پیشگفتار
امروزه شبیه‌سازی در فرایندها، می‌تواند ابزاری مهم برای حل مشکلات در صنایع مختلف باشد. ایده‌ای جدید كه بایستی در عالم واقعیت به روش آزمایش و خطا با صرف هزینه‌ها و خطرات بسیار انجام گیرد می‌تواند در محیط یک نرم‌افزار قوی، شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل مورد استفاده قرار گیرد. شبیه‌سازی همچنین می‌تواند برای بررسی و پشتیبانی عملیاتی یک سیستم، مورد استفاده واقع شود. این پایان نامه، تشریحی از اجرای یک شبیه‌سازی یكپارچه در خطوط لوله انتقال گاز است و هدف اصلی از این شبیه‌سازی بررسی و پایش رفتار متغیرهای جریان گاز درون سیستم خطوط لوله مانند فشار، دبی، سرعت و دما است. تغییر دمای هوای محیط باعث تغییر در مصرف گاز می‌شود و تغییر در مصرف گاز معادل با تغییر در دبی‌های خروجی از یک سیستم خطوط لوله است. اكنون رفتار متغیرهای جریان در طول خطوط لوله، چگونه خواهد شد؟ آیا امكان دارد در نقاط منشعب‌شده از یک سیستم خطوط لوله، فشار گاز آنقدر افت پیدا كند كه در نهایت منجر به قطع گاز در آن نقطه گردد؟ در این پایان‌نامه سعی بر آنست که بررسی كنیم افزایش مصرف گاز طبیعی منتج از افت شدید دمای هوا، چه تأثیری روی رفتار سیال گاز طبیعی درون یک سیستم خط لوله دارد و نقاطی كه در این شرایط، احتمال قطعی گاز در آنها وجود دارد را شناسایی نماییم.
فصل اول این پایان‌نامه در خصوص اهمیت موضوع و مفاهیم اساسی مرتبط با موضوع گاز طبیعی و سیستم و تجهیزات خطوط لوله گاز و شبیه‌سازی می‌باشد. فصل دوم مروری بر تحقیقات گذشته است. در فصل سوم تئوری شبیه‌سازی و معادلات حاكم بر جریان گاز تك فاز در حالت دینامیک نمایش داده شده است. روابط طراحی خطوط لوله و افت فشار در حالت پایا آورده شده و اثر اصطكاك در تجهیزات مختلف تشریح شده است. در فصل چهارم، سیستم خطوط لوله انتقال گاز اردبیل و نرم‌افزار شبیه ساز OLGA معرفی و روش كار، توضیح داده شده است. پیکربندی سیستم خطوط لوله، ایستگاه‌های تقلیل فشار، تقویت فشار، مشخصات خطوط لوله، توپوگرافی و مسیر خطوط لوله به نمایش در آمده و مدل شبیه‌سازی تشریح شده است.
در فصل پنجم، برای به دست آوردن شرایط حاد برودتی، اطلاعات مصارف گاز و دمای هوای شهرهای مختلف، مورد ارزیابی قرار گرفته است. تلاش برای تفهیم موضوع در برابر اطلاعات مذکور انجام گرفته و الگو‌های مصارف گاز به‌صورت تابعی از دمای هوا بدست آمده و برای شبیه‌سازی در شرایط حاد برودتی، آماده شده است. نتایج شبیه‌سازی سیستم خط لوله در محیط نرم‌افزار OLGA در دو حالت عملیاتی و حاد برودتی تحلیل شده و تغییرات فشار نقاط برداشت از سیستم خطوط لوله در برابر تغییرات زمان به عنوان عکس‌العملی از شرایط اعمال‌شده در شبیه‌سازی، مورد ارزیابی واقع شده است. همچنین برای تحلیل وضعیت سیستم خطوط لوله، رفتار متغیرهای جریان گاز در طول خطوط لوله، در هر دو حالت عملیاتی و حاد برودتی، مورد مقایسه و بررسی قرار گرفته است. فصل ششم با جمع بندی و نتیجه گیری به اتمام رسیده است.
چكیده
در این تحقیق سیستم خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل به صورت دینامیکی شبیه‌سازی شده است. هدف از انجام این پروژه تعیین نقاطی از خطوط لوله است که در آنها با کاهش دمای هوا در زمستان‌ها و متعاقباً افزایش مصرف گاز، احتمال کاهش فشار در خطوط لوله و در نهایت؛ احتمال قطع گاز وجود دارد. شناسایی این مناطق کمک شایانی به دست اندرکاران حوزه گازرسانی جهت انجام عملیات پیشگیرانه خواهد نمود. نرم‌افزار مورد استفاده برای این شبیه‌سازی، OLGA می‌باشد. این نرم‌افزار برای شبیه‌سازی شبکه خطوط لوله انتقال نفت و گاز و تجهیزات فرایندی استفاده می‌شود. قابلیت‌های دینامیکی OLGA گستره کاربردی آن را در مقایسه با شبیه‌سازهای پایا، افزایش می‌دهد. در این تحقیق، توپوگرافی و مشخصات خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل، شامل اتصالات، شیرها، کمپرسورها و تجهیزات مربوطه، در نرم‌افزار تعریف شده است. بسته خواص سیال گاز طبیعی توسط نرم افزار PVTsim ایجاد شده است. از اطلاعات فشار، دما و دبی مربوط به زمستان 1390 در شبیه‌سازی استفاده شده است. ابتدا، شبیه‌سازی بصورت دینامیكی در شرایط عملیاتی برای پیش‌بینی مدت زمان 12 ساعت، اجرا شده است. سپس، الگوی مصرف گاز در شهرهای مختلف استان اردبیل به روش کسری درجه روز، به‌دست آمده است. با فرض دمای هوای 20- درجه سانتیگراد به عنوان شرایط حاد برودتی، مصرف گاز شهرها در این دما محاسبه شده و با این مصارف جدید، شبیه سازی اجرا گردیده است. اعتبارسنجی نتایج بدست‌آمده در شرایط عملیاتی در مقایسه با مقادیر واقعی سال 1390 همخوانی خوبی را نشان می‌دهد. شبیه سازی در شرایط حاد برودتی نشان می‌دهد در لحظه 2/6 ساعت، در برخی نقاط منشعب از خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد، فشار تا حد قطع گاز، افت پیدا می‌کند. نتایج شبیه‌سازی‌ها، برای بررسی و مطالعه رفتار جریان گاز در خطوط لوله استفاده شده و پروفایل‌های فشار، دما، دبی و سرعت گاز ترسیم شده است. نتایج نشان می‌دهد روند تغییرات فشار گاز در خطوط لوله منطبق با توپوگرافی مسیرها می‌باشد؛ گاز خط لوله 8 اینچ خلخال در اثر جریان گاز با فشار بالاتر خط لوله 20 اینچ تقویتی دارای حرکت معکوس است؛ در اثر کاهش دبی عبوری از کمپرسور در شرایط حاد برودتی نسبت تراکم و دمای گاز خروجی از کمپرسور افزایش می‌یابد و فشار در خط لوله 16 اینچ در شرایط حاد برودتی افت زیادی پیدا می‌کند. سپس بعنوان یک راهکار، شیرهای خط لوله كمكی برای انتقال گاز از خط لوله 30 اینچ نیروگاه به کیلومتر 25 خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد، در وضعیت باز قرار داده شده و شبیه‌سازی اجرا شده است. نتایج بدست آمده در این حالت، نشان‌دهنده بهبود وضعیت و افزایش فشار در خط‌ لوله 16 اینچ و تداوم گازرسانی به مدت 6/5 ساعت بیشتر نسبت به وضعیت قبلی، می‌باشد. نتایج این تحقیق می‌تواند در بهینه‌سازی، طراحی‌ و توسعه‌ آتی سیستم خطوط لوله، مورد استفاده قرار گیرد.
 
 
واژه‌های کلیدی: شبیه سازی، دینامیک، خطوط لوله، مصرف گاز، افت فشار
 
فهرست مطالب
فهرست اشکال. ح‌
فهرست جداول. ذ‌
علایم اختصاری. ر‌
 
فصل اول: اهمیت گاز طبیعی؛ خطوط لوله انتقال گاز و شبیه سازی. 1
1-1    مقدمه 1
1-2    جایگاه ایران در منابع گازی جهان. 2
1-3    گاز طبیعی اولیه و تركیبات آن. 3
1-4    رفتار فازی گاز طبیعی. 5
1-5    سیستم خطوط لوله انتقال گاز طبیعی. 6
1-5-1         نقاط دریافت گاز 6
1-5-2         لوله‌ها 6
1-5-3         ایستگاه‌های ارسال و دریافت پیگ.. 8
1-5-4         شیرهای  LBV. 9
1-5-5         ایستگاه‌های تقویت فشار 9
1-5-5-1          انواع کمپرسورهای ایستگاه تقویت فشار 10
1-5-5-2          منحنی مشخصه کمپرسور 11
1-5-6         نقاط برداشت گاز (ایستگاه‌های تقلیل فشار) 13
1-5-7         ایستگاه‌های اندازه‌گیری. 13
1-6    مطالعه جریان سیال خط لوله و ابزار شبیه‌سازی. 14
1-7    شبیه‌سازی پایا و دینامیک.. 15
1-8    هیدرات‌های گازی و شبیه‌سازی. 16
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته. 17
2-1    مقدمه 17
2-2    سیستم خط لوله کمکی برای افزایش ظرفیت انتقال گاز طبیعی. 17
2-3    شبیه‌سازی پایا و دینامیكی خطوط لوله و تجهیزات ایستگاه تقویت فشار 19
2-4    شبیه‌سازی و بهینه سازی خطوط لوله انتقال گاز 20
2-5    شبیه‌سازی حالت پایای خطوط لوله انتقال گاز 21
2-6    شبیه‌سازی دینامیكی خطوط لوله انتقال گاز 21
2-7    رفتار دینامیکی جریان گاز طبیعی فشار بالا در خطوط لوله 22
2-8    شبیه‌سازی و تخمین حالت جریان گذرا در شبکه‌های خط لوله با بهره گرفتن از مدل تابع انتقال. 23
2-9    پیش‌بینی مصرف گاز طبیعی. 25
فصل سوم: معادلات جریان و افت فشار 27
3-1    مقدمه 27
3-2    معادلات ماكروسكوپیک حاکم بر جریان گذرای گاز در لوله 27
3-2-1         موازنه جرم 28
3-2-2         موازنه مومنتوم 28
3-2-3         موازنه انرژی. 29
3-3    معادلات طراحی خطوط لوله 30

3-3-1         معادله عمومی‌جریان گاز 31
3-3-2         فشار متوسط گاز در لوله 32
3-3-3         سرعت سایشی. 32
3-3-4         ضخامت لوله و حداکثر فشار مجاز بهره برداری. 33
3-4    افت فشار اصطکاکی در تجهیزات. 35
فصل چهارم : شبیه‌سازی دینامیكی خطوط لوله انتقال گاز 36
4-1    مقدمه: هدف از شبیه‌سازی. 36
4-2    معرفی سیستم خطوط لوله انتقال گاز استان اردبیل. 37
4-2-1         ایستگاه تقویت فشار اردبیل. 39
4-2-2         اطلاعات خطوط لوله انتقال اردبیل. 39
4-3    ابزار شبیه‌سازی چندفازی OLGA. 40
4-3-1         اساس مدل OLGA. 40
4-3-2         کاربردها 41
4-3-3         بخش‌های مختلف نرم‌افزار شبیه‌ساز جریان. 42
4-4    محیط شبیه‌سازی OLGA و ابزارهای آن. 43
4-4-1         کتابخانه 43
4-4-2         تعریف مورد 44
4-4-3         آپشن‌های شبیه‌سازی. 45
4-4-4         اجزاء شبكه 46
4-4-5         شرایط مرزی. 51
4-4-6         شرایط اولیه 53
4-5    محاسبات حرارتی: 53
4-6    نرم‌افزار تولید کننده ویژگیهای ترموفیزیکی سیال. 55
4-6-1         آنالیز گاز طبیعی خطوط لوله گاز اردبیل. 57
4-7    کمپرسور در نرم‌افزار 58
فصل پنجم: بحث بر روی نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی دینامیکی. 62
5-1    مقدمه 62
5-2    شرایط عملیاتی – مقایسه و اعتبارسنجی نتایج. 63
5-3    شرایط حاد برودتی و مصرف گاز طبیعی. 68
5-3-1         مقدمه 68
5-3-2         اصل کسری درجه روز 69
5-3-3         بررسی ارتباط کسری درجه روز با مصرف گاز طبیعی. 70
5-3-4         پیش‌بینی مصرف گاز 76
5-4    شرایط حاد برودتی و شبیه‌سازی دینامیکی. 78
5-5    آنالیز رفتاری خطوط لوله انتقال گاز در شرایط عملیاتی و شرایط برودتی. 81
5-5-1         بررسی متغیرها حول کمپرسور 82
5-5-2         بررسی خط لوله 30 اینچ اردبیل. 83
5-5-3         بررسی خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد 86
5-5-4         بررسی خط لوله 8 اینچ خلخال. 88
5-5-5         بررسی خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر 91
5-5-6         بررسی خط لوله 30 اینچ نیروگاه- 16 اینچ مشکین‌شهر 93
5-5-7         بررسی خط لوله 20 اینچ خلخال. 95
5-6    شناسایی نقطه ضعف سیستم خطوط لوله مورد مطالعه 98
5-6-1         راهکاری برای نقطه ضعف سیستم خط لوله 98
فصل ششم: جمع بندی و نتیجه گیری. 103
6-1    نقاط قوت تحقیق. 103
6-2    نتیجه گیری. 104
6-3    پیشنهادات. 107
مراجع: 108
فهرست اشکال
شکل 1-1 دیاگرام فشار-دمای گاز طبیعی. 5
شکل 1-2 شماتیک تولید، فرآوری، انتقال و تحویل گاز طبیعی. 7
شکل 1-3 نمونه احداث خط لوله انتقال گاز و دفن لوله‌ها 8
شکل 1-4 یک نمونه منحنی مشخصه کمپرسور گریز از مرکز 11
شکل 1-5 کاربردهای شبیه‌سازی جریان. 15
شکل 2-1 خط لوله کمکی. 17
شکل 2-2 خط لوله کمکی شبیه‌سازی شده در محیط HYSYS. 19
شکل 2-3 شبیه‌سازی ایستگاه تقویت فشار منطقه چهار انتقال گاز در محیط نرم‌افزار ASPEN PLUS. 20
شکل 2-4 توزیع فشار پایین دست شیر رگولاتور فشار  و بالادست شیر انسداد توربینی  به عنوان تابعی از زمان 23
شکل 3-1 سیال تک‌فاز تراکم پذیر در حال عبور از یک لوله 27
شکل 3-2 جریان پایا در خط لوله 31
شکل4-1 نقشه کلی خطوط لوله گاز استان اردبیل. 38
شکل 4-2 طرح کلی نرم‌افزار OLGA. 42
شکل 4-3 تغییرات طول-ارتفاع-ضخامت خط لوله اصلی 30 اینچ اردبیل با ضخامتهای 469/0 و 375/0 اینچ. 47
شکل 4-4 تغییرات طول-ارتفاع-ضخامت خط لوله10 اینچ خلخال-کلور با ضخامت‌های 279/0 و 219/0 اینچ. 47
شکل 4-5 تغییرات طول- ارتفاع و ضخامت خط لوله اردبیل-نیروگاه گازی سبلان. 47
شکل 4-6 مدل شبیه‌سازی سیستم خطوط لوله استان اردبیل در محیط نرم‌افزار OLGA. 50
شکل 4-7 انتقال حرارت هدایتی از لایه‌های دیواره لوله 54
شکل 4-8 تعریف عمق خاک برای لوله‌های مدفون در خاك.. 55
شکل 4-9 نرم‌افزار PVTsim و ترکیب گاز طبیعی وارد شده در نرم‌افزار با انتخاب معادله حالت PR. 56
شکل 4-10 دیاگرام فازی گاز طبیعی خط لوله اردبیل (نرم‌افزار PVTsim) 58
شکل 4-11 منحنی عملکرد کمپرسور ایستگاه تقویت فشار اردبیل. 61
شکل 5-1 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات در شرایط عملیاتی. 67
شکل5-2 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر اردبیل. 71
شکل 5-3 مصرف روزانه گاز طبیعی شهر اردبیل در برابر مقادیر « کسری درجه روز» 71
شکل5-4 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روزانه و مصارف ماهانه شهر پارس‌آباد 72
شکل 5-5 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر پارس‌آباد در برابر مقادیر کسری درجه روز 72
شکل5-6 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روزانه و مصارف ماهانه شهر گرمی. 72
شکل 5-7 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر گرمی‌در برابر مقادیر کسری درجه روز 73
شکل5-8 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر بیله‌سوار 73
شکل 5-9 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر بیله‌سوار در برابر مقادیر کسری درجه روز 73
شکل5-10 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر مشگین. 74
شکل 5-11 دبی مصرف گاز طبیعی شهر مشگین در برابر کسری درجه روز 74
شکل5-12 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر سرعین. 74
شکل 5-13 دبی مصرف روزانه گاز طبیعی شهر سرعین در برابر مقادیر کسری درجه روز 75
شکل5-14 منحنی مقایسه ای جمع ماهانه کسری درجه روز و مصارف ماهانه شهر خلخال. 75
شکل 5-15 دبی مصرف ماهانه گاز طبیعی شهر خلخال در برابر مقادیر کسری درجه روز 75
شکل 5-16 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات در شرایط حاد برودتی. 80
شکل 5-17 شماتیک کلی سیستم خطوط لوله اردبیل برای بررسی نتایج. 81
شکل5-18 پروفایل فشار خط لوله 30 اینچ اصلی. 83
شکل 5-19 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی. 84
شکل 5-20 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی. 85
شکل 5-21 پروفایل دمای گاز در خط لوله 30 اینچ اصلی. 85
شکل 5-22 پروفایل فشار خط لوله 16 اینچ. 86
شکل 5-23 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 16 اینچ. 87
شکل 5-24 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 16 اینچ. 87
شکل 5-25 پروفایل دمای گاز در خط لوله 16 اینچ. 88
شکل 5-26 پروفایل فشار خط لوله 8 اینچ خلخال. 88
شکل 5-27 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال. 89
شکل 5-28 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال. 90
شکل 5-29 پروفایل دمای گاز در خط لوله 8 اینچ خلخال. 90
شکل 5-30 پروفایل فشار گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر 91
شکل 5-31 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر 91
شکل 5-32 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر 92
شکل5-33 پروفایل دمای گاز در خط لوله 8 اینچ مشکین‌شهر 92
شکل 5-34 پروفایل فشار گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه-16 اینچ مشکین‌شهر 93
