ﺭﺎﺸﻓ ﻑﻼﺘﺧﺍ ﺱﺎﺳﺍ ﺮﺑ ﻥﺎﻳﺮﺟ ﻱﺮﻴﮔ ﻩﺯﺍﺪﻧﺍ ﻱﺎﻫ ﻢﺘﺴﻴﺳ

Transcript

1 مقالات تحليلي-كاربردي سيستم هاي اندازه گيري جريان بر اساس اختلاف فشار ابوالفضل ورواني فراهاني * مديريت نظارت بر توليد نفت و گاز با توجه به اهميت دقت در اندازه گيري محصولات هيدروكربني به دليل ارزش فراوان اقتصادي ا نها وجود تنوع در فن ا ورى سيستمهاى اندازه گيري جريان و تفاوت بسيار زياد دقت و قيمت ا نها به ويژه در شرايط كنوني صنعت نفت استفاده از سيستم هايي كه قابليت ساخت و توسعه در كشور دارند از اهميت ويژه اي برخوردارست. در اين مقاله به يكي از ارزانترين و قديمى ترين روشهاي اندازه گيري سيالات كه در عين سادگي مي تواند دقت بالايي داشته باشد پرداخته شده و با مقايسه نقاط قوت و ضعف ا ن امكان استفاده از اين روش در صنعت عظيم نفت كه نيازمند داشتن انطباق كامل با استانداردهاي بين المللي روز دنياست بررسي شده است. اندازه گيري جريان اختلاف فشار دقت خطا اريفيس ونچوري شيپوره مقدمه اندازهگيري در صنايع مرتبط با انرژي نظير صنايعنفتوگازبهدليلارزشاقتصاديبسيار زياد محصولات اين صنايع از اهميت ويژهاي برخوردارست. براي اندازهگيري توليدات صنايع نفت و گاز از روشهاي مختلفي استفاده ميشود كه عبارتند از روش سنجش محصولات جامد روش ارتفاع مخازن و روش سنجش ديناميكي جريان سيال در داخل لوله. روشهاي متعددي براى اندازهگيري ديناميكي سيال درون خط لوله وجود دارد كه در بسياري از ا نها از فنا ورىهاي نو ظهور استفاده شده است. بديهى است كه استفاده از اينگونه فنا ورىها با دقت زياد و البته هزينه فراوانى همراه خواهد بود. يكي از رايجترين و ابتداييترين روشهاي اندازهگيري نرخ جريان ايجاد اختلاف فشار استفاده از موانع خاص براي ايجاد افت فشار بر سر راه جريان) استكهدرصنعتبهنامسيستمهايافتفشاري شناختهميشوند. اينسيستمها دربعضي مواردو در صورتي كه به طور استاندارد طراحي و نصب شوند از دقت زيادى برخوردارند و طبيعتا نياز به استفاده از سيستمهاي جديد و پرهزينه نيست - تاريخچه نخستين بار فيزيكدان ايتاليايي جوواني ونچوري 2 در سال 797 از سيستم افت فشاري جهت اندازهگيري نرخ جريان استفاده كردكه نتايج ا ن منجر به توسعه سيستم اندازهگيرى مدرنتر ونچوري توسط كلمنزهرشل 3 در سال 886 گرديد. از سالهاي 924 تا 935 تحقيقات ا زمايشگاهي زيادي توسط انجمن گاز 5 ا مريكا 4 و انجمن مهندسين مكانيك ا مريكا براي توسعه سيستمهاي اندازهگيرى اريفيسي در زمينه ضرايب و استانداردهاي نصب انجام شد تا اينكه در سال 935 اين دو انجمن به طور مشترك گزارشي با عنوان تاريخچه كاليبراسيون نصب و عملكرد سيستمهاي * نويسندة عهده دار مكاتبات 54

