مدل سازی سیستم های خط لوله

**ramincm** · 2012/03/14, 18:56

* مدل سازی خط لوله
* سیستم SCADA
* مدل جریان ناپایدار
* روش های حل معادلات جریان ناپایدار
* نمونه هایی از مدلسازی سیستم های واقعی
* سیستم ATMOS

محقق در سومین فصل این پژوهش با عنوان »نشتیابی در سیستم های خط لوله ی در حال کار« به بررسی روش های تست نشتی در سیستم های خط لوله ی در حال کار پرداخته است.آن چه در پی می آید بخشی از فصل سوم این رساله است با اندکی دخل و تصرف:

نشتی در لوله ها خصوصاً لوله هایی که تحت فشارند یکی از مسایل بسیار مهم در مبحث نشت یابی است. حتی قسمت عمده ای از نشتی های مربوط به مخازن نیز به خاطر وجود نشتی در لوله های مربوط به مخازن است. از لحاظ آماری، خرابی و نشتی در لوله ها حدود دو برابر خرابی در تانک هاست. به علت وجود اتصال های زیاد در سیستم های خط لوله، نشتی در این سیستم ها بسیار اتفاق می افتد. این مساله در لوله های تحت فشار خیلی حادتر است. زیرا فشار باعث می شود تا مواد به صورت پیوسته و با نیروی زیادتر از سوراخ وارد محیط شوند. برای نشت یابی در خطوط لوله روش های متعددی وجود دارد. بعضی از این روش ها به طور پیوسته و بعضی به طور غیر پیوسته کار نشت یابی در لوله ها را انجام می دهند.

روش های تست نشتی در سیستم های خط لوله ی در حال کار

از ساده ترین روش های تشخیص نشتی در سیستمهای خط لوله عبارتند از:

اطلاع دادن نشتی توسط افرادی که در مجاورت خط لوله قرار دارند. این افراد از طریق حس بویایی، شنوایی، بینایی و یا مشاهده ی اثراتی که این مواد شیمیایی در پیرامون خود ایجاد می کنند، مثل تاثیر روی گیاهان یا حیوانات یا پرندگان، می توانند این پدیده را تشخیص دهند. حتی گاهی اوقات با استفاده ی بیرحمانه از حیوانات یا پرندگان حساس می توان نشتی را تشخیص داد.
راه ساده تر دیگر اضافه کردن مواد معطر به سیال است. باید در نظر داشت که ماده معطری که برای این منظور انتخاب می شود باید به راحتی قابل جداسازی باشد. این روش برای سیالاتی که بدون بو و غیرقابل اشتعال هستند روش نسبتاً موثری است مثلاً برای تشخیص نشتی گاز مونو اکسیدکربن که بی بو ولی بسیار سمی و خطرناک است.
مواد شیمیایی مثل مرکاپتان ها، تری متیل آمین و...می توانند نشتی را در سیستم تشخیص دهند. این دو روش در محیط های عاری از سکنه یا در جاهایی که بادهای شدید می وزند، نمی توانند کاربرد عملی داشته باشند.

روش دیگر استفاده از موازنه ی جریان به صورت روزانه یا ساعتی و ترجیحاً آن لاین است. یک سیستم اندازه گیری فشار خط لوله در کنار جریان سنج ها لازم است که نشان دهد گرادیان فشار نسبت به حالت بدون نشتی تغییر کرده است یا نه. این روش دو اشکال دارد، یکی این که با این روش موقعیت نشتی تشخیص داده نمی شود. دیگر این که اگر شدت جریان ها تغییر کند یعنی سیستم Steady state نباشد موازنه برای تشخیص نشتی بسیار مشکل می شود.

یکی از روش های چک کردن وجود نشتی در خطوط لوله، موازنه ی حجمی خطوط لوله است.

این روش به خصوص برای خطوط لوله ی مایعاتی که تقریباً تراکم ناپذیرند، مناسب است. در این روش تغییرات موجود در خطوط لوله از روی اختلاف بین جریان ورودی و خروجی محاسبه می شود و از روی این اختلاف، نشتی های کوچک تشخیص داده می شود.

موازنه در خط لوله به صورت زیر است.
(3-1)
dV=Vin-Vout-Vl
که در آن :

dV: حجم نشتی
Vin: جریان سیال ورودی
Vout: جریان سیال خروجی
Vl: میزان موجودی مایع در خط لوله است.

یکی دیگر از سیستم های نشت یابی، نشت یابی صوتی است. جریان سیالات می تواند ارتعاشاتی با فرکانس هایی در محدوده ی مافوق صوت تولید کند که به وسیله ی مبدل هایی خاص قابل تشخیص هستند. این مبدل ها قابل حمل بوده و می توانند توسط ماموران خط حمل و به هر نقطه ی دلخواهی برده شوند.
روش دیگر نصب سنسورهای پیزو الکتریک است. این سنسورها وقتی تحت تاثیر تنش قرار می گیرند، یک خروجی را صادر می کنند. بنابراین زمانی که در سیستم خط لوله یک نشتی اتفاق می افتد، به سرعت در خط لوله افت فشار خواهیم داشت. امواج ناشی از این افت فشار با سرعت صوت در هر دو جهت حرکت می کنند. در نتیجه سنسورهای نصب شده، این امواج را دریافت کرده و مکان نشتی را از روی شرایط خط و زمان اندازه گیری شده توسط ابزارها، تشخیص می دهند.این روش به خصوص در زمانی که مقدار نشت زیاد است، بسیار موثر می باشد.

سیستم های حساس بیرونی

این سیستم ها مشخص کننده ی نشتی در خارج خط لوله هستند. این سیستم ها دارای سنسورهای حساس به بخار و مایع هستند. زمانی که ماده از داخل خط لوله به خارج نشت می کند این سیستم ها به راحتی این مساله راتشخیص می دهند.

دو نمونه از این سیستم ها عبارتند از:

1- سیستم نمایش بخار: در این روش گازهای اطراف سیستم لوله کشی، آنالیز می شوند و اگر با مقدار طبیعی اختلاف داشته باشند، اعلام نشتی می شود.
2- سیستم کابلی: سیستم کابلی شامل کابل نوری یا الکترونیکی پیوسته ای از جنس مواد هیدروکربنی است. این کابل ها در مسیر لوله کشی قرار می گیرند و به یک کنترلر و تابلوی زنگ خطر وصل می شوند. وقتی که مواد نشت کرده بااین کابل تماس حاصل کنند، خواصی از کابل مثل مقاومت الکتریکی و... تغییر می کند و در نتیجه نشتی اعلام میشود.

اشکال اساسی این روش این است که کابل ها یک بار مصرفند و قابل احیا نمی باشند.
از طرفی سیستم های حساس بیرونی به علت تکنولوژی جدید و گرانی و همچنین تجارب کم در استفاده از آن ها، دارای کاربرد کمی هستند.
لوله کشی دو جداره: این روش اخیراً مورد استفاده قرار گرفته است. لوله کشی دو جداره شامل دو لوله ی تو درتو است. فضای میانی دو لوله برای نمایش نشتی استفاده می شود. جنس لوله های مورد استفاده در این روش فایبر گلاس است. این سیستم،سیستم شکننده ای است و درمواقع نصب به توجه ویژه ای نیاز دارد. لوله ی داخلی معمولاً تحت فشاری معادل 5/1 برابر فشار عملیاتی سیستم، تست می شود. تست لوله ی خارجی معمولاً تحت فشار 30 کیلو پاسکال انجام می گیرد.

نصب لوله های دو جداره معمولاً 2 تا 3 برابر لوله های معمولی هزینه دارد.
حفاظت در برابر خطرات مکانیکی توسط خط لوله ی بیرونی انجام می شود. در فشار بین دو لوله نیتروژن تحت فشار زیاد تزریق می شود. این فشار باید از فشار عملیاتی داخل لوله بزرگ تر باشد. یک سنسور در فضای بین دو لوله و در هر انتهای خط لوله نصب می شود. این سنسور به فشارکم حساس است. این سنسور فشاری، روی فشاری تنظیم می شود که از فشار عملیاتی جریان بزرگ تر و از فشار فضای بین دو لوله کم تر باشد. حال اگر خط لوله ی داخلی نشتی داشته باشد، نیتروژن از فضای ما بین دو لوله به داخل لوله ی داخل نفوذ می کند، لذا فشار بین دو لوله کم شده و سنسور حساس به فشار کم، فعال می شود.
اگر یک نشتی در نتیجه ی خرابی مکانیکی در لوله ی بیرونی به وجود آید گاز بیخطر نیتروژن به محیط نفوذ میکند.
به هر حال تحت هر شرایطی که فشار فضای بین دو لوله کاهش یابد شیرهای قطع جریان واقع درسر چاه ها جریان را قطع می کنند.
جز روش های فوق روش های دیگری نیز برای نشت یابی در خطوط لوله وجود دارند بعضی از این روش ها برای نشت یابی در مخازن نیز استفاده میشوند. این روش ها عبارتند از:

-آزمایش استحکام: این آزمایش جزء روشهای غیرپیوسته است. و در صورتی که بخواهیم از آن استفاده کنیم باید این کار حداقل به طور سالیانه انجام شود.

روش SIR : تناوب استفاده از این روش بستگی به توانایی آن در نشت یابی دارد. اگر توانایی آن بیشتر از 2/0 گالن در ساعت نباشد، این روش باید به طور ماهیانه انجام شود. اما اگر توانایی این روش به اندازه 1/0 گالن در ساعت باشد می توان این روش را به طور سالیانه به کار برد.

روش مونیتورینگ فضای ما بین: استفاده از این روش باید به طور ماهیانه صورت پذیرد. این روش باید قادر باشد 1/0 گالن در ساعت نشت یابی کند. اما بعضی از سیستم ها قابلیت مونیتورینگ پیوسته رانیز دارند.

روش مونیتورینگ بخار: این روش نیز باید به طور ماهیانه انجام شود. در ضمن بعضی از این سیستم ها قابلیت مونیتورینگ پیوسته رانیز دارند.

روش مونیتورینگ آب زیرزمینی: این روش نیز باید به طور ماهیانه انجام شود. در ضمن بعضی از سیستمها قابلیت مونیتورینگ پیوسته را نیز دارند.

انتقال گاز طبیعی با فناوری های جدید

انتقال گاز به نقاط دوردست، همواره با مشکلات فراوانی روبه روبوده است. امروزه فناوری ال.ان.جی به عنوان راهکاری بسیار اقتصادی و قابل اطمینان در این زمینه مطرح است، اما پیشرفت های اخیر در زمینه استفاده از سایر فناوری ها نیز سبب شده است که استفاده از روش هایی نظیر CNG(گاز طبیعی فشرده شده) و هیدرات هم به عنوان راه حلی برای انتقال گاز به مناطق طولانی مطرح شوند.

بدون شک گاز طبیعی منبع مهم تامین انرژی در قرن جدید است. امروزه فناوری های بسیاری برای استحصال، انتقال و به کارگیری از منابع گازی رشد یافته اند. توسعه سریع صنعت گاز نیز از فناوری های مهمی تأثیرپذیرفته است که از اواسط قرن بیستم مطرح شده اند. انتقال گاز طبیعی به واسطه ماهیت گازی آن با دشواری روبه رو است و حتی استفاده از ساده ترین روش انتقال یعنی خطوط لوله در فواصل طولانی با مشکلات زیادی روبه رو می شود. با توجه به توانایی های موجود فناوری برای انتقال گاز به مناطق دوردست، روش ال.ان.جی یا گاز طبیعی مایع شده به عنوان یک روش اقتصادی، توانسته است دشواری حمل گاز را تا حد زیادی برطرف سازد. برخی از کارشناسان تبدیل گاز به فرآورده های مایع (GTL) را نیز راهکاری مناسب برای انتقال گاز به بازارهای دوردست بیان می کنند، زیرا معتقدند با این که هنوز فناوری یا تبدیل گاز به فرآورده های مایع به طور گسترده مورد استفاده کشورهای دارنده گاز قرار نگرفته ، اما حمل فرآورده های مایع به بازارهای مصرف بسیار ساده تر و کم هزینه تر از روش تبدیل ال.ان.جی است.
در فناوری GTL، گاز طبیعی در یک رشته فعل و انفعالات شیمیایی به مایعات میان تقطیر هیدروکربوری مانند نفتا، سوخت جت، دیزل و پایه های روغنی و ... تبدیل می شود. در این روش، گاز طبیعی نخست به گازهای سنتز منوکسید کربن و هیدروژن تبدیل می شود، سپس در یک رشته واکنش های شیمیایی تحت تاثیر بستر کاتالیستی محصولات هیدروکربوری مایع که در حال حاضر دارای بازار خوبی هستند، تولید می شوند.
علاوه بر آن، فرآورده های مایع گاز را به آسانی می توان در بازار مصرف به فروش رساند، ولی به دلیل نوع خاص تقاضای ال.ان.جی که به تاسیسات دریافت خاصی نیازمند است، فروش ال.ان.جی همواره با دشواری بیشتری روبه رو است. به واسطه هزینه های بالا برای انتقال گاز طبیعی در هر یک از فناوری های گفته شده، تحقیق و پژوهش برای یافتن راهکارهای دیگر همواره ادامه دارد. اگر چه هنوز استفاده از فناوری GTL در جهان گسترش زیادی نیافته، سرمایه گذاری قابل توجه کشورهای صاحب منابع گاز همانند قطر، برای استفاده از این فناوری، نشانگر توسعه و سودآوری این فناوری در آینده ای نزدیک است.

فناوری GTL با پیشینه بیش از 70 سال، در مقیاس تجاری هنوز در آغاز راه توسعه قرار دارد. فناوری تبدیل گاز به فرآورده های مایع گرچه برای بسیاری از توسعه دهندگان عمده این فناوری، مانند شل، ساسول، اکسون موبیل و سنترلیوم شناخته شده است، اما تعداد واحدهای بزرگ تجاری در جهان در این زمینه بسیار محدود و امروزه مقدار کمی از منابع مالی موسسه های بزرگ به این امر اختصاص یافته است.
علاوه بر فناوری های ال.ان.جی و GTL، فناوری CNG و هیدرات نیز ممکن است بتوانند به عنوان راهکاری مناسب و ارزان برای انتقال گاز مطرح شوند. فناوری CNG ، برای انتقال گاز طبیعی در مسافت های طولانی، قابلیت مهمی به شمار می روند. CNG را می توان در کشتی های مخصوصی ذخیره، سپس به مقاصد مورد نظر حمل کرد. اگر چه یک کشتی حامل CNG نمی تواند گاز را به مقادیر بارگیری شده در کشتی های LNG انتقال دهد، ولی روش مایع سازی همچنین تبدیل مجدد به گاز در فناوری CNG آسان تر و بسیار کم هزینه تر از ال.ان.جی است. ذخیره سازی گاز در کشتی های CNG به صورت نگهداری گاز در لوله های با تحمل فشار 3000-1500 پی.اس.آی و به قطر 18 تا 36 اینچ است.
این لوله ها که به صورت افقی و عمودی در کشتی تعبیه شده اند، توانایی ذخیره سازی مقادیر زیادی گاز را در خود دارند. برای کاهش خطرهای احتمالی، دمای این لوله‌ها در 20- درجه سانتی‌گراد حفظ می‌شود. به دلیل فشار بالای CNG در مخازن لوله‌ای شکل، بالابودن احتمال خطر انفجار، از مشکلات اساسی عملی‌نشدن کاربرد وسیع فناوری CNG در جهان است. امروزه استفاده از تکنیک های جدید در ساخت کشتی های CNG یعنی به کارگیری لوله هایی به قطر 6 اینچ که به صورت قرقره های بزرگ درون کشتی تعبیه می شوند، پیشنهاد شده است. این کشتی ها توانایی ذخیره سازی بیشتری از گاز را در خود دارند. فناوری CNG برای انتقال گاز مخازن آب های عمیق که انتقال گاز آنها با استفاده از خط لوله به ساحل با دشواری و هزینه بالا روبه رو است، می تواند کاربرد یابد. سادگی فرآیند تولید CNG و فناوری ساده تر ساخت کشتی های حمل آن نسبت به ال.ان.جی، طرح های CNG را به عنوان گزینه ای بالقوه برای انتقال گاز مطرح کرده است. با توجه به شرایط موجود فناوری CNG، استفاده از آن تنها برای انتقال گاز تا فواصل 2500 مایل مطمئن به نظر می رسد. تحقیقات در زمینه استفاده از فناوری CNG برای انتقال گاز طبیعی در کشورهای آمریکا و استرالیا همچنان ادامه دارد.

