Bài giảng Thu gom khí

Thu gom khí Bài toán thực tế Trong ví dụ này, một hệ thống thu gom khí ở nhiều địa hình khác nhau được mô phỏng bởi Hysys. Các thông số vật lý của hệ thống thu gom khí được thể hiện trên bản đồ. Hệ thống này bao gồm 4 giếng khai thác khí nằm trong diện tích khoảng 2 km vuông, qua hệ thống ống dẫn tới một nhà máy khí. Các khí trong ví dụ này rất khác nhau, bao gồm cả khí chua, khí ngọt và hỗn hợp condensate. Thiết bị trộn hỗn hợp (Mixer) kết hợp tất cả các dòng khí từ các giếng tới một ống dẫn chung tới nhà máy khí. Các đường ống dẫn thẳng từ trung tâm của các giếng riêng lẻ biểu diễn trên Hysys bởi Pipe Segment Operation. Nhà máy được đặt tại nơi có địa hình phức tạp độ cao thay đổi, vì vậy cần phải tính đến yếu tố này trong hệ thống đường ống dẫn thu gom khí về nhà máy. Các thiết bị trộn hỗn hợp (Mixer) được sử dụng tại các điểm nơi mà các dòng từ các giếng riêng biệt được kết hợp và dẫn vào các đường ống chung. Mục tiêu Khi hoàn thành module này, bạn có thể sử dụng Pipe Segment trong Hysys để thiết kế hệ thống đường ống. Yêu cầu Biết cách đặt dòng và các thao tác cần thiết. Tổng quan về quá trình công nghệ Đường kính của mỗi nhánh là: Pipe Branch Diameter Branch 1 76.2mm ( 3’’ ) Branch 2 76.2mm ( 3’’ ) Branch 3 76.2mm ( 3’’ ) Branch 4 101.6mm ( 4’’ ) Branch 5 76.2mm ( 3’’ ) Branch 6 152mm ( 6’’ ) Branch 7 152mm ( 6’’ ) 40 ống thép được sắp xếp đưa vào sử dụng ở các nơi và tất cả các nhánh được chôn ở độ sâu 1m (3 feet). Tất cả các đường ống không có vỏ bọc bảo vệ. Dữ liệu độ cao của các nhánh ống được cung cấp trong bảng sau. Các nhánh đi qua những địa hình mấp mô được chia ra thành những đoạn ở những điểm có độ dốc thay đổi đáng kể. Đó là những vị trí trong mạng lưới được đánh dấu trên giản đồ với giá trị độ cao thay đổi. Branch Segment Length Meter (feet) Elevation Meter (feet) Elevation Change Meter (feet) Branch 1 GasWell 1 639 (2095) 1 150 (500) 645 (2110) 6 (15) 2 125 (410) 636.5 (2089) -6.5 (-21) 3 100 (325) 637 (2090) 0.5 (1) Branch 2 GasWell 2 614 (2015) 1 200 (665) 637 (2090) 23 (75) Branch 3 GasWell 3 63505 (2085) 1 160 (525) 648 (2125) 12.5 (40) 2 100 (325) 634 (2080) -14 (-45) 3 205 (670) 633 (2077) -1 (-3) Branch 4 Branch 1&2 637 (2090) 1 355 (1165) 633 (2077) -4 (-13) Branch 5 GasWell 4 632.5 (2075) 1 180 (590) 625 (2050) -7.5 (-25) 2 165 (540) 617 (2025) -8 (-25) Branch 6 Branch 3&4 633 (2077) 1 300 (985) 617 (2025) -16 (-52) Branch 7 Branch 5&6 617 (2025) 1 340 (1115) 604 (1980) -13 (-45) Sơ đồ công nghệ Thực hiện mô phỏng Hệ thống thu gom khí đưa vào nhà máy sẽ được thiết kế dựa trên phương trình trạng thái Peng Robinson. Các cấu tử có trong Fluid Package được lấy từ Module 1, Getting Started như thành phần các cấu tử nhận được từ sắc ký khí Cũng có thể nhập các cấu tử từ Module 5 (hàm lượng của 4 dòng khí từ giếng khoan khai thác khí). Những thành phần được đưa vào trong Fluid Package bao gồm N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, C7+*, H20, NBP[0]78*, NBP[0]162*, NBP[0]245*, NBP[0]318*, NBP[0]431* Thông số của bốn dòng khí trên có các giá trị trong bảng sau: GasWell 1 GasWell 2 GasWell 3 GasWell 4 Temperature, °C (°F) 40 (105) 45 (115) 43 (110) 35 (95) Pressure, kPa (psia) 4135 (600) 3450 (500) Flow, kgmole/h (lbmole/hr) 425 (935) 375 (825) 575 (1270) 545 (200) 1. Nhập các đường ống Pipe Segment được sử dụng để mô phỏng nhiều dạng đường ống khác nhau từ hệ thống đường ống dẫn khí một pha hoặc nhiều pha đến những hệ thống đường ống phức tạp nhiều nhánh với những điều kiện nhiệt độ nghiêm ngặt, cho đến những vấn đề phức tạp của toàn bộ hệ thống. Điều đó cần đến hai lý thuyết tương quan độ giảm áp suất được phá triển bởi Gregory, Aziz, Mandhane, và Beggs, Brill. Một lý thuyết thứ 3, OLGAS, cũng có giá trị như phương pháp gradient. Bốn mức độ phức tạp khác nhau trong đánh giá quá trình truyền nhiệt cho phép bạn tìm ra một giải pháp với yêu cầu khắt khe đồng thời khái quát các giải pháp để giải quyết các vấn đề đặt ra. The Pipe Segment cung cấp 3 cách thức tính toán: Pressure Drop, Flow, and Length. Chế độ thích hợp sẽ tự động được lựa chọn tùy thuộc vào các thông tin được cung cấp. Để giải quyết bài toán đường ống, bạn phải cung cấp đủ thông tin cần thiết để thực hiện tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. Trong mô phỏng này, chúng tôi sử dụng 7 tuyến ống riêng lẻ cho hệ thống thu gom khí. Ngoài ra, mỗi tuyến ống hoạt động có thể chứa nhiều phân đoạn tương ứng với sự tăng và giảm độ cao. biểu tượng Pipe Segment 2. Nhập tuyến ống đầu tiên Nhắp đúp vào biểu tượng Pipe Segment Chọn Connections page Trong Connections page, nhập tên của các dòng vào Feed, dòng ra Product và dòng năng lượng Khi hoàn thành Connections page như trong hình dưới đây: Chọn Parameters page Trong trang này, bạn có thể lựa chọn phương pháp gradient được sử dụng cho 2 giai đoạn tính toán dòng chảy. Các sự lựa chọn là: • Gregory Aziz Mandhane • Beggs and Brill • OLGAS Tất cả đường ống trong ví dụ này sử dụng phương pháp Beggs and Brill để thể hiện sự tương quan giữa 2 giai đoạn. Việc giảm áp suất trong đường ống được cung cấp trên Parameters Page. Trong ví dụ này, nó được bỏ trống và tự tính toán. 3. Rating tab Dimensions page Trên trang Sizing Page, bạn mô tả chiều dài – độ cao cho Pipe Segment. Mỗi đoạn ống và mối nối được sử dụng như là Segment. Để xác định đầy đủ tính chất của đoạn ống nối, bạn phải xác định đầy đủ tính chất của pipe schedule, diameters, pipe material và gia số. Đường ống đầu tiên, Branch 1 được chia thành 3 phân đoạn: Thêm đoạn ống đầu tiên vào hệ thống bằng cách nhấn nút Add Segment. Chỉ định các thông tin cho đoạn ống In this cell... Enter... Fitting/Pipe Pipe Length 150 m (500 ft) Elevation Change 6 m (15 ft) Để xác định đường kính ống nhấn nút View Segment Chọn Schedule 40 as the Pipe Schedule Từ Available Nominal Diameters group, chọn đường kính ống là 76,20 mm (3 inch) và nhấn nút xác nhận. Đường kính Outer và Inner sẽ tự động được tính toán bởi Hysys. Sử dụng default Pipe Material, chọn thép cacbon thấp và mặc định Roughness, 4.572e-5 m Hai chi tiết phân đoạn cần để hoàn tất thông số các nhánh In this cell... Enter... Enter... Segment 2 3 Fitting/Pipe Pipe