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Orientadores: Alberto Luiz Serpa, Ana Maria Frattini Fileti Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na indústria petrolífera, o escoamento a jusante do poço é composto de uma grande variedade de hidrocarbonetos e componentes não desejados como água, dióxido de carbono, sais, enxofre e areia. A necessidade de um medidor de vazão multifásico surge quando é necessário ou desejável medir a vazão a montante dos separadores. A técnica ultrassônica preenche muito dos requisitos para medição multifásica, principalmente por ser não intrusiva, não radioativa, robusta e relativamente barata. Neste trabalho, é proposto um sistema de medição para escoamentos bifásicos líquido-gás baseado em sinais ultrassônicos. O sistema é composto de dois transdutores ultrassônicos, operando em modo pulso/eco, dois pulsadores e um sistema para aquisição e tratamento de dados. Os dados foram coletados em uma montagem experimental para escoamentos verticais líquido-gás construída na laboratório de estudos de petróleo LABPETRO-UNICAMP. Esta montagem possui uma linha vertical de 52,5mm de diâmetro e de aproximadamente 13m de comprimento. Nesta montagem foi realizado um total de 816 medições experimentais, sendo 408 para escoamentos água-ar e 408 para escoamentos óleo-ar. A montagem foi instrumentada com medidores de pressão, temperatura e vazão para avaliar os resultados com modelos mecanicistas. Além disso, o escoamento foi filmado com uma câmera de filmagem rápida e medidas independentes da fração de vazio de gás foram realizadas com um sistema de fechamento rápido. O sistema proposto foi capaz de distinguir os padrões de escoamento pistonado, bolhas dispersas e agitante para escoamentos água-ar e óleo-ar. Ademais, para o padrão bolhas dispersas, foi possível estimar a velocidade das bolhas dispersas, a fração de vazio do escoamento e as vazões de líquido e gás. Para o padrão pistonado foi possível estimar as velocidades das bolhas alongadas e das bolhas dispersas no pistão de líquido, os comprimentos das bolhas alongadas e dos pistões de líquido, as frações de vazio das bolhas alongadas, dos pistões de líquido e das células unitárias e as vazões de líquido e gás. Os resultados encontrados estão coerentes com referências da literatura, com os resultados obtidos através da análise de imagens, do sistema de fechamento rápido e com as medições de vazões. A técnica proposta se apresenta como uma promissora ferramenta para o monitoramento e controle de linhas de escoamentos bifásicos líquido-gás Abstract: In the oil industry, downstream well flow is composed of a wide variety of hydrocarbons and unwanted components such as water, carbon dioxide, salts, sulfur, and sand. The need for a multiphase flowmeter arises when it is necessary or desirable to measure the flow upstream of the separators. The ultrasonic technique meets many of the requirements for multiphase measurement, mainly because it is non-intrusive, non-radioactive, robust and relatively cheap. In this work, a measurement system for two-phase liquid-gas flows based on ultrasonic signals is proposed. The system consists of two ultrasonic transducers operating in pulse/echo mode, two pulsers and a system for data acquisition and processing. Data were collected in an experimental setup for vertical liquid-gas flows constructed at the petroleum study laboratory LABPETRO-UNICAMP. This assembly has a vertical line of 52.5mm in diameter and approximately 13m in length. In this assembly a total of 816 experimental measurements were made, 408 for water-air flows and 408 for oil-air flows. The assembly was instrumented with pressure, temperature and flow meters to evaluate the results with mechanistic models. Also, the flow was filmed with a high-speed camera and independent measurements of the gas void fraction were performed with a quick-close system. The proposed system was able to distinguish the slug, dispersed bubbles and churn flow patterns for water-air and oil-air flows. Besides, for the dispersed bubbles, it was possible to estimate the velocity of the dispersed bubbles, the gas void fraction of the flow, and the gas and liquid volumetric flow rate. For the slug, it was possible to estimate the velocities of the elongated bubbles and the dispersed bubbles in the liquid slug, the lengths of the elongated bubbles and the liquid slugs, the void fractions of the elongated bubbles, the liquid slugs and the unit cells, and the gas and liquid volumetric flow rate. The results are consistent with literature references, as well as with the results from image analysis, the quick-closing system, and the measurements of the volumetric flow rate. The proposed technique presents itself as a promising tool for the monitoring and control of two-phase liquid-gas flow lines Doutorado Térmica e Fluídos Doutor em Engenharia Mecânica FAPESP 2014/00363-9

