Doğal gaz dağıtım şebekesinde yoğuşma sıvısının oluşumunun incelenmesi ve oluşumun önlenmesi
Examination of condensation liquid formation in natural gas distribution network and prevention of formation
Yazar: EYÜP NUMAN AYTAŞ
Danışman: PROF. DR. ALİ VOLKAN AKKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
35-70 bar seviyelerinden iletim hatlarından İstanbul'un şehir giriş istasyonlarına taşınan doğal gaz, şehir şebekesinde kademeli olarak 1 bar mutlak basınca kadar düşürülmektedir. Basınç düşürme işlemleri esnasında, basınç düşürme için yürütülen çalışmalar sırasında doğal gaz sıvıları ile karşılaşılmıştır. Doğal gaz dağıtım hatlarında bulunan, özellikle bölge istasyonlarında, servis kutularında, müşteri tesisatları ve sayaçlarında doğal gaz sıvısı oluşumu ile karşılaşılmaktadır. Doğal gaz sıvısı oluşumu neticesinde işletmenin güvenli ve sürekli şekilde doğal gaz arzının sağlanması, yakıcı cihazlarda verim kaybı gibi sorunlar oluşturmaktadır.
Tezin amacı genel olarak doğal gaz sıvılarının şehir giriş istasyonlarındaki C6+ kromatograf verilerinden yola çıkılarak literatürde kabul görmüş indirekt metotlarla sıvı oluşumunun ilk aşamada tespitinin yapılması için yeni bir model oluşturulması ve sıvı oluşumunun engellemesine yönelik çözüm önerilerinin geliştirilmesidir. Model oluşturulurken öncelikle direkt olarak ölçülen C6+ verisi dört farklı metotla indirekt olarak C6/C7/C8 verisine dönüştürülmüştür. İndirekt metotla elde edilen C8+ verisi, direkt ölçümle elde edilmiş C6+ verisinin dağılımı baz alınarak C9-C19 arası ağır hidrokarbon yoğunluğu deneysel olarak dağıtılmıştır. Elde edilen deneysel veriler Peng-Robinson (PR) ve Soave-Redlich-Kwong (SRK) durum denklemleri kullanılarak hidrokarbon çiğlenme noktası sıcaklığı tespiti yapılmıştır. İndirekt metotla elde edilen deneysel verilerin analizi sonucu sahada karşılaşan oluşumla örtüştüğü görülmüştür. Şehir giriş istasyonlarında C6+ direkt ölçüm verisinin indirekt olarak hesaplanan kritik basınç ve sıcaklık değeri iki farklı istasyon için 30.72 bar /-50.87 oC ve 28.14 bar /-52.33 oC olarak hesaplanmıştır. Doğal gaz sıvısı oluşumun yoğunlaştığı bölge reglaj ve ölçüm istasyonlarında çiğlenme noktası sıcaklığının tespitine yönelik oluşturulan modelle 10.82 bar basınçta 4.21 oC kritik sıcaklık ve 11.25 bar basınçta 8.27 oC kritik sıcaklık mertebesine çıkma olasılığının olduğu görülmüştür. Elde edilen deneysel analizler ve indirekt ölçümler neticesinde iki fazlı oluşumunun varlığı ortaya konulmuştur. RM-B istasyonunda meydana gelen faz değişimi sonucu polietilen hatlarda iki fazlı akış rejimleri ve borular içerisinde taşınım modelleri incelenmiştir.
RM-A istasyonlarında turbo-genişletici uygulaması, RM-B istasyonlarında sıvı separatörü uygulaması ve RM-B istasyonlarında ısıtıcı uygulaması olmak üzere sıvı oluşumuyla alakalı üç farklı alternatif çözüm ortaya konulmuş ve çözümler detaylı olarak incelenmiştir. Beraberinde özellikle RM-A istasyonlarında yapılan ön ısıtma ile revizyonlar öngörülmüş ve bunlarla ilgili analiz sonuçları paylaşılmıştır.
Çözüm alternatifleri kendi içinde teknik ve maliyet açısından kıyaslanmıştır. RM-A istasyonlarında gazın ilk teslim noktasında reglaj hatları öncesi turbo-genişletici uygulaması ile ilgili kapasite hesaplaması yapılmış ve istasyon başına bütün geçen akışın soğutulup ağır hidrokarbonların ayrıştırılmasına yönelik 20 MW'lık bir turbo-genişletici ihtiyacı ortaya konulmuştur. Turbo-genişletici uygulaması kalıcı bir çözüm olmakla birlikte uygulaması zor ve yüksek maliyetli olduğu ortaya konulmuştur. RM-B istasyonlarında sıvı separatörü uygulaması sahada problem yaşanan istasyonlar ve tüm istasyonlar açısından değerlendirilmiştir. İstasyonların 5000 m3/h'lik tam kapasitesi üzerinden geçen gaz kompozisyonu ve beraberinde ağır hidrokarbon miktarına göre ihtiyaç duyulan separatör hacimleri hesaplanmıştır. Sorun yaşanan istasyonlara hızlı ve düşük maliyetli bir şekilde uygulanırlığı ortaya konulmuştur. Sıvı oluşumunun engellenmesindeki üçüncü çözüm olan RM-B istasyonlarında giriş gazının oluşması muhtemel iki faz başlangıç kritik sıcaklık noktası olan 8 oC'nin üstüne ısıtılması değerlendirilmiştir. RM-B öncesi ısıtma uygulaması iki fazlı oluşumu reglaj esnasında engellemekte ancak beraberinde ağır hidrokarbonları ayrıştırmamaktadır.
Çözüm alternatiflerin maliyet hesaplamaları bir değere getirilmiş maliyet metodu ile hesaplanmış ve birim doğal gaz başına maliyet bulunmuştur. Sırasıyla turbo-genişletici için 0.108 cent/m3, Sıvı separatörü için 0.0039 cent/m3 ve RM-B ısıtıcısı için 0.0146 cent/m3 hesaplanmıştır. Alternatiflere ait elde edilen tüm sonuçlar kıyaslanarak en uygun çözüm ortaya konulmuştur.

Abstract:
Natural gas is transported from the transmission lines to the city gate stations of Istanbul at 35-70 bar and gradually reduced to 1 bar absolute pressure in the city distribution network. During the pressure reduction operations, natural gas liquids is occuring during the works carried out for pressure reduction. Natural gas liquid formation is observed in natural gas distribution lines, especially in regional stations, service boxes, customer installations and meters. As a result of the formation of natural gas liquid, problems such as ensuring a safe and continuous supply of natural gas in the enterprise, loss of efficiency in combustion devices.
In this dissertation, indirect measurement of hydrocarbon dew point is analyised and calculated by using C6+ chromatograph data. Indirect calculation methods are based on accepted literatures, also new method is developed to approach a reliable hydrocarbon dew point for district regulation and metering stations. Model in this article based on directly measured C6+ data is converted to C6/C7/C8 data indirectly by four different methods. Heavy hydrocarbons between C9-C19 is experimentally distributed based on distribution of C8+ data acquired by indirect method and C6+ data acquired by direct measurement. Hydrocarbon dewpoint temperature is determined by using experimental data Peng-Robinson (PR) and Soave-Redlich-Kwong (SRK) equations of state. As a result of the analysis of experimental data acquired by indirect method, it is understood that it coincides with the formation encountered in the field. Indirectly calculated critical pressure and temperature value of C6+ direct measurement data at city gate stations is calculated as 30.72 bar /-50.87 oC ve 28.14 bar /-52.33 oC for two different stations. A model has been developed for the determination of the dew point temperature in the regulation and measurement stations where the liquefaction of natural gas occurs. It has been observed that the possibility of reaching the critical temperature of 4.21°C at a pressure of 10.82 bar and the critical temperature of 8.27°C at a pressure of 11.25 bar. The presence of two-phase formation has been revealed as a result of experimental analysis and indirect measurements. Two-phase flow regimes and transport models in polyethylene pipes were investigated due to the phase change that occurred at the RM-B station. 
Three different alternative solutions related to liquid formation were proposed, namely Turboexpander application at RM-A stations, liquid separator application at RM-B stations, and heater application at RM-B stations, and the solutions were examined in detail. In addition, revisions were foreseen in particular with the preheating carried out at RM-A stations, and the analysis results related to these revisions were shared. 
The alternative solutions were compared in terms of technical and cost aspects. Capacity calculation for Turboexpander application was carried out at the gas delivery point prior to the regulation lines in RM-A stations, and a 20 MW Turboexpander requirement for cooling the entire passing flow and separating heavy hydrocarbons was determined per station. While Turboexpander application is a permanent solution, it was found to be difficult and costly to implement. Liquid separator application at RM-B stations was evaluated for both stations experiencing problems in the field and all stations. The required separator volumes were calculated according to the gas composition and heavy hydrocarbon amount passing through the stations at their full capacity of 5000 m3/h. It was shown that it can be applied quickly and at low cost to the stations experiencing problems. The third solution for preventing liquid formation, which is heating the inlet gas to the RM-B stations above the starting critical temperature of 8 °C, was evaluated. Preheating at RM-B prevents two-phase formation during regulation but does not separate heavy hydrocarbons. 
Cost calculations for the alternative solutions were carried out using the levelized cost method and the unit energy cost was calculated for Turboexpander (0.108 cent/m3), liquid separator (0.0039 cent/m3), and RM-B heater (0.0146 cent/m3), respectively. All results obtained for the alternatives were compared, and the most appropriate solution was determined.