پایان نامه شبیه‌سازی دینامیکی خطوط لوله انتقال گاز در شرایط حاد برودتی

فرمت فايل : WORD (قابل ويرايش)

تعداد صفحات:130

پايان‌نامه کارشناسي ارشد
مهندسي شيمي

فهرست مطالب:
فهرست اشکال    ح‌
فهرست جداول    ذ‌
علایم اختصاری    ر‌

فصل اول: اهميت گاز طبيعي؛ خطوط لوله انتقال گاز و شبيه سازي    1
1-1    مقدمه    1
1-2    جایگاه ایران در منابع گازی جهان    2
1-3    گاز طبيعي اوليه و تركيبات آن    3
1-4    رفتار فازي گاز طبيعي    5
1-5    سیستم خطوط لوله انتقال گاز طبیعی    6
1-5-1    نقاط دریافت گاز    6
1-5-2    لوله‌ها    6
1-5-3    ایستگاه‌های ارسال و دریافت پیگ    8
1-5-4    شیرهای  LBV    9
1-5-5    ایستگاه‌های تقویت فشار    9
1-5-5-1    انواع کمپرسورهای ایستگاه تقویت فشار    10
1-5-5-2    منحنی مشخصه کمپرسور    11
1-5-6    نقاط برداشت گاز (ایستگاه‌های تقلیل فشار)    13
1-5-7    ایستگاه‌های اندازه‌گیری    13
1-6    مطالعه جریان سیال خط لوله و ابزار شبیه‌سازی    14
1-7    شبیه‌سازی پايا و دینامیک    15
1-8    هیدرات‌های گازی و شبیه‌سازی    16
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته    17
2-1    مقدمه    17
2-2    سیستم خط لوله کمکی برای افزایش ظرفیت انتقال گاز طبیعی    17
2-3    شبيه‌سازي پايا و ديناميكي خطوط لوله و تجهيزات ايستگاه تقويت فشار    19
2-4    شبیه‌سازی و بهینه سازی خطوط لوله انتقال گاز    20
2-5    شبيه‌سازي حالت پاياي خطوط لوله انتقال گاز    21
2-6    شبيه‌سازي ديناميكي خطوط لوله انتقال گاز    21
2-7    رفتار دینامیکی جریان گاز طبیعی فشار بالا در خطوط لوله    22
2-8    شبیه‌سازی و تخمین حالت جریان گذرا در شبکه‌های خط لوله با استفاده از مدل تابع انتقال    23
2-9    پیش‌بینی مصرف گاز طبیعی    25
فصل سوم: معادلات جریان و افت فشار    27
3-1    مقدمه    27
3-2    معادلات ماكروسكوپيك حاکم بر جریان گذرای گاز در لوله    27
3-2-1    موازنه جرم    28
3-2-2    موازنه مومنتوم    28
3-2-3    موازنه انرژی    29
3-3    معادلات طراحی خطوط لوله    30
3-3-1    معادله عمومی‌جریان گاز    31
3-3-2    فشار متوسط گاز در لوله    32
3-3-3    سرعت سایشی    32
3-3-4    ضخامت لوله و حداکثر فشار مجاز بهره برداری    33
3-4    افت فشار اصطکاکی در تجهیزات    35
فصل چهارم : شبیه‌سازی ديناميكي خطوط لوله انتقال گاز    36
4-1    مقدمه: هدف از شبیه‌سازی    36
4-2    معرفي سيستم خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل    37
4-2-1    ایستگاه تقویت فشار اردبیل    39
4-2-2    اطلاعات خطوط لوله انتقال اردبیل    39
4-3    ابزار شبیه‌سازی چندفازی OLGA    40
4-3-1    اساس مدل OLGA    40
4-3-2    کاربردها    41
4-3-3    بخش‌های مختلف نرم‌افزار شبیه‌ساز جریان    42
4-4    محیط شبیه‌سازی OLGA و ابزارهای آن    43
4-4-1    کتابخانه    43
4-4-2    تعریف مورد    44
4-4-3    آپشن‌های شبیه‌سازی    45
4-4-4    اجزاء شبكه    46
4-4-5    شرایط مرزی    51
4-4-6    شرایط اولیه    53
4-5    محاسبات حرارتی:    53
4-6    نرم‌افزار تولید کننده ویژگیهای ترموفیزیکی سیال    55
4-6-1    آنالیز گاز طبیعی خطوط لوله گاز اردبیل    57
4-7    کمپرسور در نرم‌افزار    58
فصل پنجم: بحث بر روی نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی دینامیکی    62
5-1    مقدمه    62
5-2    شرایط عملیاتی - مقایسه و اعتبارسنجی نتایج    63
5-3    شرایط حاد برودتی و مصرف گاز طبیعی    68
5-3-1    مقدمه    68
5-3-2    اصل کسری درجه روز    69
5-3-3    بررسی ارتباط کسری درجه روز با مصرف گاز طبیعی    70
