Desenvolvimento de um método para correção de curvas de desempenho em bombas centrífugas submersas operando com fluidos viscosos

Electrical Submersible Pump (ESP) is used as an artificial lift technique. However, pumping viscous oil is generally associated with low Reynolds number flows. This condition leads to a performance degradation respect to the performance expected from the regular operation with water that most of the centrifugal pumps are originally designed for. These issues are considered in this investigation through a numerical study of the flow in two different multistage, semi-axial type ESPs. This investigation is carried out numerically using a Computational Fluid Dynamics (CFD) package, where the transient RANS equations are solved numerically. The turbulence is modeled using the SST model. Head curves for several operating conditions are compared with manufacturer’s curves and experimental data for a three-stage ESP, showing good agreement for a wide range of fluid viscosities and rotational speeds. Dimensionless numbers (n, n, n e Re) are used to investigate performance degradation of the ESPs. In addition, flow phenomena through the impellers of the ESPs are investigated using flow field from numerical results. Results show that performance degradation is directly related to rotational Reynolds number, Re. In addition, it was verified that performance degradation occurs for constant normalized specific speedn, which shows that performance degradation occurs similarly for different centrifugal pumps. Moreover, experimental data and numerical results agreed with a correlation from literature between head and flow correction factors proposed by Stepanoff (1967). A definition of modified Reynolds number was proposed and relates the head correction factor to viscosity. A correlation between head correction factor and the modified Reynolds number was proposed, which agreed well with numerical and experimental data. Then, a method to predict performance degradation based on the previous correlations was proposed. This method was compared with others from literature. In general, results and conclusions from this work can also be useful to bring more information about the flow of highly viscous fluids in pumps, especially in semi-axial, multistage ESPs.

CAPES

A bomba centrífuga submersa (BCS) é utilizada na indústria do petróleo como uma técnica de elevação artificial. Entretanto, o bombeamento de petróleo está associado a escoamentos de óleo de diferentes viscosidades. Esta condição leva a degradação do desempenho em relação à operação com água, na qual a bomba é originalmente projetada. Neste cenário no presente trabalho é desenvolvido um estudo numérico do escoamento em três estágios de duas BCSs semi-axiais. As equações transientes da conservação da massa e do balanço da quantidade de movimento, que modelam o escoamento nas BCSs, são resolvidas numericamente utilizando o programa computacional comercial Ansys-CFX. A turbulência do escoamento foi modelada utilizando o modelo SST. Os resultados numéricos obtidos foram comparados contra dados experimentais e de catálogo mostrando uma boa concordância, para uma grande faixa de viscosidades e rotações. Grupos adimensionais (n, n, n e Re) foram usados para avaliar a degradação do desempenho das BCSs. Além disso, os fenômenos envolvidos no escoamento no interior do rotor das bombas centrífugas foram analisados através dos campos de velocidade obtidos numericamente. A partir dos resultados numéricos foi verificado que a degradação do desempenho é diretamente relacionada com o número de Reynolds de rotação, Re. Também, observou-se que a degradação do desempenho ocorre para uma rotação específica normalizada constante n, no qual bombas de diferentes geometrias apresentaram degradação do desempenho similar. Além disso, dados experimentais e os resultados numéricos obtidos foram consistentes quando comparados com a relação entre os fatores de correção para a vazão e altura de elevação propostas por Stepanoff (1967). Uma definição de número de Reynolds modificado foi proposta e relaciona o fator de correção para altura de elevação com a viscosidade. Além disso, uma correlação entre o fator de correção para altura de elevação e o número de Reynolds modificado foi proposta, apresentando boa concordância. A partir das correlações obtidas, foi proposto um método para prever o desempenho de bombas centrífugas operando com fluidos de alta viscosidade, sendo comparado com outras metodologias encontradas na literatura. Certamente, as informações extraídas são relevantes para o entendimento do escoamento de fluidos de alta viscosidade em bombas, especialmente em BCSs semi-axiais de múltiplos estágios.