طراحی هیدرولیکی خطوط لوله انتقال جریان های دوفازی

معمولا طراحی هیدرولیکی خطوط لوله انتقال جریان های دوفازی در حالت پایدار با استفاده از یکی از روش های ذیل انجام می گیرد:
استفاده از معادلات مناسب جریان تک فازی بهمراه یک ضریب ایمنی
استفاده از معادلات و روابط تجربی پایدار جریان های دوفازی

در روش اول از روابط تجربی و یا معادلات تحلیلی مناسب موجود در طراحی خطوط لوله انتقال جریان تک فازی بهمراه یک ضریب ایمنی بدلیل افت فشار زیاد موجود در جریان های دوفازی جهت طراحی خطوط لوله دوفازی استفاده می شود. لازم بذکر است که نتایج حاصل از انجام این روش عموما منجر به دو حالت طراحی بیش از اندازه و طراحی کمتر از اندازه خواهد شد. انجام طراحی بیش از اندازه مشکلات عمده ای را بهمراه نداشته در صورتیکه انجام طراحی کمتر از اندازه باعث ایجاد خطر لوله و تجهیزات جانبی آن می شود. همچنین هنگامی که مقدار مایع چگالیده شده درون خط لوله ناچیز باشد استفاده از این روش خیلی خوب می تواند از انجام طراحی کمتر از اندازه خط لوله جلوگیری نماید. در اغلب اوقات مقدار مایع چگالیده شده درون خط لوله بمقدار کافی با اهمیت بوده بطوریکه استفاده از این روش منجر به پیدایش خطاهای زیادی در انجام محاسبات خواهد گردید.

در حالیکه در روش دوم از روابط تجربی جهت انجام محاسبات طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی استفاده می شود. بطوریکه تمامی این روابط تجربی بر اساس اطلاعات محدود و مختص به خطوط لوله با قطر کم در فشار پایین و برای سیستم های ساده تر نظیر مخلوط آب و هوا بدست آمده اند. شرایط اعمال شده در دقت و قابلیت انعطاف روش فوق یک محدودیت را در بکارگیری این روش بعنوان یک ابزار طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی بوجود می آورد. بطوریکه برون یابی این اطلاعات و استفاده از این روابط تجربی در طراحی خطوط لوله عملیاتی و واقعی انتقال جریان های دوفازی منجر به پیدایش خطاهای زیادی در طراحی خواهد گردید.

باید توجه داشت که روابط تجربی موجود جهت طراحی خطوط لوله انتقال جریان های دوفازی را می توان در حالت کلی به سه دسته زیر تقسیم بندی نمود:

در دسته اول لغزش بین دو فاز گاز و مایع و نیز تغییرات رژیم جریان در نظر گرفته نمی شود. لذا مقدار جرم ویژه مخلوط دوفازی براساس نسبت مایع تجمع یافته در حالت عدم لغزش در هر قسمت از خطوط لوله محاسبه شده و تنها یک رابطه برای ضریب اصطکاک جریان دوفازی مورد نیاز است.

در دسته دوم لغزش بین دوفاز بین مورد توجه گرفته ولی تغییرات جریان در نظر گرفته نمی شود. در این روش دو معادله جداگانه جهت محاسبه ضریب اصطکاک و مقدار مایع تجمع یافته مورد استفاده قرار می گیرد.

در دسته سوم هم لغزش بین فاز و هم تغییرات جریان مورد توجه قرار می گیرند. در این گروه علاوه بر استفاده از روابط مختلف جهت محاسبه مقدار تجمع یافته و ضریب اصطکاک معادلاتی نیز جهت پیش بینی نوع رژیم جریان دوفازی می باشند. بطوریکه تعیین نوع رژیم جریان معادلات مربوط را بدست می آورند.
ذکر این نکته قابل توجه است که مکانیزم تغییرات رژیم جریان در بعضی موارد از نظر فیزیکی مورد توجه قرار نگرفته و برای تعیین رژیم جریان از منحنی های تجربی استفاده می شود.
بدیهی است که نتایج حاصل از دسته سوم از دو دسته دیگر دارای دقت بیشتری بوده و از روابط تجربی دو دسته دیگر زمانی می توان استفاده نمود که فرضیات در نظر گرفته شده در آن ها برای اعمال شرایط مورد نظر قابل قبول باشد. بعنوان مثال هنگامیکه نرخ جریان گاز زیاد بوده و رژیم جریان دوفازی مه آلود باشد از لغزش بین فازها می توان صرفه نظر کرد.

مراحل طراحی مقدماتی خطوط لوله جریان های دوفازی جهت تعیین مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته بترتیب بصورت زیر می باشد:

مرحله اول: تعیین ترکیب درصد نرخ حجمی و شرایط عملیاتی گاز ورودی به خط لوله.
مرحله دوم: تعیین مشخصات خط لوله از قبیل قطر طول و تغییرات ارتفاع خط لوله
مرحله سوم: تعیین ضریب کلی انتقال حرارت و انجام موازنه حرارتی در قطعه ای با طول معین از خط لوله
مرحله چهارم: انجام محاسبات تبخیر ناگهانی و در نتیجه تعیین آنتالپی هر یک از فازهای گاز و مایع با استفاده از یک معدله حالت مناسب در قطعه ای با طول معین از خط لوله
مرحله پنجم: تعیین انواع الگوهای جریان مختلف موجود درون هر قسمت از خط لوله.
مرحله ششم: محاسبه مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته درون هر قسمت از خط لوله با توجه به نوع رژیم جریان موجود در آن قسمت و سپس تعیین مقادیر کلی افت فشار و مایعات تجمع یافته در طول کل خط لوله. در این مرحله باید توجه داشت که اگر جریان درون خط لوله دوفازی بصورت پایدار باشد بایستی از روابط تجربی و یا معادلات تحلیلی مناسب استفاده شود.
همچنین در صورت طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی در حالت ناپایدار بایستی از معادلات تحلیلی مناسب که در جهت تعیین انواع رژیم های جریان دوفازی ناپایدار و همچنین محاسبه مقادیر افت فشار و مایعات تجمع یافته درون خطوط لوله استفاده نمود.

عوامل موثر در طراحی هیدرولیکی خطوط لوله جریان های دوفازی

برای انجام محاسبات دقیق طراحی مقدماتی خطوط لوله انتقال جریان دوفازی بایستی نکات زیر را مورد توجه قرار داد:

۱- در هنگام طراحی خطوط لوله جریان های دوفازی پایدار با استفاده از روابط تجربی. البته باید توجه داشت که هر یک از روابط تجربی موجود بر اساس بانک اطلاعاتی حاصل از سیستم مورد آزمایش آن موحقق گسترش یافته است و نمی توان صریحتا یک رابطه را بر رابطه دیگر ترجیح داد. بطوریکه برخی از این روابط تجربی در یک محدوده دارای جواب قابل قبول و در خارج از آن محدوده جواب غیر قابل قبول ارائه می دهند. با در نظر گرفتن نکات فوق جهت طراحی خطوط لوله مذکور مناسب تر است با استفاده از روش های موجود یک محدوده پایین و بالا برای پارامترهای طراحی انتخاب کرده و طراحی را طوری انجام داد که نتایج حاصله در داخل این محدوده قرار گیرند. شایان ذکر است که در این حالت طراحی بایستی بطریقی انجام گیرد که خط لوله توانایی تحمل نوسانات احتمالی فشار از مقدار حداقل تا حداکثر را داشته باشد. و همچنین تدابیر لازم برای تجهیزات انتهایی خط لوله در نظر گرفته شود.

۲- طراحی مناسب یک خط لوله انتقال جریان دوفازی در صورتی که با شرایط واقعی سازگار خواهد بود که از اطلاعات اولیه خطوط لوله موجود دوفازی استفاده شود در اینصورت لازم است خط لوله موجود ابتدا عاری از مایعات تجمع یافته شده و سپس براساس شرایط طراحی در نرخ های حجمی متفاوت مقادیر افت فشار و مایع تجمع یافته درون خط لوله را اندازه گیری نمود. با توجه به اطلاعات بدست آمده خط لوله انتقال جریان دوفازی را می توان با دقت بیشتر و کارائی بالاتر طراحی نمود.

۳- در طراحی یک خط لوله انتقال جریان دوفازی لازمست که خصوصیاتی که بیانگر تصویر واقعی استفاده از آن خط لوله در آینده می باشند را در نظز گرفته. چنین تصویری را می توان با در نظر گرفتن شرایط زیر ارزیابی نمود:

شرایط رئولوژیکی
شرایط مخزن
شرایط تولید
نیاز مصرف کننده

به عنوان مثال از آنجا که عملکرد و رفتار مخازن هیدروکربوری به گونه ای است که نسبت گاز به مایع متناسب باز مان تغییر کرده لذا میزان دقیق نرخ حجمی جریان دوفازی درون خط لوله مشخص نبوده و بنابراین طراحی خط لوله جریان دوفازی بر اساس روش حدس و خطا و با نرخ حجمی کمتر از ظرفیت طراحی شده انجام می شود.