5-3-4    پیش‌بینی مصرف گاز    76
5-4    شرایط حاد برودتی و شبیه‌سازی دینامیکی    78
5-5    آنالیز رفتاری خطوط لوله انتقال گاز در شرایط عملیاتی و شرایط برودتی    81
5-5-1    بررسی متغیرها حول کمپرسور    82
5-5-2    بررسی خط لوله 30 اینچ اردبیل    83
5-5-3    بررسی خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد    86
5-5-4    بررسی خط لوله 8 اینچ خلخال    88
5-5-5    بررسی خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر    91
5-5-6    بررسی خط لوله 30 اینچ نیروگاه- 16 اینچ مشکین‌شهر    93
5-5-7    بررسی خط لوله 20 اینچ خلخال    95
5-6    شناسایی نقطه ضعف سیستم خطوط لوله مورد مطالعه    98
5-6-1    راهکاری برای نقطه ضعف سیستم خط لوله    98
فصل ششم: جمع بندی و نتیجه گیری    103
6-1    نقاط قوت تحقیق    103
6-2    نتيجه گيري    104
6-3    پیشنهادات    107
مراجع:    108


فهرست اشکال
شکل 1-1 دیاگرام فشار-دمای گاز طبیعی    5
شکل 1-2 شماتیک تولید، فرآوری، انتقال و تحویل گاز طبیعی    7
شکل 1-3 نمونه احداث خط لوله انتقال گاز و دفن لوله‌ها    8
شکل 1-4 یک نمونه منحنی مشخصه کمپرسور گریز از مرکز    11
شکل 1-5 کاربردهای شبیه‌سازی جریان    15
شکل 2-1 خط لوله کمکی    17
شکل 2-2 خط لوله کمکی شبیه‌سازی شده در محیط HYSYS    19
شکل 2-3 شبیه‌سازی ايستگاه تقويت فشار منطقه چهار انتقال گاز در محيط نرم‌افزار ASPEN PLUS    20
شکل 2-4 توزیع فشار پایین دست شیر رگولاتور فشار  و بالادست شیر انسداد توربینی  به عنوان تابعی از زمان     23
شکل 3-1 سیال تک‌فاز تراکم پذیر در حال عبور از یک لوله    27
شکل 3-2 جریان پایا در خط لوله    31
شکل4-1 نقشه کلی خطوط لوله گاز استان اردبیل    38
شکل 4-2 طرح کلی نرم‌افزار OLGA    42
شکل 4-3 تغییرات طول-ارتفاع-ضخامت خط لوله اصلی 30 اینچ اردبیل با ضخامتهای 469/0 و 375/0 اینچ    47
شکل 4-4 تغییرات طول-ارتفاع-ضخامت خط لوله10 اینچ خلخال-کلور با ضخامت‌های 279/0 و 219/0 اینچ    47
شکل 4-5 تغییرات طول- ارتفاع و ضخامت خط لوله اردبیل-نیروگاه گازی سبلان    47
شکل 4-6 مدل شبیه‌سازی سیستم خطوط لوله استان اردبیل در محیط نرم‌افزار OLGA    50
شکل 4-7 انتقال حرارت هدایتی از لایه‌های دیواره لوله    54
شکل 4-8 تعریف عمق خاک برای لوله‌های مدفون در خاك    55
شکل 4-9 نرم‌افزار PVTsim و ترکیب گاز طبیعی وارد شده در نرم‌افزار با انتخاب معادله حالت PR    56
شکل 4-10 دیاگرام فازی گاز طبیعی خط لوله اردبیل (نرم‌افزار PVTsim)    58
شکل 4-11 منحنی عملکرد کمپرسور ایستگاه تقویت فشار اردبیل    61
شکل 5-1 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات در شرایط عملیاتی    67
شکل5-2 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر اردبیل    71
شکل 5-3 مصرف روزانه گاز طبیعی شهر اردبیل در برابر مقادیر « کسری درجه روز»    71
شکل5-4 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روزانه و مصارف ماهانه شهر پارس‌آباد    72
شکل 5-5 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر پارس‌آباد در برابر مقادیر کسری درجه روز    72
شکل5-6 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روزانه و مصارف ماهانه شهر گرمی    72
شکل 5-7 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر گرمی‌در برابر مقادیر کسری درجه روز    73
شکل5-8 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر بیله‌سوار    73
شکل 5-9 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر بیله‌سوار در برابر مقادیر کسری درجه روز    73
شکل5-10 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر مشگین    74
شکل 5-11 دبی مصرف گاز طبیعی شهر مشگین در برابر کسری درجه روز    74
شکل5-12 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر سرعین    74
شکل 5-13 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر سرعین در برابر مقادیر کسری درجه روز    75
شکل5-14 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر خلخال    75
شکل 5-15 دبی مصرف ماهانه گاز طبیعی شهر خلخال در برابر مقادیر کسری درجه روز    75
شکل 5-16 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات در شرایط حاد برودتی    80
شکل 5-17 شماتیک کلی سیستم خطوط لوله اردبیل براي بررسي نتايج    81
شکل5-18 پروفایل فشار خط لوله 30 اینچ اصلی    83
شکل 5-19 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی    84
شکل 5-20 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی    85
شکل 5-21 پروفایل دمای گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی    85
شکل 5-22 پروفایل فشار خط لوله 16 اینچ    86
شکل 5-23 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 16 اینچ    87
شکل 5-24 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 16 اینچ    87
شکل 5-25 پروفایل دمای گاز در خط لوله 16 اینچ    88
شکل 5-26 پروفایل فشار خط لوله 8 اینچ خلخال    88
شکل 5-27 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال    89
شکل 5-28 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال    90
شکل 5-29 پروفایل دمای گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال    90
شکل 5-30 پروفایل فشار گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر    91
شکل 5-31 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر    91
شکل 5-32 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر    92
شکل5-33 پروفایل دمای گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر    92
شکل 5-34 پروفایل فشار گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه-16 اینچ مشکین‌شهر    93
شکل 5-35 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه- 16 اینچ مشکین‌شهر    94
شکل 5-36 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه - 16 اینچ مشکین‌شهر    94
شکل 5-37 پروفایل دمای گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه - 16 اینچ مشکین‌شهر    95
شکل 5-38 پروفایل فشار گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال    96
شکل 5-39 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال    96
شکل 5-40 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال    97
شکل 5-41 پروفایل دمای گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال    97
شكل 5-42 محل اتصال خط 16 اينچ پارس‌آباد به نيروگاه گازي سبلان (خط لوپ 10 اينچ10008)    99
شکل 5-43 پروفایل فشار گاز در خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد در شرايط حاد برودتي و باز كردن مسير گاز از خط 10 اينچ نيروگاه به كيلومتر 25 خط لوله پارس‌آباد    99
شکل 5-44 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات (CGS‌ها) در شرایط حاد برودتی همراه با خط لوپ نيروگاه به خط پارس‌آباد    101


فهرست جداول
جدول1-1 ذخایر تثبیت شده گاز طبیعی در جهان    2
جدول 1-2 تولید گاز طبیعی در جهان    2
جدول 1-3 مصرف گاز طبیعی در جهان    3
جدول 1-4 نمونه ای از ترکیب گاز طبیعی خام    4
جدول1-5 خطوط لوله انتقال گاز طبیعی بهره‌برداری شده    14
جدول 3-1 جنس لوله و تنش تسلیم    34
جدول 3-2  فاکتور طراحی لوله های فولادی    34
جدول 3-3  شرح انواع Class Location    34
