طراحي يك چيدمان از دبي سنج هاي سرچاهي دوفازي متناسب با رژيم جريان براي ميادين نفتي

كارشناسي ارشد

پژوهش‌هاي فراواني در زمينه اندازه‌گيري جريان‌هاي چند¬فازي آب، نفت و گاز توسط دانشمندان با زمينه‌هاي مطالعاتي مختلف از جمله مهندسي مكانيك، هسته‌اي، شيمي و ساير علوم انجام شده است. مساله اندازه‌گيري جريان‌هاي چند¬فازي يكي از موضوعات بسيار مهم در صنايع نفت و گاز از اوايل دهه 80 ميلادي بوده و در يك تعريف كلي، جريان‌هاي چند¬فازي آب، نفت و گاز از چند مسير همزمان در يك سيستم جرياني متشكل از چند¬ فاز تشكيل مي‌شود. جريان سه¬فازي نفت، گاز و آب معمولاً در صنايع نفت خام و گاز طبيعي ديده مي‌شود. الگوهاي جرياني پيچيده ودائما متغير سبب دشواري اندازه‌گيري اينگونه جريان‌ها و تبديل آن به موضوعي داغ براي مطالعه شده است. از طرفي ديگر به دليل اهميت اندازه‌گيري جريان‌هاي چند¬فازي در صنايع بالادستي و پايين¬دستي نفت و همچنين اقتصادي بودن استفاده از دبي‌سنج‌هاي چند¬فازي به جاي جداسازهاي رايج ميداني سبب گرديده است كه استفاده از دبي¬سنج¬هاي چندفازي از اهميت فراواني برخوردار باشد. در اين پژوهش ابتدا به بررسي روش‌هاي اندازه‌گيري جريان چند¬فازي كه عبارتند از: كسر اجزا، سرعت اجزا، دبي جرمي و حجمي اجزا و همچنين مدل‌هاي مختلف شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي پرداخته شده است. سپس به انواع جريان¬سنج‌هاي چند¬فازي كه با روش‌هاي اندازه¬گيري توضيح داده شده كار مي‌كنند اشاره شده و مكانيسم عملكرد آنها بيان شده و از نظر شرايط عملياتي و دقت اندازه‌گيري با يكديگر مقايسه گرديده‌اند. مدار دوفازي با استفاده از تجهيزات موجود طراحي و ساخته شد. در مدار دوفازي (آب و هوا) جريان آب توسط پمپ آب از مخزن ذخيره آب پمپ شده و پس از اندازه¬گيري دما و فشار آن توسط ترانسميتر دما و فشار، دبي آب توسط دبي¬سنج الكترومغناطيسي اندازه¬گيري مي¬شود. جريان هوا نيز توسط كمپرسور هوا تامين مي¬شود. پس از اندازه¬گيري دما و فشار هوا با استفاده از ترانسميتر دما و فشار، دبي جريان هوا توسط دبي¬سنج توربيني اندازه¬گيري مي¬شود. سپس جريان آب و هوا، در ناحيه اختلاط با هم تشكيل جريان دوفازي مي¬دهند. براي اندازه¬گيري دبي جريان دوفازي از دبي¬سنج كوريوليس و اوريفيس استفاده گرديد. پس از كاليبراسيون دبي¬سنج كوريوليس با استفاده از دبي¬سنج الكترومغناطيسي، اثر كسرحجمي هوا و عدد رينولدز جريان دوفازي بر عملكرد دبي¬سنج¬هاي كوريوليس و اوريفيس بررسي شد. براي بررسي عملكرد دبي¬سنج¬هاي كوريوليس و اوريفيس تحت جريان دوفازي، فاصله اين دبي¬سنج¬ها از نقطه اختلاط 100 برابر قطر خط لوله در نظر گرفته شد تا از توسعه¬يافتگي جريان دوفازي اطمينان حاصل شود. نمودار ضريب دبي¬سنج كوريوليس بر حسب كسر حجمي فاز هوا در جريان دوفازي به دست آمد. مشاهده شد كه با افزايش دبي جرمي عبوري از دبي¬سنج كوريوليس در حالت تك¬فاز مايع، ضريب دبي¬سنج به عدد 1 نزديك¬تر مي-شود و با افزايش كسر حجمي هوا در جريان دوفازي، ضريب دبي¬سنج كوريوليس از عدد 1 بيشتر مي¬شود. پس از بررسي رفتار دبي¬سنج كوريوليس براي جريان دوفازي عبوري، كسرحجمي هوا در جريان دوفازي با استفاده از چگالي متوسط به دست آمده توسط دبي¬سنج كوريوليس تعيين گرديد. علاوه بر اندازه¬گيري كسر حجمي هوا در جريان دوفازي با استفاده از دبي¬سنج كوريوليس، در اين پژوهش روش¬هاي هوش محاسباتي از جمله شبكه¬هاي عصبي تك لايه، دولايه و سه¬لايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك و ماشين¬ بردار پشتيبان نيز استفاده گرديد و از نظر عملكرد، به منظور پيش¬بيني كسرحجمي فاز هوا در جريان دوفازي با همديگر مورد مقايسه قرار گرفتند. در بين الگوريتم¬هاي آموزش دهنده شبكه عصبي تك¬لايه الگوريتم منظم¬سازي بيضي با مربع خطاي متوسط برابر با 9/3 % براي داده¬هاي تست بهترين عملكرد را دارا بود. ماشين بردار پشتيبان با دارا بودن مربع خطاي متوسط برابر با 25/3 % براي داده¬هاي تست، داراي عملكرد بهتر و دقيق¬تر نسبت به شبكه عصبي تك¬لايه آموزش داده شده توسط الگوريتم منظم¬سازي بيضي بود. با توجه به بررسي نمودار¬هاي عملكرد مربوط به موارد بيان شده از هوش محاسباتي مشخص شد كه شبكه عصبي دولايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك نسبت به ماشين بردار پشتيبان با توابع كرنل پايه شعاعي و شبكه¬هاي عصبي تك¬لايه آموزش داده شده با الگوريتم¬هاي منظم¬سازي بيضي، گراديان مقياس متحرك و لونبرگ - ماركوارت عملكرد بهتري در پيش¬بيني نتايج كسر حجمي فاز هوا در جريان دوفازي (آب و هوا) دارد كه متوسط درصد خطاي مطلق آن براي دسته داده¬هاي تست و آموزش به ترتيب برابر با 3/1 و 7/1 درصد مي¬باشد. سپس به منظور بالاتر بردن ميزان دقت پيش¬بيني كسر حجمي هوا در جريان دوفازي، از شبكه عصبي سه¬لايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك استفاده گرديد. مربع متوسط خطا شبكه عصبي سه¬لايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك براي داده¬هاي تست، %9/0 بود. با رسم نمودار درصد خطاي تجمعي براي نتايج حاصل از پيش¬بيني توسط شبكه عصبي سه¬لايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك مشخص شد كه 95 درصد نقاط داراي درصد انحراف تجمعي كمتر از 5% هستند. به همين ترتيب شبكه¬هاي عصبي سه¬لايه بهينه¬سازي شده با الگوريتم ژنتيك مي¬تواند در بسياري از موارد صنعتي ايفاي نقش كرده و با دقت بسيار بالايي به عنوان حسگر نرم تحت شرايط مختلف عملياتي عمل كند. عملكرد دبي¬سنج اوريفيس نيز تحت جريان عبوري دوفازي (آب و هوا) بررسي گرديد. مشاهده شد كه با افزايش عدد رينولدز جريان دوفازي، ضريب تخليه اوريفيس افزايش مي¬يابد. شيب افزايشي نمودار ضريب تخليه اوريفيس نسبت به عدد رينولدز جريان دوفازي به ازاي رينولدز¬هاي كمتر (الگوي جريان پيستوني) بيشتر بوده اما با افزايش عدد رينولدز جريان دوفازي، الگوي جريان حاكم بر جريان دوفازي عبوري از اوريفيس لايه¬اي شده و شيب تغييرات ضريب تخليه اوريفيس نسبت به عدد رينولدز جريان دوفازي كاهش مي¬يابد. ضريب تخليه اوريفيس، افت فشار دو سر اوريفيس و سرعت جريان دوفازي عبوري از آن با استفاده از شبيه-سازي ديناميك سيالات محاسباتي اعتبار¬سنجي گرديد. پس از مش¬بندي حجم كنترل كه عبارت است از خط لوله با طول 2/1 متر كه صفحه اوريفيس در فاصله 1 متري از مرز ورودي جريان قرار دارد با مش¬هاي چهارظلعي با شرايط مرزي حاكم مرز ورودي جريان در ورودي لوله، مرز خروجي جريان در خروجي لوله و سطح لوله به صورت ديواره در نظر گرفته شد. شرايط حل به صورت پايا و شتاب گرانشي نيز برابر با m/s^2 81/9 در جهت پايين در نظر گرفته شد. براي حصول اطمينان از مستقل¬بودن نتايج شبيه¬سازي از مش¬بندي، آناليز مستقل بودن نتايج شبيه¬سازي از مش¬بندي انجام شد و مشاهده شد كه اختلاف متوسط بين نتايج شبيه¬سازي از جمله سرعت جريان دوفازي در محور مركزي لوله با تعداد سلول شبيه¬سازي برابر با 213300 و 251400 برابر با %5/0 مي¬باشد و تعداد سلول شبيه¬سازي 213300 به عنوان تعداد سلول بهينه هندسه مش¬بندي در نظر گرفته شد. شبيه¬سازي حجم كنترل با مدل چندفازي اولرين-اولرين در حالت پايا انجام شد و مدل¬هاي آشفتگي از جمله كا-اپسيلون استاندارد، SST، STN و RNG از نظر عملكرد با همديگر مقايسه شدند و مشاهده شد كه ضرايب تخليه به دست آمده براي صفحه اوريفيس با مدل آشفتگي كا-اپسيلون استاندارد با ضرايب تخليه تجربي حاصل از اين پژوهش براي صفحه اوريفيس به طور متوسط 2% اختلاف دارد و از ساير مدل¬ها عملكرد بهتري حاصل نمود. از مهم¬ترين دستاورد¬هاي اين پژوهش مي¬توان اندازه¬گيري كمي و كيفي جريان دوفازي (آب و هوا) با استفاده از دبي¬سنج كوريوليس، صفحه اوريفيس و روش¬هاي هوش مصنوعي اشاره نمود و همچنين فراهم نمودن بستر مناسب جهت ساخت دبي¬سنج¬هاي چندفازي سرچاهي متناسب با رژيم جريان اشاره نمود.

192730

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مخازن هيدروكربوري

دكتر فروغ عاملي - دكتر سيد حسن هاشم آبادي