Orientador: Alberto Luiz Serpa Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: O escoamento multifásico é caracterizado pela passagem simultânea de duas ou mais fases em um determinado sistema. Ele ocorre em diferentes indústrias o que levou ao desenvolvimento de técnicas capazes de medir uma ou mais propriedades do escoamento. Assim, o objetivo geral deste trabalho foi desenvolver uma técnica de medição multifásica utilizando vibração induzida por escoamento em escoamentos verticais bifásicos em tubulações. Os mecanismos de vibração em escoamentos monofásicos de líquido ou gás é razoavelmente conhecido. Contudo, apesar dos recentes desenvolvimentos no caso de escoamentos bifásicos, o conhecimento de vibrações induzidas por esse escoamento ainda necessita de um maior desenvolvimento quando comparado com escoamentos monofásicos. Diversas técnicas de processamento sinal como transformada de Fourier, transformada de Hilbert, filtros digitais, técnicas de análise em tempo-frequência, função de correlação e algoritmos de detecção de picos foram revisados e apresentados. A bancada experimental utilizada na medição de sinais de vibração foi montada no LABPETRO situado no CEPETRO da Universidade Estadual de Campinas. Ela possui uma linha bifásica capaz de medir de forma independente a fração volumétrica de gás presente no escoamento bifásico. Além disso, o escoamento bifásico foi filmado utilizando uma camera de alta velocidade. Os resultados da análise no domínio do tempo indicaram um aumento sutil nas amplitudes de uma banda específica em padrões de escoamento que são notórios pela passagem periódica de gás e líquido. Assim, o sinal de vibração foi analisado utilizando técnicas de análise em tempo-frequência. Além disso, o módulo da transforma de Hilbert, envelope, do sinal de vibração também foi utilizado. Utilizando um algoritmo de detecção de pico no envelope do sinal de vibração foi possível obter a passagem média de pistões de líquido. Além disso, fazendo a correlação cruzada entre dois acelerômetros posicionados distantes entre si na tubulação, foi possível obter a velocidade da bolha de Taylor. Foi obtido também uma relação quadrática entre o desvio padrão do envelope e a fração volumétrica de gás. Ademais, foi possível classificar o padrão de escoamento utilizando o valor eficaz do envelope e o coeficiente de correlação de Pearson. Os resultados apresentados estão coerentes com a atual literatura. Além disso, a ideia de se analisar a variação da amplitude de uma determinada banda de frequência pode ser generalizada para outros sistemas semelhantes Abstract: The multiphase flow is the simultaneous passage of a stream composed of two or more phases in a specific system. It occurs in different industries which encouraged the development of techniques that are capable of measuring the multiphase flow properties. Thus, the overall objective of this study was to develop a multiphase flow metering technique based on the flow-induced vibration of vertical upward two-phase flows in piping systems. Nowadays the vibration mechanisms in single-phase flow, liquid or gas flow, are reasonably well understood. On the other hand, despite the recent progress and development in two-phase flows, the knowledge and understanding of flow-induced vibrations by two-phase flow are still far behind when compared to single-phase flows. A few signal processing tools such as Fourier transform, Hilbert transform, digital filters, time-frequency analysis, correlation functions and peak detection algorithms were reviewed. Moreover, a few fundamental concepts of two-phase flows were presented. The experimental apparatus required to perform the proposed vibration analysis was assembled in the LABPETRO at the CEPETRO, which is located at the UNICAMP. It has a two-phase line that was capable of measuring the gas void fraction in the two-phase flow line independently. Moreover, the two-phase flow was recorded by a high-speed camera. The results of frequency domain analysis indicated a