Orientadores: Antonio Carlos Bannwart, Marcelo Moreira Ganzarolli

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica e Instituto de Geociências

Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para determinação da temperatura do motor de uma bomba centrífuga submersa (BCS) sob condições variáveis de vazão e carga. Este leva em consideração o comportamento acoplado entre o motor, a bomba e o sistema de produção. Assim, dada uma frequência...

Resumo: Neste trabalho foi desenvolvido um modelo para determinação da temperatura do motor de uma bomba centrífuga submersa (BCS) sob condições variáveis de vazão e carga. Este leva em consideração o comportamento acoplado entre o motor, a bomba e o sistema de produção. Assim, dada uma frequência ajustada no variador de frequência, a temperatura do motor é determinada como resultado do equilíbrio entre a produção de calor, calculada a partir da potência que a bomba demanda do motor, e a extração do calor, calculada a partir da vazão. Neste modelo, considera-se a BCS instalada num módulo de bombeamento submarino localizado perto do poço produtor. Foi estudada a transferência de calor por convecção no módulo de bombeio, onde um escoamento descendente ocorre no anular externo entre o revestimento e a camisa de refrigeração e um fluxo ascendente ocorre no anular interno entre a camisa de refrigeração e o motor. Um estudo de transferência de calor por convecção foi elaborado comparando modelos baseados no perfil de temperatura plenamente desenvolvido com modelos que consideram o desenvolvimento da camada limite térmica. Uma vez que o único ponto de medição da temperatura se localiza na extremidade inferior do enrolamento de estator, o modelo desenvolvido neste trabalho também determina a distribuição de temperatura do motor. Um estudo de caso foi realizado com diversas viscosidades de óleo e frações de água. Os resultados mostram a elevação da temperatura do motor, quando sua velocidade é continuamente aumentada. Também se mostrou que, negligenciar os efeitos do desenvolvimento da camada limite térmica, quando ocorre escoamento laminar, pode resultar num motor superaquecido, onde na verdade, a temperatura máxima do motor é muito menor do que o seu limite superior. Modelos baseados no perfil temperatura plenamente desenvolvidos sofrem de imprecisão, quando utilizados em aplicações de fluidos viscosos, devido ao grande comprimento entrada térmica

Abstract: A model to predict the motor temperature of an electrical submersible pump, under variable conditions of flow rate and loading, has been developed. This model takes into account the coupled behavior between motor, pump and production system. Thus, given a frequency set in the variable...

Abstract: A model to predict the motor temperature of an electrical submersible pump, under variable conditions of flow rate and loading, has been developed. This model takes into account the coupled behavior between motor, pump and production system. Thus, given a frequency set in the variable speed drive, the motor temperature is determined as a result of the equilibrium between the heat generation, calculated from the power that the pump demands from the motor, and the heat extraction, calculated from the flow rate. In this model, the electrical submersible pump is supposed to be installed in a subsea pumping module located near the producer well. It has been studied the convective heat transfer in the pumping module, where a downward flow occurs in the external annulus between the casing and the shroud, and an upward flow happens in the internal annulus between the shroud and the motor. A convective heat transfer study has been run comparing models based on fully developed temperature profile and models that consider the development of the thermal boundary layer. Since the only point of temperature measurement is located at the lower end of the stator winding, the model developed in this work also determines the temperature distribution of the motor. A case study has been run with several oil viscosities and water cut. The results show a motor temperature rise when motor speed is continuously increased. It is also showed that, when laminar flow occurs, neglecting the effect of the thermal boundary layer development may result in an overheated motor prediction where actually, motor maximum temperature is much smaller than its upper limit. Fully developed temperature profile models suffer of inaccuracy when used in viscous fluid applications, due to its big thermal entry length