礦用隨鉆渦輪發(fā)電裝置設(shè)計

張冀冠，陳 龍，高 珺

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

近些年，煤礦井下定向鉆孔孔深世界紀(jì)錄不斷突破，這不僅代表著井下鉆探工藝和技術(shù)的進(jìn)步，同時對孔中探測儀器提出了更高的要求[1-4]，其中，單孔施工時間的增加，要求探測儀器的續(xù)航時間必須得到提升；另一方面，隨著技術(shù)的進(jìn)步，煤礦井下鉆井施工將實現(xiàn)從“幾何導(dǎo)向鉆進(jìn)”到“精確地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)”再到“自動旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆進(jìn)”的大跨越[5-7]。這意味著以后的孔中儀器會越來越多，越來越復(fù)雜，因而對電能的需求也越來越多。目前，煤礦井下孔中儀器主要由電池供電，由于井下特殊的工況環(huán)境和安全要求，限制了礦用儀器電池的種類、容量和規(guī)格尺寸，工作時間相對較短成為了制約無線隨鉆測量、隨鉆測井以及未來旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)在煤礦井下鉆孔施工應(yīng)用和效果評價的重要因素之一。

因此研究并開發(fā)可在井下長時間工作的供電系統(tǒng)顯得十分重要，采用渦輪發(fā)電技術(shù)作為井下孔中儀器主電源是一種較佳的選擇[8-13]。目前石油領(lǐng)域已經(jīng)有成熟的隨鉆渦輪發(fā)電機產(chǎn)品，但無法滿足煤礦井下小尺徑鉆孔、小鉆井液排量等工況條件和防爆要求。

本文從防爆性和安全性出發(fā)，設(shè)計了一套礦用隨鉆渦輪發(fā)電裝置，并對其工作原理、機械結(jié)構(gòu)和電路的防爆設(shè)計、發(fā)電能力以及工作時的溫升進(jìn)行了分析和試驗測試。

1 渦輪發(fā)電裝置工作原理

井下渦輪發(fā)電裝置的工作原理如圖1所示：泥漿泵將泥漿注入到井下時，高速流動的泥漿流經(jīng)導(dǎo)輪葉片流道后，進(jìn)入渦輪葉片流道，泥漿沖擊葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，帶動渦輪和渦輪轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)。由于發(fā)電機的永磁轉(zhuǎn)子是固定在主軸上的，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時就會帶動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，這相對于其定子線圈在做高速運轉(zhuǎn)，整個過程就等同于在線圈中切割磁感線從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，之后通過整流、濾波、穩(wěn)壓處理后，得到所需要的電能。由于煤礦井下隨鉆參數(shù)大部分為停鉆時測量，為了提供穩(wěn)定的電能，發(fā)電裝置內(nèi)部放置了一個電池組作為儲能部件，電池組經(jīng)雙重保護電路后給井下儀器供電。

圖1 渦輪發(fā)電裝置原理

2 發(fā)電裝置設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述工作原理，結(jié)合井下工況環(huán)境，以安全性為前提，發(fā)電裝置防爆型式設(shè)計為隔爆兼本安型，電氣部分全部在隔爆腔體內(nèi)部，采用螺紋接合面作為隔爆接合面，設(shè)置1個輸出端口，本安輸出。對煤礦井下鉆孔內(nèi)管狀儀器來說，螺紋接合面和隔爆腔體的設(shè)計較為常見，按照GB3836的規(guī)定設(shè)計即可，這里不再贅述。

而發(fā)電功能的實現(xiàn)，要求發(fā)電裝置的渦輪系統(tǒng)，包括導(dǎo)輪、渦輪和直流導(dǎo)套必須處于水流通道里，即在隔爆腔體外部。因此，如何在不損壞隔爆結(jié)構(gòu)的前提下將能量傳導(dǎo)進(jìn)隔爆腔體內(nèi)部較為關(guān)鍵。

發(fā)電裝置電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)采用磁耦合連接方式，結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖2所示，斷面示意圖如圖3所示。渦輪底部和隔爆腔內(nèi)轉(zhuǎn)軸外壁鑲嵌極性相反的磁鋼，當(dāng)泥漿驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動時，耦合器外磁極跟著渦輪同步轉(zhuǎn)動，利用磁性材料異性相吸原理，耦合器內(nèi)磁極及固連的轉(zhuǎn)軸和永磁轉(zhuǎn)子組件一起轉(zhuǎn)動，永磁轉(zhuǎn)子組件在定子線圈中切割磁感線產(chǎn)生電能。

由于本安要求，隔爆腔壁厚最小為3mm，而磁驅(qū)動力的大小與磁耦合器內(nèi)外磁極的間隙相關(guān)，隔爆腔壁厚越厚，磁驅(qū)動力越小，這里可以采取增加磁極對數(shù)和磁極長度的方法來提高磁驅(qū)動力。

圖2 磁耦合結(jié)構(gòu)剖面

圖3 磁耦合結(jié)構(gòu)斷面

2.2 電路設(shè)計

一般來說，發(fā)電裝置的電路結(jié)構(gòu)基本包括整流、穩(wěn)壓和保護三部分，但由于煤礦井下特殊的工況和嚴(yán)格的安全要求，在電路設(shè)計方面需要增加一些安全措施保證裝置的安全性。這里著重介紹以下設(shè)計要點，電路連接框圖如圖4所示。

圖4 電路連接框圖

1)整流電路后增加開關(guān)，當(dāng)電池充滿電后，MCU控制開關(guān)斷開，使發(fā)電機進(jìn)入空載運行狀態(tài)，此時發(fā)電機不輸出有功功率；當(dāng)電池電量低于設(shè)定的閾值，MCU控制開關(guān)閉合，發(fā)電機給電池充電。為保障安全，開關(guān)設(shè)計為兩路，實現(xiàn)雙重保護。

2)為避免輸出電壓過高影響后端電路安全及性能，在整流電路后端增加一個穩(wěn)壓管。

3)電池組電壓14.8V，總?cè)萘啃∮?00Wh。充放電保護板主芯片為TI公司BQ40Z50-R1電源管理芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)電池組過壓、欠壓、過流、短路、過載和過熱保護，并能測量電池組可用容量、電壓、電流、溫度等參數(shù)，這些關(guān)鍵參數(shù)以及整流電壓測量電路測量的整流電壓值傳送給MCU處理，之后通過隔離串口實時輸出，從而實現(xiàn)對發(fā)電機和電池組狀態(tài)的實時監(jiān)測。

4)電池組充電保護前端串聯(lián)一級過流過壓保護，實現(xiàn)了充電過程雙重保護；電池組放電保護后接本安保護電路，本安保護電路由兩級過流過壓保護電路組成，實現(xiàn)了電池組的本安輸出。

2.3 發(fā)電能力測試

為驗證防爆渦輪發(fā)電裝置的性能，進(jìn)行了發(fā)電能力測試，測試現(xiàn)場如圖5所示，泥漿泵輸出高速泥漿液，水源由水箱提供。

圖5 測試現(xiàn)場

發(fā)電裝置未安裝電池組，直接測量不同流量下發(fā)電機直接輸出的最大功率，測試數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，在煤礦井下正常鉆進(jìn)的工作流量下，發(fā)電裝置發(fā)電量可以達(dá)到10W。

表1 不同流量下最大發(fā)電功率

3 溫升試驗

根據(jù)煤礦井下安全要求，電池最高運行溫度不應(yīng)超過55℃，同時在任何極端情況下，設(shè)備內(nèi)部元器件的溫升應(yīng)滿足防爆要求，不得超過150℃。因此需要對發(fā)電裝置工作時的溫升進(jìn)行測試分析。

3.1 試驗設(shè)計

發(fā)電裝置工作時，具體運行狀態(tài)有以下兩種：

1)驅(qū)動渦輪的泥漿液流量較小，此時發(fā)電機輸出電壓較低，穩(wěn)壓二極管沒有被擊穿，發(fā)電機輸出的能量除了給電池組充電外，只有一小部分消耗在控制電路中；

2)驅(qū)動渦輪的泥漿液流量較大，此時發(fā)電機輸出電壓較高，穩(wěn)壓二極管被擊穿，發(fā)電機輸出的能量除了給電池組充電以及控制電路消耗的一小部分外，剩下的能量全部消耗在穩(wěn)壓二極管上，從而轉(zhuǎn)化為熱能。

測試在實驗室進(jìn)行，由于實驗室試驗平臺環(huán)境開放，發(fā)電機暴露在空氣中，空氣會散發(fā)部分熱量，相比井下鉆孔內(nèi)密閉環(huán)境，試驗條件不夠嚴(yán)酷。針對此問題，采用在發(fā)電裝置外管包裹隔熱材料的方法，使之在實驗室環(huán)境下空氣散熱量比鉆孔的空氣散熱量小，此時測量發(fā)電裝置工作時的溫升。隔熱材料厚度的計算方法如下：

首先計算實際鉆孔環(huán)境中的最小散熱量。

煤礦井下實際工況中，發(fā)電裝置放置在鉆孔內(nèi)，假設(shè)此時發(fā)電裝置不與煤壁接觸(煤的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高，此種假設(shè)下散熱量更小)，且不考慮輻射傳熱，此時，只需計算空氣自然對流的散熱量。根據(jù)牛頓冷卻公式：

Φ=hAΔt

(1)

式中，Φ為熱量，W；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A為表面積，m2；Δt為溫差，℃。

表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與對流傳熱中的許多因素有關(guān)，但其大致范圍是確定的。本算式中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取空氣自然對流散熱最不利的數(shù)值h=1W/(m2·K)，發(fā)電裝置外管直徑d=73mm，長度l=1.5m，表面積A=πdl=0.344m2，假設(shè)發(fā)電裝置外管溫度為50℃，鉆孔內(nèi)環(huán)境溫度為20℃，溫差Δt=30℃，此時散熱量Φ=10.32W。

下面計算隔熱材料厚度，試驗?zāi)Ｐ涂梢越茷橥ㄟ^圓筒壁的導(dǎo)熱問題[14]，考察一個內(nèi)外半徑分別為r1、r2的保溫層，其內(nèi)外表面溫度分別為t1和t2，經(jīng)推導(dǎo)，保溫層導(dǎo)熱量計算式為：

具體到上述問題的計算，將式(2)改寫為：

式中，λ為隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

本試驗選取橡塑海綿作為隔熱材料，其λ=0.037W/(m·K)，導(dǎo)熱量Φ為10.32W，保溫層內(nèi)徑r1為發(fā)電裝置外管半徑0.0365m。解得r2=0.101m，保溫層厚度d2=r2-r1=0.064m。此時保溫層的熱損失與實際鉆孔環(huán)境時的最小散熱量相同。

通過上述計算，保溫層選取厚度為8cm的橡塑海綿。

3.2 試驗結(jié)果

試驗分兩步進(jìn)行，過程和結(jié)果如下：

1)泥漿泵流量固定在200L/min左右，測試了110min，溫度曲線如圖6所示，溫升非常緩慢。

圖6 溫度曲線(流量200L/min)

2)泥漿泵流量固定在400L/min，試驗時環(huán)境溫度23℃，水箱入水水溫15℃，水箱初始水溫15℃，測試了174min，發(fā)電裝置溫度曲線和水箱溫度曲線如圖7所示。

圖7 溫度曲線(流量400L/min)

由測試結(jié)果可知，測試初始階段，溫度上升較快，隨著測試的進(jìn)行，溫升逐漸減小，最后溫度穩(wěn)定在41℃附近；并且由于水箱換水量較低，水箱內(nèi)水溫緩慢增長，經(jīng)過近3h試驗，水溫由15℃緩慢增長到23℃。由此可以推斷，若試驗時經(jīng)過發(fā)電裝置的水完全排掉，實現(xiàn)隨打隨排，發(fā)電裝置內(nèi)部溫度應(yīng)該小于41℃。

4 結(jié) 論

本文以防爆性和安全性為基礎(chǔ)，對礦用隨鉆渦輪發(fā)電裝置進(jìn)行了設(shè)計研究，并對該裝置的發(fā)電能力和工作時的溫升進(jìn)行了測試。設(shè)計方法和試驗結(jié)果表明，該裝置符合礦用設(shè)備防爆要求和實際工況需要，但在實際應(yīng)用中，還需對該裝置作以下限制：

1)正常使用時，水和空氣皆可驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，但考慮到空氣鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動沒有降溫處理，轉(zhuǎn)子溫度會持續(xù)升高，所以嚴(yán)禁本類裝置在空氣鉆進(jìn)時使用。

2)需對配套泥漿泵流量進(jìn)行限制，測試中使用的泥漿泵流量最大為400L/min，已滿足煤礦井下鉆孔施工需要，溫升也符合煤礦井下安全要求。若提高泥漿泵流量，則需對裝置的安全性重新分析驗證。