جدول 4-1 مشخصات حرارتی دیواره‌ها و پوشش‌ها    43
جدول 4-2 نمونه ضخامت دیواره‌ها    44
جدول 4-3 تعریف مورد در نرم‌افزار OLGA    44
جدول 4-4 آپشن‌های شبیه‌سازی OLGA    46
جدول 4-5 نمونه مشخصات خطوط لوله    48
جدول 4-6 نمونه ای از شیرهای تعبیه شده در شبیه‌سازی    48
جدول 4-7 مشخصات ورودی سیستم    51
جدول 4-8 مشخصات خروجی سیستم    51
جدول 4-9 شرایط مرزی خروجی انشعابات سیستم خط لوله (ورودی ایستگاه‌های تقلیل فشار)    52
جدول 4-10 مشخصات گاز موجود در خطوط لوله    57
جدول 4-11 درصد ترکیبات گاز طبیعی (در نرم‌افزار PVTsim)    57
جدول 5-1 مقايسه مقادیر فشارهای واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی    64
جدول 5-2 مقايسه دماهای واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی    65
جدول 5-3 مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی حول ایستگاه تقویت فشار    66
جدول 5-4 مجموع ماهانه متوسط کسری درجه روز مربوط به سال 1389 و 1390    70
جدول 5-5 مصارف ماهانه متوسط سالهای 1389 و 1390 شهرهای اردبیل     70
جدول 5-6 رابطه دمای هوا و دبی روزانه گاز مصرفی    76
جدول 5-7 پیش‌بینی حجم گاز مصرفی در دمای 20- درجه سلسیوس    77
جدول 5-8 پیش‌بینی حجم گاز مصرفی در 20- درجه سلسیوس در شهرهای دارای دو ایستگاه    77
جدول 5-9 دبی عبوری از ایستگاه‌ها در شرایط دمای 20- درجه سانتیگراد    78
جدول 5-10 مقایسه متغیرها حول کمپرسور در دو وضعیت شبیه‌سازی    82
جدول 5-11 مقايسه نتايج به دست آمده براي دو شبيه‌سازي حاد برودتي    102

پيشگفتار
امروزه شبيه‌سازي در فرآيندها، مي‌تواند ابزاري مهم براي حل مشکلات در صنایع مختلف باشد. ايده‌اي جديد كه بايستي در عالم واقعيت به روش آزمايش و خطا با صرف هزينه‌ها و خطرات بسيار انجام گيرد مي‌تواند در محيط يك نرم‌افزار قوي، شبيه‌سازي شده و نتايج حاصل مورد استفاده قرار گيرد. شبيه‌سازي همچنین مي‌تواند براي بررسي و پشتیبانی عملياتي يك سيستم، مورد استفاده واقع شود. اين پايان نامه، تشريحي از اجراي يك شبيه‌سازي يكپارچه در خطوط لوله انتقال گاز است و هدف اصلي از اين شبيه‌سازي بررسي و پايش رفتار متغيرهاي جريان گاز درون سيستم خطوط لوله مانند فشار، دبي، سرعت و دما است. تغيير دماي هواي محيط باعث تغيير در مصرف گاز مي‌شود و تغيير در مصرف گاز معادل با تغيير در دبي‌هاي خروجي از يك سيستم خطوط لوله است. اكنون رفتار متغيرهاي جريان در طول خطوط لوله، چگونه خواهد شد؟ آيا امكان دارد در نقاط منشعب‌شده از يك سيستم خطوط لوله، فشار گاز آنقدر افت پيدا كند كه در نهايت منجر به قطع گاز در آن نقطه گردد؟ در این پایان‌نامه سعی بر آنست که بررسي كنيم افزايش مصرف گاز طبيعي منتج از افت شديد دمای هوا، چه تأثيري روي رفتار سيال گاز طبيعي درون يك سيستم خط لوله دارد و نقاطي كه در اين شرايط، احتمال قطعی گاز در آنها وجود دارد را شناسایی نماییم.
فصل اول این پایان‌نامه در خصوص اهمیت موضوع و مفاهیم اساسی مرتبط با موضوع گاز طبیعی و سیستم و تجهیزات خطوط لوله گاز و شبیه‌سازی می‌باشد. فصل دوم مروري بر تحقيقات گذشته است. در فصل سوم تئوری شبيه‌سازي و معادلات حاكم بر جريان گاز تك فاز در حالت ديناميك نمایش داده شده است. روابط طراحي خطوط لوله و افت فشار در حالت پايا آورده شده و اثر اصطكاك در تجهيزات مختلف تشریح شده است. در فصل چهارم، سیستم خطوط لوله انتقال گاز اردبيل و نرم‌افزار شبيه ساز OLGA معرفي و روش كار، توضيح داده شده است. پیکربندی سیستم خطوط لوله، ایستگاه‌های تقلیل فشار، تقویت فشار، مشخصات خطوط لوله، توپوگرافی و مسیر خطوط لوله به نمایش در آمده و مدل شبیه‌سازی تشريح شده است.
در فصل پنجم، براي به دست آوردن شرايط حاد برودتي، اطلاعات مصارف گاز و دمای هوای شهرهای مختلف، مورد ارزیابی قرار گرفته است. تلاش برای تفهیم موضوع در برابر اطلاعات مذکور انجام گرفته و الگو‌های مصارف گاز به‌صورت تابعي از دمای هوا بدست آمده و برای شبیه‌سازی در شرايط حاد برودتي، آماده شده است. نتايج شبیه‌سازی سیستم خط لوله در محیط نرم‌افزار OLGA در دو حالت عملياتي و حاد برودتي تحليل شده و تغييرات فشار نقاط برداشت از سیستم خطوط لوله در برابر تغییرات زمان به عنوان عکس‌العملی از شرایط اعمال‌شده در شبيه‌سازي، مورد ارزیابی واقع شده است. همچنين براي تحليل وضعيت سيستم خطوط لوله، رفتار متغيرهاي جريان گاز در طول خطوط لوله، در هر دو حالت عملياتي و حاد برودتي، مورد مقايسه و بررسی قرار گرفته است. فصل ششم با جمع بندي و نتیجه گیری به اتمام رسیده است.
چكيده
در این تحقیق سیستم خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل به صورت دینامیکی شبیه‌سازی شده است. هدف از انجام این پروژه تعیین نقاطی از خطوط لوله است که در آنها با کاهش دمای هوا در زمستان‌ها و متعاقباً افزایش مصرف گاز، احتمال کاهش فشار در خطوط لوله و در نهایت؛ احتمال قطع گاز وجود دارد. شناسایی این مناطق کمک شایانی به دست اندرکاران حوزه گازرسانی جهت انجام عملیات پیشگیرانه خواهد نمود. نرم‌افزار مورد استفاده برای این شبیه‌سازی، OLGA می‌باشد. این نرم‌افزار برای شبیه‌سازی شبکه خطوط لوله انتقال نفت و گاز و تجهیزات فرآیندی استفاده می‌شود. قابلیت‌های دینامیکی OLGA گستره کاربردی آن را در مقایسه با شبیه‌سازهای پایا، افزایش می‌دهد. در این تحقیق، توپوگرافی و مشخصات خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل، شامل اتصالات، شیرها، کمپرسورها و تجهیزات مربوطه، در نرم‌افزار تعریف شده است. بسته خواص سيال گاز طبيعي توسط نرم افزار PVTsim ايجاد شده است. از اطلاعات فشار، دما و دبی مربوط به زمستان 1390 در شبیه‌سازی استفاده شده است. ابتدا، شبيه‌سازي بصورت ديناميكي در شرايط عملياتي برای پیش‌بینی مدت زمان 12 ساعت، اجرا شده است. سپس، الگوی مصرف گاز در شهرهای مختلف استان اردبیل به روش کسری درجه روز، به‌دست آمده است. با فرض دمای هوای 20- درجه سانتیگراد به عنوان شرایط حاد برودتی، مصرف گاز شهرها در این دما محاسبه شده و با این مصارف جدید، شبیه سازی اجرا گردیده است. اعتبارسنجی نتایج بدست‌آمده در شرایط عملیاتی در مقایسه با مقادیر واقعی سال 1390 همخوانی خوبی را نشان می‌دهد. شبیه سازی در شرایط حاد برودتی نشان می‌دهد در لحظه 2/6 ساعت، در برخی نقاط منشعب از خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد، فشار تا حد قطع گاز، افت پیدا می‌کند. نتايج شبیه‌سازی‌ها، براي بررسي و مطالعه رفتار جریان گاز در خطوط لوله استفاده شده و پروفايل‌هاي فشار، دما، دبی و سرعت گاز ترسیم شده است. نتایج نشان می‌دهد روند تغییرات فشار گاز در خطوط لوله منطبق با توپوگرافی مسیرها می‌باشد؛ گاز خط لوله 8 اینچ خلخال در اثر جریان گاز با فشار بالاتر خط لوله 20 اینچ تقویتی دارای حرکت معکوس است؛ در اثر کاهش دبی عبوری از کمپرسور در شرایط حاد برودتی نسبت تراکم و دمای گاز خروجی از کمپرسور افزایش می‌یابد و فشار در خط لوله 16 اینچ در شرایط حاد برودتی افت زیادی پیدا می‌کند. سپس بعنوان یک راهکار، شیرهای خط لوله كمكي براي انتقال گاز از خط لوله 30 اینچ نیروگاه به کیلومتر 25 خط لوله 16 اينچ پارس‌آباد، در وضعیت باز قرار داده شده و شبیه‌سازی اجرا شده است. نتایج بدست آمده در این حالت، نشان‌دهنده بهبود وضعیت و افزایش فشار در خط‌ لوله 16 اینچ و تداوم گازرسانی به مدت 6/5 ساعت بيشتر نسبت به وضعیت قبلی، می‌باشد. نتایج این تحقیق می‌تواند در بهینه‌سازی، طراحی‌ و توسعه‌ آتی سیستم خطوط لوله، مورد استفاده قرار گیرد.