Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020; : 62-68
К вопросу о цифровизации создания ступеней электроприводных лопастных насосов: уточнения, возможные направления
Аннотация
Развитие цифровых технологий и цифровых двойников в частности все теснее вплетается в моделирование объектов нефтегазовой отрасли. Однако для создания адекватных цифровых двойников ступеней скважинных электроприводных лопастных насосов во всем диапазоне коэффициентов быстроходности остается еще множество трудностей.
Известно, что для быстроходных, диагональных и осевых ступеней (коэффициент быстроходности nS > 200) применение современных программных комплексов и пакетов вычислительной гидрогазодинамики при расчете рабочих характеристик пока не дает результатов требуемой точности, в связи с чем для создания цифровых двойников данных ступеней математические модели необходимо дорабатывать.
Авторами были получены результаты, вынуждающие искать баланс между точностью компьютерных экспериментов, необходимой и достаточной для обеспечения тождественности результатов с физическими (натурными), и трудо- и временными затратами на их проведение.
В статье показано, как меняются основные значения характеристик исследуемой ступени в зависимости от густоты расчетной сетки и на разном количестве рабочих ступеней насоса в модели. Обнаружено, что увеличение количества ячеек сетки после определенного значения мало влияет на точность гидродинамических расчетов, однако при этом в разы увеличиваются затраты времени на расчет. Подтверждены выводы других исследователей о том, что увеличение количества насосных ступеней, участвующих в компьютерном эксперименте, приводит к существенному изменению расчетного давления от ступени к ступени, а также к несовпадению показателей давления с полученными на одноступенчатой сборке.
Результаты данного исследования могут повлиять на области применения пакетов вычислительной гидрогазодинамики для разных ситуаций, будь то определение оптимальной конструкции ступеней лопастных насосов для добычи нефти или обучение студентов навыкам автоматизированного компьютерного проектирования.
Список литературы
1. Ивановский В.Н., Пекин С.С. Использование цифровых технологий при подготовке студентов и создании инновационных видов оборудования кафедрой машин и оборудования нефтяной и газовой промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2020. № 3–4. С. 38–43.
2. Белова О.В., Волков В.Ю., Скибин А.П. и др. Методологические основы CFD-расчетов для поддержки проектирования пневмогидравлических систем // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 5 (17). С. 45.
3. Best Practice Guidelines for the Use of CFD in Nuclear Reactor Safety Applications [Электронный источник]. Режим доступа: https://oecd-nea.org/nsd/docs/2014/csni-r2014-11.pdf (дата обращения: 10.06.2020).
4. Computational Fluid Dynamics Best Practice Guidelines for Dry Cask Applications. Final report [Электронный источник]. Режим доступа: www.nrc.gov/docs/ML1308/ML13086A202.pdf (дата обращения: 10.06.2020).
5. Муленко В.В., Блохина М.Г., Ивановский А.В., Аксенов А.Ю. О цифровизации конструирования ступеней электроприводных лопастных насосов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2018. № 12. С. 64–68.
6. Bai L., Zhou L., Han C., Zhu Y., Shi W. Numerical Study of Pressure Fluctuation and Unsteady Flow in a Centrifugal Pump // Processes. 2019. Vol. 7,
7. No. 354. P. 1–14.
8. Zhu J., Zhu H., Zhang J., Zhang H.-Q. A Numerical Study on Flow Patterns Inside an Electrical Submersible Pump (ESP) and Comparison with Visualization Experiments // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 173. P. 339–350.
9. Stel H., Sirino T., Ponce F.J., Chiva S., Morales R.E.M. Numerical Investigation of the Flow in a Multistage Electric Submersible Pump // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2015. Vol. 136. P. 41–54.
10. Patil A.V., Sundar S., Delgado A., Gamboa J. CFD Based Evaluation of Conventional Electrical Submersible Pump for High-Speed Application // Journal
11. of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 182. Article 106287.
12. Ofuchi E.M., Stel H., Vieira T.S. et al. Study of the Effect of Viscosity on the Head and Flow Rate Degradation in Different Multistage Electric Submersible Pumps Using Dimensional Analysis // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017. Vol. 156. P. 442–450.
13. Valds J.P., Becerra D., Rozo D. et al. Comparative Analysis of an Electrical Submersible Pump's Performance Handling Viscous Newtonian and Non-Newtonian Fluids through Experimental and CFD Approaches // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. Vol. 187. Article 106749.
14. Zhu J., Banjar H., Xia Z., Zhang H.-Q. CFD Simulation and Experimental Study of Oil Viscosity Effect on Multi-Stage Electrical Submersible Pump (ESP) Performance // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2016. Vol. 146. P. 735–745.
15. Чичеров Л.Г., Молчанов Г.В., Рабинович А.М. и др. Расчет и конструирование нефтепромыслового оборудования: учеб. пособие для вузов.
16. М.: Недра, 1987. 422 с.
17. Агеев Ш.Р., Григорян Е.Е., Макиенко Г.П. Российские установки лопастных насосов для добычи нефти и их применение: энциклопедический справочник. Пермь: ООО «Пресс-Мастер», 2007. 645 с.
18. Ивановский В.Н., Сабиров А.А., Деговцов А.В. и др. Проектирование и исследование ступеней динамических насосов: учеб. пособие. М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2014. 124 с.
19. Кузьмин А.В. Исследование характеристик лопастного насоса для добычи нефти при изменении геометрии проточной части его ступени: дисс. … канд. техн. наук. М., 2018. 257 с.
