فشار سنجی تفاضلی در صنعت نفت

فشار سنجی تفاضلی:
فشارسنجی تفاضلی شامل قرار دادن یک مانع (ابزار) در مسیر جریان سیال درون لوله است.

در اثر این اتفاق، مانعی که در سر راه سیال ایجاد می شود، اختلاف فشاری در دو طرف مسیر ایجاد می کند. ابزارهایی که برای این فرآیند از آن استفاده می کنند عبارتند از:

• «صفحه سوراخ دار» (Orifice Plate).
• «لوله ونتوری» (Venturi Tube).
• «نازل جریان» (Flow Nozzle).
• «لوله جریانی دال» (Dall Flow Tube).

این ابزارها در تصویر زیر نشان داده شده اند.

در تمامی این روش ها فرض بر این است که جریان بالادستی موانع، در حالت «پایدار» (Steady-State) قرار دارد و برای وقوع چنین شرایطی نیز یک طول حداقل در پیش روی نقطه سنجش در نظر می گیرند.

این طول حداقلی برای لوله ها با قطرهای مختلف در جداول آورده شده است اما بر اساس یک قانون سرانگشتی، این طول، ده برابر قطر لوله در نظر گرفته می شود. درصورتیکه موانع فیزیکی، مانع از ایجاد این طول باشند می توان از «پره های آرام کننده جریان» (Smoothing Vanes) درست بعد از نقطه سنجش استفاده کرد.

این نوع از ابزارهای سنجش جریان به دلیل اینکه هیچ قطعه متحرکی ندارند، مقاوم و قابل اعتماد هستند و تعمیر و نگهداری آن ها نیز بسیار ساده است.

از نقاط ضعف این روش باید به افت فشار دائمی ایجاد شده در مسیر سیال جریانی اشاره کرد. مقدار و اهمیت این افت فشار به نوع ابزار مورد استفاده بستگی دارد اما در شرایطی که این افت فشار، شدید باشد باید برای بازیافت این فشار از پمپ های کمکی در فواصل دورتر استفاده کرد.

این نوع از روش های سنجش فشار برای «دوغاب» (Slurry) مناسب نیست چراکه با مشکل مسدود شدن مسیر عبوری مواجه هستیم.

البته لوله ونتوری را می توان برای دوغاب رقیق بکار برد. تصویر زیر به طور تقریبی، نحوه بهم خوردن الگوی جریان را به هنگام استفاده از صفحه سوراخ دار (اوریفیس) نشان می دهد. سایر ابزارها نیز تأثیری مشابه بر الگوی جریان دارند. یکی از حقایق جالب در این روش این است که کمینه سطح مقطع جریانی، در محل نصب ابزار اتفاق نمی افتد بلکه این اتفاق در مسیر پیش رو و بعد از آن رخ می دهد.

برای فهم این روش در بررسی تجهیزات ابزار دقیق در صنعت نفت نیازمند دانش در خصوص الگوی تغییرات فشار نیز هستیم که تصویر آن در زیر آورده شده که در این تصویر می بینیم نقطه حداقلی فشار، منطبق با کمترین سطح مقطع جریان است. این تصویر همچنین نشان می دهد که کمی افزایش فشار، به طور دقیق قبل از محل قرارگیری ابزار وجود دارد.

بنابراین، می بینیم که محل اندازه گیری فشار در نقطهP1باید قبل از افزایش فشار و در نقطهP2باید در محل کمترین سطح مقطع جریانی باشد.

در صورتی که انتقال حرارتی نداشته باشیم و سیال را تراکم ناپذیر و جریان آ ن را بدون اصطکاک در نظر بگیریم، نرخ جریان حجمی سیال (Q) از رابطه زیر به دست می آید:

• A1: سطح مقطع جریان سیال، قبل از مانع (دستگاه).
• P1: فشار جریان سیال، قبل از مانع (دستگاه).
• A2: سطح مقطع جریان سیال، بعد از مانع (دستگاه.
• P2: فشار جریان سیال، بعد از مانع (دستگاه).
• ρ: چگالی سیال.

از رابطه بالا به دلایل مختلفی، هیچ گاه نمی توان استفاده کرد. اول این که هیچ وقت به شرایط جریان بدون اصطکاک نمی رسیم.

با این وجود، در شرایطی که جریان «آشفته» (Turbulent) در لوله ای صاف داشته باشیم، اصطکاک پایین خواهد بود که به کمک عدد رینولدز می توانیم نوع جریان را مشخص کنیم.

دلیل دوم این است که مقادیرA1وA2 کمتر از قطر لوله هستند و در نتیجه، نمی توان آن ها را محاسبه کرد. برای حل این مشکل، رابطه بالا را به شکل زیر تصحیح می کنیم:

در رابطه بالاA′1وA′27، قطر لوله قبل و در موقعیت مانع هستند وCD نیز یک ثابت موسوم به «ضریب تخلیه» (Discharge Coefficient) است و بمنظور توصیف عدد رینولدز و اختلاف بین قطر لوله و جریان به کار می رود.

قبل از این که بتوانیم از رابطه بالا استفاده کنیم باید ضریب تخلیه محاسبه شود. از آن جایی که این مقدار، در هر اندازه گیری تغییر می کند، در اولین نگاه اینطور به نظر می آید که این ضریب باید در هر حالت، به صورت آزمایشگاهی تعیین شود.

با این وجود، اگر شرایط مشخصی داشته باشیم، می توان به کمک جداول استانداردی، ضریب تخلیه را به دست آورد.

از جمله مشکلاتی که به هنگام استفاده از این نوع ابزار با آن مواجه می شویم این است که افت فشار(P1−P2)با توان دوم نرخ جریان(Q) تغییر می کند.

در حقیقت، اندازه گیری اختلاف فشار های کم به کمک این ابزارها، مشکلاتی را به همراه دارد. در نتیجه، این روش تنها برای اندازه گیری نرخ جریانی کاربرد دارد که شامل 30 تا 100 درصد حد نهایی جریان قابل تحمل دستگاه باشد.

این امر بدین معنی است که برای سنجش جریان هایی که ممکن است به کمتر از 30 درصد حد نهایی شدت جریان برسند، روش متفاوتی مورد نیاز خواهد بود.

صفحه سوراخ دار:
صفحه سوراخ دار (اوریفیس پلیت) به یک صفحه (دیسک) فلزی می گویند که در مرکز، شامل یک سوراخ باشد. این صفحه را درون لوله حامل جریان قرار می دهند. صفحه سوراخ دار راهی ارزان و ساده برای اندازه گیری جریان است که در اندازه های مختلف می توان آن را پیدا کرد.

در نتیجه، به هنگام بررسی ابزار دقیق در صنعت نفت باید به این نکته نیز پرداخت که در حدود 50 درصد ابزار دقیق در صنایع، برای سنجش دبی حجمی جریان، از صفحه سوراخ دار استفاده می کنند.

از جمله محدودیت های این روش این است که خطای آن بین 2 تا 5 درصد گزارش می شود. همچنین، افت فشار دائمی که ایجاد می شود بین 50 تا 90 درصد مقدار اختلاف فشار(P1−P2)خواهد بود.

از جمله مشکلات دیگر صفحه سوراخ دار، تغییر ضریب تخلیه در طول مدت زمان استفاده است زیرا لبه های تیز این صفحه به آرامی از بین می روند و ذرات مختلف در جریان عبوری، به پشت این صفحه می چسبند و در نتیجه، با گذشت زمان، به آرامی قطر این صفحه کوچک می شود.

از راه های حل مشکل ذکر شده این است که از یک سوراخ در پایین دیسک (به جای مرکز) استفاده کنیم. اگر این صفحه، نزدیک به پایین لوله قرار داشته باشد، مواد جامد در جریان عبوری، از میان صفحه گذر خواهند کرد و تجمع ذرات، پشت صفحه به حداقل می رسد.

مشکل مشابهی نیز زمانی به وجود می آید که جریان حبابی یا بخار و گاز در سیال جریانی داشته باشیم. این امر سبب تجمع حباب و گاز در پشت اوریفیس و آشفتگی جریان می شود. برای غلبه بر این مشکل نیز بهتر است صفحه را در مسیر عمودی جریان قرار دهیم.

ونتوری و ابزارهای مشابه:
ابزارهای سنجش جریانی ساخته شده اند که به طور ویژه برای کاهش افت فشار در سیال به هنگام اندازه گیری، طراحی شده اند.

این ابزارها نام های متفاوتی از جمله ونتوری، نازل جریان و «لوله دال» (Dall Flow Tube) دارند. این ابزارها، قیمت بسیار بیشتری نسبت به صفحه سوراخ دار دارند اما عملکرد آن ها به مراتب بهتر است.

در این ابزارها، جریان در پشت مانع جمع نمی شود و در نتیجه، مشکل تجمع ذرات و گازها را نخواهیم داشت که این مورد همچنین سبب عمر بالای آن ها می شود. علاوه بر این، این ابزارها به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارند و دقت اندازه گیری در آن ها بیشتر است.

ونتوری، لوله ای مهندسی شده با شکلی ویژه را شامل می شود که خطای آن در حدود 1 درصد است. با این وجود، در ساخت این ابزار از روش های ماشین کاری پیچیده ای استفاده می شود که سبب افزایش هزینه تولید آن خواهد بود. افت فشار دائمی در این سیستم، بین 10 تا 15 درصد اختلاف(P1−P2) ذکر می شود.

لوله دال شامل دو لوله مخروطی شکل است که درون لوله جریان قرار دارد. شکل این لوله شباهت بسیاری به شکل داخلی یک ونتوری دارد با این تفاوت که فاقد گلوگاه است.

تولید این ابزار، بسیار ساده تر از ونتوری ذکر می شود و به همین دلیل، هزینه کمتری هم دارد اما خطای آن در حدود 1/5 درصد گزارش شده است. از نقاط قوت این ابزار باید به افت فشار دائمی آن اشاره کرد که تنها در حدود 5 درصد از اختلاف فشار(P1−P2)
است.

نازل جریان نسبت به ونتوری و دال، ساده تر تولید می شود و به همین دلیل، ارزان تر از هر یک از دو ابزار بالا به شمار می آید اما افت فشار ایجاد شده، بین 30 تا 50 درصد از اختلاف فشار(P1−P2) ذکر می شود.