليد به نقاط مصرف انتقال ميابد. در نقاط مصرف و يا در مقاطعي که فشار کمتري مورد نياز مي باشد، فشار گاز بايد به فشار قابل استفاده در تجهيزات مصرفي کاهش يابد. اين کاهش فشار در ايستگاه هاي برون شهري انجام مي گيرد. در اين ايستگاه ها فشار تا
psi ٢٥٠ تقليل ميابد[١]. در حال حاضر کاهش فشار با استفاده از شيرهاي فشار شکن در تمامي ايستگاه هاي تقليل فشار برون شهري ايران انجام مي گيرد. جائيکه انبساط در آنتالپي ثابت صورت مي گيرد و مقادير زيادي انرژي اتلاف مي گردد [٢]. گاز مي بايست قبل از ورود به شيرهاي فشار شکن گرم شود تا دماي آن بالاتر از ناحيه ترکيبات هيدراته و نقطه شبنم قرار گيرد. که گرم شدن گاز به وسيله گرمکنها (هيترهاي) گازي صورت مي گيرد. ميزان مصرف گاز در هيترهاي گازي ايستگاه هاي تقليل فشار، نسبت مستقيم به ميزان دماي محيط دارد. در شهرهاي کوهستاني و سردسيرکه دماي هوا در اکثر ماه هاي سال سرد مي باشد، امکان هيدراته شدن گاز زياد است به همين دليل هيترها بيشتر در مدار هستند و گاز بيشتري مصرف مي کنند که اين امر سبب توجه بيشتر به اين مناطق را در بر ميگيرد. از عوامل ديگري که باعث توجه بيشتر به جاي گزيني و حذف تقريبي هيترها مي شود تعداد بالاي ايستگاه هاي تقليل فشار در مبادي ورودي شهرها و همچنين عدم توليد اغلب هيترها در کشور، باعث وابستگي صنعت نفت و گاز کشور به واردات از کشورهاي بيگانه مي شود.
هيترهاي کنوني رايج در ايستگاه هاي تقليل فشار گاز طبيعي، از نوع گرمکنهاي مجهز به مشعل گازي مي باشند. اين هيترها عموماً داراي دو مدار مي باشند. مدار اول مبدل حرارتي پوسته لوله از نوع لوله آتش مي باشد که در واقع حرارت حاصل از احتراق گاز موجب گرمايش آب مي شود. مدار دوم شامل حمام آب گرم حاصل از مدار اول است که گاز خنک مورد نظر قبل از ورود به شير فشارشکن با عبور از ميان آن توسط لوله هاي باريک به دماي مورد نظر مي رسد. هيترهاي گازي باعث توليد حرارت در قسمت هاي مجزا (معمولا در لوله هاي هيتر) شده و آن را به جريان فرآيند از طريق محيط گرماده همانند آب ، مخلوطي از آب و گليکول ، بخار، نمک و گازهاي احتراق انتقال مي دهد. هيترها علاوه بر هزينه هاي بالاتر جهت خريد، نصب و راه اندازي و نيز هزينه اضافي براي انرژي مصرفي (سوخت )، تبعات زيست محيطي و آلودگي را نيز به دنبال دارد[٣].
در سال ١٣٩١ بيش از ١٧٧ ميليارد متر مکعب گاز از طريق ٣٤ هزار کيلومتر شبکه انتقال گاز فشار قوي انتقال پيدا کرده است . با توجه به اينکه هيترهاي گازي ايستگاه هاي تقليل فشار به ازاي هر متر مکعب عبوري BTU ٧٠ بر ساعت انرژي مصرف مي کند[٦]؛ که به طور تقريبي ميزان مصرف اين هيترها ١,٥٠٠,٠٠٠ متر مکعب در روز مي باشد.
از آن جائيکه براي گرمايش گاز در گرمکنهاي گازي دماي بالايي در ايستگاه هاي برون شهري نياز نمي باشد، اين ايستگاه ها محل مناسبي براي استفاده از انرژي حرارتي درون زمين مي باشد. در اين مقاله به چگونگي استفاده از انرژي زمين گرمايي جهت تامين انرژي مورد نياز به منظور گرمايش جريان گاز و استفاده از يک شبکه ساده لوله کشي جهت ايجاد افت فشار پرداخته است . بنابراين با به کارگيري انرژي زمين گرمايي مي توان تا حدودي از اين انرژي بي پايان ، پاک و رايگان استفاده کرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف گاز در ايستگاه هاي تقليل فشار صرفه جويي کرد.
طراحي و مش بندي مدل
در اين مطالعه هدف اصلي ارائه روشي براي تقليل فشار گاز است که بتواند شير فشار شکن و هيتر گازيهاي مورد استفاده در ايستگاه هاي تقليل فشار را کاهش يا بکل حذف نمايد.
در اين مطالعه محدوده اي به مساحت ٤ هکتار ، به عمق ٥ متر بصورت يک مکعب در نظر گرفته شده و مدل طراحي شده با يک مش بندي سه بعدي و اصولي و معادلات انتقال حرارت از خاک به ديواره لوله ها مدل مورد ارزيابي قرار گرفته شد.
در اين مطالعه با عنايت به دماي زمين و نياز به انتقال حرارت از زمين به گاز هاي در حال انبساط با يک طراحي نوين شرايط انبساطي براي گاز فراهم مي آيد. براي فراهم نمودن اين شرايط از طريق اين مدل ، ابتدا لوله ورودي به ايستگاه را به ٥ متري عمق زمين بمنتقل شده و توسط کلکتور در يک فضاي ٢٠٠ در ٢٠٠ متر به چندين لوله منشعب مي شود. با توجه به اينکه دماي خاک در اين عمق حدود ١٨ تا ٢٢ درجه سانتي گراد مي باشد[٤] ، انتقال حرارت به ديواره لوله ها در مدت زمان کافي انجام شده و دماي گاز عبوري از اين لوله تقريبا بين اين دماها قرار مي گيرد. با اين عمليات دماي گاز بالاتر از دماي هيدراته قرار گرفته و هيچ گونه ترکيبات هيدراته ايجاد نخواهد شد.
منشعب کردن لوله ورودي ، باعث ايجاد افت فشار گاز مي شود. براي محاسبه افت فشار ايجاد شده علاوه بر روابط موجود، از نرم افزار هاي ANSYS و FLUENT جهت شبيه سازي جريان گاز عبوري استفاده شده است . ابتدا با استفاده از سرعت ، چگالي و ويسکوزيته گاز و همچنين قطر لوله از رابطه زير رژيم جريان قابل محاسبه مي باشد[٥]:
براي محاسبه افت فشار با در دست داشتن ضريب اصطکاک با توجه به نوع لوله به کار رفته ابتدا زبري نسبي محاسبه شده و
با داشتن مقدار عدد رينولدز از دياگرام مودي افت فشار مطابق معادلات ٢ و ٣ محاسبه مي گردد[٥].
شکل ٢- دياگرام مودي
با توجه به رابطه دارسي – وايسباخ مي توان مقدار افت فشار در يک لوله را محاسبه نمود[٥]:
با ضرب تعداد لوله ها در عدد به دست آمده مقدار افت فشار در لوله ها بدست مي آيد.
براي محاسبه افت فشار ايجاد شده در کلکتور از رابطه زير استفاده مي کنيم [٥]:
در رابطه فوق N تعداد انشعابات گرفته شده از کلکتور و K ضريب افت فرعي مي باشد. و با توجه به اينکه در اين مدل دو کلکتور موجود مي باشد، مقدار به دست آمده از رابطه فوق دو برابر مي شود.
نهايتا با جمع تمامي افت فشار ها مقدار افت فشار کل قابل محاسبه مي باشد.
براي محاسبه افت فشار و شبيه سازي چگونگي تقليل آن با استفاده از نرم افزارهاي ANSYS و FLUENT و با طراحي انجام شده شکل مورد نظر ابتدا ترسيم سپس مش بندي شده و با وارد کردن معادلات لازم که اشاره شد در مدل حل ميشود و در انتها مقدار افت فشار ايجاد شده را محاسبه مي گردد.
