طراحی هیدرولیکی خطوط لوله انتقال جریان های دوفازی در حالت پایدار
مقدمه
معمولا طراحی هیدرولیکی خطوط لولهانتقال جریان های دوفازی در حالت پایدار با استفاده از یکی از روش های ذیل انجام میگیرد:
استفاده از معادلات مناسب جریان تک فازی بهمراه یک ضریب ایمنی
استفاده از معادلات و روابط تجربی پایدار جریان های دوفازی
درروش اول از روابط تجربی و یا معادلات تحلیلی مناسب موجود در طراحی خطوط لوله انتقالجریان تک فازی بهمراه یک ضریب ایمنی بدلیل افت فشار زیاد موجود در جریان های دوفازیجهت طراحی خطوط لوله دوفازی استفاده می شود. لازم بذکر است که نتایج حاصل از انجاماین روش عموما منجر به دو حالت طراحی بیش از اندازه و طراحی کمتر از اندازه خواهدشد. انجام طراحی بیش از اندازه مشکلات عمده ای را بهمراه نداشته در صورتیکه انجامطراحی کمتر از اندازه باعث ایجاد خطر لوله و تجهیزات جانبی آن می شود. همچنینهنگامی که مقدار مایع چگالیده شده درون خط لوله ناچیز باشد استفاده از این روش خیلیخوب می تواند از انجام طراحی کمتر از اندازه خط لوله جلوگیری نماید. در اغلب اوقاتمقدار مایع چگالیده شده درون خط لوله بمقدار کافی با اهمیت بوده بطوریکه استفاده ازاین روش منجر به پیدایش خطاهای زیادی در انجام محاسبات خواهد گردید.
درحالیکه در روش دوم از روابط تجربی جهت انجام محاسبات طراحی خطوط لوله جریان هایدوفازی استفاده می شود. بطوریکه تمامی این روابط تجربی بر اساس اطلاعات محدود ومختص به خطوط لوله با قطر کم در فشار پایین و برای سیستم های ساده تر نظیر مخلوط آبو هوا بدست آمده اند. شرایط اعمال شده در دقت و قابلیت انعطاف روش فوق یک محدودیترا در بکارگیری این روش بعنوان یک ابزار طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی بوجود میآورد. بطوریکه برون یابی این اطلاعات و استفاده از این روابط تجربی در طراحی خطوطلوله عملیاتی و واقعی انتقال جریان های دوفازی منجر به پیدایش خطاهای زیادی درطراحی خواهد گردید.
باید توجه داشت که روابط تجربی موجود جهت طراحی خطوط لولهانتقال جریان های دوفازی را می توان در حالت کلی به سه دسته زیر تقسیم بندینمود:
در دسته اول لغزش بین دو فاز گاز و مایع و نیز تغییرات رژیم جریان در نظرگرفته نمی شود. لذا مقدار جرم ویژه مخلوط دوفازی براساس نسبت مایع تجمع یافته درحالت عدم لغزش در هر قسمت از خطوط لوله محاسبه شده و تنها یک رابطه برای ضریباصطکاک جریان دوفازی مورد نیاز است.
در دسته دوم لغزش بین دوفاز بین مورد توجهگرفته ولی تغییرات جریان در نظر گرفته نمی شود. در این روش دو معادله جداگانه جهتمحاسبه ضریب اصطکاک و مقدار مایع تجمع یافته مورد استفاده قرار می گیرد.
دردسته سوم هم لغزش بین فاز و هم تغییرات جریان مورد توجه قرار می گیرند. در این گروهعلاوه بر استفاده از روابط مختلف جهت محاسبه مقدار تجمع یافته و ضریب اصطکاکمعادلاتی نیز جهت پیش بینی نوع رژیم جریان دوفازی می باشند. بطوریکه تعیین نوع رژیمجریان معادلات مربوط را بدست می آورند.
ذکر این نکته قابل توجه است که مکانیزمتغییرات رژیم جریان در بعضی موارد از نظر فیزیکی مورد توجه قرار نگرفته و برایتعیین رژیم جریان از منحنی های تجربی استفاده می شود.
بدیهی است که نتایج حاصلاز دسته سوم از دو دسته دیگر دارای دقت بیشتری بوده و از روابط تجربی دو دسته دیگرزمانی می توان استفاده نمود که فرضیات در نظر گرفته شده در آن ها برای اعمال شرایطمورد نظر قابل قبول باشد. بعنوان مثال هنگامیکه نرخ جریان گاز زیاد بوده و رژیمجریان دوفازی مه آلود باشد از لغزش بین فازها می توان صرفه نظر کرد.
تهیه وتنظیم: بهتاش ک
مراحل طراحی مقدماتی خطوط لوله جریان های دوفازی جهتتعیین مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته بترتیب بصورت زیر میباشد:
مرحله اول: تعیین ترکیب درصد نرخ حجمی و شرایط عملیاتی گازورودی به خط لوله.
مرحله دوم: تعیین مشخصات خط لوله از قبیل قطر طول وتغییرات ارتفاع خط لوله
مرحله سوم: تعیین ضریب کلی انتقال حرارت و انجامموازنه حرارتی در قطعه ای با طول معین از خط لوله
مرحله چهارم: انجاممحاسبات تبخیر ناگهانی و در نتیجه تعیین آنتالپی هر یک از فازهای گاز و مایع بااستفاده از یک معدله حالت مناسب در قطعه ای با طول معین از خط لوله
مرحله پنجم: تعیین انواع الگوهای جریان مختلف موجود درون هر قسمت از خط لوله.
مرحله ششم: محاسبه مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته درون هر قسمت از خط لوله با توجه بهنوع رژیم جریان موجود در آن قسمت و سپس تعیین مقادیر کلی افت فشار و مایعات تجمعیافته در طول کل خط لوله. در این مرحله باید توجه داشت که اگر جریان درون خط لولهدوفازی بصورت پایدار باشد بایستی از روابط تجربی و یا معادلات تحلیلی مناسب استفادهشود.
همچنین در صورت طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی در حالت ناپایدار بایستیاز معادلات تحلیلی مناسب که در جهت تعیین انواع رژیم های جریان دوفازی ناپایدار وهمچنین محاسبه مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته درون خطوط لوله استفادهنمود.
عوامل موثر در طراحی هیدرولیکی خطوط لوله جریان هایدوفازی
برای انجام محاسبات دقیق طراحی مقدماتی خطوط لوله انتقال جریاندوفازی بایستی نکات زیر را مورد توجه قرار داد:
1-در هنگام طراحی خطوط لولهجریان های دوفازی پایدار با استفاده از روابط تجربی. البته باید توجه داشت که هر یکاز روابط تجربی موجود بر اساس بانک اطلاعاتی حاصل از سیستم مورد آزمایش آن موحققگسترش یافته است و نمی توان صریحتا یک رابطه را بر رابطه دیگر ترجیح داد. بطوریکهبرخی از این روابط تجربی در یک محدوده دارای جواب قابل قبول و در خارج از آن محدودهجواب غیر قابل قبول ارائه می دهند. با در نظر گرفتن نکات فوق جهت طراحی خطوط لولهمذکور مناسب تر است با استفاده از روش های موجود یک محدوده پایین و بالا برایپارامترهای طراحی انتخاب کرده و طراحی را طوری انجام داد که نتایج حاصله در داخلاین محدوده قرار گیرند. شایان ذکر است که در این حالت طراحی بایستی بطریقی انجامگیرد که خط لوله توانایی تحمل نوسانات احتمالی فشار از مقدار حداقل تا حداکثر راداشته باشد. و همچنین تدابیر لازم برای تجهیزات انتهایی خط لوله در نظر گرفتهشود.
2-طراحی مناسب یک خط لوله انتقال جریان دوفازی در صورتی که با شرایط واقعیسازگار خواهد بود که از اطلاعات اولیه خطوط لوله موجود دوفازی استفاده شود دراینصورت لازم است خط لوله موجود ابتدا عاری از مایعات تجمع یافته شده و سپس براساسشرایط طراحی در نرخ های حجمی متفاوت مقادیر افت فشار و مایع تجمع یافته درون خطلوله را اندازه گیری نمود. با توجه به اطلاعات بدست آمده خط لوله انتقال جریاندوفازی را می توان با دقت بیشتر و کارائی بالاتر طراحی نمود.
3-در طراحی یک خطلوله انتقال جریان دوفازی لازمست که خصوصیاتی که بیانگر تصویر واقعی استفاده از آنخط لوله در آینده می باشند را در نظز گرفته. چنین تصویری را می توان با در نظرگرفتن شرایط زیر ارزیابی نمود:
شرایط رئولوژیکی
شرایط مخزن
شرایط تولید
نیاز مصرف کننده
بهنوان مثال از آنجا که عملکرد و رفتار مخازنهیدروکربوری به گونه ای است که نسبت گاز به مایع متناسب باز مان تغییر کرده لذامیزان دقیق نرخ حجمی جریان دوفازی درون خط لوله مشخص نبوده و بنابراین طراحی خطلوله جریان دوفازی بر اساس روش حدس و خطا و با نرخ حجمی کمتر از ظرفیت طراحی شدهانجام می شود.
پاسخ : طراحی هیدرولیکی خطوط لوله انتقال جریان های دوفازی در حالت پایدار
