Doğalgaz boru hattı sistemi tasarımı için grafiksel kullanıcı arayüzlü simülasyon programı geliştirilmesi
Development of a simulation program for natural gas pipeline system design with a graphical user interface
Yazar: EMRE YÜREKLİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği = Petroleum and Natural Gas Engineering
Dizin: Doğal gaz boru hatları = Natural gas pipelines

Özet:
Modern boru hattı sistemleri, gazın kaynaktan kullanılacak tesise güvenli ve düşük maliyetli bir şekilde taşınmasını sağlayan tasarımlar gerektirir. Kavramsal tasarımın tamamlanmasından sonra gerçekleştirilen Temel Mühendislik Tasarımı (FEED), teknik konuları yapılandırmayı ve projenin yatırım maliyetlerini kabaca tahmin etmeyi sağlar. "Nihai Yatırım Kararı", Petrol ve Gaz Endüstrisinde projeyi gerçekleştirmek için her şeyin başladığı noktadır. Bu noktada, FEED çalışmalarına katkıda bulunan NatGasDesign adlı yeni bir simülasyon programı, ölçüm, blok vana ve kompresör istasyonları dahil olmak üzere gömülü doğal gaz boru hattı sistemi tasarımının akış analizi için geliştirilmiştir. Bu çalışmada, doğal gaz boru hattı tasarım programı olan NatGasDesign, grafiksel kullanıcı arayüzü (GUI) ile geliştirilmiş ve test edilmiştir. NatGasDesign, sürtünme ve boru hattının yükseklik profili nedeniyle meydana gelen sürekli yük kayıplarını, akış hızı, boru pürüzlülüğü, boru uzunluğu ve çapı ile doğal gazın termodinamik özelliklerinin bir fonksiyonu olarak hesaplar. Tahminler için kullanılan yükseklik profili coğrafi bilgi sisteminden alınmıştır. Boru hattındaki akış hızı, kütle sürekliliğinden hesaplanır. Süreklilik denkleminde kullanılan yoğunluk, yerel basınç, sıcaklık ve sıkıştırılabilirlik faktöründen hesaplanır.  Sürekli yük kayıpları için kullanılan sürtünme faktörü, türbülanslı akış için Haaland Denkleminden 
hesaplanır. Yerel kayıplar, boru hattının yerel bileşenlerinden ve dirseklerden hesaplanır. Basınç, hız ve yer seviyesinden yükseltisi nedeniyle, boru hattı boyunca gazın enerji korunumu, Bernoulli Denklemi ile ifade edilir. İdeal gaz yasası, doğal gazın düşük basınç ve sıcaklık koşullarındaki davranışını yeterince tahmin eder. Ancak, tipik doğal gaz boru hattı akış koşullarında, gaz yoğunluğunu hesaplamak için gerçek gaz denkleminin durum denklemi olarak kullanılması gerektiği bilinmektedir. Durum denkleminde kullanılmak üzere deneysel sabitlere bağlı olarak belirli bağıntılardan Sıkıştırılabilirlik Faktörü hesaplanır. Sıcaklık değişimi için gaz ile toprak arasındaki ısı transferi ve Joule Thomson soğuma etkisi dikkate alınarak tahminler yapılmıştır. Gaz viskozitesi, gaz sıcaklığı ve yoğunluğun bir fonksiyonu olarak hesaplanır. Doğal gazın özgül ısısı da aynı şekilde, gazın özgül ağırlığı, basınç ve sıcaklığın bir fonksiyonu olarak hesaplanır. Kompresör gücü, boru hattı boyunca teslim noktasına kadar meydana gelen tüm yük kayıplarını karşılamalıdır. Çalışma tasarım noktasına göre bir kompresör gücü hesaplanır. NatGasDesign kararlı durum akış analizine dayanır ve tüm boru hattı boyunca basınç düşüşünü başarıyla hesaplar. Mevcut metodolojinin doğrulanması için bir test durumu olarak bir doğal gaz boru hattı modeli kullanılmıştır. Mevcut öngörüleri doğrulamak için köklü bir ticari yazılım olan PIPESIM kullanılmıştır. NatGasDesign tarafından boru hattı boyunca öngörülen basınç değişim sonuçları ve iyi bilinen PIPESIM yazılımı tarafından elde edilen sonuçlar mevcut saha ölçümleriyle karşılaştırılmıştır. Doğrulama için mevcut çalışmada, Azerbaycan'dan İtalya'ya kadar devam eden ve Türkiye'den geçen TANAP doğal gaz boru hattı kullanılmıştır. Yıllık akış kapasitesi 1,9 milyar m3 olan akış şartlarında oluşan basınç kayıpları, NatGasDesign ile PIPESIM kullanılarak hesaplanmış ve sonuçlar arasında iyi bir uyum gözlenmiştir. İkinci senaryo olarak, saha ölçümlerinin henüz mevcut olmadığı 16,2 milyar m3/yıl akış kapasitesi için öngörüler yalnızca PIPESIM sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve tekrar sonuçlar arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür.

