Simulerer hvordan CO2 oppfører seg når trykk og strømning endres

project-news; simulering Hugo Ryvik
Petrell har utviklet et simuleringssystem som kan beregne oppførselen til CO2 under forandringer i strømning og trykk, og under forskjellige forhold og anvendelser, særlig med tanke på danning av CO2 i fast tilstand.
Simulering av en kolonne med CO2-bobler i flytende vann.

​​​Simulering av en kolonne CO2-bobler i flytende vann.

 

Verktøyet fungerer til beregninger for CO2 både i prosessanlegg, under rørtransport og i reservoarer. CO2 som faststoff kan potensielt føre til blokkeringer og skader på utstyr og skape sikkerhetsre​laterte problemer. Derfor er det viktig å vite hvor og under hvilke forhold det kan oppstå, slik at prosessutstyret kan få optimalt design.

– Systemet er et generelt anvendbart CO2-verktøy og kan brukes alle steder der CO2 er en problemstilling, sier prosjektleder Geir Berge fra Petrell.

Simuleringsverktøyet for CO2 er utviklet i et CLIMIT-støttet prosjekt som startet i 2011. Der fikk Petrell med seg Statoil, Total og Gassco som partnere.

Begynte på 90-tallet

Petrell utviklet på midten av 1990-tallet et multifysisk simuleringsverktøy, kalt Brilliant. I dag er både strømningsanalyse og styrkeberegning integrert i systemet slik at de gjensidig og simultant er i interaksjon med hverandre. Med andre ord et sant multifysikksystem.

I 1997 ble VessFire bygd på basis av Brilliant. VessFire beregner trykkavlasting i prosessutstyr med høye trykk. Trykkavlasting blir brukt for å ta trykket i komponenter ned til så lavt fare- og skadepotensial som mulig.

Verktøyet fikk en kompleks design som inkluderer forskjellige stoff, strømningsegenskaper, termodynamikk, og materialteknisk egenskaper, det siste særlig viktig når det oppstår brann.

Total viste etter hvert interesse, og forespurte om systemet kunne behandle faststoff-CO2. Petrell var med på notene, og en industrigruppe ble etablert i 2010.

Termodynamikk er nøkkelen

(Geir Berge fra Petrell)I CLIMIT-prosjektet er det utviklet en ny termodynamisk pakke basert på forskjellige tilstandsligninger. Termodynamikken er bygget inn i Brilliant og VessFire, og brukes i beregninger av fysiske systemer og modeller som er i direkte interaksjon med hverandre.

Systemet tar hensyn både til prosesser i termodynamikk, strømning og styrkeegenskaper i rørveggen, og dette skjer simultant.

– Nøkkelen er å håndtere termodynamikk. Vi fant ingen pakker som passet til vårt behov for å håndtere faststoff-CO2 i markedet, så vi fikk hjelp av Tore Haug-Varberg på NTNU Kjemi til å tilpasse vår egen programvare, forteller Berge.

Geir Berge fra Petrell har ledet prosjektet. Foto: Petrell.

Nye algoritmer

Utviklerne laget nye strømningsligninger og en egen algoritme for multifysikksystem, det vil si system som beregner strømning, energi og andre faktorer. Styrkeanalyse ble også lagt inn.

– Det å koble styrkeanalyse med strømningsanalyse har ikke vært gjort før. Disse påvirker hverandre, sier Berge.

Simuleringssystemet følger CO2-en gjennom superkritisk fase der den er i en tilstand mellom gass og væske, tofase der CO2 er til stede både i væskeform og gassform, og trippelpunkt, der det også er faststoff-CO2 til stede. Den siste delen slet utviklerne mest med å få til.

– Først kunne vi ikke gå gjennom trippelpunktet, bare hoppe over det, vi fikk ikke oppløst fasen. Heldigvis fikk vi et viktig gjennombrudd helt på slutten av fjoråret, og nå kan vi kjøre samme algoritme gjennom hele systemet.

Legges inn i Brilliant

Det sene gjennombruddet førte til at prosjektet, som skulle være ferdig i 2013, ble strukket inn i 2014.

– Nå har vi fått vist at det fungerer, og vi har kjørt simuleringer. I løpet av året skal det implementeres i Brilliant, opplyser Berge.

Blokkeringer under CO2-injisering

Statoils motivasjon for å delta i prosjektet var at de ville ha rede på om det kan bli blokkeringer i reservoaret hvis det blir et brudd i en brønn der det blir injisert CO2. Scenarier av ukontrollerte utblåsninger fra Sleipner-feltet ble modellert i Petrells system.

Analysene viste at faststoff CO2 kan dannes under gitte forhold, og at det kan bli gjort fornuftige tiltak for å hindre dette.

Total har på sin side felt med høyt CO2-innhold, og ville vite om det kunne dannes faststoff under trykkavlasting, noe som simuleringsverktøyet har gitt gode svar på.

Fakta om prosjektet

​Navn: Simulation of CO2 in Flow and Depressurization (SolidCO2Sim) 
Prosjektleder: Petrell
Periode: 2011-2014 
Partnere: Statoil, Total, Gassco 
Budsjett: 12,6 millioner kroner 
CLIMIT-støtte: 5,1 millioner kroner

Mer informasjon er tilgjengelig fra prosjektets faktaark

 

project-news; simulering


CLIMIT © 2017