عنوان :

مقاله مبانی طراحی ایستگاههای تقویت فشار گاز

تعداد صفحات : ۱۶۰

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

مقاله در ۳ فصل طراحی شده است.

فصل اول: با خنک کننده ها و تراکم گاز، انواع کمپرسور، سیستم مکش هوا، توربین، محفظه احتراق و شکل بندی ایستگاه کمپرسور و… آشنا می شویم. در لوله های انتقال گاز برای غلبه بر افت فشار ناشی از طول لوله از متراکم کردن گاز استفاده می شود. گاز به طور معمول بوسیله لوله از یک نقطه به ایستگاههای فروش انتقال می یابد تا در فشار و جریان معین به فروش برسد. در بین این دو نقطه بدلیل انبساط گاز، افت های اصطکاکی، تغییر در تراز انرژی یا تغییر در دمای گاز افت فشار اتفاق می افتد. تغییر جریان منجر به تغییر فشار در خط لوله می شود.

خنک کن های گاز به طور گسترده در صنعت انتقال گاز مورد استفاده قرار می گیرند. آنها را می توان به عنوان پیش خنک کن (در قسمت مکش ایستگاه کمپرسور) یا به عنوان خنک کن میانی (بین کمپرسورهای سری) استفاده کرد تا سیستم دچار حرارت بالا نشود.آنها را شاید به عنوان خنک کن نهایی (در خروجی ایستگاه کمپرسور) به منظور جلوگیری از آسیب دیدگی پوشش بیرونی لوله ها در دماهای بالاتر (بیشتر از  یا ) قرار می دهند. خنک کردن گاز در خروجی ایستگاه کمپرسور همچنین به ما کمک می کند تا افت فشار در طول لوله کاهش یابد زیرا گاز در دمای پائین تر بهتر جریان می یابد. خنک کن نهایی همچنین قدرت لازم در کمپرسور پایین دست را کاهش می دهد اگر گاز را در دمای مکش پائین تر دریافت کند.

دو نوع خنک کن گاز وجود دارد:

مبدل های حرارتی که با هوا خنک می کنند و مبدل های حرارتی که با آب خنک می کنند با توجه به شرایط آب و هوایی و جغرافیایی نوع مبدل حرارتی یا ترکیبی (از هر دو) برای تامین تجهیزات خنک کنندگی استفاده می شوند. از نظر هزینه سیستمی که با آب کار می کند گرانتر از سیستمی است که با هوا کار می کند. اگر دمای محیط اجازه دهد، مبدلی که در خط انتقال گاز استفاده می شود معمولا مبدل های حرارتی هوا- خنک کن هستند.

در فصل دوم به طراحی مکانیکی خطوط پرداخته می شود و جنس فولاد خط لوله برای انتقال گاز و محصولات نفت مایع را مشخص می‌کند.

طراحی وانتخاب مواد و ساختار تسهیلات خط لوله بوسیله کدها و استانداردها جمع آوری شدند تا حداقل نیاز را تامین کنند. هدف از استانداردها اینست که از ایمن کارکردن کل مجموعه، تحت شرایط بهره بردرای اطمینان حاصل شود. استانداردهای منطقه ای، کشوری برای شرایط خاص استفاده می شوند. بعضی از شرکت ها علاوه بر این که استانداردها، شرایطی دیگری را نیز اعمال می‌کنند.

فصل سوم: نمونه عملی، ایستگاه تقویت فشار گاز و هوا را توصیف می کند. ایستگاه تقویت فشار گاز دهق در مسیر خط لوله II و III انتقال گاز ایران از جنوب به شمال قرار گرفته است. این ایستگاه شامل ۵ توربین و کمپرسور می باشد که ۴ عدد از آنها استفاده می شوند و یک عدد دیگر در حالت stand-by می‌باشد  و امکان افزایش ۱ واحد دیگر از توربین و کمپرسور در آینده را نیز دارد.

واژه های کلیدی: تقویت فشار گاز و هوا ، کمپرسور، محفظه احتراق ، سیستم مکش هوا، خنک کن های گازی ، توربین، خط لوله،

فهرست مطالب

فصل اول : خنک کننده ها و تراکم گاز
مقدمه     ۱
انواع کمپرسور     ۲
محرک های کمپرسور     ۵
سیستم مکش هوا     ۸
کمپرسور     ۹
Diffuser     ۱۰
محفظه احتراق     ۱۰
توربین     ۱۱
Free Power Turbine    ۱۱
ابزار دقیق وکنترل     ۱۲
سیستم های کمکی     ۱۲
شکل بندی ایستگاه کمپرسور     ۱۳
متراکم کردن گاز تحت فرآیند هم دما     ۱۶
تراکم پلی تروپیک و ایزونتروپیک     ۱۶
کار- هم دما وتراکم گاز     ۲۲
تغییرات دما در تراکم ادیا باتیک گاز     ۲۷
هد کمپرسور و قدرت آن     ۲۸
تراکم پلی تروپیک گاز     ۳۱
توان ( نمای) پلی تروپیک گاز و بازده پلی تروپیک     ۳۱
قدرت در فرآیند پلی تروپیک     ۳۴
سری کردن کمپرسورهای گاز     ۳۶
تئوری معادلات نسبت تراکم حاکم بر سری کمپرسورها     ۳۷
تأثیر افت فشار اینترکولر بر روی سیستم    ۴۳
قوانین یکسان سازی نسبت تراکم برای بیش از دو کمپرسور     ۴۶
تاثیر افت های محدوده ایستگاه بر نسبت تراکم کمپرسورهای رفت و برگشتی و
گریز از مرکز    ۴۷
قدرت کمپرسور گریز از مرکز     ۴۹
قدرت ترمزی     ۴۹
هد کمپرسور و GHP     ۵۰
تنظیمات ارتفاع ( از سطح دریا)     ۵۱
سرعت چرخش در کمپرسور گازی گریز از مرکز     ۵۲
روابط بین دبی، هد و توان و سرعت دورانی از کمپرسورهای گازی شعاعی     ۵۲
جداول آنتالپی و انتروپی (دیاگرام مویر)     ۵۳
منحنی کارایی کمپرسور شعاعی     ۵۹
منحنی‌های مشخصه برای کمپرسورهای شعاعی گاز     ۶۱
Surge در کمپرسورهای گاز دینامیکی ( شعاعی، محوری)     ۶۶
اثر مقاومت خط لوله در کارایی کمپرسور شعاعی     ۶۷
تاثیر تغییرات پارامترهای گاز در کارایی کمپرسور     ۶۹
کمپرسورهای رفت و برگشتی     ۷۴
خنک کن های گازی     ۷۸
مبدل ‌های حرارتی هوا- خنک کن     ۷۹
معادلات انتقال حرارت خنک کن     ۸۰
دبی جرمی جریان هوای فن     ۸۷
افت فشار گاز در خنک کن ها     ۸۸
روش تکرار برای خنک کردن گاز با Variable Speed Drives بوسیله مشخص کردن
دمای خروجی گاز     ۹۳
فصل دوم : طراحی مکانیکی خط لوله
مقدمه     ۹۵
کدها و استانداردها    ۹۵
روابط طراحی خط لوله     ۹۶
انبساط و انعطاف پذیری     ۱۰۴
لوله های گیردار    ۱۰۴
لوله های unrestraind    ۱۰۶
طراحی حلقه انبساط     ۱۰۸
Anchoring & Support    ۱۱۳
فاصله نگهدارنده     ۱۱۸
طراحی اتصالات برای لوله ها با ضخامت جداره نابرابر     ۱۲۴
لوله هایی که در معرض تنش شعاعی بالا هستند     ۱۲۵
اتصالاتی که در معرض تنش پایین تری قرار دارند    ۱۲۶
طراحی انشعابات     ۱۲۷
خط راهنمای صوتی     ۱۳۳
فشار ضربانی مجاز     ۱۳۳
نیروهای تکان دهنده صوتی مجاز     ۱۳۴
خطای اندازه گیری مجاز ضربان     ۱۳۴
افت فشار مجاز     ۱۳۴
عکس العمل خاک     ۱۳۵
نقش های ایجاد شده در هنگام Lowering    ۱۳۶
نشت مجاز – روشن ساده     ۱۳۸
آنالیز دیفرانسیلی نشست    ۱۴۰
فصل سوم
نمونه عملی، ایستگاه تقویت فشار گاز و هوا     ۱۴۲
شرایط طراحی     ۱۴۲
دمای طراحی     ۱۴۲
معیارهای اندازه گذاری خط     ۱۴۳
تجهیزات     ۱۴۶
انتخاب شیرهای Manual    ۱۴۸
Vent    ۱۵۰
سیستم کنترل ایستگاه     ۱۵۶

منابع:

[۱]: Mohitpour. M and Golshan.H and Murroy.A , “Pipeline Design  Construction”, New York, ASME*Press, 2000.

[۲]: Van Wylen and Sontag. R and Borgnakke.C,” Fundumentals of Classical Thermodynamics”, Jhon Wiley & Sons, Inc, Fourth Edition

[۳]: رابرت ان. مادوکس، تصفیه و فرآوری گاز، جلد سوم. مترجم : دکتر محمد مشفقیان، ا انتشارات دانشگاه شیراز، ۱۳۷۱٫

خنک کننده ها و تراکم گاز

مقدمه:

در لوله های انتقال گاز برای غلبه بر افت فشار ناشی از طول لوله از متراکم کردن گاز استفاده می شود. گاز به طور معمول بوسیله لوله از یک نقطه به ایستگاههای فروش انتقال می یابد تا در فشار و جریان معین به فروش برسد. در بین این دو نقطه بدلیل انبساط گاز، افت های اصطکاکی، تغییر در تراز انرژی یا تغییر در دمای گاز افت فشار اتفاق می افتد. تغییر جریان منجر به تغییر فشار در خط لوله می شود. روش های زیر برای رسیدن به فشار موردنظر در نقطه تحویل زمانی که دبی جریان بیشتر از شرایط طراحی می باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

Loop کردن خط لوله

اضافه کردن ایستگاه تراکم

به کار بردن همزمان حلقه و تراکم

به صرفه بودن و عملی بودن این روشها شامل فاکتورهای زیادی از قبیل:

سرمایه اولیه

قیمت سوخت

صدور یا فروش

تعمیر و نگهداری

توسعه در آینده

انواع کمپرسورها

کمپرسورها به سه گروه بزرگ زیر تقسیم می شوند:

positive displacment

دینامیک

انژکتوری

کمپرسورهای positive displacment یا جریان مقطعی مقداری از گاز را در حجم بسته به دام می اندازند. با کم کردن حجم گاز ، فشار گاز را افزایش داده و آنرا در نقطه خروجی تحویل می دهند.

positive displacment به دو نوع متمایز تقسیم می شوند:

کمپرسور رفت و برگشتی – کمپرسور دورانی

در کمپرسورهای رفت و برگشتی یک پیستون درون سیلندر حجم گاز را کاهش می دهد. در سیلندر برای مستقیم کردن جریان گاز و جلوگیری از جریان های بازگشتی به شیر احتیاج است.

در کمپرسورهای دورانی روتورها به تیغه ها یا lobes مجهز شده اند . آنها گاز را بین یک حجم ثابت و متغیر که در بیرون احتیاج است به تله می اندازند. زمانی که روتور
می چرخد گاز از ورودی به خروجی حرکت می کند در این نوع از کمپرسور به شیرها احتیاجی نیست و بطور معمول برای متراکم کردن هوا در نیروگاهها استفاده می شود.

کمپرسورهای جریان متناوب یا دینامیک، فشار گاز را با استفاده از نیروی اینرسی افزایش می دهند. سرعت گاز را افزایش داده و انرژی را به فشار تبدیل می کنند.

کمپرسورهای دینامیکی نیز به دو گروه عمده تقسیم می شوند:

کمپرسورهای گریز از مرکز و کمپرسورهای محوری

در کمپرسورهای گریز از مرکز بوسیله چرخش تیغه های پروانه سرعت به گاز اضافه می شود. نیروی گریز از مرکز مولکولهای گاز را به خارج فشار می دهد و موجب افزایش شعاع چرخش در نتیجه افزایش سرعت مماسی مولکولهای گاز می شود.