2 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 00 ارديبهشت ماه 392 اندازهگيرى اريفيسي منتشر كردند و در سال 99 انجمن نفت ا مريكا 6 طي فصل- 4 قسمت- 3 مقررات استانداردهاي اندازهگيري مواد نفتي به روش اختلاف فشاري را به چاپ رساند []. 2 -اساس كار سيستمهاي اندازهگيرى اختلاف 7 فشارى اين سيستم اندازهگيرى بر اساس قانون برنولي طراحي شده است. قانونبرنوليبه زبان ساده عبارت است از اينكه مجموع افت فشار افت سرعت و افت ارتفاع در يك نقطه برابر است با مجموع ا نها در نقطه ديگر بهعلاوه افتهاي حاصل از اصطكاك بين ا ن دو نقطه. در اين روش نرخ جريان عبورى از خط لوله توسط ايجاد افت فشار و استفاده از اختلاف فشار قبل و بعد از مانع اندازهگيري ميشود. ا نچه از مشخصه اندازهگيري افت فشاري برميا يد اينست كه اولا رابطه افت فشار با جريان رابطهاى مجذوري است و دوم اينكه هم براي اندازهگيري جرمي و هم براي اندازهگيري حجمي بايد چگالى جريان مشخص باشد []. با توجه به نوع سيال شرايط استفاده قطر خط لوله ظرفيت خط و نرخ جريان عبوري ميتوان از طيف وسيعي از موانع هندسي را براي ايجاد افت فشار در داخل لوله استفاده كرد. اين موانع كه در صنعت به عنوان اجزاء اوليه 8 شناخته ميشوند هركدام داراي معايب و مزايايي هستند. همين معايب و مزاياست كه شرايط كاربردشان را مشخص ميكند [2]. در شكل- يك اريفيس نشان داده شده كه نحوه عبور سيال و كاهش سطح مقطع عبور جريان در ا ن مشخص شده است. 3- نحوه عملكرد هنگاميكه مانعى بر سر راه جريان قرار ميگيرد با نزديك شدن به مانع فشار بهتدريج افزايش مىيابد تا اينكه به سوراخ اريفيسي برسد. وقتيجريانازصفحهعبورميكندفشار ا ن به طور ناگهاني افت كرده و اين افت فشار تا ناحيه موسوم به VC) 9 ادامه پيدا ميكند. پس از گذر از اين ناحيه فشار جريان به تدريج افزايش مييابد و بعد از طي مسافتي در حدود 5 تا 8 برابر قطر لوله فشارش به بالاترين مقدار در ناحيه پاييندست جريان خواهد رسيد. كاهش فشار سيال در هنگام عبور از اريفيس به دليل افزايش سرعت در اين ناحيه است و هنگامي كه سرعت شروع به كاهش ميكند متناسب با اين كاهش فشار شروع به افزايش ميكند. فشار نهايي براي سيالات تراكمناپذير از روابط زير بهدست مىا يد [2]: P p = 0.24 β 0.52 β β 3 ) P i Q 2 ρ β 4 ) Q 2 ρ β 4 ) P i = P i P 2 = = ) 2 C d A 2 2 C d A 2 B 2 طرز كار سيستمهاي اندازهگيرى اريفيسي بر اساس رابطه برنولي است كه روابط بين انرژي استاتيكي و جنبشي داخل جريان يك سيال را توضيح ميدهد. سيال عبورى از يك مانع شتاب ميگيرد و انرژي جنبشي ا ن افزايش مىيابد كه اين افزايش بهواسطه كاهش انرژي پتانسيلسيالاست.باتوجهبهقانونبقايانرژي بايد انرژيسيالقبلوبعد ازمانعيكسانباشد: 2 2 P +. ρ.v 2 = P +. ρ.v 2 2 3) Q = A. V = A. V 2 4) Q = A 2 2 P P 2 ) / ρ A 2 / A ) 2 5) Pipe wall d 2 dvo Flow d Flow Pipe wall d =pipe diameter d 2 =orifice diameter dvo=vena contracta diameter پروفايل افت و خيز فشار بعد از مانع 55

3 مقالات تحليلي-كاربردي Q = C d A 2 2 P P 2 ) / ρ 6) β 4 C d ضريب تخليه و بيانگر نسبت جريان واقعي بهتخليهتي وريميباشد.اينضريببهخاطروجود 0 افتهايناشياز اصطكاكوتا ثيراتگرانروى و اغتشاشات جريان تعريف شده است. فرمولهاي زياديبرايضريبتخليهوجودداردولياستاندارد ISO فرمول- 7 راتوصيهميكند: C = β β β Re D 0 6 Re D 06 β Re D β e 0L 0.23e 7L β β 4 Re D β 4 2L 2L β β C C d = β 4. β.3 7) 8) Q = C A 2 2 P P 2 ) / ρ 9) m = ρ Q = C A 2 2 ρ P P 2 ) 0) -4 گازها [4] فرمولها و موارد ياد شده مربوط به اندازه گيري مايعات بود. اين روابط در اندازهگيري گازها بهصورتزيردرميا يند [ 2 و 4 ]: براي βهاى كوچكتر از 0/25 مقدار β 4 به سمت صفر ميل ميكند و فرمول- 2 به فرمول- 3 تبديلمىشود: Y = K K r k-)/k r 2/ k 3) r Y = Expansion factor, dimensionless r = P 2 / P k = specific heat ratio c p /c v ), dimensionless لذا نرخ جريان گاز عبوري به شكل فرمول- 4 درميا يد: K P K [ 2 / P ) 2 / k P 2 / P ) k+)/ k P P 2 / P ) /p 2 P ) m = C A 2 2 ρ 4) با استفاده از فرمول گاز ايدهال و ضريب انبساط فرمول اندازهگيري نرخ جريان براي گاز واقعي عبارت است از: 2 M K ZRT P 2 / P ) 2/ k P 2 / P ) k+)/ k K [ [ m = C A 2 P 5) 5- اجزاء اوليه همانطور كه قبلا ذكر شد در اين روش با استفاده از ايجاد افت فشار توسط مانعي كه اجزاء اوليه نام دارد مقدار جريان عبوري از لوله اندازهگيري ميشود. هر كدام از اجزاى اوليه يادشده كاربرد خاصى داشته و در ا ن مورد نسبت به ساير موارد عملكرد بهتري دارد كه در بخش طراحي و سايز سيستمهاى اندازهگيرى به تفصيل توضيح داده خواهد شد [ و 5 ]. -5- اريفيس از جمله اجزاء اوليه ايجاد اختلاف فشار كه به نسبت ساير اجزاء اوليه كاربرد بيشترى دارد صفحه اريفيس است. اريفيس صفحه فلزي مدوري به ضخامت / 8 تا / 4 اينچ و گاهي در شرايط خاص ضخامت كمتر يا بيشترى است. در اين صفحه حفرهاي تعبيه شده كه محل حفره و شكل و اندازه ا ن بستگي به كاربرد صفحه اريفيس دارد. مسي له بسيار مهم صافبودن سطح صفحه و تيزبودن 90 درجه لبه ا نست كه اگر هنگام عبور سيال در اثر برخورد مواد معلق در ا ن تيزي لبه اريفيس از دست برود دقت اندازهگيري از بين خواهد رفت. همچنين اگر ضخامت صفحه اريفيس نسبت به اختلاف فشار دو طرف ا ن صحيح انتخاب نشود باعث ايجاد انحنا يا فرورفتگي [ m = ρ Q = C Y A 2 2 ρ P P 2 ) ) Y ضريب انبساط است كه براي مايعات برابر يك ميباشد ولي براي گازها عبارت است از: 2 نمايي از صفحات اريفيس متحدالمركز مختلف المركز و قطاعي Y = K r k-)/k β 4 K r β 4 r 2/k r 2/ k 2) 56

4 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 00 ارديبهشت ماه 392 در صفحه اريفيس و خراب شدن شكل صحيح الگو خواهد شد. در مواردي كه به علت اختلاف فشار زياد به ناچار ضخامت صفحه اوريفيس بيشتر انتخاب شود براي كاهش سطح تماس دهانه با مايع در حال خروج به وسيله ماشين تراش لبه اريفيس را 45 درجه تراشيده و به اصطلاح پخ ميكنند تا ضخامت ا ن نصف شود انواع اريفيس اريفيس با توجه به كاربرد ا ن در موارد مختلف از نظر شكل ظاهر و وضعيت حفره به چهار شكل ساخته ميشود: اريفيس هممركز : كه حفره ا ن كاملا در وسط صفحه قرار گرفته و براي مواد نفتي سبك و بدون رسوب و گازها به كار ميرود. اريفيس خارج از مركز : 2 كه حفره ا ن خارج از مركز است و براي مواد نفتي