subtle increase in the amplitudes of a specific frequency band in flow patterns that are notorious for being oscillatory regarding liquid and gas passage. Thus, the vibration signal was analysed using time-frequency tools that showed a significant change of the frequencies amplitudes along the time. Then, the modulus of the Hilbert transform was used to analyse the signal. Finally, using the envelope of the vibration signal with peak detection algorithms, it was possible to get the slug mean frequency. Moreover, with the cross-correlation between two accelerometers placed in a different position along the pipe, it was possible to get the 'Taylor bubble' velocity. It was found a quadratic relationship between the standard deviation of the envelope and the gas void fraction. Also, it was possible to classify the flow pattern by taking root mean square and Pearson correlation coefficient of the envelope. The results presented were found to be consistent with the currently available literature. Moreover, the idea of analysing the amplitude variation of a specific band can be generalised to the other systems Mestrado Mecatrônica Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: Na indústria do petróleo é comum à utilização de bombas centrífugas submersas (BCS) operando em escoamento multifásico líquido-gás. A presença de elevadas vazões de gás causam uma degradação severa no desempenho da bomba, gerando instabilidades nas curvas de pressão-vazão, como o `surging¿ e o `gas locking¿. Portanto o conhecimento destas instabilidades é fundamental para a adequada operação da bomba e assim evitar falhas prematuras no equipamento. Na atualidade não existem modelos matemáticos que representem de forma adequada o comportamento da BCS na região de `surging¿ e no `gas locking¿, gerando a necessidade de empregar circuitos de testes para fazer o levantamento das curvas de desempenho das bombas. A maioria dos circuitos de testes é operada de forma manual para obter às condições de operação da bomba, tornando os ensaios repetitivos, cansativos e trabalhosos. Por isto nasce a necessidade de automatizar estas bancadas com a finalidade de facilitar o processo do levantamento das curvas de desempenho das bombas. Este trabalho apresenta o projeto e simulação de um controle robusto tipo H_? que permita manter o escoamento multifásico na entrada de uma BCS em diferentes condições de operação da bomba. Este controlador é projetado a partir de um circuito de testes para BCS virtual que é modelado empregando formulações físicas e modelos ajustados mediante dados experimentais usando algoritmos de aprendizagem de máquinas baseados em máquinas de suporte vetorial para regressão (SVMr). Após o projeto de controle, o controlador projetado é testado no circuito de testes virtual mediante simulações em tempo real `software in the loop¿ (SIL) Abstract: In the oil industry, it is common to use electrical submersible pumps (ESP) operating with gas -liquid multiphase flow. The presence of high gas flows cause severe degradation in performance of the pump, generating instabilities in the flow-pressure curves, as "surging" and "gas locking". Therefore knowledge of these instabilities is essential for the proper functioning of the pump and thereby prevents premature failure of the equipment. Currently there are no mathematical models that adequately represent the behavior of the EPS in the region of "surging" and "gas locking", creating the need to use test circuits to make a study of the performance curves of the pumps. Most test circuits are operated manually to reach the operating conditions of the pump, making repetitive, tedious and laborious trials. Therefore there is a need to automate these circuits in order to facilitate the process of obtaining the performance curve of the pump. In this paper the project and simulation of a robust control type H_? for keeping the multiphase flow in the entrance of a EPS operating at different conditions is performed. This controller is designed based on a test circuit virtual for EPS which is modeled using physical formulations and adjusted models obtained by experimental data using machine learning algorithms based on support vector machines for regression (SVMR). After the controller design, the control is tested in the virtual test circuits using simulations in real time "software in the loop" (SIL) Mestrado Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Mestre em Engenharia Mecânica