افزایش در سرعت و شتاب موجب فعال شدن نیروی اینرسی می شود که بر روی مولکولهای گاز عمل کرده و منجر به متراکم شدن آنها می شود. قسمتی از فشار در پروانه و قسمتی دیگر در دیفیوزرهای شعاعی محاط بر پروانه بازیافت می شود.

در کمپرسورهای محوری چرخش روتور انرژی را به جریان گاز در حین متراکم کردن انتقال می دهد. در این نوع از کمپرسور جریان گاز موازی شفت است.

کمپرسور انژکتوری از انرژی جنبشی یک جریان از سیال برای متراکم کردن سیالی دیگر استفاده می کند. این نوع از کمپرسورها در سیستم انتقال گاز طبیعی استفاده نمی شوند. از اینرو کمپرسورهای positive displacment و دینامیکی مورد بررسی قرار می گیرند.

محرک های کمپرسور (compressor Drivers)

کمپرسورها معمولاً به یک ماشین دیگر کوپل می شوند تا شفت به حرکت درآید. ماشین‌های زیر مهمترین محرک های کمپرسور هستند:

توربین گازی

موتورهای الکتریکی

توربین های بخار

Turbo expander

توربین های گازی رایج ترین نوع محرک است که در فضائی بیرونی استفاده می شود. این توربین ها معمولاً محرک مخصوص کمپرسورهای گازی گریز از مرکز هستند.

در توربین های گازی قدرت توربین به شفت کمپرسور خط لوله داده می شود. توربین های گازی نسبتاً فشرده هستند و دارای قدرت بالا به نسبت وزن آنها. آنها بسیار مناسب برای ایجاد سرعت ها بالا در کمپرسورهای گریز از مرکز هستند. آنها در بازه وسیعی عمل می کنند تا با بازه کمپرسور هماهنگ شوند. این بازه بین ۶۰-۱۰۵% نرخ سرعت کمپرسور می باشد.

توربین های گازی برای کاربردهای مکانیکی شامل دو مجموعه اصلی استفاده می شوند: Free Power Turbine , Gas Generator Gas Generotor . و محفظه احتراق، توربن گازی، گازهای داغ خروجی تولید می کند. Free power turbine به صورت آیرودینامیک به Gas Generator کوپل می شود و در طی فرایند انبساط از گازهای داغ برای تولید قدرت در شفت استفاده می شود. در فرایند تولید قدرت هوا به وسیله کمپرسور جریان محوری چند طبقه به درون ورودی کشیده می شود.زمانی که هوا از کمپرسور عبور می کند دما و فشار آن افزایش می یابد. هوای فشرده با سوخت مخلوط شده و به قسمت احتراق تزریق شده و مشتعل می گردد در نتیجه گازهای احتراقی با دمای بالا و فشار بالا از توربین فشار بالا عبور می کند. چرخش توربین انرژی را از گازهای احتراقی می گیرد. توربین فشار بالا مستقیماً به کمپرسور متصل شده و کمپرسور جریان محوری را به حرکت در می آورد.

انرژی باقیمانده در گازهای خروجی free power turbine را به حرکت در می آورند که قدرت شفت را برای حرکت کمپرسور خط لوله تولید می کند. از کل انرژی تولید شده بوسیله Gas Generator به طور معمول کمپرسور هوا دو سوم انرژی را مصرف می کند و تنها یک سوم آن به کمپرسور خط لوله تحویل داده می شود.

Gas Generator معمولاً به دو نوع صنعتی و aeroderivative طبقه بندی می شود.

آنها سبک وزن- فشرده و دارای بازده حرارتی بالا هستند. موتورهای هواپیما معمولاً برای مصارف صنعتی هستند.

نوع صنعتی توربین های گازی موتورهای سنگین تری با بازده حرارتی پایین تر و اما عمر بیشتر هستند.

مراحل زیر شرح توربین گازی می باشد که با سیستم مکش هوا شروع می شود. آنها به ترتیب عبور جریان هوا مرتب شده اند.

سیستم مکش هوا

کمپرسور

دیفیوزر

محفظه احتراق

توربین

Free power Turbine

وسایل ابزار دقیق و کنترل

سیستم های کمکی

سیستم مکش هوا

سیستم مکش هوا شامل فیلتر و مجرای ورودی، bellmouth ورودی، پره های هادی ورودی می‌باشد. سیستم فیلتر از نوع puls- air و self- cleaning است. سری دوم فیلترها معمولاً در سیستم فیلتر اصلی به صورت سری قرار می گیرند. جریان پائین دست فیلترها در محدوده بزرگتر معمولاً نوعی از منحرف کننده جریان سیال است که برای کاهش تلاطم و اغتشاش استفاده می شود. جریان هوای مستقیم شده وارد توربین می شود با عبور از ورودی “bellmouth” جایی که هوا شتاب می گیرد. سپس هوا با گذر از ورودی تیغه های راهنما به سمت کمپرسور جریان محوری با زاویه بهینه جهت می گیرد. ورودی تیغه های راهنمای متغیر گاهی برای بهبود کاربرد در حالت off- design جریان هوا استفاده می شوند. سیستم ورودی معمولاً شامل سیستم شستشو با آب برای شستن و پاک کردن از هر گونه build up در تیغه های کمپرسور محوری و در بعضی از موارد به سیستم ضد یخ نیز مجهز می شود. مبدلهای حرارتی با نازلهای هوای داغ در سیستم ورودی هوا واقع می شوند تا از یخ زدگی دو شرایط سخت جلوگیری کنند.

کمپرسور (Compressor Section)

متراکم کردن اولین مرحله از سیکل توربین گازی است. متراکم کردن در کمپرسور جریان محوری اتفاق می افتد که بعد از پایین دست ورودی تیغه های راهنما واقع شده و شامل طبقات چند گانه از تیغه های آیرودینامیکی است که به دیسک های چرخان متصل است. بین هر طبقه از دیسک های چرخان یک استاتور نصب شده است. استاتور شامل پره های ثابت است که جریان هوا را برای طبقه بعدی در زاویه مناسب جهت می دهد. بعضی از توربین های گازی شامل یک سری پره های متغیر استاتور است که جریان را برای جلوگیری از قفل کردن تیغه ها و ایجاد surge در کمپرسور بهینه می کند. تعداد طبقات با توجه به نوع توربین گازی و قدرت آن می تواند تغییر کند.

تیغه های کمپرسور انرژی را برای افزایش فشار به هوا منتقل می کنند. برای این کار تیغه ها باید در سرعت بالا بچرخند. از این رو تیغه ها باید وزن سبکی داشته باشند تا نیروی گریز از مرکز در دیسک کمپرسور مینیمم شود. مقاومت بالا در مقابل خستگی و مقاومت در برابر سایش و خوردگی از خواص مهم ماده سازنده تیغه است. تیغه های ثابت که جریان هوا را پخش می کنند و منجر به افزایش فشار می شوند، مجموعه استاتور نامیده می شوند. این تیغه ها جریان را برای مجموعه تیغه های چرخان بعدی در زاویه بهینه جهت می دهند.

Diffuser

دیفیوزر در پائین دست کمپرسور محوری واقع شده است. زمانی که هوا در دیفیوزر جریان پیدا می کند منبسط می شود در نتیجه سرعت آن کاهش می یابد.سپس هوا وارد محفظه احتراق می شود.

محفظه احتراق (Combustion section)

محفظه احتراق بعد از قسمت کمپرسور محوری قرار گرفته است. فرایند احتراق انرژی حرارتی را به هوای توربین گازی اضافه می کند. این گرما باید به سیکل توربین گازی اضافه شود تا انرژی را برای به حرکت درآوردن Free Power Turbine فراهم کند و همچنین کمپرسور خط لوله. گرما از احتراق مخلوط هوا و گاز طبیعی که در محفظه احتراق مشتعل می شود تولید می شود. احتراق اولیه ۲۰% از جریان هوای کمپرسور محوری را استفاده می کند. سی درصد از هوای کمپرسور به محفظه احتراق داده
می شود برای احتراق ثانویه تا نسبت بهینه سوخت- هوا برای احتراق مناسب بدست آید. هوای باقیمانده با محصولات احتراق مخلوط می شود تا آنها را خنک کند. خنک کاری کافی باید انجام شود تا از گرم شدن بیش از اندازه نازل توربین و تیغه ها جلوگیری کند. مواد بدنه محفظه احتراق باید دربرابر حرارت بالا به شدت مقاوم باشند.

دمای بهینه باید مشخص شود تا تولید آلودگی ها نظیر اکسید نیتروژن (NO_x) و منوکسید کربن (CO) را کنترل کند و کاهش دهد. دمای احتراق بالا منجر به تولید (NO_x) و دمای پایین منجربه تولید حجم زیادی از (CO) و هیدروکربنهای نسوخته می شود. دمای بهینه معمولاً از طریق مشعل پیش گرمکن و نسبت رقیق سوخت به هوا بدست
می آید.

توربین (Turbine Section)

توربین انرژی را از گازهای احتراقی داغ و فشار بالا می گیرد. توربین با استفاده از دوسوم این انرژی کمپرسور جریان محوری رابه حرکت در می آورد. انرژی باقیمانده Free Power Turbine را می چرخاند که آن هم کمپرسور خط لوله را به حرکت در می آورد. توربین دارای طبقاتی از تیغه های چرخان و تیغه های ثابت می باشد که رفته رفته قطرش زیاد می شود. این طبقات موجب انبساط گازهای داغ در حین عبور از طبقات می شوند.

Free Power Turbine :

توربین های گازی برای مصارف مکانیکی طراحی شده اند و شامل Free Power Turbine هستند که از Gas Generator مستقل است. Free Power Turbine زمانی که روتور به صورت ایرودینامیک کوپل شده باشد به Gas Generator متصل می شود. Free Power Turbine به طور مستقیم به قسمتی که حرکت نیاز دارد متصل می شود مانند کمپرسور خط لوله. گازهای داغ خروجی از Gas Generator به ورودی این توربین هدایت می شوند.

Free Power Turbine شامل یک تا سه طبقه از نازلهای ثابت و روتور می باشد. گاز با عبور از هر یک از این طبقات منبسط می شود انرژی آزاد شده از این فرایند انبساط، گشتاور لازم برای چرخاندن توربین و کمپرسور خط لوله را تامین می کند.

ابزار دقیق و کنترل (Instrumentation and controls)

سیستم کنترل توربین گازی شامل سیستم fuel- metering  و قسمت کامپیوتری می باشد. کامپیوتر با تحلیل داده های گرفته شده از حس گرها، کلیه محاسبات لازم برای عمل کردن توربین در شرایط مطلوب را انجام می دهد. شیرهای fuel- metering قدرت خروجی از توربین گازی را کنترل می کنند. زمانی که قدرت خروجی بیشتری موردنیاز است سیگنالی به شیر فرستاده می شود که باز باشد تا زمانی که قدرت خروجی موردنظر تامین شود. در این زمان سیگنالی به شیر رله می شود که شرایط مطلوب بدست آمده است. حس گرهای مختلفی در توربین گازی عمل می کنند تا از تغییرات نامطلوب جلوگیری کنند. این پارامترها شامل سرعت روتور، دمای گاز خروجی، ارتعاشات، دمای یاتاقانها، دمای روغن روان ساز و فشار می باشد.

سیستم های کمکی (Auxiliany systems)

قسمت اصلی سیستم کمکی توربین گازی شامل سیستم استارت، سیستم سوخت و سیستم هیدرولیک و روغنکاری می باشد.

شکل بندی ایستگاه کمپرسور:

کمپرسورها باری انتقال گاز با آرایشهای مختلفی نصب می شوند. اگرچه لی اوت ایستگاه معمولاً استاندارد شده تا تمام احتیاجات CSA  Z-184 و باقی استانداردهای رایج را تامین کند. یک لی اوت از ایستگاه کمپرسور در شکل آمده است به همراه توضیح خلاصه‌ای از ترکیب آن.

120,000 ریال – خرید نهایی کردن خرید مورد به سبد خرید اضافه شد

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .