Modeling electrical submersible pump system under multiphase flows using bond graphs

Autor(es)

Felipe de Castro Teixeira Carvalho

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Mecânica
• Data de defesa: 2024-01-19

Membros da banca

Alberto Luiz Serpa; Ricardo Augusto Mazza; Alberto Costa Nogueira Junior; Luiz Carlos Sandoval Goes; Diego Eckhard

• Orientador: Alberto Luiz Serpa

Resumo

Bombas centrífugas submersas (ESPs) são amplamente utilizadas em setores industriais que necessitam de altas vazões e ganho de pressão. Na indústria de petróleo e gás, as ESPs frequentemente operam sob condições de escoamento multifásico, tais como emulsões de óleo-água. O comportamento não-Newtoniano das emulsões pode induzir um comportamento dinâmico e instável do sistema. Contudo, a literatura existente foca no comportamento em estado estacionário destes sistemas. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver e validar um modelo dinâmico para ESPs utilizando bond-graphs, conduzir análises de identificabilidade e estimar parâmetros do sistema com um conjunto limitado de sensores. A metodologia adotada engloba a coleta de dados experimentais em condições estacionárias e dinâmicas, modelagem por meio de bond-graphs e o emprego de Redes Neurais Informadas por Física (PINNs). O modelo da ESP foi formulado utilizando uma biblioteca desenvolvida, neste trabalho, em Julia. Foram conduzidas análises de identificabilidade, tanto estrutural quanto prática do modelo. As PINNs foram empregadas para abordar o problema inverso e foram avaliadas em dados simulados e experimentais. A validação do modelo foi realizada através da comparação dos dados experimentais com simulações numéricas. A pesquisa resultou em um modelo dinâmico para ESPs baseado em bond-graph que incorpora os subsistemas mecânicos e hidráulicos, resultando em um conjunto de equações diferenciais ordinárias (ODEs). Em condições estacionárias, o modelo demonstrou um elevado coeficiente de determinação e um erro relativamente baixo. Para cenários dinâmicos, ajustes finos nos parâmetros resultaram em melhoria na precisão do modelo, especialmente em relação às pressões, embora algumas discrepâncias nos picos de pressão tenham sido observadas. A análise de identificabilidade estrutural local identificou 12 parâmetros que são determináveis, mas a identificabilidade prática foi alcançada apenas com oito. As PINNs mostraram eficácia na estimativa de parâmetros e estados, sobretudo em cenários de baixa fração de água, mas apresentaram limitações em altas frações de água e em presença de ruído nos dados. O modelo dinâmico, em conjunto com as PINNs, demonstra potencial para aplicações em controle, monitoramento, detecção de falhas e otimização. Embora o modelo capture a dinâmica do sistema, limitações surgem devido às hipóteses feitas quanto à viscosidade da emulsão e ao acoplamento bomba-tubo. Para trabalhos futuros é sugerido aprimorar na modelagem da propagação de ondas de pressão no sistema. Além disso, a adoção de algoritmos mais robustos para PINNs, que poderia melhorar a estimativa dos parâmetros desconhecidos. Este trabalho estabelece uma base para a modelagem de sistemas ESP mais complexos, com potencial de aplicação além do setor de petróleo e gás (AU)

• Processo FAPESP: 19/14597-5 - Modelagem do comportamento dinâmico em Bombeio Centrífugo Submerso (BCS) em escoamento líquido-líquido
• Beneficiário: Felipe de Castro Teixeira Carvalho
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado