آموزش ها مهندسی شیمی علم و دانش مهندسی شیمی

آموزش نرم افزار OLGA-گام اول/جریان دوفازی SLUG -بخش اول/اندازه گیری هاي اولیه خطوط لوله

محمدرضا فرزان
نوشته شده توسط محمدرضا فرزان

همانطور که در بخش آموزش نرم افزار OLGA-مقدمه توضیح داده شد،نرم افزار OLGA،نرم افزاری فوق العاده جهت شبیه سازی جریان سیالات در خطوط لوله به صورت دینامیک و با در نظر گرفتن همه ی فاکتور های موثر بر جریان، جهت نزدیک کردن شبیه سازی به واقعیت است. 

روشی که برای آموزش این نرم افزار در نظر گرفته شده است، حل یک مثال و توضیح استفاده از بخش های مختلف این نرم افزار است.این مثال در بخش آموزش نرم افزار OLGA-مقدمه  آورده شده است که در ادامه به شبیه سازی یک جریان Slug و با شروع از اندازه گیری اولیه ابعاد لوله شروع می کنیم.

اولین قدم ایجاد ابعاد و سطح عایق بندی برای خطوط لوله می باشد که بتواند به نرخ تولید و چرخه بازگشت مطلوب دست یابد. این امر بوسیله اجرای یک سری شبیه سازی های حالت پایداری با استفاده از یک یک ÷ورفیل خط لوله فرضی امکان پذیر می باشد.به هرحال در حال حاضر اطلاعالت خاص بسیار کمی در دستری است، غیر از عمق آب در هارتان و اطلاعات پلتفرم موجود هیچ اطلاعات دیگری از پروفیل کف دریا در اختیار نداریم. به همین ترتیب شما باید برای خطوط لوله تان نیز یک پروفیل حدودی در نظر بگیرید.

لازم است ضخامت عایق بندی مورد نیاز را در نظر بگیرید(در ابتدا 20mm فرض کنید) تا از ایجاد موم(wax) وهیدرات در خطوط لوله در حالت پایداری و عملیات turndown جلوگیری کند. برای این حالت می تونیم فرض کنیم که حداقل دمای مورد نیاز در ویگوت آلفا برای جلوگیری از تشکیل موم 27 درجه سانتیگراد می باشد.

فرض کنید که دمای سرچشمه جاری در تمام حالتها مقدار ثابت 62 درجه سانتیگراد می باشد (بدون داشتن هیچ اطلاعات دیگری از واحد تولید). به شما توصیه شده است که ماکزیمم فشار ورودی مجاز در نرخ جریان 15Kg/s برابر 80 بار در نظر گرفته شود.

مشخصات فولاد و عایق بندی می تواند مطابق جدول زیر در نظر گرفته شود:

ماده

 

چگالی [kg/m³] گرمای مخصوص

[J/kg/K]
رسانایی حرارتی
[W/m/K]
فولاد 7,850 500 50
عایق 1,000 1,500 0.135

زبری سطحی خط لوله 0.028mm در نظر گرفته شده. می توانید فرض کنید که سطح بالایی لوله دارای قطر داخلی 0.1m در طول خط و رایزر می باشد.

به نظر می رسد سیال بسیار شبیه سیال در حال جریان در ویگوت می باشد. در غیاب هرگونه ترکیبات سیال، فایل سیال ساخته شده برای ویگوت استفاده می شود که می تواند در دایرکتوری هارتان پیدا شود(در تب ویگوت)

شبیه سازی حالت پایدار باید برای دو نرخ جریان مختلف اجرا شود (مخصوصا مقادیر 5 و 15 کیل.گرم بر ثانیه). مورد قبل (کیس قبل) سطح عایق بندی مورد نیاز را به ما دیکته خواهد کرد در حالی که دومی به الزام کردن قطر داخلی خط لوله تمایل دارد. بخش گاز (gas fraction) برای SOURCE باید بر روی مقدار 1 تنظیم شود

راهنمایی ها:

در دایرکتوری زیر یک پروژه جدید ( New Project )درست کنید

9 FA Exercises OLGA 5.0

9 Harthun

نام پروژه {Steady State.opp}

لطفا در دایرکتوری راه حل ها (Solution) کاری انجام ندهید.

یک کیس جدید در حالت پیش فرض اُلگا ایجاد کنید و Steady state.opp نامگذاری کنیدCase Template.

این یک کیس کامل و آماده، راه اندازی را امکان پذیر می سازد. در قسمت Model View گسترده کنید تا تمام مدل قابل روئیت باشد. حالا باید حالت پیش فرض برای نشان دادن پروژه جاری ویرایش شود.

به یاد داشته باشید که کلید Verify را برای ایجاد محلی برای خطاها استفاده کنید. دقت کنید که کیس بلافاصله راه اندازی می شود ولی این کیس با کیس اصلاح شده یکسان نخواهد بود.

اصلاح برچسبهای پیش فرض و تغییر آنها  به برچسبهای مفهوم دار تمرین خوبی است. این کار نه تنها به درک بهتر مدل کمک می کند بلکه به بازرسان تضمین کیفیت و مهمتر از آن راهنماها و مدرسان نیز برای درک مدل شما کمک می کند. برای مثال اولین ماده فولاد است، بنابراین برچسب را از حالت پیش فرض MATER-1 به Steel تغییر دهید، ماده دوم MATER-2 عایق است، آن را نیز به همین صورت تغییر دهید.

دو سازه دیواره مختلف لازم است تعریف شوند، یکی برای خط لوله ( با عایق 20 میلیمتری) و دیگری برای رایزر(بدون عایق)

تعریف هندسه(geometry) را به PRELIMINARY تغییر داده و مختصات Y شروع خط لوله را بر روی -255m تنظیم کنید( بر اساس عمق آب هارتان)

شما باید مختصات Y گره (node) ورودی را در ارتفاع مشابه قرار داده و برچسب را به Harthun Wellhead تغییر نام دهید.

همچنین  لازم است مختصات X و Y گره خروجی نیز تغییر کند و برچسب آنها به Wigoth Test Sep. تغییر نماید

تغییر مختصات گره ها این اجازه را می دهد که پروفیل خطوط لوله بتواند بصورت سه بعدی مشاهده شود

به یاد داشته باشید که فشار خروجی را روی 50 بار و مقدار کسر گاز(gas fraction ) را روی 1 تنظیم کنید( برای مثال فقط گاز امکان بازگشت جریان به داخل خط لوله را دارد) دمای جداکننده می تواند 27 درجه سانتیگراد فرض شود( حداقل دمای مجاز)

یک پروفیل اولیه خط لوله در زیر نمایش داده شده است:

اندازه گیری اولیه خط لوله به عنوان یک شبیه ساز معمولی حالت پایدار توسط اُلگا انجام می شود، زمان پایان END TIME مشخص شده زیر INTEGRATION باید با مقدار STARTTIME یکسان و برابر 0 باشد

نرخ جریان ورودی باید بوسیله یک SOURCE مشخص شود. LABLE را به هارتان تغییر دهیدو مقدار GAS FRACTION را برابر با 1- قرار دهید. این بدان معناست که جدول سیال برای قرار دادن نسبت گاز به هیدروکربن مایع در نرخ جریان SOURCE استفاده می شود. دمای SOURCE و فشار محلی در تعادل کسر وزنی گاز محاسبه می شوند. مقدار SOURCE WATERFRACTION باید بر روی 0 تنظیم شود(برای مثال فاقد آب).

مشخصات خروجي نيز لازم است حداقل ممكن در نظر گرفته شود تا نتايج شبيه سازي ها قابل مشاهده شوند. به ياد داشته باشيد كه متغيرها مشخص شده در كليد واژه OUTPUT DATA داده ها را به فايل*.out  صادر مي كند. كه به اين اطلاعات اجازه روئيت توسط برنامه ويرايشگر متن (text editor) را مي دهد( فايل شامل پرينتي از فايل ورودي و ساير اطلاعات مفيد مورد استفاده از اين كيس مي باشد). متغيرهاي مشخص شده در TRENDDATA و PROFILEDATA مي توانند توسط GUI بصورت تصويري مشاهده شوند.

متغيرهاي ذيل را جهت صدور به فايل خروجي هر يك ساعت مشخص كنيد:

  • نگهداري –  Hold-up (HOL)
  • فشار (PT)
  • دما (TM)
  • نمايشگر نحوه جريان (ID)

به خاطر داشته باشيد كه برخي از متغيرها ( HOL و PT و TM) متغيرهاي حجم هستند كه مشخصات ميانگين هر مقطع لوله هستند در حالي كه متغير (ID) مرزي مي باشد براي مثال در لبه هر مقطع لوله رسم شده است.

نشانگر نحوه جريان كدي را به عنوان خروجي ارائه مي كند كه با نحوه جريانهاي مختلف مطابقت دارد. كدهاي نحوه جريان به شرح ذيل مي باشند:

1           جريان طبقه بندي شده موج دار

2           جريان حلقه اي

3           جريان حلزوني هيدروديناميك

4           جريان حبابهاي پراكنده

متغير هاي ذكر شده را جهت وارد شدن هر 10 ثانيه  به فايل منتخب *.tpl مشخص كنيد(DTPLOT در TREND در پنجره Property). متغيرها ممكن است در يك نقطه مشخص در شبكه خط لوله باشند  يا متغيرهايي مربوط به مسير جريان منحصر به فرد يا براي كل شبيه سازي باشند. اين متغيرها از مدلهاي مختلفي هستند و نمي توانند در يك مشخصات ترند(trend) آميخته شوند

فشار ورودي خط جريان و دما، همچنين فشار و دما در آخرين لوله در كل پلتفرم را طرح ريزي نماييد. توجه كنيد كه اينها بايد در يك ورودي TRENDDATA جداگانه انجام شوند.

نرخ جريان جرمي كل(GT)، نرخ جريان جرمي گاز(GC)، نرخ جريان جرمي كل سيال(GTL) نرخ جريان گاز حجمي(QG)، نرخ جريان حجمي مايع(QTL) را از لوله كشي بالاسري (top side) بدست آورده و طرح ريزي كنيد. اينها بايد در يك ورودي  TRENDDATAمجزا طرح ريزي شوند.

مقدار كل مايع (LIQC) را در خط لوله به عنوان تابع زمان طرح ريزي نماييد دقت نماييد كه اين دوباره بايد در يك ورودي  TRENDDATAمجزا طرح ريزي شوند چرا كه LIQC نوع متفاوتي از متغيرها هستند كه شما مشخص نموده ايد.

متغيرهاي زير را جهت نوشته شدن در فايل *.ppl هر 5 دقيقه يكبار، مشخص كنيد

  • Hold-up (HOL)نگهداري
  • فشار (PT)
  • دما (TM)
  • نشانگر نحوه جريان (ID)

شبيه سازي را با نرخ 5kg/s ساخته و راه اندازي كنيد تا مطمئن شويد كه فايل كار مي كند.سپس با استفاده از يك مطالعه پارامتريك شبيه سازي حالت پايدار براي نرخ جريانهاي 5 و 15 كيلوگرم بر ثانيه در يك محدوده قطرهاي داخلي  8و 10و12و14 سانتيمتر را ساخته و راه اندازي نماييد.

ابتدا سايز درست خطوط لوله را وارد كنيد و سپس مدل قبلي را به روز رساني كنيد تا سطح عايق بندي مورد نياز براي رسيدن به دماي نهايي را بدست آورده و ثبت كنيد.

مطالعه پارامتريك از منوي Tools همانطور كه نشان داده شده است قابل دسترسي مي باشد.

به اين ترتيب پنجره مطالعه پارامتريك(Parametric Study) باز مي شود

تعداد پارامترها را براي مطالعه انتخاب كنيد. دو پارامتر در اين كيس ها بايد مدنظر قرار گيرند، قطر خط لوله (PIPE-1) و نرخ جريان.

بر روي Case كليك راست كنيد و Insert Case را انتخاب كنيد و اينكار را تا ساخته شدن تعداد كيسهاي مورد نظر تكرار كنيد.

بر روي تيترستون بعدي كليك راست كنيد و پارامترهاي تنظيم شده را انتخاب كنيد. واحدها ممكن است در ستون بعدي تغيير كنند.

پس از تكميل كار، مطالعه پارامتريك ممكن است با كليك كردن بر روي Run Study فعال شود. نتايج را به عنوان يك ترند(trend) يا يك طرح پروفايل براي ايجاد قطر خط لوله مشاهده کنید و سپس به روز رساني مدل پايه با قطر لوله صحيح را انجام دهید.

توجه کنید که به نتایج حاصله از مطالعات پارامتریک بوسیله شماره کیس ارجاع داده می شودولی می توانند در رابط گرافیکی ویرایش شود تا نمودارهای آن توصیفی تر شوند. این کار بوسیله کلیک راست بر روی نمودار و انتخاب Configuration انجام می شود. نام آن نیز با کلیک کردن بر روی دکمه Title می تواند تغییر کند

ممکن است مطالعات پارامتری بر روی آیتمهای مرتبط به هر مسیر جریان جداگانه انجام پذیرد. به همین ترتیب اثر تغییر سطوح عایق بندی ممکن است بوسیله مطالعه پارامتری مورد مطالعه قرار نگیرد. در این صورت شما باید به تدریج سطوح عایق بندی را تا زمان رسیدن به دمای لازم در نرخ جریان 5Kg/s تغییر دهید.(راهنمایی: ضخامت کلی عایق را بصورت 5میلیمتر 5 میلیمتر افزایش دهید) شما همچنین می توانید سطوح مختلف عایق بندی را با هم مقایسه کنید.

به عنوان نتیجه شبیه سازی حالت پایدار بالا، حالا باید سایز خط لوله ی مورد نیاز برای دستیابی به نرخ تولید مطلوب و ایجاد حداقل سطح عایق بندی مورد نیاز را بدست آورده باشید. مدل خط لوله حالا باید برای نشان دادن این پیکر بندی به روز رسانی شود.

درباره نویسنده

محمدرضا فرزان

محمدرضا فرزان

درج دیدگاه