بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی خطوط لوله نفت خام واکسی برمبنای حداکثر توان مورد نیاز پمپ
چکیده
در این مقاله یک تقریب جدید برای طراحی خطوط لوله نفت خام با معادله رئولوﮊیکی Power-law ارائه شده است. اساس این روش انجام طراحی برمبنای ماکزیمم فشار مورد نیازجهت انتقال نفت خام واکسی می باشد.نتایج حاصل ازکاربرداین ا لگوریتم بر یک نمونه نفت خام واکسی نشان می دهد که مدل قادراست حالات مختلف جریان (جریان پیوسته ویاوضعیت راه اندازی جریان)
وهمچنین فشار مورد نیاز برای شکستن ﮊل رابه خوبی پیش بینی کند. این روش به علت وابستگی شدید خواص رئولوﮊیکی نفت خام پاورلا به دما باید تا زمان تثبیت نتایج تکرار شود.
با استفاده از این روش (ضمن درنظرداشتن روش معمولی)، طراحی یک خط لوله انتقال نفت خام واکسی بااستفاده از داده های نفت نیجر دلتا انجام شده است. نتایج نشان می دهد که قطر پیش بینی شده توسط این روش از روش معمولی کوچکتر است. همچنین این مدل درمقایسه باروش متداول به درستی مقدارکمتری برای ظرفیت پمپ و فشار مورد نیاز جهت راه اندازی مجدد جریان( دریک قطر معین) پیش بینی می کند.
مقدمه
باسردشدن نفت خام تا دمای ابری شدن پدیده کریستالیزاسیون واکس رخ می دهد. نقطه ابری دمایی است که در آن ذرات پارافینی شروع به ته نشینی می کنند.باتشکیل کریستالهای واکسی،نفت به سیالی غیرنیوتنی تبدیل می شود. باکاهش دماکریستالیزاسیون ادامه می یابدتااینکه درنقطه ریزش پدیده ﮊلی شدن اتفاق می افتد. معمولا نقطه ریزش حدود١٠درجه سانتی گرادپایین ترازنقطه ابری شدن است.[1]
نفت خام واکسی به سختی منتقل می شود. نفتهای خام واکسی معمولاﹰ نقطه ریزش بالایی دارند. ته نشینی واکس در جریانهای محدودشده و خطوط جریان فشار بالا منجر به بروز مشکلات مکانیکی بیشتر و هزینه انتقال افزونتر می گردد. بزرگترین مساله بلوکه شدن کامل خطوط جریان در راه اندازی مجدد خطوط ﮊل شده می باشد. مشکلات انتقال در سیتمهای جریان در زیر دریا خیلی بیشتر است .برخی از مشکلات و روشهای انتقال نفتهای خام واکسی درمرجع[2] آورده شده است .
هم اینک برای طراحی خطوط لوله نفت های خام واکسی ازروشهای طراحی معمولی استفاده می کنند. دراین روشها ویژگیهای خاص نفتهای واکسی درنظرگرفته نمی شود لذا این امکان وجودداردکه به دلیل ناکافی بودن ظرفیت پمپهای طراحی شده برای راه اندازی جزیان ویاتجاوززمان نشست ازحد مجاز،پدیده ﮊلی شدن رخ دهد.
معمولابرای پیشگیری ازبروزاین وضعیت ازیک ضریب ایمنی درطراحی استفاده می شود.
پارامترهایی نظیرتاریخچه تنش ،تاریخچه حرارتی،محتوای واکس جامد،ترکیب درصداجزاﺀ،شرایط محیطی ،دماونرخ برش برخواص جریانی نفت تاثیرگذارهستند .[3,4,5 ] رئولوﮊی نفت خام واکسی وابستگی شدیدی به دماونرخ تغییرات آن دارد. به عنوان مثال باافزایش نرخ سرمایش اندازه متوسط ذرات کریستالهای واکس افزایش می یابدوویسکوزیته ظاهری سوسپانسیون به شدت افزایش می یابد،بدین ترتیب درنظرگرفتن انتقال حرارت درعملیات پیوسته وهمچنین درآغازعملیات ازسرگیری جریان پس اززمان نشست ضروری است.وقتی نفت دردرون لوله متوقف شده است،سردشدن آن مشکلات بیشتری درپی دارد.