Abstract:
Modern pipeline systems require designs that ensure safe and cost-effective transportation of gas from the source to the processing facility. Front End Engineering Design (FEED) which is conducted after completion of conceptual design provides to configure technical issues and estimate rough investment costs of the project. "Final Investment Decision" is the point at which everything is in place to realize the project in Oil & Gas Industry.  At this point, a new simulation program, NatGasDesign, to contribute FEED studies has been developed for flow analysis of buried natural gas pipeline system design including metering, block valve and compressor stations. The natural gas pipeline design program, NatGasDesign, with graphical user interface (GUI) was developed and tested in the present work. The NatGasDesign calculates the major pressure losses due to friction and pipeline's elevation profile as function of flow rate, pipe roughness, pipeline length and diameter and thermodynamic properties of natural gas. The elevation profile used for the predictions is captured from Geographic Information System (GIS). The velocity in pipeline is computed from the mass continuity. Density that is used in the continuity equation is evaluated from the computed local pressure, temperature and compressibility factor. Friction factor which 
is used for the major losses is calculated from the Haaland Equation for turbulent flow.
The minor local losses are evaluated from pipeline local components and bends. The energy conservation of gas along the pipeline due to pressure, velocity, elevation above ground level is expressed by Bernoulli's Equation. The ideal gas law predicts adequately the behavior of natural gas at low pressure and temperature conditions. However, the typical flow conditions show that real gas equation must be employed as Equation of State to calculate the gas density. The Compressibility Factor to use in the equation of state is calculated from specific relations based on empirical constants. Predictions of temperature change are performed by considering heat transfer between gas and soil, and Joule Thomson cooling effect. Gas viscosity is determined as function of temperature and gas density. Isobaric specific heat capacity of natural gas is computed as a function of specific gravity, pressure and temperature. Compressor power should meet pressure losses along the pipeline up to the delivery point. Based on the operating design point, the required compressor power is calculated. NatGasDesign is based on steady-state flow analysis and computes the pressure drop along the pipeline successfully. A natural gas pipeline model is used as a test case for validation of the present methodology. A well-established commercial PIPESIM program was used to validate the present predictions. The pressure variation results predicted by NatGasDesign along the pipeline and the results obtained by the well-established PIPESIM software were compared with the available field data. For validation of the test case, TANAP which transports Azeri Gas through Turkey from Azerbaijan to Italy is used as the natural gas pipeline model. Pressure losses for an operating point of 1,9 billion m3 as annual flow capacity have been calculated using both NatGasDesign and PIPESIM programs and the comparison with the measured field data showed good agreement. As a second scenario, predictions of pressure losses for flow capacity of 16.2 billion m3/year where no field measurements were available, were compared only with the PIPESIM results and again, a good agreement was observed between the results.