فناوری CNG در صورت کاهش دادن خطر انفجار در هنگام انتقال آن، می تواند رقیبی برای فناوری LNG در فواصل کوتاه تر باشد. برای کشورهایی همانند کشور ما که دارای ذخایر عظیم گازی است، تحقیق و توسعه در زمینه طرح های GTL و CNG به عنوان راهکارهای جدید انتقال گاز، در تحقیق و پژوهش صنعت گاز می تواند به شمار رود. توسعه و توجه بیشتر به این فناوری ها و به ویژه فناوری GTL در کشور می تواند بازارهای صادراتی گاز را به همراه داشته باشد. یکی از عوامل موثر در میزان سرمایه گذاری در بخش GTL در ایران، وجود توانمندی های فنی و مهندسی بالقوه در صنایع نفت و گاز این کشور، به لحاظ مدیریتی و فنی است. در حدود دو سوم ماشین آلات و مخازن مورد کاربرد در یک واحد تولیدی GTL را در صنایع نفت و گاز ایران می توان یافت. از طرفی از لحاظ نیروی انسانی ماهر و متخصص، شرکت های مهندسان مشاور ایران تاکنون دو واحد تولیدی متانول و یک واحد تولیدی MTBE را بدون کمک شرکت های خارجی به پایان رسانده اند و یا در حال تکمیل آنها هستند. به همین دلیل، این اعتقاد که انجام مهندسی تفصیلی پروژه های GTL در ایران با قیمتی کمتر از نصف عرف جهانی امکان پذیر است، دور از ذهن نخواهد بود. در ضمن وجود نیروی انسانی آموزش دیده در ایران می تواند هزینه های عملیاتی یک واحد تولیدی GTL را به میزان قابل ملاحظه ای در قیاس با دیگر نقاط جهان کاهش دهد.
وجود مخازن عظیم گازی یکی ازعوامل اساسی در اقتصادی بودن یک طرح GTL است. برای مثال میزان گاز مورد نیاز برای یک واحد تولیدی GTL به ظرفیت 70 هزار بشکه در روز و به مدت 25 سال حدود 5/5 تریلیون فوت مکعب است. منطقه ویژه اقتصادی پارس جنوبی در بندر عسلویه و میدان های، نار و کنگان در نزدیکی پارس جنوبی، یکی از مناسب ترین مراکز برای ساخت واحد تولیدی GTL است.

ویژگی های فناوری GTL برای ایران
در دهه اخیر، مخازن گازی متمرکز، عظیم و متعددی در آب های خلیج فارس و در مناطق جنوبی ایران کشف شده اند. بسیاری از این میدان ها، هنگام فعالیت های اکتشافی شرکت ملی نفت ایران و شرکت های بین المللی خارجی برای یافتن میدان های نفتی جدید به اثبات رسیده اند. هم اکنون احتمال اکتشاف های جدید دیگری از مخازن گازی متمرکز در نواحی خشک و در آب های دریای خزر و خلیج فارس، وجود دارد.
بهره گیری از فناوری GTL برای تحرک بخشیدن به صادرات گاز و تولید محصولات سوختی با کیفیت بالا از جمله هدف هایی است که ایران نباید حتی یک لحظه از آن غافل باشد. واقع شدن این میدان های گازی نزدیک به آبراه ها و در فاصله کمی از خشکی یکی از عواملی است که پروژه های صادراتی گاز طبیعی را به شکل GTL و LNG اقتصادی می کند. یکی دیگر از ویژگی های اجرای پروژه های GTL در ایران این است که صرف نظر از سهم ایران در سازمان کشورهای صادرکننده(اوپک) می توان از مایعات میان تقطیری برای مصارف داخلی به جای نفت خام بهره برد؛ از این رو به همان میزان، نفت خام صادراتی و درآمد ملی افزایش می یابد. سهم تخصیصی از سوی اوپک بر اساس تولیدات کشورهای عضو اوپک تعیین می شود؛ از این رو اگر ایران بتواند تولیدات نفت خام خود را از این طریق افزایش دهد، سهم آن نیز بیشتر از میزان صادرات کنونی خواهد بود. از لحاظ مقدار، تولید هر بشکه محصولات فناوری GTL دو بشکه نفت خام برای صادرات را در پی دارد. بنابراین با توجه به روند روبه رشد مصرف آینده محصولات سوختی برای ایران، استفاده از GTL لازم و ضروری به نظر می رسد.