Territorija “NEFTEGAS” [Oil and Gas Territory]. 2020; : 62-68
On the Issue of Digitalization of the Design of Electrical Submersible Pump Stages: Refinements, Possible Areas of Activity
Abstract
The development of digital technologists and digital twins in particular is increasingly intertwined with the modeling of oil and gas facilities. However, there are still many difficulties in creating adequate digital twins of the electrical submersible pump stages over the specific speed range.
It is known that for high-speed, diagonal and axial stages (speed coefficient nS > 200) the use of modern software systems and computational fluid dynamics packages in calculating performance does not yet give the results necessary to ensure the accuracy of the digital doubles of these stages of mathematical models need to be further developed.
The authors obtained results that compelled to seek a balance between the accuracy of computer experiments, which is necessary and sufficient to ensure that the results are identical with the physical (full-scale), and labor and time costs for their implementation.
The article shows how the characteristics of the studied stage change depending on the density of the calculated grid and on different numbers of pump stages of the in the model. It was found that an increase in the number of grid cells after a certain value has little effect on the accuracy of hydrodynamic calculations, while the time required for calculation increases significantly. The conclusions of other researchers that an increase in the number of pump stages involved in the computer experiment leads to a significant change in the design pressures from stage to stage, as well as to a discrepancy in the pressure indicators with those obtained on a single-stage assembly.
The results can affect the application areas of computational fluid dynamics packages for different situations, whether it is determining the optimal design of the electrical submersible pump stages or teaching students computer-aided design skills.
References
1. Ivanovskii V.N., Pekin S.S. Ispol'zovanie tsifrovykh tekhnologii pri podgotovke studentov i sozdanii innovatsionnykh vidov oborudovaniya kafedroi mashin i oborudovaniya neftyanoi i gazovoi promyshlennosti // Territoriya «NEFTEGAZ». 2020. № 3–4. S. 38–43.
2. Belova O.V., Volkov V.Yu., Skibin A.P. i dr. Metodologicheskie osnovy CFD-raschetov dlya podderzhki proektirovaniya pnevmogidravlicheskikh sistem // Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii. 2013. № 5 (17). S. 45.
3. Best Practice Guidelines for the Use of CFD in Nuclear Reactor Safety Applications [Elektronnyi istochnik]. Rezhim dostupa: https://oecd-nea.org/nsd/docs/2014/csni-r2014-11.pdf (data obrashcheniya: 10.06.2020).
4. Computational Fluid Dynamics Best Practice Guidelines for Dry Cask Applications. Final report [Elektronnyi istochnik]. Rezhim dostupa: www.nrc.gov/docs/ML1308/ML13086A202.pdf (data obrashcheniya: 10.06.2020).
5. Mulenko V.V., Blokhina M.G., Ivanovskii A.V., Aksenov A.Yu. O tsifrovizatsii konstruirovaniya stupenei elektroprivodnykh lopastnykh nasosov // Territoriya «NEFTEGAZ». 2018. № 12. S. 64–68.
6. Bai L., Zhou L., Han C., Zhu Y., Shi W. Numerical Study of Pressure Fluctuation and Unsteady Flow in a Centrifugal Pump // Processes. 2019. Vol. 7,
7. No. 354. P. 1–14.
8. Zhu J., Zhu H., Zhang J., Zhang H.-Q. A Numerical Study on Flow Patterns Inside an Electrical Submersible Pump (ESP) and Comparison with Visualization Experiments // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 173. P. 339–350.
9. Stel H., Sirino T., Ponce F.J., Chiva S., Morales R.E.M. Numerical Investigation of the Flow in a Multistage Electric Submersible Pump // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2015. Vol. 136. P. 41–54.
10. Patil A.V., Sundar S., Delgado A., Gamboa J. CFD Based Evaluation of Conventional Electrical Submersible Pump for High-Speed Application // Journal
11. of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 182. Article 106287.
12. Ofuchi E.M., Stel H., Vieira T.S. et al. Study of the Effect of Viscosity on the Head and Flow Rate Degradation in Different Multistage Electric Submersible Pumps Using Dimensional Analysis // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2017. Vol. 156. P. 442–450.
13. Valds J.P., Becerra D., Rozo D. et al. Comparative Analysis of an Electrical Submersible Pump's Performance Handling Viscous Newtonian and Non-Newtonian Fluids through Experimental and CFD Approaches // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2020. Vol. 187. Article 106749.
14. Zhu J., Banjar H., Xia Z., Zhang H.-Q. CFD Simulation and Experimental Study of Oil Viscosity Effect on Multi-Stage Electrical Submersible Pump (ESP) Performance // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2016. Vol. 146. P. 735–745.
15. Chicherov L.G., Molchanov G.V., Rabinovich A.M. i dr. Raschet i konstruirovanie neftepromyslovogo oborudovaniya: ucheb. posobie dlya vuzov.
16. M.: Nedra, 1987. 422 s.
17. Ageev Sh.R., Grigoryan E.E., Makienko G.P. Rossiiskie ustanovki lopastnykh nasosov dlya dobychi nefti i ikh primenenie: entsiklopedicheskii spravochnik. Perm': OOO «Press-Master», 2007. 645 s.
18. Ivanovskii V.N., Sabirov A.A., Degovtsov A.V. i dr. Proektirovanie i issledovanie stupenei dinamicheskikh nasosov: ucheb. posobie. M.: RGU nefti i gaza imeni I.M. Gubkina, 2014. 124 s.
19. Kuz'min A.V. Issledovanie kharakteristik lopastnogo nasosa dlya dobychi nefti pri izmenenii geometrii protochnoi chasti ego stupeni: diss. … kand. tekhn. nauk. M., 2018. 257 s.
