مقاله تحلیل و بررسی محل مناسب جهت نصب کنتورتوربینی در ایستگاههای تقلیل فشار گاز

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله تحلیل و بررسی محل مناسب جهت نصب کنتورتوربینی در ایستگاههای تقلیل فشار گاز دارای ۱۰ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله تحلیل و بررسی محل مناسب جهت نصب کنتورتوربینی در ایستگاههای تقلیل فشار گاز  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله تحلیل و بررسی محل مناسب جهت نصب کنتورتوربینی در ایستگاههای تقلیل فشار گاز،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن مقاله تحلیل و بررسی محل مناسب جهت نصب کنتورتوربینی در ایستگاههای تقلیل فشار گاز :

چکیده

یک ایستگاه تقلیل فشار گاز با توجه به ماهیت هریک از قطعات ، خصوصاً فرایند اختناقی که در آن صورت می پذیرد ، سیال عبوری را در معرض شرایط گوناگونی از رفتارهای دینامیکی قرار می دهد که هر یک از این رفتارها در نوع خود مـیتوانـد اثـر قابـل ملاحظـهای ، در کارکرد کنتورهای توربینی ایجاد نماید. در این مقاله تلاش شده تا بـا جمـع آوری تجـاربعملـی و تئـوریهـایعلمـی، ضـمن شناسـائی موضوعات و محورهای تاثیرگذار بر دقت، کارکرد و عمر مفید کنتور شامل »تاثیرات فشار ، نواسانات تولیدی ، نوع اغتشاشات ، دمای سیال و همچنین هزینه کنتور انتخابی« در شرایط بالادست و مقایسه آن با شرایط پائین دست به یک نتیجهگیری جهت انتخـاب محـل مناسـب نصب کنتور توربینی دست یابیم.

درنهایت مشاهده خواهد شد اگرچه از لحاظ کمی ۵ مورد از موضوعات بحث شده رای به نصب کنتور دربالادست جریان میدهند اما با توجه به شرایط ناپایدار فشار خطوط گاز در ایران طی فصول مختلـف ، بهتـر آن مـیباشـد تـا کنتـور تـوربینی در فاصـلهای مناسـب و در پائیندست ایستگاههای تقلیل فشار گاز و محلی که در غالب شرایط از یک فشار ثابتی برخوردار میباشد نصب گردد.

کلمات کلیدی:کنتور توربینی،دقت،اندازه گیری،بالادست،پایین دست

فهرست علائم

Q دبی جریان
P فشار
T دما
Z ضریب تراکم پذیری
G دانسیته نسبی
علائم یونانی
ضریب لزجت دینامیکی
چگالی

زیر نویس

f شرایط جریان سیال((flow condition
b شرایط استاندارد (base condition)
r شرایط نسبی (rated condition)
min کمترین
max بیشترین

۱

.۱ مقدمه

کنتورهای توربینی با هدف اندازه گیری حجم گاز مصرفی ، جایگاه ویژه ای را در شرکت هـای گـاز اسـتانی بخـود اختصـاص داده اند ، بطوری که بخش اعظمی از سیستم های اندازه گیری شامل مبادی ورودی شهرها (ایستگاه های (C.G.S ، ایستگاه هـای

درون شهری ، صنایع ، کارخانجات و . . . از این ابزار اندازهگیری سودمند ، بهره میبرند.

میزان اطلاع از شرایط و رفتار دینامیکی سیال در داخل لوله و همچنین شناخت ساختار عملکـردی ایـن نـوع کنتورهـا در کنار بسیاری از عوامل دیگر ، باعث خواهد شد تا کارائی ، دقت ، عمر و هزینه بهرهبرداری این نوع کنتور تحت تاثیر قرار گیرد.
ابتدائی ترین و مهمترین مسئله در مواجهه با این موضوع، »محل نصب« کنتور های توربینی در ایسـتگاههـای تقلیـل فشـار می باشد. همانطور که مستحضرید ایستگاه های تقلیل فشار از دو بخش بالادستی- ۱ قبل از رگلاتور – و بخش پـائین دسـتی- ۲

بعد از رگلاتور – تشکیل شده اند. دراین مقاله سعی شده تا با استفاده از تحلیل معادلات حاکم بر مسـئله و تجربیـات خبرگـان شرکت به بررسی همه جانبه عوامل موثر بر این موضوع شامل دامنه اندازه گیری ، دقت عملکردی ، اغتشاشات آنی ، افت فشار ، تشکیل احتمالی هیدرات و جنبه اقتصادی آن و همچنین مقایسـه هریـک از ایـن مـوارد در بالادسـت و پـائین دسـت جریـان بپردازیم.