برای اولین بارFord وهمکاران درسال۵۶۹۱ به مشکلات مربوط به انتقال نفتهای واکسی پرداختند [3,4,7]،ازآن زمان تاکنون کوششهای زیادی درزمینه های اندازه گیری و مدلسازی خواص رئولوﮊیکی نفت واکسی ونیزمسائل مربوط به انتقال هیدروکربن های واکسی صورت گرفته است. Bogerو[7]Wardhaugh بادرنظرگرفتن تمامی عوامل دخیل دراین زمینه دورنمای تحقیقات بعدی راتعیین کردند.Davidson وهمکاران[6] مدلی برای راه اندازی جریان نفتهای واکسی پس ازیک دوره توقف کامل جریان پیشنهادکرده اند.پارامترهای اصلی این مدل رفتار تیکسوتروپیک وتنش تسلیم نفت بوده اند.هرچنداین مدل مرحله راه اندازی جریان رابه خوبی پیش بینی می کندو به درستی سیال را تراکم پذیرفرض می کند،استفاده ازآن به خاطرپارامترهای مختلفی که بایدتعیین شوندطراحی رادچارمشکل می کند. درحقیقت این مدل ، شکل توسعه یافته مدل Changوهمکاران [8] است ،که درآن جریان نفت خام واکسی پس ازراه اندازی دردمای ثابت بررسی شده است.Guillaume وهمکاران براساس معادلات پیوستگی وبقا الگوریتمی عددی برای شبیه سازی رفتارگذرای جریان نفت واکسی ارائه کرده اند.[9]
آنچه دراین مقاله می آیدروشی برای طراحی خطوط نفت واکسی برمبنای حداکثرفشارلازم برای سه حالت (۱)جریان حالت پایای نفت درحالت غیرﮊلی (۲)راه اندازی جریان نفت ﮊلی شده بامقداردبی برابربانصف دبی حالت پایا و(۳)شکستن نفت ﮊلی شده، می باشد.
بدترین شرایط طراحی، جریان غیرنیوتنی ناآرام درشروع کار می باشد که جریان غیرنیوتنی در کمترین حد دمای محیط با سرعتی کمتر از مقدار طراحی شده راه اندازی می شود. این شرایط نشان دهنده ماکزیمم فشار یا توان مورد نیاز است. اگر نقطه ریزش کمتر از دمای محیط باشد می توان ازآن به عنوان نقطه بحرانی طراحی استفاده نمود.
درروش معمول طراحی خطوط لوله،جریان راآرام فرض کرده وقطرلوله را برمبنای مقدارجریان نفت وطول خط لوله محاسبه می کنند.اگردمای محیط کمترازدمای ابری شدن باشد این امکان وجودداردکه جریان خروجی به سیالی غیرنیوتنی تبدیل شود.درازسرگیری جریان پس ازیک دوره توقف، رفتارجریان غیرنیوتنی وآرام درنظرگرفته می شود.
Harvey وهمکاران [10]پیشنهادکرده اندکه برای جریانهای نیوتنی بایدازمعادلهFanning همراه بامعادله ضریب اصطکاک Blasius برای جریانهای ناآرام ویامعادلهHagen-Poiseuille برای جریانهای آرام استفاده شود.برای جریان های غیرنیوتنی نیز معادلات مشابهی مورداستفاده قرار می گیرد بااین تفاوت که ویسکوزیته پلاستیک(برای جریانهای ناآرام)ویامعادلهHedstrom بجای ویسکوزیته ظاهری بکارمی روند.دراین مقاله ازمعادلات تعمیم یافته Power-law برای محاسبه خواص رئولوﮊیک استفاده می شود. درمرجع[14] مدلهای جدید خواص رئولوﮊیکی نفت خام واکسی بطورجامع بررسی شده است.
مبانی تئوری
فرضیات مدل عبارتند از:
١) جریان نفت تک فاز و در حالت پایاست
٢) دمای ورودی لوله و محیط و نقطه ابری و نقطه ریزش معین هستند
٣) طبیعت سیالات نفت خام واکسی و مشکلات مورد انتظار انتقال براساس مطالعات رئولوﮊیک معین هستند
٤) اثر دما بر روی پارامترهای رئولوﮊیکی معین است و از شرایط تیکسوتروپیک صرفنظر می گردد
٥) درباره روشهای انتقال تصمیم گیری شده است
٦) اطلاعات مربوطه همانند طول، سطح مقطع لوله و دیگر اطلاعات مربوطه مشخص است
٧) دبی جریان مینیمم در آغاز جریان ٥٠% مقدار مطلوب است
٨) ماکزیمم زمان نشست مجاز معین است ٩) چگالی، ظرفیت گرمایی ویژه و هدایت گرمایی نفت خام وابسته به دما بوده و معین است.
محاسبه توان لازم درشرایط پایا
افت فشار کل (∆Pt)برای هرخط لوله درشرایط پایا(باچشم پوشی ازافت فشارمربوط به اتصالات) برابراست با مجموع افت فشارهای اصطکاکی (∆Pf) ، افت فشار ناشی از اختلاف سطح (∆Pel) و افت فشار شتاب جابجایی
∆Z نشا ن دهنده تغییر ارتفاع خالص است. روشن است ∆Pel به قطر لوله بستگی ندارد و برای جریان های افقی مساوی صفر است.
برای جریان های نفتی تک فاز و تراکم ناپذیر (بدون انبساط گاز) که قطر لوله درآنها ثابت است، ∆Pacc قابل صرفنظر کردن است. پس معادله (١) به صورت زیر ساده می شود:
سیال غیر نیوتنی وجریان ناآرام
ضریب اصطکاک (fm)برای سیالات غیرنیوتنی (T<Tcp)درجریان ناآرام(( NRe>NRec بااین فرض که بتوان اززبری لوله صرفنظرکردبااستفاده ازرابطه بلازیوس بدین صورت محاسبه می شود(:(ff =4fm
بااستفاده ازمدل Power-law مقدار رینولدزتعمیم یافته بدست می آید:
با جایگزاری معادلات (٦) و (٧) در معادله (٢) می توان به معادله زیر رسید:
سیال نیوتنی وجریان ناآرام
در دماهای بالاترازنقطه ابری شدن((T>Tcp ،نفت واکسی رفتاری نیوتنی ازخودنشان می دهد.دراین شرایط n=1 و . باجایگزینی این مقادیردرمعادلات ۷تا۹،روابطی کهHarvey برای سیالات نیوتنی ارائه کرده است حاصل می شود .
جریان های آرام
[11] Dodge & Metzner عددرینولدزبحرانی راچنین تعریف کرده اند:
هرگاه مقدارNRe بدست آمده ازمعادله((7 کوچکتراز رینولدزبحرانی باشد، جریان آرام خواهدبود.ضریب اصطکاک برای سیالات غیرنیوتنی درجریانهای آرام بارابطه آشنای زیرمحاسبه خواهدشد:
فشارلازم برای راه اندازی جریان
با جایگزاری معادله (٧)دررابطه (١٢)وبکارگیری معادله(٢) فشارلازم برای راه اندازی جریان محاسبه می شود:
Qmin حداقل جریانی است که طبق اصول طراحی برای ازسرگیری جریان پس از یک دوره توقف سیال نفتی دردرون لوله های سردپیش بینی می شود.باتوجه به غیرنیوتنی بودن سیال درلوله های سرد،فشارقابل توجهی برای آغازجریان نیازخواهدبود.این فشارممکن است حتی بالاترازحداکثرفشارقابل تحمل خطوط لوله باشد.
بنابراین درطراحی حداقل مقدارجریان ممکن درنظرگرفته می شودتافشارموردنیازکاهش یابد.
معادله((13دردمای استاتیک ودرحداکثرزمان نشست موردانتظارمحاسبه می شود.
