注水井井下渦輪發(fā)電機參數(shù)設計與試驗分析

賈惠芹，付倩玉，陳東東 ，賈慶升，孫德旭，田 豆，岳列紅

(1.西安石油大學 陜西省油氣井測控技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 石油工程技術研究院，山東 東營 257000)

引 言

在分層注水井中，為提高開采效率和采收率，充分發(fā)揮注水井的效能，需要實時監(jiān)測和控制各儲層的注水量。近年來，多個油田開發(fā)了電纜式注水測調系統(tǒng)，但遇到的共同問題是通信不可靠，其主要原因是在高溫環(huán)境下，電纜的分布參數(shù)發(fā)生了變化，這種變化對供電無影響，但卻造成了數(shù)據傳輸?shù)牟ㄐ问д?。使用注水井的流體發(fā)電，是去掉電纜并提高可靠性的有效手段。與使用電池的供電方式相比，渦輪發(fā)電機可長時間在井下工作，并提供穩(wěn)定的電源。

在鉆井發(fā)電機研究方面，國內外學者都開展了大量的工作。沈躍等[1]研究了井下渦輪發(fā)電機渦輪設計過程中應遵循的原則及約束條件，根據發(fā)電機試驗的測量數(shù)據，結合發(fā)電機電磁特性的理論分析以及渦輪設計理論，計算分析了渦輪的實際工作特性參數(shù)。張先勇等[2]提出了3種渦輪設計方法，大大節(jié)約了試驗成本。呂官云等[3]對渦輪進行三維建模和機械性能的CFD預測，預測結果與試驗基本一致，說明預測結果可以作為設計決策的重要依據。馮進等[4]對葉輪進行了理論計算，并利用CFD方法進行數(shù)值模擬，對計算結果修正，比較了同一情況下不同螺旋角葉片的效率，得出了在滿足設計要求條件下的最優(yōu)螺旋角，具有指導意義。荊寶德等[5]建立了一種水力性能較高的渦輪模型，對不同的葉片參數(shù)進行了設計，分析了流量、轉速對渦輪流場的影響。

分析上述文獻，用于鉆井過程的井下發(fā)電技術已經成熟，并得到了廣泛的應用。但是目前關于注水井的渦輪發(fā)電機的研究很少，還沒有應用實例。主要原因是注水流量比鉆井液的流量小，且為了保證測調儀器能方便地下入井下，發(fā)電機不能占據中心通道，這為注水發(fā)電機的研制帶來了很大的難度。

傳統(tǒng)的渦輪發(fā)電機為了保護發(fā)電機定轉子而多使用磁耦合結構，但是這種結構較為復雜，需要較大的空間安裝多種磁鐵，且當負載突然變化時易發(fā)生柔性諧振和滑脫現(xiàn)象，可靠性不高。這使得磁耦合結構的渦輪發(fā)電機無法長時間在井下工作[6]。

本文通過對井下渦輪在理論計算、流場建模等方面的研究現(xiàn)狀及研究方法進行分析，總結出了井下渦輪發(fā)電機的設計方法。根據注水井的井筒結構和測調工藝的需求，設計了一種新型外轉子渦輪發(fā)電機。該發(fā)電機的渦輪葉片直徑44 mm，偏心布局于井下管柱上，測調儀器的中心通道直徑42 mm。該發(fā)電機克服了傳統(tǒng)磁耦合發(fā)電機的缺點[7]，其輸出功率可滿足注水井流量測調的要求。

1 發(fā)電機的渦輪設計原理

設計的渦輪發(fā)電機采用外轉子內定子的結構模式，其中定子線圈將被PEEK材料做成的隔離套完全包裹，避免了流體的沖蝕，從而保護了發(fā)電機定子。渦輪發(fā)電機由導輪、渦輪、轉子、定子、整流穩(wěn)壓電路、充放電電路等組成，其結構示意圖如圖1所示。

當注水流量切換到偏心發(fā)電流道時，流體通過圖1前端的導輪導流后沖擊渦輪使其轉動，帶動與渦輪連接的發(fā)電機外殼及永磁體一起轉動，處于變化磁場中的定子線圈中產生感應電動勢，通過整流穩(wěn)壓電路處理后輸出直流電，對井下設備供電。

圖1 渦輪發(fā)電機基本結構Fig.1 Basic structure of turbine generator

2 發(fā)電機的參數(shù)設計及計算

2.1 渦輪結構的參數(shù)設計及計算

文中以井眼直徑為46 mm、每天注入的流體總流量為50 m3進行渦輪結構參數(shù)計算?？紤]到加工工藝問題，本文設計的是一種平面葉柵渦輪葉片，由速度三角形可知渦輪圓周速度與平均流速之間的夾角為β，近似與葉片安裝角β1相等。故可得出

(1)

式中：cz為渦輪軸向分速度,m/s；u為渦輪的圓周速度,m/s。

葉片弦長

(2)

式中：b為葉片弦長，mm；s為渦輪軸向高度,mm。

葉柵距

(3)

式中：t為渦輪葉片的葉柵距，mm；R為渦輪流道的平均半徑,mm；z為渦輪葉片個數(shù)。

葉片數(shù)

(4)

相對葉柵距

(5)

為了求得所設計的參數(shù)在合理范圍內理論上可提供的最大轉速，使用控制單一變量法對所設計的參數(shù)進行調整。部分結果見表1—表3。

表1 改變葉片數(shù)對渦輪轉速的影響Tab.1 Influence of changing the number of blades on turbine speed

表2 改變螺旋升角對渦輪轉速的影響Tab.2 Influence of changing spiral rising angle on turbine speed

表3 改變葉片高度對渦輪轉速的影響Tab.3 Influence of changing blade height on turbine speed

由表1—表3可以看出，在合理范圍內，隨著葉片數(shù)的增加，渦輪轉速降低；隨著螺旋升角的增加，渦輪轉速降低；隨著葉高的降低，渦輪轉速增大。在發(fā)電機外徑條件的約束下，經過理論計算和比較，確定了渦輪的主要參數(shù)，見表4。

表4 渦輪主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of turbine

2.2 發(fā)電機的參數(shù)設計及計算

發(fā)電機輸出功率

(6)

式中：E為額定輸出電壓,V；R為帶載電阻,Ω。

發(fā)電機定子線圈匝數(shù)

(7)

式中：φ為氣隙合成磁通，Wb；f為額定頻率，Hz；KN為定子繞組系數(shù)。

根據電機的設計原理[8]有

(8)

式中：D為定子內徑,mm；Kφ為磁場波形系數(shù)；Kφ為電樞基波繞組系數(shù)；Bδ為電機的氣隙磁密，T，一般取0.6～0.8 T；A為電負荷，A/m，對于小功率發(fā)電機，一般取A≤30 A/m；n為轉速，rad/min；λ為長徑比，一般取0.4～0.6；α為極弧系數(shù)，對于小功率發(fā)電機α取值范圍為0.5～0.7；P′為計算功率,W。

(9)

其中，效率η一般取大于80%；PN為額定功率，W。

發(fā)電機的電樞直徑

D′=2r′=2(r+hr+δ)。

(10)

式中：r為定子線圈半徑，mm；hr為轉子厚度，mm；δ為氣隙寬度，mm。

極對數(shù)與發(fā)電機轉速和頻率關系如下：

(11)

式中：p為發(fā)電機極對數(shù)；f為額定頻率，Hz；n為發(fā)電機轉子轉速，r/min。

文中設計的渦輪發(fā)電機的額定功率為10 W， 已知流體的流速為50 m3/d，流體密度ρ取1 000 kg/m3，在發(fā)電機外徑尺寸約束下，根據式(6)—(11)，得出其他參數(shù)的數(shù)值，見表5。

表5 發(fā)電機主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of generator

3 發(fā)電機仿真分析

3.1 渦輪壓力場模型

圖2展示了渦輪在井下套管中的壓力場[9]?？梢钥闯隽黧w流經發(fā)電機通道時，由于渦輪占據了大部分套管空間，渦輪表面的壓力較大，尤其是流體直接沖擊的渦輪面，不利于渦輪快速旋轉，因此加入導輪以減輕渦輪壓力和提高流體對渦輪葉片的沖擊速度，使得流體更有效地沖擊渦輪葉片。

圖2 渦輪壓力圖Fig.2 Turbine pressure diagram

3.2 外轉子磁片和內定子線圈的電磁模型

定子由退火的軟磁鐵構成，這是一種相對磁導率較高的材料。轉子是由多塊永磁體組成，可產生強磁場[10]。繞組纏繞在定子的槽內。

定子與轉子之間的邊界條件的確定需要考慮轉子中磁源的運動。

根據安培環(huán)路定律

(12)

而轉子和定子的不導電部分通過高斯磁通定律

▽·B=0

(13)

來模擬。式中，B為磁感應強度，T。

忽略轉子末端的電壓貢獻，此處的繞組截面相連。取每個繞組橫截面E場z分量，將該值乘以轉子的軸向長度，然后對所有繞組的橫截面求和，從而得到電壓

(14)

式中：L為發(fā)電機的長度，mm；N為繞組匝數(shù)；A為繞組橫截總面積，mm2。

網格劃分的質量也影響計算結果的準確度[11]，對永磁體和線圈的網格加密，因此采用三角形劃分網格。根據表2的發(fā)電機結構參數(shù)模型，設置發(fā)電機長度為150 mm，導線線徑為1 mm，線圈匝數(shù)設置為120匝，轉子轉速設置為480 r/min,定子線圈保持不動。中心部分選用軟磁材料[12]，磁化關系選用系統(tǒng)自帶的碳鋼B-H曲線，通過邊界條件設置發(fā)電機的旋轉區(qū)域為外殼和外轉子磁體，內部電子線圈固定不動。

對所建模型進行瞬態(tài)分析[13]，在0.2 s時繪制磁通密度分布圖，如圖3所示?？梢钥闯?，發(fā)電機最高磁通密度沒有達到定子鐵芯材料的飽和值(鐵芯材料為硅鋼片310時，磁通量密度的飽和值為1.7 T)。

圖3 0.2 s時發(fā)電機磁通量模|B|分布圖Fig.3 Distribution of generator flux mode |B| at 0.2 s

轉子繞組中產生的電壓是正弦信號[14]。轉速為480 r/min時， 其線圈電壓如圖4所示，發(fā)電機在帶載100 Ω時輸出幅值約為11.8 V，輸出功率計算為12.5 W，滿足發(fā)電機額定功率為10 W的設計要求。證明本文所設計的發(fā)電機數(shù)據結構較為合理[15]。

圖4 發(fā)電機轉速為480 r/min時的感應電動勢Fig.4 Induced electromotive force when the generator speed is 480 r/min

4 樣機試制及結果分析

4.1 渦輪發(fā)電機樣機及試驗平臺

根據表4和表5的渦輪和發(fā)電機結構參數(shù)，制作了如圖5—圖7所示的渦輪發(fā)電機樣機及其各部分組成零件。

圖5 渦輪發(fā)電機樣機整體結構Fig.5 Structure of turbo generator prototype

圖6 渦輪發(fā)電機定子結構Fig.6 Structure of turbine generator stator

圖7 渦輪發(fā)電機的轉子結構Fig.7 Structure of turbine generator rotor

為了測試制作的發(fā)電機樣機是否符合要求，利用實驗室現(xiàn)有的流體實驗平臺搭建了渦輪發(fā)電機實驗平臺，采用實驗室水循環(huán)系統(tǒng)對渦輪發(fā)電機進行實驗。平臺結構原理如圖8所示。

圖8 實驗平臺結構原理Fig.8 Principle of experimental platform

4.2 實驗結果分析

在室內環(huán)境下用水泵先對渦輪轉速進行測試。在50 m3/d的排量下測得渦輪轉速為385 r/min，考慮到摩擦等因素，實驗結果大致與理論計算結果相符。

經過測量，當泵頻率為18 Hz時，產生的流量約為50 m3/d。當負載內阻與發(fā)電機繞組相等時，輸出的功率最大?？紤]到整流時兩繞組之間的相對電壓，經過理論計算，所使用的負載電阻為160 Ω。

發(fā)電機在一定的渦輪結構和電氣參數(shù)下進行實驗，得到了發(fā)電機在一定負載情況下流量測試結果,見表6。

表6 發(fā)電機實驗結果Tab.6 Experimental results of generator

由表6可知，在一定流量范圍內，電壓及發(fā)電功率隨流量的增加而增大，在流量為50 m3/d時，基本滿足發(fā)電功率10 W設計要求。

當流量為50 m3/d時，測得帶載160 Ω的輸出電壓幅值為23.36 V。根據公式(6)得到的輸出功率為10.23 W，基本達到預期輸出要求。

5 結 論

研究了用于油田注水井的渦輪發(fā)電機，根據注水井井下實際工況和空間，確定了發(fā)電機主要參數(shù)的約束關系，計算了外轉子型發(fā)電機的結構參數(shù)，并通過COMSOL分析了流道壓力對渦輪結構的影響，建立了發(fā)電機電磁仿真模型，以判斷所設計的發(fā)電機樣機是否符合預先設計要求。

實驗表明， 按照上述參數(shù)設計的渦輪發(fā)電機在穩(wěn)定轉速下帶載160 Ω時， 實際輸出的電壓為23.36 V，輸出功率為10.23 W?？紤]實驗中的系統(tǒng)誤差和客觀因素等的影響后，本文設計的渦輪發(fā)電機基本達到預期設計要求。本文的分析過程和設計結果可以對后續(xù)注水井井下渦輪發(fā)電機研發(fā)提供參考。