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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31241
Título: | Modelagem mecanicista do início do fenômeno de surging em bombas centrífugas operando com escoamento bifásico líquido-gás |
Título(s) alternativo(s): | Mechanistic modeling of the surging phenomenon initiation in centrifugal pumps operating with gas-liquid two-phase flow |
Autor(es): | Alata Quispe, Cesar Manuel |
Orientador(es): | Melgarejo Morales, Rigoberto Eleazar |
Palavras-chave: | Bombas centrífugas Gás - Escoamento Escoamento bifásico Petróleo Reservatórios subterrâneos - Petróleo Fluidodinâmica computacional Mecânica dos fluidos Modelagem Centrifugal pumps Gas flow Two-phase flow Petroleum Underground reservoirs - Petroleum Computational fluid dynamics Fluid mechanics Modelyng |
Data do documento: | 11-Nov-2022 |
Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
Câmpus: | Curitiba |
Citação: | ALATA 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. |
Resumo: | 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. |
Abstract: | 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. |
URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31241 |
Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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