مدل سازی جریان گاز میعانات گازی در خطوط لوله در شرایط پایا و ناپایا

در خطوط انتقال گاز طبیعی بدلیل تغییرات مداوم دما و فشار، جریان بطور مداوم با میعان گاز از حالت تک فاز گاز به حالت دو فاز گاز-میعانات و با تبخیر میعانات تشکیل شده از حالت دو فازی به تک فاز تبدیل می شود. همچنین در شرایط عملیاتی صنعتی با تغییر دبی جریان یا فشار در نقاطی از خط لوله، جریان ناپایا بوجود می آید. بنابراین بمنظور مدل سازی کامل و دقیق جریان گاز در خطوط لوله، در پایان نامه حاضر به حل معادلات حاکم بر جریان تک فاز گاز و نیز جریان دو فازی گاز-میعانات در شرایط پایا و ناپایا پرداخته شده است. در این مدل سازی بدلیل سرعت زیاد فازها در راستای خط لوله از توزیع پارامترها در راستای شعاع صرفنظر نموده و جریان گاز در خط لوله بصورت یک بعدی در نظر گرفته شده است. همچنین با استفاده از مدل دو سیالی، معادلات بقای جرم، مومنتوم و انرژی برای هر یک از فازها بطور جداگانه در نظر گرفته شده و تعادل هیدرودینامیکی، حرارتی و ترمودینامیکی بین دو فاز در نظر گرفته شده است. دستگاه معادلات حاکم حاصل بکارگیری این قوانین شامل 6 معادله دیفرانسیل پاره ای می باشد که با روشهای عددی حل گردیده است. معادلات حاکم بر جریان تک فاز گاز و دو فاز گاز-میعانات از دسته معادلات دیفرانسیل پاره ای است که برای حل آنها از روشهای عددی استفاده می شود. میزان دقت نتایج و مدت زمان انجام محاسبات از جمله ویژگیهای مهم یک روش عددی است. در این تحقیق یکی از اهداف، یافتن روش عددی است که علاوه بر دقت بالا در پیش بینی پارامترها در نقاط ناپیوستگی، مدت زمان انجام محاسبات آن کمترین مقدار باشد تا در بکارگیری در نرم افزارها مناسب و مقرون به صرفه باشد. بنابراین در این تحقیق برای یک مورد مطالعاتی در شرایط عملیاتی صنعتی، به حل معادلات حاکم بر جریان تک فاز گاز با بکارگیری روشهای صریح و ضمنی مختلف پرداخته شده و میزان دقت نتایج و مدت زمان انجام محاسبات آنها مورد مقایسه قرار گرفته است. روشهای عددی بکار رفته اویلر ساده با مرتبه یک و دو، لکس-فردریخ، ریچمیر، رانگ-کوتا مرتبه 4، فورس و شار تصحیح شده از جمله روشهای صریح و یک روش ضمنی ساده مرتبه یک می باشند که در مقایسه نتایج حل با اطلاعات تجربی، روش شار تصحیح شده از نظر کوتاه بودن مدت زمان انجام محاسبات و کم بودن میزای خطای محاسبات در پیش بینی مقادیر تابع در نقاط ناپیوستگی، بعنوان بهترین روش انتخاب شده است. در این تحقیق با بکارگیری معیارهای ارائه شده توسط محققین پیشین که مجموعه ای از مطالعات تئوریک و آزمایشگاهی است، الگوریتمی جهت تعیین رژیم جریان ارائه شده و کلیه الگوهای جریان گاز-میعانات، که جریان گاز همراه با محتوای مایع اندک است، مورد بررسی قرار گرفته اند. این رژیم های جریان عبارتند از: مه آلود، حلقوی مه آلود، لایه ای موج دار و لایه ای صاف. در بخش نتایج، برای ارزیابی مدل ارائه شده برای جریان گاز-میعانات در شرایط پایا، دو مورد مطالعاتی در شرایط عملیاتی صنعتی مورد بررسی قرار گرفته اند. یک مورد مربوط به یک خط لوله در منطقه کنگان است که در بررسی آن به مقایسه نتایج این مدل سازی با نتایج محققین مختلف پرداخته شده و نیز میزان اهمیت تعیین درست الگوی جریان در نتایج حاصله از مدل، مورد بررسی قرار گرفته است. در مورد مطالعاتی دوم که مربوط به شبکه انتقال گاز در منطقه کنگان از 4 مرکز جمع آوری تا پالایشگاه ولیعصر است، میزان اهمیت انتخاب یک رابطه ضریب اصطکاک مناسب در پیش بینی افت فشار در خطوط لوله مورد بررسی قرار گرفته است. در این بررسی با اجرای برنامه برای تعداد 28 داده تجربی در شرایط عملیاتی صنعتی، به مقایسه نتایج حاصل از بکارگیری 29 رابطه ضریب اصطکاک برای فاز مایع و 29 رابطه برای فاز گاز پرداخته شده است و دو رابطه ای که کمترین میزان میانگین خطا را در مجموع 28 داده در شرایط عملیاتی داشته اند بعنوان بهترین روابط معرفی شده است. در نهایت روش شار تصحیح شده بعنوان یک روش مناسب برای حل معادلات جریان گاز-میعانات در خط لوله در شرایط ناپایا بکار گرفته شده و نتایج آن با مطالعه پارامتری مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این ارزیابی تاثیر پارامترهای مختلف از جمله دبی جریان، قطر لوله، زبری و شیب خط لوله در نتایج مدل سازی بررسی شده و به تحلیل فیزیکی آنها پرداخته شده است. واژه های کلیدی: جریان دو فازی، جریان گذرا، روش های عددی، خطوط لوله، گاز طبیعی