شکل 5-35 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه- 16 اینچ مشکین‌شهر 94
شکل 5-36 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه – 16 اینچ مشکین‌شهر 94
شکل 5-37 پروفایل دمای گاز در خط لوله 30 اینچ نیروگاه – 16 اینچ مشکین‌شهر 95
شکل 5-38 پروفایل فشار گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال. 96
شکل 5-39 پروفایل دبی حجمی گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال. 96
شکل 5-40 پروفایل سرعت گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال. 97
شکل 5-41 پروفایل دمای گاز در خط لوله 20 اینچ خلخال. 97
شكل 5-42 محل اتصال خط 16 اینچ پارس‌آباد به نیروگاه گازی سبلان (خط لوپ 10 اینچ10008) 99
شکل 5-43 پروفایل فشار گاز در خط لوله 16 اینچ پارس‌آباد در شرایط حاد برودتی و باز كردن مسیر گاز از خط 10 اینچ نیروگاه به كیلومتر 25 خط لوله پارس‌آباد 99
شکل 5-44 منحنی‌های شبیه‌سازی فشار بر حسب زمان در ترمینال‌های انتهایی انشعابات (CGS‌ها) در شرایط حاد برودتی همراه با خط لوپ نیروگاه به خط پارس‌آباد 101
فهرست جداول
جدول1-1 ذخایر تثبیت شده گاز طبیعی در جهان. 2
جدول 1-2 تولید گاز طبیعی در جهان. 2
جدول 1-3 مصرف گاز طبیعی در جهان. 3
جدول 1-4 نمونه ای از ترکیب گاز طبیعی خام 4
جدول1-5 خطوط لوله انتقال گاز طبیعی بهره‌برداری شده 14
جدول 3-1 جنس لوله و تنش تسلیم. 34
جدول 3-2  فاکتور طراحی لوله های فولادی. 34
جدول 3-3  شرح انواع Class Location. 34
جدول 4-1 مشخصات حرارتی دیواره‌ها و پوشش‌ها 43
جدول 4-2 نمونه ضخامت دیواره‌ها 44
جدول 4-3 تعریف مورد در نرم‌افزار OLGA. 44
جدول 4-4 آپشن‌های شبیه‌سازی OLGA. 46
جدول 4-5 نمونه مشخصات خطوط لوله 48
جدول 4-6 نمونه ای از شیرهای تعبیه شده در شبیه‌سازی. 48
جدول 4-7 مشخصات ورودی سیستم. 51
جدول 4-8 مشخصات خروجی سیستم. 51
جدول 4-9 شرایط مرزی خروجی انشعابات سیستم خط لوله (ورودی ایستگاه‌های تقلیل فشار) 52
جدول 4-10 مشخصات گاز موجود در خطوط لوله 57
جدول 4-11 درصد ترکیبات گاز طبیعی (در نرم‌افزار PVTsim) 57
جدول 5-1 مقایسه مقادیر فشارهای واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی. 64
جدول 5-2 مقایسه دماهای واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی. 65
جدول 5-3 مقایسه مقادیر واقعی با مقادیر حاصل از شبیه‌سازی حول ایستگاه تقویت فشار 66
جدول 5-4 مجموع ماهانه متوسط کسری درجه روز مربوط به سال 1389 و 1390. 70
جدول 5-5 مصارف ماهانه متوسط سالهای 1389 و 1390 شهرهای اردبیل 70
جدول 5-6 رابطه دمای هوا و دبی روزانه گاز مصرفی. 76
جدول 5-7 پیش‌بینی حجم گاز مصرفی در دمای 20- درجه سلسیوس.. 77
جدول 5-8 پیش‌بینی حجم گاز مصرفی در 20- درجه سلسیوس در شهرهای دارای دو ایستگاه 77
جدول 5-9 دبی عبوری از ایستگاه‌ها در شرایط دمای 20- درجه سانتیگراد 78
جدول 5-10 مقایسه متغیرها حول کمپرسور در دو وضعیت شبیه‌سازی. 82
جدول 5-11 مقایسه نتایج به دست آمده برای دو شبیه‌سازی حاد برودتی. 102
 
علایم اختصاری