井下泥漿渦輪發電系統水力性能試驗研究

韓 培,張師帥

(華中科技大學能源與動力工程學院,武漢430074)

井下泥漿渦輪發電系統水力性能試驗研究

韓 培,張師帥

(華中科技大學能源與動力工程學院,武漢430074)

在閉式循環結構的試驗裝置中,采用清水作流動介質,對井下泥漿渦輪發電系統進行水力性能試驗。結果表明:在設計要求的流量和轉速范圍內,系統輸出功率＞60 W,壓降＜0.15 MPa,各項技術指標均能滿足性能要求。

泥漿渦輪;水力性能;試驗研究

Abstract:The hydraulic performance experiments were carried on the mud turbine generator for mine with the clear water medium in the closed cycle experiment equipments.The results showed that the output power was above 60 W,the pressure drop was below 0.15 MPa,and all the technical norms could reach performance requirement.

Key words:mud turbine;hydraulic performance;experiment research

目前,石油鉆機廣泛采用高性能鋰電池為井下測量儀器供電,而鋰電池的工作溫度通常為150～175℃。隨著地球上石油儲量的減少,石油鉆井的深度日益增加,達到9～15 km,井下溫度通常達到225～250 ℃[1-3]。

深井中的高溫環境使得鋰電池性能和壽命都大幅度降低,甚至無法工作。另外,頻繁地更換鋰電池,將會因無法保證密封而帶來安全問題。再者,使用鋰電池供電還將帶來環境污染[4]。

利用鉆井過程中產生的泥漿來驅動渦輪,帶動發電機發電,為井下測量儀器提供電力,是一種理想的供電方案。由此可見,研究泥漿渦輪發電系統具有十分重要的現實意義。

1 工作原理

井下泥漿渦輪發電系統的基本思路是:利用鉆井過程中產生的泥漿動能來驅動渦輪,帶動發電機發電,為井下測量儀器提供電力,實現流體動能—機械能—電能的轉化。

井下泥漿渦輪發電系統的工作環境:介質為鉆井泥漿(含沙量≤2.5%);泥漿壓力為7.0～12.0 MPa(淺井),17.0～22.0 MPa(深井);泥漿密度為(1.05～1.50) ×103kg/m3;泥漿粘度 ≤0.014 m2/s。

井下泥漿渦輪發電系統的技術指標:流量Q=20.0～30.0 L/s;壓降Δp≤0.15 MPa,且要求在一定流量下壓降恒定;轉速n=2 200～3 300 r/min;系統輸出功率≥60 W;無故障工作時間≥240 h。

根據井下泥漿渦輪發電系統的工作環境、技術指標及尺寸限制,研制了一套井下泥漿渦輪發電系統,其工作原理如圖1所示。

圖1 井下泥漿渦輪發電系統的工作原理

由圖1可以看出,系統由渦輪(轉輪和導輪)、磁力聯軸器和交流發電機3個部分構成。之所以采用磁力聯軸器這樣的柔性連接方式,主要是利用磁力聯軸器內外磁力耦合產生的滑差效應,限制發電機極限轉速,保護發電機,提高發電機工作的可靠性[5]。

2 水力性能試驗

2.1 試驗系統

試驗系統主要由試驗臺架、傳感器及參數測試與試驗數據處理系統3大部分構成,原理如圖2,各參數的具體測量方法如下。

圖2 井下泥漿渦輪發電系統的水力性能試驗系統

2.1.1 流量測量

渦輪發電系統流量的測量采用渦輪流量計,其型號為LW-100;精度為 0.5級;量程為25～160 m3/h(6.94～44.44 L/s);工作壓力為 2.5 MPa;輸出信號為頻率信號。流量的計算公式為

式中,f為流量計讀頻率值,s-1;Kq為流量計儀表常數 ,L-1,取Kq=964.687。

2.1.2 壓力測量

渦輪發電系統進出口壓降的測量采用壓力傳感器,其型號為MPM480;精度為 0.5級;量程為 0～0.6 MPa;輸出信號為電流型4～20 mA;供電電壓為+24V DC。壓力的計算公式為

式中,p為壓力值,MPa;I為電流值,A;a、b為常數,標定后得到a=-0.15 MPa,b=3.75×10-2MPa/mA。

2.1.3 功率測量

渦輪發電系統輸出功率的測量采用功率傳感器,其型號為 WBP214P71-0.5;精度為0.5級;量程為0～300 W;輸出信號為電流型 4～20 mA;供電電壓為+24V DC。功率的計算公式為