به ازایn=1 وK=a معادلات((13و((14 به معادلهHagen-Poiseuille تبدیل می شوندکه توسط Harveyبرای محاسبه مقدارفشارلازم برای راه اندازی جریان نیوتنی پیشنهادشده اند. [12] Irani &Zajac نشان داده اندکه استفاده ازمعادله Hedstrom برای جریان پلاستیک Bingham برای لوله های حاوی نفت واکسی صحیح تراست.بخاطروجودچندضریب تجربی دراین معادله استفاده ازآن درمحاسبات حدس وخطامشکل سازاست لذابرای مقاصدطراحی خودازمعادله (13)استفاده می کنیم.
محاسبه فشارلازم برای شکستن ﮊل
فشار مورد نیاز برای شکستن ﮊل بعد از زمان نشست (T<Tp) توسط معادله زیر داده می شود:
تنش تسلیم (τy) به تغییرات دمابسیار حساس است، بنابراین تلاشهای زیادی درموردتعیین حداکثرزمان نشست مجازبرای خطوط لوله نفت واکسی صورت گرفته است.Harvey حداکثرزمان مجاز را۶۳ساعت و Uhde [13] & Keyopp ماکزیمم زمان نشست را بین ٣ تا ١٠ روز بسته به نقطه ریزش و دمای محیط گفته اند.
طراحی خطوط لوله انتقال نفت واکسی
درادامه الگوریتمی برای طراحی خطوط لوله انتقال نفت واکسی ارائه می گردد.این الگوریتم اهداف زیررادنبال می کند:((1 پیش بینی دمادرطول خط لوله (2) تعیین قسمتهایی ازلوله که بسته به مقداردما،رفتاری نیوتنی یاغیرنیوتنی دارند((3 ارزیابی افت فشارکل بادرنظرگرفتن رﮊیم جریان وهمچنین افت فشارناشی ازتشکیل ﮊل درلوله (4) طراحی خط لوله براساس حداکثرفشارموردنیاز. نهایتانتایج بدست آمده بامقادیرپیش بینی شده توسط روشهای معمول مقایسه می شوند.
مراحل الگوریتم
(١) تعیین ویژگیهای نفت خام(شامل خواص رئولوﮊیکی)درشرایط دینامیک واستاتیک ونیزمشخصات میدان نفتی.
(الف) ویژگیهای نفت شامل این موارد است: (i) نقطه ریزش، نقطه ابری و محتوای واکس (ii) روابطی برای تعیین خواص سیال نظیر τy، k، n، برحسب دما ، چگالی، گرمای ویژه و هدایت حرارتی (iii) بازه ای از دما که در آن تیکسوتروپی رخ می دهد .
(ب) مشخصات محیطی عبارتند از: (i) دمای زمین و محیط، دمای ورودی (ii) نوع زمین و نفوذپذیری حرارتی (iii) نوع سطح خط لوله، اگر عایق شده یا دفن شده باشد (iv) تغییرات ضریب انتقال حرارت کلی با طول خط لوله ویامقدارمتوسط آن.
(٢) از مشخصات محیطی و رئولوﮊیکی موارد زیررابایدموردتوجه قرارداد:
(الف) مشکلات ویژه انتقال مانند (i) تنش تسلیم بالا، ﮊل شدن و فشار راه اندازی بالا (ii) دمای نقطه ریزش بالا (iii) محتوای واکس قابل توجه.
(ب) تصمیم گیری براساس (i) روشهای انتقال برای جلوگیری از ﮊل شدن با دبی مناسب. (٣) طراحی اولیه:
با استفاده از دمای بحرانی و روش معمول طراحی (جریان غیرنیوتنی ناآرام)، قطر لوله desti تخمین زده می شود. این مقداربا قطر محاسبه شده مقایسه خواهدشد. در این روش پارامترهای رئولوﮊیکی در نقطه ابری یا نقطه ریزش یا پایین ترین دمای محیط محاسبه می شوند. توان برحسب اسب بخار به صورت زیر قابل محاسبه است:
