Carbon dioxide

هیدرات‌ها وقتی ظاهر می‌شوند که عوامل زیر موجود باشند[۱۲]:
۱- حضور آب و کاهش دما، تا دمای تشکیل هیدرات، که معمولاً در خطوط لوله سطحی رخ می‌دهد.
۲- افت فشار ناگهانی به علت انبساط، که معمولاً در اریفیس‌ها و رگولاتورهای فشار اتفاق می‌افتد.
پیشرفت‌های اخیر در تکنولوژی جریان گاز، با راهکارهایی مانند گرم نگه داشتن لوله یا تزریق ممانعت‌کننده‌ها مانند متانول یا گلیکول از تشکیل هیدرات جلوگیری می‌کنند، اما شبیه‌سازی چند‌فازی می‌تواند چگونگی دوری از شرایط هیدرات را بررسی کند[۱۱].
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته
مقدمه
با توجه به اهمیت روزافزون گاز طبیعی به عنوان منبع انرژی و استفاده از خطوط لوله برای انتقال گاز طبیعی، تاکنون مقالات و تحقیقات بسیاری بر روی خطوط لوله انتقال گاز طبیعی صورت گرفته است. در این فصل با توجه به هدف اصلی این تحقیق که حول موضوعات شبیه‌سازی خطوط لوله و پیش‌بینی مصرف گاز طبیعی است؛ کارها و تحقیقات انجام شده در زمینه‌های مرتبط، مورد اشاره قرار گرفته است.

سیستم خط لوله کمکی برای افزایش ظرفیت انتقال گاز طبیعی
در حال حاضر مهندسین گاز برای تعیین قطر مناسب خطوط لوله موازی گاز از معادله کمپل^[۱۴] استفاده می‌کنند[۱۳]. در یک سیستم خط لوله لوپ شده که در شکل (۲-۱) نشان داده شده است، طول خط لوله موازی ( B ) به روشی تعیین می‌شود که به رغم افزایش دبی جریان، مقدار افت فشار در خط لوله اصلی ( A+C ) تغییر نکند. در این طرح، طول و قطر لوله می‌تواند به عنوان پارامتر طراحی در نظر گرفته شود. کمپل اولین کسی بود که یک معادله برای تعیین طول خط لوله موازی در یک سیستم کمکی را ارائه کرد. در معادله کمپل، برخی فرضیات نظیر خط لوله افقی، جریان همدما و پایا و ضریب تراکم‌پذیری گاز بصورت ثابت به کار رفته است[۱۳].

شکل ۲-۱ خط لوله کمکی
معادله کمپل بصورت زیر است[۱۳] :

(۲-۱)

که نشان دهنده جزئی از طول خط لوله اصلی ( A+C ) است که با یک خط لوله موازی ( B )، لوپ شده است، قطر لوله، دبی حجمی قبلی و دبی حجمی جدید است. یعنی تعریف بصورت زیر است :

(۲-۲)

معادله کمپل برای خطوط لوله افقی با فرض اینکه ضریب تراکم‌پذیری گاز و دمای خط لوله ثابت باشند؛ پیشنهاد شده بود. بنابراین معادله کمپل برای یک خط لوله مایل دارای خطای قابل توجهی است. فنایی و نیکنام، معادله کمپل را برای استفاده در خطوط لوله مایل و شیب دار، توسعه داده‌اند[۱۳].
برای مقایسه بین معادلات اولیه و توسعه‌یافته، یک خط لوله با شیب‌های مختلف استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد در یک خط لوله با شیب بیش از ۲ درجه در صورت استفاده از معادله اولیه کمپل، خطای حاصل تا ۱۱ درصد افزایش می‌یابد. برای اعتبارسنجی معادله کمپل توسعه‌یافته، نتایج حاصل از این معادله با نتایج حاصل از نرم‌افزار HYSYS که در آن دما و ضریب تراکم‌پذیری گاز ثابت فرض نشده‌اند، مقایسه شده و نتایج نشان می‌دهد خطای متوسط معادله توسعه‌یافته کمتر از ۲ درصد است[۱۳].
قبل از بسط معادله کمپل، یک خط لوله افقی به طول ۱۰۷ کیلومتر و قطر ۵۴ اینچ فشار ورودی ۱۰۰۰ psi و دمای ورودی ^°C45 و دبی جریان ۸۰ میلیون متر‌مکعب در روز توسط نرم‌افزار HYSYS، شبیه‌سازی گردیده است. سپس برای افزایش دبی جریان تا ۱۱۰ میلیون متر‌مکعب در روز ، یک خط لوله ۴۲ اینچی بصورت موازی استفاده گردید. با بهره گرفتن از معادله کمپل و نرم‌افزار HYSYS، شکل (۲-۲)؛ طول خط لوله موازی به‌ترتیب km 89/68 و km 91/77 محاسبه گردید. خطای حاصل از استفاده معادله کمپل در مقایسه با نرم‌افزار HYSYS حدود ۳/۲ درصد بدست آمده است. پس نتیجه اینکه در مواردی که تغییر ارتفاع خط لوله قابل صرفنظر باشد معادله کمپل می‌تواند با دقت قابل قبولی استفاده شود.

شکل ۲-۲ خط لوله کمکی شبیه‌سازی شده در محیط HYSYS[13]
سپس معادله بسط یافته کمپل و نرم‌افزار HYSYS برای دو مورد خط لوله انتقال گاز ایران مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. نتیجه مقایسه نتایج نشان می‌دهد خطای حاصل از معادله توسعه‌یافته کمپل در مقایسه با نتایج HYSYS کمتر از ۲ درصد می‌باشد. همچنین نتایج نشان می‌دهد که وقتی تغییر ارتفاع خط لوله پایین باشد یعنی شیب متوسط کمتر از ۵/۰ درجه باشد کاربرد معادله اولیه کمپل با توجه به سادگی آن، به معادله توسعه‌یافته ترجیح داده می‌شود[۱۳].
شبیه‌سازی پایا و دینامیکی خطوط لوله و تجهیزات ایستگاه تقویت فشار
شبیه‌سازی پایا و دینامیکی خطوط لوله و تجهیزات ایستگاه تقویت فشار خطوط لوله تاسیسات تقویت فشار منطقه چهار (خراسان) ارائه شده در سومین کنفرانس لوله و خطوط انتقال نفت و گاز ایران در خرداد ۱۳۹۰ می‌باشد. شبیه‌سازی با نرم‌افزار ASPEN PLUS بصورت پایا و دینامیکی، انجام گرفته است. اطلاعات و داده‌های فرآیندی ایستگاه تقویت فشار رضوی در نرم‌افزار ASPEN PLUS وارد گردیده و طبق شکل (۲-۳) شبیه‌سازی در این محیط انجام گرفته است[۱۴].
شکل ۲-۳ شبیه‌سازی ایستگاه تقویت فشار منطقه چهار انتقال گاز در محیط نرم‌افزار ASPEN PLUS [14]
مقایسه بین مقادیر پیش‌بینی شده و مقادیر واقعی حاکی از همخوانی در مقادیر واقعی با مقادیر پیش‌بینی شده می‌باشد. با بهره گرفتن از این شبیه‌سازی می‌توان وضعیت‌های جدیدی را که ایستگاه با آن روبروست بررسی و اثرات کاهش یا افزایش فشار یا دبی را بر پارامترهای موجود در ایستگاه تقویت فشار ملاحظه نمود[۱۴].
شبیه‌سازی و بهینه سازی خطوط لوله انتقال گاز
در سال ۱۳۸۴ (دهمین کنگره مهندسی شیمی ایران)، نیکنام در مقاله ای با عنوان “شبیه‌سازی و بهینه سازی خطوط لوله انتقال گاز” برای رفع مشکل افت فشار گاز به راه حل‌هایی مانند استفاده از لوله موازی (کمکی) در کنار خط لوله اصلی به کمک نرم‌افزار HYSYS( Pipe Segment مخصوص حل استاتیکی گاز تک‌فاز) پرداخته است و طول و قطر خط لوله کمکی را برای حالات مختلف مابین هر ایستگاه تقویت فشار بصورت مجزا مورد بررسی قرار‌داده است. بررسی امکان مشکل سایش در خط کمکی و سپس انتخاب بهترین قطر و طول خط کمکی از نظر اقتصادی و توسط تابع هدف قیمت تمام شده خط لوله کمکی، از نتایج این تحقیق می‌باشد[۱۵].
شبیه‌سازی حالت پایای خطوط لوله انتقال گاز
محمودی و همکاران، در سال ۱۳۸۶ مقاله ای با عنوان “شبیه‌سازی حالت پایای خطوط لوله انتقال گاز منطقه چهار کشور با بهره گرفتن از نرم‌افزار HYSYS"، ارائه کرده‌اند که در آن خطوط لوله انتقال گاز از پالایشگاه خانگیران تا ایستگاه تقویت فشار رامسر با توجه به محل شیرهای بین‌راهی و محل انشعابات و تقسیم مسیر به ۱۵۷ قطعه لوله، سپس استفاده از ماژولPipe segment نرم‌افزار Hysys برای هر قطعه بصورت پایا شبیه‌سازی گردیده است. جریان مصرف در انشعابات ثابت و برابر با مقدار متوسط مصرف در زمستان، منظور شده است. نتایج بدست آمده با میانگین مقادیر واقعی تطابق قابل قبولی دارد. اما در برخی فشارهای شبیه‌سازی به دلیل در دسترس نبودن میزان دقیق مصرف، خطا وجود دارد[۱۶].
شبیه‌سازی دینامیکی خطوط لوله انتقال گاز
فنایی و همکاران، خط لوله انتقال گاز از پالایشگاه خانگیران تا ایستگاه تقویت فشار رامسر را بصورت دینامیکی شبیه‌سازی کرده‌اند. در شبیه‌سازی از نرم‌افزار HYSYS استفاده شده اما از مجموعه Gas pipe آن استفاده گردیده است که در حالت ناپایا کاربرد دارد. تغییرات دمایی خط لوله و یک الگوی مصرف گاز روزانه بشکل یک تابع سینوسی فرضی و لحاظ کردن پارامترهای کمپرسور، هد توان و بازده بر‌اساس دبی عبوری و سرعت چرخش پره‌های کمپرسور از ویژگیهای تحقیق آنها می‌باشد. در مجموع، تغییرات فشار با واقعیت همخوانی تقریبی داشت. از نقاط ضعف آن می‌توان به عدم وجود اطلاعات مربوط به میزان مصرف اکثر انشعابات، عدم وجود الگوی مصرف انشعابات در فصول مختلف، فرض سرعت چرخش ثابت برای پره‌های کمپرسور و عدم دستیابی به اطلاعات دقیق شیرها و اتصالات مسیر انتقال اشاره کرد[۱۷].
رفتار دینامیکی جریان گاز طبیعی فشار بالا در خطوط لوله
یک مدل‌سازی عددی رفتار دینامیکی جریان گاز طبیعی فشار بالا در خطوط لوله توسط گاتو و هنریکس^[۱۵] با حل معادلات بقا برای یک جریان ‌تراکم‌پذیر یک‌بعدی با بهره گرفتن از رانگ-کاتا ناپیوسته به روش گالرکین^[۱۶] و تخمین درجه سوم در مکان و زمان، انجام گرفته است. پدیده نوسانات فشار در خطوط لوله گاز به عنوان یک نتیجه از موج تراکم ایجاد شده ناشی از بسته شدن سریع شیرهای انسداد^[۱۷] در پایین‌دست خط لوله، مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین اثر بازتاب امواج جزئی فشار در خطوط لوله با سطح مقطع‌های متفاوت مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است[۱۸].