式中,N為功率值,W;I為電流值,A;a、b為常數,標定后得到a=-75 MPa,b=18.75 W/mA。

2.1.4 轉速測量

渦輪發電系統轉速的測量是利用發電機輸出的電流頻率信號來測量,轉速的計算公式為

式中,f為頻率值,Hz;j為發電機的級數。

所有的測量信號均送入自行研發的參數測試儀,進而送入計算機,以便進行后續的數據處理。

2.2 試驗方法

在閉式循環結構的試驗裝置中,采用清水作流動介質,對井下泥漿渦輪發電系統進行水力性能試驗[6]。對于試驗工況的調節,則通過手動調節閥門的開度來調節流量,通過調節發電機負載的大小來調節轉速。待試驗工況穩定后,由特性參數測試儀采集相關數據并通過串口通信方式將相關數據傳給試驗數據處理系統。試驗數據處理系統對相關數據進行分析處理,獲得試驗結果。具體試驗步驟如下:

a) 第1步 將閥門調節至全關位置,負荷調節至最大,啟動試驗臺,使試驗系統穩定運行 1 min。觀察轉速測量值(估計此時轉速較小)。

b) 第2步 降低負荷,觀察轉速測量值(估計轉速會逐漸增大),直至轉速測量值達到 2 200 r/min。若負荷降至最小,而轉速仍不能達到2 200 r/min,則開大閥門,觀察轉速測量值(估計轉速會逐漸增大),直至轉速測量值達到2 200 r/min以上。此時的閥門位置即為最小閥門位置。

c) 第3步 開大閥門,觀察流量測量值,直至流量測量值達到20.0 L/s左右。將此時閥門位置設定為位置1。

d) 第4步 讓閥門處于位置1,增加負荷,觀察轉速測量值(估計轉速會逐漸減小)。每增加1次負荷,則對流量、轉速、進口壓力、出口壓力、輸出功率等參數進行1次測量,并保存記錄。

e) 第5步 開大閥門,觀察流量測量值,直至流量測量值達到25.0 L/s左右。將此時閥門位置設定為位置2。

f) 第6步 讓閥門處于位置2,增加負荷,觀察轉速測量值(估計轉速會逐漸減小)。每增加1次負荷,則對流量、轉速、進口壓力、出口壓力、輸出功率等參數進行1次測量,并保存記錄。

g) 第7步 開大閥門,觀察流量測量值,直至流量測量值達到30.0 L/s左右。將此時閥門位置設定為位置3。

h) 第8步 讓閥門處于位置3,增加負荷,觀察轉速測量值(估計轉速會逐漸減小)。每增加1次負荷,則對流量、轉速、進口壓力、出口壓力、輸出功率等參數進行1次測量,并保存記錄。

3 試驗結果

對加工、裝配完成的井下泥漿渦輪發電系統樣機進行了水力性能試驗,流量為25.0 L/s情況下的試驗數據如表1。

表1 流量為25.0 L/s情況下的試驗數據

圖3～4分別為不同流量下的轉速與壓降關系、不同流量下的轉速與輸出功率關系。

圖3 不同流量下的轉速和壓降關系

圖4 不同流量下的轉速和系統輸出功率關系

由圖3～4可以看出,隨著流量的增加,輸出功率和壓降均有所升高;在一定流量下,隨著轉速的增加,輸出功率有所下降,壓降基本保持不變。

4 結論

在閉式循環結構的試驗裝置中,采用清水作流動介質,對井下泥漿渦輪發電系統進行水力性能試驗。試驗結果表明:在設計要求的流量(20.0～30.0 L/s)和轉速(2 200～3 300 r/min)范圍內,系統輸出功率＞60 W,系統壓降＜0.15 MPa,各項技術指標均能滿足使用要求。

[1] 李志剛,管志川,王以法.隨鉆聲波遙測及其關鍵問題分析[J].石油礦場機械,2008,37(9):6-9.

[2] 肖仕紅,梁 政.智能鉆井電纜信號傳輸的研究現狀及難點[J].石油礦場機械,2007,36(2):7-10.

[3] 王江萍,王 怡,鮑澤富.鉆井過程監測與實時故障診斷綜述[J].石油礦場機械,2006,35(6):15-19.

[4] 張辛耘,王敬農,郭彥軍.隨鉆測井技術進展和發展趨勢[J].測井技術,2006,30(1):10-14.

[5] Alexander N Gorban,Alexander M Gorlov,Valentin M Silantyev.Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow[J].Journal of Energy Resources Technology,2001,123:311-317.

[6] 張克危.流體機械原理[M].北京:機械工業出版社,2000.

Hydraulic Performance Experiment Research on the Mud Turbine Generator for Mine

HAN Pei,ZHANG Shi-shuai
(School of Energy&Power Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan430074,China)

TE921.1

A

1001-3482(2010)03-0059-03

2009-09-24

韓 培(1985-),男,安徽蕪湖人,主要從事流體機械的設計與應用研究。