رسوبدار و سنگين به كار ميرود. اوريفيس قطاعي : 3 كه حفره ا ن خارج از مركز و به شكل قطعهاي از دايره بوده و كاربرد ا ن براي مواد رسوبدار است. اوريفيسكرير : 4 فلنجدايرهشكلي استكه ميتوان انواع صفحههاي اريفيس با اندازههاي مختلف را به وسيله چند پيچ در محيط روي ا ن نصب كرد لوله پيتوت نوع ديگري از اجزاء اوليه لوله پيتوت ميباشد كه نمايي از ا ن در شكل- 3 نشان داده شده است. اين سيستم با استفاده از فشار استاتيك ديواره و فشار ديناميكي كه در مركز رژيم جريان ايجاد ميشود سرعت سيال را محاسبه مىكند. ايراد لوله پيتوت اينست كه با توجه به سهميوار بودن پروفايل جريان با اندازهگيريسرعتسيالدريكنقطهنميتوان شكل صحيح پروفايل ا نرا بهدست ا ورد و لذا دقت اندازهگيري نرخ جريان زياد نخواهد بود. برايرفعاينمشكلوافزايشدقتاندازهگيري V = 2 P stagnation P start ) ρ 3 المان اوليه لوله پيتوت 4 نازل ISA 57

5 مقالات تحليلي-كاربردي بايد از لوله پيتوت چندگانه 6 استفاده كرد كه همزمان در چند نقطه سرعت را اندازهگيري ميكند و از حاصلضرب سرعت در سطح مقطع نرخجريانمحاسبهمىشود [2] شيپوره نازل) از ديگر انواع اجزاء اوليه كه بيشتر براي مواردي مثل هوا و گاز و براي سرعت و دماهاي بسيار بالا استفاده ميشود نازل است كه كمتر براي مايعات استفاده شده و نسبت به ساير اجزاء سادهتر ارزانتر و در دسترستر است. نازل از نظر ابعادي و به ويژه در فشار دما و سرعتهاي زياد جريان بسيار پايدارتر از اريفيس بوده و به همين دليل در مواردي كه سيال بخار داغ 7 باشد استفاده ميشود و براي جريانهاي حاوي ذرات مايع يا جامد و دوغابي پيشنهاد نميشود. دقت نازلها يك درصد محدوده جريان است. نازلها به سه دسته تقسيم ميشوند: نازل 932- ISA شكل- 4 ) نازل شعاع بلند 8 شكل- 5 ) نازل ونچوري: ورودي اين نازل شبيه به نازل ISA و خروجي ا ن شبيه نازل شعاع بلند است. شكل- 6 ) 4-5- ونچوري يكي از معمولترين اجزاء اوليه كه در نوع اختلاف فشاري استفاده ميشود ونچوري است كه به دليل سادگي و قابليت اطمينان 9 زياد ا ن در جاهايي كه محدوده جريان زياد و اختلاف فشار كم نياز باشد استفاده ميشود. ونچوري به دليل طولاني بودن مسير ايجاد اختلاف فشار و همچنين ممانعت از 5 نازل شعاع بلند 6 نازل ونچوري 58

6 ماهنامه اكتشاف و توليد/ شماره / 00 ارديبهشت ماه 392 اعمال تلاطم در مسير جريان سيال ميتواند در اندازهگيري جريان بخار و گاز كاربرد بيشتري داشته باشد [ 2 و 4 ]. لوله ونچوري تا ندازه 72 اينچ موجود بوده و با اختلاف فشار يكسان درصد بيشتر از صفحه اريفيس قادر به عبور سيال ميباشد. هزينه اوليه لوله ونچوري زياد است و اصولا كاربرد ا ن در جريانهاي زياد و فشار بالاست. دقت اين نوع سيستم اندازهگيري بسيار متا ثر از كاليبراسيون است. لوله ونچوري برسه نوعست: Short-Form Universal Flow Nozzle بر خلاف اريفيس كه كاهش سطح مقطع در ا ن بسيار ناگهاني انجام ميشود در ونچوري كاهش و افزايش فشار با ملايمت انجام ميگردد. ونچوري معمولا با محدوده جريان 0: استفاده ميشود و در 0 درصد نرخ جريان بيشينه هم ميتواند دقت مناسبي داشته باشد. نتيجهگيري همانطور كه پيشتر ذكر شد سيستمهاي اندازهگيرى اختلاف فشارى در موقعيتهايى كه بر مبناى مبادلات مالى 20 گاز خشك تك فازى قرار مىگيرد قابل استفاده هستند. دقت اين سيستمها براى گاز در محدود - /5 0/75 درصد و براى مايعات حدودا 3 درصد است. لازمبه ذكر است دقتهاييادشدهدرصورت طراحيونصب اصوليحاصل خواهدشد. بسياري از سيستمهاي نوظهور براي داشتن دقت مبادلاتي قابلقبول نيازمند تجهيزات پرووينگ با هزينه فراوان هستند و در صورتي كه عمليات پرووينگ به صورت منظم و دقيق انجام نشود دقتي بهتر از سيستمهاي اختلاف فشاري نخواهند داشت. اين در صورتي است كه اگر مراحل طراحي و نصب سيستمهاي اختلاف فشاري به طور صحيح انجام شود كاليبراسيون اين سيستمها بسيار ا سان بوده و تجهيزات ا ن به مراتب از قيمت پايينتري برخوردارهستند. سيستمهاي اندازهگيرى اختلاف فشاري با وجود هزينه كم در مواردي كه انواع ديگر سيستمهاي اندازهگيري قابل استفاده نبوده و يا بسيار پر هزينه بوده نقش مهمي ايفا كرده و رقم دقيقي از ميزان جريان در اختيار بهرهبردار قرار ميدهند. اگر اين سيستمها به صورت دقيق طراحي انتخاب نصب و راهبري شوند و عدمقطعيتهاي ا نها به طور كامل شناسايي شده و خطاهاي سيستمي ا نها حذف گردد ميتوانند مطابق استانداردهاي بينالمللي مبناي مبادلات مالي گاز خشك قرار گيرند. ضمن اينكه فصل- 4 استاندارد API و فصل- 3 استانداردAGA مختصسيستمهايافتفشاري بوده و تمام ملاحظات طراحي و نصب را مورد بحث قرارميدهد. دربسياري از موارد ازجمله اندازهگيرى مايعات كه مبناي مبادلات مالى نبوده و براي موارد اپراتوري و كنترل واحدها استفاده ميشود نيازي به پرداخت هزينههاي گزاف طراحي خريد و نصب سيستمهاي جديد نبوده و سيستمهاي اختلاف فشاري به راحتي پاسخگوي نيازهاي عملياتي خواهند بود. پا نويس ها. nozzle 2. Giovanni B.Venturi 3. Clemones Herschel 4. AGA 5. ASME 6. API 7. differential pressure 8. primary elements 9. Vena Contracta 0. viscosity. concentric orifice 2. eccentric orifice 3. segment orifice 4. orifice carrier 5. pitot tube 6. multiple opening pitot tube 7. super heat steam 8. long radius 9. turn down ratio 20. custody transfer منابع [] Branch, J. C. 995), Fundamentals of Orifice Meter Measurement [2] Barry, J. J., Sheikoleslami, M. Z., and Patel, B. R. 992) Numerical simulation of flow through orifice meters, Gas Research Institute, GRI-92/ [3] Brennan, J. A., Sindt, C. E, Lewis, M. A., and Scott, J. L. 99) Choosing flow conditioners and their location for orifice flow measurement. [4] Perry, Robert H. and Green, Don W. 984). Perry's Chemical Engineers' Handbook Sixth Edition ed.). McGraw Hill. ISBN [5] Chisholm, D., and Watson, G. C. 966) The flow of steam/water mixtures through sharp-edged orifices 59