Modelagem mecanicista do início do fenômeno de surging em bombas centrífugas operando com escoamento bifásico líquido-gás

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Alata Quispe, Cesar Manuel
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Curitiba
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais
UTFPR
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31241
Resumo: In the oil industry, Electric Submersible Pumping (ESPs) stands out as one of the most used techniques in artificial lifting. However, reservoirs contain significant amounts of natural gas, giving rise to the two-phase liquid gas flow in the production lines. Thus, the presence of the gas phase in the flow must be considered whenever ESPs are used. Depending on the operating conditions, ESPs can be subjected to a significant accumulation of gas in the rotor channels, reducing the flow area of the liquid phase and generating a significant drop in performance a phenomenon known as surging. The occurrence of surging significantly affects the production and life of the pump. With this scenario in mind, the present study introduces a mechanistic model developed to predict the starting point of the surging phenomenon in centrifugal pumps operating with liquid-gas flow. The modeling was developed from a balance of forces on a gas bubble in the rotor channel, where the surging phenomenon occurs. The closing relationships, necessary for the mathematical model, were based on theoretical models and with minimal dependence on empirical correlations, which were corrected and validated with experimental data existing in NUEM and the literature. The sensitivity of both the drag coefficient and the relative velocity, which are relevant interphase parameters of the model, as well as the performance of the model for different operating conditions (phase flow rates, rotational speed, and fluid properties) were evaluated. It is expected that the mathematical model can improve the prediction of the stable operation window of BCSs in the presence of liquid-gas flow, outside the starting point of the surging phenomenon. Among other contributions, this can provide better guidance to engineers in their artificial elevation projects and, as a whole, improve the understanding of the surging phenomenon.
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Depending on the operating conditions, ESPs can be subjected to a significant accumulation of gas in the rotor channels, reducing the flow area of the liquid phase and generating a significant drop in performance a phenomenon known as surging. The occurrence of surging significantly affects the production and life of the pump. With this scenario in mind, the present study introduces a mechanistic model developed to predict the starting point of the surging phenomenon in centrifugal pumps operating with liquid-gas flow. The modeling was developed from a balance of forces on a gas bubble in the rotor channel, where the surging phenomenon occurs. The closing relationships, necessary for the mathematical model, were based on theoretical models and with minimal dependence on empirical correlations, which were corrected and validated with experimental data existing in NUEM and the literature. The sensitivity of both the drag coefficient and the relative velocity, which are relevant interphase parameters of the model, as well as the performance of the model for different operating conditions (phase flow rates, rotational speed, and fluid properties) were evaluated. It is expected that the mathematical model can improve the prediction of the stable operation window of BCSs in the presence of liquid-gas flow, outside the starting point of the surging phenomenon. Among other contributions, this can provide better guidance to engineers in their artificial elevation projects and, as a whole, improve the understanding of the surging phenomenon.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Fundação de Apoio à Educação, Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (FUNTEF-PR)Petróleo Brasileiro (Petrobrás)Na indústria de petróleo, a utilização de Bombeamento Centrífugo Submerso (BCSs) destaca-se como uma das técnicas mais usadas em elevação artificial. Entretanto, os reservatórios contêm quantidades significativas de gás livre e em solução, dando origem ao escoamento bifásico líquido-gás nas linhas de produção. Assim, para o uso das BCSs, deve-se considerar a presença da fase gasosa no escoamento. Dependendo das condições operacionais, as BCSs podem estar sujeitas a um acúmulo significativo de gás nos canais dos rotores, diminuindo a área de escoamento da fase líquida e gerando uma queda significativa no desempenho, fenômeno este que é conhecido como surging. A ocorrência de surging afeta significativamente a produção e a vida útil da bomba. Com este cenário em mente, desenvolveu-se um modelo mecanicista para prever o ponto de início do fenômeno de surging em bombas centrífugas operando com escoamento de líquido-gás, e que é o objeto do presente trabalho. A modelagem foi desenvolvida a partir de um equilíbrio de forças sobre uma bolha de gás no canal do rotor, onde ocorre o fenômeno de surging. As relações de fechamento, necessárias para o modelo matemático, foram baseadas em modelos teóricos e com a mínima dependência de correlações empíricas, sendo corrigidas e validadas a partir de dados experimentais existentes no NUEM e na literatura. Foi avaliada a sensibilidade do modelo ao coeficiente de arrasto e à velocidade relativa, parâmetros esses relevantes no modelo, bem como diferentes condições operacionais que incluem vazões das fases, velocidade de rotação e propriedades dos fluidos. Espera-se que o modelo matemático possa prever melhor a janela de operação estável de BCSs na presença do escoamento líquido-gás, fora do ponto de início do fenômeno de surging. Esta contribuição, entre outras, pode orientar melhor os engenheiros da área de elevação artificial e auxiliar no entendimento do fenômeno de surging como um todo.Universidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de MateriaisUTFPRMelgarejo Morales, Rigoberto Eleazarhttps://orcid.org/0000-0003-3297-7361http://lattes.cnpq.br/5156573817670917Azevedo, Henrique Stel dehttps://orcid.org/0000-0003-3403-982Xhttp://lattes.cnpq.br/4520319278466515Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazarhttps://orcid.org/0000-0003-3297-7361http://lattes.cnpq.br/5156573817670917Santos, Paulo Henrique Dias doshttps://orcid.org/0000-0002-9130-0257http://lattes.cnpq.br/5701155189630566Estevam, Valdirhttps://orcid.org/0000-0001-9532-5796http://lattes.cnpq.br/9264004380006248Alata Quispe, Cesar Manuel2023-04-28T20:10:13Z2023-04-28T20:10:13Z2022-11-11info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfALATA QUISPE, Cesar Manuel. Modelagem mecanicista do início do fenômeno de surging em bombas centrífugas operando com escoamento bifásico líquido-gás. 2022. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31241porhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2023-04-29T06:08:38Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/31241Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2023-04-29T06:08:38Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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