Pipe Length 125 m (410 feet) 100 m (325 feet) Elevation -6.5 m (-21 feet) 0.5 m (1 feet) Schedule 40 40 Nominal Diameter 76.2 mm (3 inch) 76.2 mm (3 inch) Khi cả ba đoạn ống đã được nhập vào và xác định, trên màn hình sẽ thể hiện như trong hình dưới: Cho đến lúc này Pipe Segment chưa được tính toán vì chưa có các thông tin về đặc tính truyền nhiệt của đường ống. Trao đổi nhiệt Trong trang này, bạn chọn phương pháp để Hysys tính toán truyền nhiệt Bạn có thể tùy chọn xác định các thông tin về truyền nhiệt bởi một đoạn ống (By Segment) hay toàn bộ hệ thống (Overall) By Segment: chọn nhiệt độ môi trường và hệ số truyền nhiệt HTC (Heat Transfer Coefficient) cho mỗi đoạn ống đã được tạo ra trong Diameters Page Overall : Một trong bốn phương pháp tính toán truyền nhiệt có thể áp dụng cho toàn bộ đường ống: + Phương pháp công suất (Duty method): Nếu toàn bộ công suất nhiệt của đoạn ống được biết, cân bằng năng lượng sẽ được tự động tính toán ngay. Coi lượng nhiệt mất mát là như nhau tại mọi đoạn ống. + Dòng nhiệt độ: Nếu cả nhiệt độ dòng vào và dòng ra, nhiệt độ môi trường được xác định, một đường tuyến tính được giả định và toàn bộ nhiệt lượng sẽ được tính toán. + Xác định hệ số truyền nhiệt chung: Nếu hệ số truyền nhiệt chung và nhiệt độ môi trường đã biết, thì việc tính toán truyền nhiệt trên từng đoạn ống sẽ được tính toán chính xác. + Đánh giá Hệ số truyền nhiệt: hệ số truyền nhiệt HTC toàn hệ thống có thể tìm thấy từ các thành phần • Sự đối lưu lớp mỏng bên trong • Độ dẫn nhiệt/Sự đối lưu bên ngoài • Độ dẫn nhiệt qua lớp cách nhiệt Đối với tất cả đường ống trong mô phỏng này, sử dụng phương pháp Overall và xác định hệ số truyền nhiệt Đặt nhiệt độ môi trường Ambient Temperature là 5°C (40°F) Trong nhóm Heat Transfer Coefficient Estimation, cung cấp các thông tin dưới đây: Bên trong (Inside): Bên ngoài (Outside) – Mọi thông số được mặc định: Độ dẫn nhiệt Conduction- Mọi thông số đều được mặc định, ngoại trừ chiều dày lớp cách nhiệt phải thay đổi đến giá trị 0: 4. Hoàn thành việc mô phỏng Nhập tiếp các bộ phận còn lại của công nghệ: Thêm hai phân đoạn ống (nhánh 2 và 3) với những giá trị sau đây: In this cell... Enter... Connections Name Branch 2 Feed GasWell 2 Product B2 Out Energy B2-Q Dimensions Segment 1 Length 200 m (655 ft) Elevation 23 m (75 ft) Nominal Diameter 101.6 mm (4 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC In this cell... Enter... Connections Name Branch 3 Feed GasWell 3 Product B3 Out Energy B3-Q Dimensions Segment 1 Length 160 m (525 ft) Elevation 12.5 m (40 ft) Nominal Diameter 76.2 mm (3 in) Segment 2 Length 100 m (325 ft) Elevation -14 m (-45 ft) Nominal Diameter 76.2 mm (3 in) Segment 3 Length 205 m (670 ft) Elevation -1 m (-3 ft) Nominal Diameter 76.2 mm (3 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC Thêm một Thiết bị trộn (Mixer) với các thông tin sau: In this cell... Enter... Connections Name Junction 1 Feed B1 Out, B2 Out Product J1 Out Parameters Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet Thêm hai phân đoạn ống (nhánh 4 và 5) với những giá trị được cung cấp trong bảng sau: Branch 4: In this cell... Enter... Connections Name Branch 4 Feed J1 Out Product B4 Out Energy B4-Q Dimensions Segment 1 Length 355 m (1165 ft) Elevation -4 m (-13 ft) Nominal Diameter 101.6 mm (4 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC Branch 5: In this cell... Enter... Connections Name Branch 5 Feed GasWell 4 Product B5 Out Energy B5-Q Dimensions Segment 1 Length 180 m (590 ft) Elevation -7.5 m (-25 ft) Nominal Diameter 76.2 mm (3 in) Segment 2 Length 165 m (540 ft) Elevation -8 m (-25 ft) Nominal Diameter 76.2 mm (3 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC Thêm thiết bị trộn nữa (Mixer): In this cell... Enter... Connections Name Junction 2 Feed B3 Out, B4 Out Product J2 Out Parameters Pressure Assignment Equalize All 5. Thêm phân đoạn ống (nhánh 6): In this cell... Enter... Connections Name Branch 6 Feed J2 Out Product B6 Out Energy B6 – Q Demensions Segment 1 Length 300 m(985 ft) Elevation -16 m (-52 ft) Nominal Diameter 152.4 mm (6 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC Thêm thiết bị trộn nữa (Mixer): In this cell... Enter... Connections Namez Junction 3 Feed B5 Out, B6 Out Product J3 Out Parameters Pressure Assignment Equalize All Thêm phân đoạn ống (nhánh 7) với các thông số sau: In this cell... Enter... Connections Name Branch 7 Feed J3 Out Product B7 Out Energy B7-Q Dimensions Segment 1 Length 340 m (1115 ft) Elevation -13 m (-45 ft) Nominal Diameter 152.4 mm (6 in) Heat Transfer Estimate Inner, Outer and Conduction HTC Lưu case đã hoàn thành! Chuyển case thành một template và Lưu! Phân tích kết quả Nếu đã lưu case, đóng bản lưu thì bây giờ hãy mở case lưu ra. Trang Profiles trong thẻ Performance cung cấp một bảng tóm tắt thông số cho các phân đoạn. Khoảng cách, độ cao, số lượng các đoạn nhỏ được hiển thị cho từng phân đoạn Nhấn nút View Profile , bạn truy cập vào Pipe Profile, trong đó bao gồm thẻ Table và thẻ Plot. Thẻ Table gồm các thông tin các đoạn nhỏ trong các tuyến ống (increment along the Pipe Segment) + Chiều dài + Độ cao + Áp suất + Nhiệt độ + Truyền nhiệt + Chế độ chảy + Chênh lệch ma sát (Friction Gradient) + Chênh lệch về thuỷ tĩnh (Static Gradient) + Accel Gradient + Lượng lỏng và chỉ số Reynolds của hơi + Lượng lỏng và vận tốc hơi Plot tab hiển thị số liệu dạng biểu đồ trên Table tab Mở Branch 1 và kiểm tra Table và Plots trong Profile tab Thực hành với Simulation Bài tập 1 Lưu lượng khí được sản xuất từ giếng 2 (GasWell 2) tăng lên đến 1000 kgmole/h (2200lbmole/hr). Có thể sử dụng đường ống hiện thời để dẫn dòng khí có lưu lượng tăng lên như vậy không? Nếu không, thì đường ống dẫn khí mới của nhánh 2 (Branch 2) cần phải có đường kính là bao nhiêu? Còn phần nào khác nữa của hệ thống đường ống dẫn cần phải thay đổi? Thực hành Có người đã đi ra hiện trường và đo nhiệt độ, áp suất của khí tới nhà máy khí: T = 38°C (100oF) và P = 7457 kPa (1080 psia). Sử dụng HYSYS, hãy xác định áp suất của mỗi dòng khí từ giếng khoan là bao nhiêu? Gợi ý: bạn cần phải thực hiện một vài thay đổi cho tới khi bài toán được giải quyết (chương trình chạy hội tụ).