.۱-۲ تغییر دامنه اندازهگیری و خطای مجاز در کنتورهای توربینی

در کنتور توربینی ، به حداقل جریان عبوری که این کنتور میتواند در محدوده دقت۳ مشخص شده ، اندازهگیری نماید ، ( Q ) گویند. براساس استاندارد [۱] ISO.9951 بند ۸,۱ بیشینه خطای مجاز در دبی ماکزیمم جهت کنتورهای توربینی
%۱ تعیین شده است و اگر جریان بین ، Q و %۲۰Q برسد ، بیشترین خطای مجاز %۲ ، مورد تائید میباشد.

لذا نسبت جریان حداقل (یا (Q به »محدوده تعیین شده« برای »دقت« وابسته میباشد. معمولاً این محدوده را در %۱۰ تنظیم مینمایند. [۲]در ادامه ملاحظه خواهد شد که با تعیین محل مناسب جهت کنتور میتوان این دامنه را
افزایش یا کاهش داد.

Q در شرایط استاندارد از رابطه زیر تبعیت مینماید :

(۱)
به را دامنه اندازهگیری۴ مینامند. این اصطلاح بعنوان معرفی
در فرهنگ اصطلاحات اندازهگیری نسبت
دامنه کاری کنتور براساس خطاهای مجاز ، ابزاریQکارا در دست طراحان محسوب میگردد. در کنتورهای توربینی موجود
Q
۳)اینچ به بالا) این نسبت با دامنه ۱:۲۰ تعریف شده است. کارائی کنتورهای توربینی در محدوده فوق تحت شرایط هوای محیط (اتمسفریک) معتبر میباشد. بطوریکه در حالتهای مختلف و شرایط واقعی ، دامنه اندازهگیری با دامنههای بیشتر از این را میتوان تجربه کرد. [۲]

(۲)

همانطور که در رابطه ۲ مشاهده میشود دامنه اندازهگیری مطابق با ریشه دوم نسبت فشار رابطه مستقیم دارد.

اگر فشار افزایش یابد مقدار این دامنه نیز افزایش مییابد. [۲]

در توجیه چرائی آن میتوان بیان نمود که در فشارهای بالا ، جرم حجمی گاز افزایش یافته و با افزایش جرم حجمی ، نیروی محرک ایجاد شده جهت چرخش پره توربین افزایش مییابد. افزایش این نیرو ،کاهش تاثیر مقاومت یاتاقان را در پی

۱ – Upstream 2 – Downstream 3 – Accuracy 4 – Rangeability

۲

اولین همایش تخصصی آموزشی اندازهگیری هیدروکربنها (میترینگ) در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی IrSHM 2013

تهران، دانشگاه علم وصنعت، ۲۱ – ۲۰ آذر ۱۳۹۲

خواهد داشت و لذا حداقل جریان حجمی مورد نیاز Q را کاهش میدهد. بدین ترتیب محدوده کاری یا دامنه اندازهگیری افزایش مییابد.

از اینرو میتوان با افزایش فشار در دبیهای پائین ، به درصد خطای اندازهگیری کمتری دست یافت. از نتایج این موضوع میتوان برای مصارف ایستگاههای تقلیل فشار دروازه شهری یا ۵C.G.S و نصب کنتور در بالادست ، نسبت به پائین دست
استفاده نمود. برای مثال همانطور که میدانید، اختلاف حجم گاز مصرفی در زمستان نسبت به تابستان بعضاً به ۴ تا ۵ برابر میرسد. لذا با نصب کنتور در بالادست – به سبب بیشتر بودن فشار آن نسبت به پائین دست- از مزیت افزایش دامنه اندازهگیری بهره بیشتری خواهیم برد و در صورت عبور حجم گاز حداقل (درتابستان) ، کمترین میزان خطای اندازهگیری و گاز بی حساب را خواهیم داشت.

.۲-۲ تاثیر اغتشاش ناشی از تغییر پروفیل جریان در خط

تولید اغتشاش و گردابه پس از تجهیزاتی مانند شیرهای نیمه باز ، رگلاتور ، زانو ، تبدیل و ; کـه تغییـر مسـیر جریـان را باعث می گردد عواملی هستند که بر میزان دقت اندازه گیری گاز در کنتورها اثر مستقیم می گذارند. بهترین محل ، جهت نصـب کنتور توربینی ، مکانی است که پروفیل خطوط جریان در شکل توسعه یافتـه۶ باشـند. از آنجائیکـه سـرعت ، شـرایط خـط و خصوصاٌ ویسکوزیته جریان ، این اجازه را به ما نمی دهند تا رژیم حاکم بر خط ، آرام۷ باشد ، لذا جریـانی کـه همیشـه (اکثـر قریب به اتفاق) ، با آن روبرو میباشیم ، جریان مغشوش۸ میباشد. [۳]

شکل .۱ پروفیل جریان آرام و توربولنت

همانطور که در تصویر ۱ مشاهده می شود پروفیل سرعت در جریان های توربولنـت در بـیش از ۳/۴ قطـر لولـه بـا سـرعت متوسط می باشد. در منحنی جریان توربولنت نشان داده شده ، پروفیل سرعت متوسط می باشد و گردابه هـای توربولنـت را کـه می تواند حدود %۱۰ سرعت متوسط جریان باشد نادیده می گیرد.(این اطلاع در جانمائی کنتور و حتی سنسورهای دمـا و فشـار کمک بسیار مهمی مینماید.) [۳]

از این رو سازندگان کنتورهای توربینی در محاسبات و طراحی های خود ، پروفیل جریان در لوله را کاملاً توسعه یافته فرض می نمایند. برای رسیدن به چنین پروفیلی ، نیازمند طول مستقیم نسبتاً زیادی در بالادست کنتور می باشیم. بعضی از زمـان هـا حداقل طول مورد نیاز ۶۰D سفارش شده است.[۳ ]

عدم تامین طول مستقیم مورد نیاز ، سبب خواهد شد تا به نحوی پروفیل جریان از شکل منظم و توسعه یافته خـود خـارج شود. درتصاویر ۲ شماتیکی از پروفیلهای جریان که در ادامه عبور از اتصالات مختلف بوجود میآید را مشاهده مینمائید:

شکل . ۲ الف )پروفیل جریان بعد از زانوی ۹۰ درجه

۵ .city gate station 6 . Fully Developed 7 . Laminar 8 . Turbulent

۳

اولین همایش تخصصی آموزشی اندازهگیری هیدروکربنها (میترینگ) در صنایع نفت، گاز، پالایش و پتروشیمی IrSHM 2013

تهران، دانشگاه علم وصنعت، ۲۱ – ۲۰ آذر ۱۳۹۲

شکل.۲ ب )پروفیل جریان بعد از یک تبدیل افزاینده

شکل .۲ ج )پروفیل جریان بعد از ۲ زانوی ۹۰ درجه

همانطور که در مجموعه تصاویر۲ مشاهده شد ، وجود اتصالات در بالادست کنتور ، هر یک به نحوی باعث خواهـد شـد تـا یکنواختی مسیر جریان بهم ریخته و پروفیل جریان توسعه یافته را از دست بدهیم. این آشفتگی و عـدم یکنـواختی در آرایـش جریان ورودی به توربین باعث خواهد شد تا زاویه حمله به پره تغییر یافته و مومنتوم بهینه ، جهت بحرکت در آوردن پـرههـای توربین ایجاد نگردد.

از سوی دیگر براساس استاندارد AGA7 بخش ۷,۱,۳ بطور صریح عنوان شده »نصب رگلاتور یا شیر نیمه بسـته۹ در بـالا دست نزدیک کنتور توصیه نمی گردد، در صورت لزوم یا اجبار جهت نصب کنتور در پائین دست ابزار خفه کننده۱۰ می بایسـت هشت برابر قطر لوله در بالادست و دو برابر قطر لوله در پائین دست به مقداری که کارخانه سازنده جهت نصب کنتور بیان کرده ، اضافه گردد.[۲]«

هرچند شرکت های سازنده با ساخت مستقیم کننده۱۱ های مختلف ، سعی در پایدار کردن جریان ورودی به کنتور را دارنـد اما خاطر نشان می دارد نصب مستقیم کننده در بالادست کنتور صرفاً به جهت حذف جریان های گردشی در حد نرمال۱۲ بوده و قادر به حذف گردابههای سنگین یا جت نمیباشد. [۳]

نتیجتاً بلحاظ محدودیت های فضائی ،نصب کنتور در بالادست و قبل از رگلاتور ارجحتر از پائین دست بنظر میرسد. چرا که با توجه به موارد اشاره شده دراین بخش نصب کنتور در پائین دست بلحاظ وجود جریان های گردشی (بعد از رگلاتور) نیـاز بـه افزایش طول بیشتر بمنظور دست یابی به پروفیل جریان توسعه یافته را طلب مینماید.

۹ – Partially Closed 10 – Throttling Device 11 – Straighter 12 – Minor Swirl

۴

.۳-۲ احتمال تشکیل هیدرات در پائین دست

موضوع مهم دیگری که شاید تنها از تجارب ارزشمند واحد های بهرهبرداری قابل کسب باشد توجـه بـه ایـن امـر اسـت کـه استقرار کنتور در پائین دست ایستگاه های CGS که برای آنها هیتر در نظر گرفته نشده است ، می تواند تهدیدی بـرای قطعـات داخلی کنتور محسوب گردد.

همانطور که مستحضرید وجود رگلاتور در ایستگاه ، باعث شکست یکباره فشار (در شرایط آدیاباتیک۱۳ و آنتالپی ثابـت۱۴) و درنتیجه باعث کاهش دما می گردد. بعضاً این افت دما در ایستگاه های C.G.S به کاهش ۲۳ درجه سانتیگراد و در ایستگاه هـای

تقلیل فشار ترکیبی (CGS & TBS) تا ۲۸ درجه سانتیگراد میرسـد. کـاهش دمـا تـا ایـن مرحلـه باعـث ایجـاد هیـدرات یـا واکس۱۵در مسیر بعد از رگلاتور خواهد شد. از این رو است که بمنظور کاهش و مقابله بـا پیامـدهای ناشـی از کـاهش دمـا در ایستگاه های CGS از هیتر استفاده می نمایند تا دمای بعد از شکست را بالاتر از دمای تشکیل هیدرات نگه دارند. موضـوع قابـل توجه در این مقوله این است که اگر به هر علتی گاز تا دمای بالاتر از دمای تشکیل هیـدرات گـرم نشـود ، چـه اتفـاقی خواهـد افتاد؟!

شکل .۳ توضیح: به علت از مدار خارج شدن هیتر ، در دهانه خروجی رگلاتور، هیدرات تشکیل شده تا حدی که دهانه رگلاتور را مسدود

شده است

با از مدار خارج شدن هیتر و محیا شدن شرایط جهت تشکیل هیدرات ، این احتمـال وجـود دارد کـه ذرات جامـد (یخـی)

تشکیل شده ، به پره های توربین و متعلقات کنتور برخورد نموده و آسیب جدی برساند. لذا به منظور حذف این احتمال ، نصب کنتور در بالا دست میتواند یک دلیل دیگر برای طراحان جهت جانمائی کنتور درایستگاه محسوب گردد.

.۴-۲ تاثیرات نوسانات آنی جریان بر کنتور

موضوع دیگری که کارکرد و دقت کنتورهای توربینی را تحت تـاثیر قـرار مـی دهـد ایجـاد اغتشاشـات حاصـل از نوسـانات لحظه ای است که در مسیر جریان عبوری ، تولید می گردد. این نوسانات می تواند بر اثر وجود موج جریان در ورودی و یا بـر اثـر تغییرات ناگهانی مصرف در پائیندست و یا بجهت نوع کارکرد قطعات ایستگاه بوجود بیاید.

وجود نوسانات آنی در ورودی ایستگاه های تقلیل فشار برون شهری با توجه به پایداری و یکنواختی جریان در خطوط انتقال و در صورتی که ایستگاه های تقلیل فشار در فاصله مناسبی از ایستگاههای تقویت فشار ، جانمائی شده باشند کمتر گزارش شده است.

۱۳ – Adiabatic
۱۴ – Constant Enthalpy 15 – Wax

۵

از سوی دیگر این مشکل با ظهور موج۱۶ ، برای ایستگاه هائی که بطور اختصاصی برای یک مصرف کننده عمده (برای مثـال
CNG یا سیمان) در نظر گرفته شده اند مشاهده شده است. هر بار با شروع فعالیت یکباره مصرف کننده ، یا قطـع آن ، مـوجی بصورت مکش یا برگشت جریان در خط ایجاد شده و از آنجائی که این مصرف کننده بعد از ایستگاه میباشد ، مـوج حاصـله در متعلقات پائین دست ایستگاه ، ایجاد اختلال می نماید. این امر اساساً صحت عملکرد کنتور را تحت الشعاع قرار داده تا حدی که

بعضاً پره توربین و شفت آن را از محل نصب خارج می نماید. اما در مواردی که مصرف کنندگان پائین دسـت بصـورت تجمعـی باشد (مانند (C.G.S ، از آنجائی که تغییر در میزان مصرف آنها ، با نوسان یکباره ای همراه نمی باشد تاثیرات آن بر روی کارکرد
کنتور محسوس نخواهد بود.
اما ابزاری که که بیش از هر چیز در ایستگاه های تقلیل فشار می تواند مولد موج آنی باشد ، شیرهای رهاساز ۱۷ (اطمینـان)

هستند. هربار، باز و بسته شدن شیرهای اطمینان و تخلیه میزان قابل توجهی از حجم گاز ، موجی در جریان پائین دستی گاز ایجاد مینماید که این موج پره توربین ، شافت ، بلبرینگ ها و متعلقات آن (وحتی شات آف۱۸) را تحت تاثیر قرار داده و فشـاری ناگهانی اعمال مینماید.

از این رو نظر به موارد اشاره شده و بمنظور پرهیز از تاثیرات منفی جریان های مزاحمی که ممکن است بر عمر مفید و دقت کنتور تاثیر بگذارد ، جانمائی کنتور در سمت بالادست ایستگاه ها مناسب تر از پائین دست بنظر مـی رسـد. چـرا کـه در صـورت نصب کنتور در پائین دست نیاز است تا طول لازم جهت حذف اثرات ناشی از موج آنی را تامین نمائیم.

.۵-۲ لحاظ اقتصادی

از منظر اقتصادی عمده فاکتورهائی که بر روی قیمت کنتور تاثیر می گذارند ، »سایز« و «GRat» کنتور می باشد. با ملاک قرار دادن اصول طراحی و روابط مهندسی در می یابیم که شرایط حاکم بر جریان، در بالادست این امکان را به ما خواهد داد تـا کنتوری با GRat و سایز کمتر نسبت به پائین دست ، همان ظرفیت مورد نظر را پوشش دهد. از این رو باعث کاهش قیمت و صرفه اقتصادی خواهد شد.
اما شاید تنها مزیت اقتصادی نصب کنتور در پائین دست بکارگیری کنتوری با یک کلاس کاری پائین تر نسبت به کنتور در بالادست باشد که این مسئله تاثیر چندانی در قیمت تمام شده کنتور نخواهد داشت.

.۶-۲ اثرات افت فشار بر عمر و کارکرد کنتور

شاید بتوان این بخش را یکی از مهمترین فاکتورهائی که تاثیر بسزا ، ولی پنهان در کارکرد کنتـور دارد نـام بـرد. طراحـان ایستگاهها ، عموماً GRtae کنتور را بر مبنای ماکزیمم دبی عبوری و در بیشترین فشار کاری۱۹ تعیین مینمایند.

اما آن چیز که حائز اهمیت است گزارشات حاصله از قرائت فشاری است که از خطـوط انتقـال دریافـت مـی شـود. در اکثـر فصول سرد سال بعلت رشد مصرف ، با افت فشار در خطوط انتقال و بالطبع کاهش فشار در ورودی ایستگاه ها مواجه می باشیم.
این افت فشار ، افزایش سرعت ناخواسته را در کنتور بهمراه خواهد داشت که جبـران آن جـز بـا افـزایش ظرفیـت و GRtae
کنتور امکانپذیر نخواهد بود.
برای تشریح بهتر ، این موضوع در قالب مثالی مطرح می شود. فرض می کنیم میخواهیم بر روی هر رن ایسـتگاه C.G.S بـا ظرفیت اسمی ۰۰۰،۱۰۰ متر مکعب ، یک کنتور در بخش بالادست نصب نمائیم ، محاسبات معمول جهت انتخاب کنتور بـرای هر رن ۰۰۰،۵۰ متر مکعبی را مدل مینمائیم:

حالت نخست) فشار ورودی در بالادست ۱۰۰۰ psi

۱۶ – Surge
۱۷ – Relif Valve 18 – Shout of Valve

۱۹ – Maximum Allowable Operaiting Pressure

۶

حجم واقعی گاز عبوری معادل در این فشار جهت ظرفیت ۰۰۰،۵۰ مترمکعب استاندارد ، تقریباً برابر ۷۱۰ متـر مکعـب بـر ساعت می باشد. لذا کنتوری با مشخصه G650 انتخاب می شود. این شرایط حالت معمولی است که در اکثر ایستگاه هـا اتفـاق میافتد.

حالت دوم ) فشار ورودی ۶۰۰ psi

حجم واقعی گاز عبوری معادل در این فشار جهت ظرفیت ۰۰۰،۵۰ مترمکعب استاندارد ، تقریباً برابر ۱۷۲،۱ متر مکعب بـر ساعت می باشد. لذا کنتوری با مشخصه G1000 انتخاب می شود. این فشار حالتی است که در طول فصل سرما ( خصوصـاً در

خط شمالی) بسیار شاهد آن میباشیم.