煤礦井下隨鉆渦輪發(fā)電裝置研制與試驗(yàn)

陳超博，李泉新，張冀冠，褚志偉

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)具有成孔深度大、施工精度高和區(qū)域覆蓋廣等顯著優(yōu)勢(shì)，是煤礦井下瓦斯抽采、水害治理和防滅火工程等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)保障[1-2]。隨鉆測(cè)量?jī)x器作為煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備的重要組成之一，可以實(shí)時(shí)獲取鉆孔軌跡參數(shù)、地層地質(zhì)參數(shù)和鉆進(jìn)工程參數(shù)，為鉆孔軌跡控制和鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持[3-5]。

目前，煤礦井下隨鉆測(cè)量?jī)x器主要包括有線隨鉆測(cè)量和無(wú)線隨鉆測(cè)量2 種儀器。有線隨鉆測(cè)量?jī)x器利用孔口防爆計(jì)算機(jī)供電，通過通纜鉆桿中心有線通道向孔口傳輸孔底測(cè)量數(shù)據(jù)；無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器主要使用孔內(nèi)可充電電池組供電，利用泥漿脈沖或電磁波無(wú)線通道向孔口傳輸孔底測(cè)量數(shù)據(jù)[6-8]。現(xiàn)有隨鉆測(cè)量?jī)x器供電方式一定程度上滿足了使用要求，然而隨著煤礦智能鉆探技術(shù)發(fā)展，對(duì)隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)量和傳輸速度提出了更高的技術(shù)需求，現(xiàn)有供電方式暴露出一定的局限性，主要體現(xiàn)在以下2 方面：①孔口防爆計(jì)算機(jī)供電受煤安限制，提供的電壓和電流有限，在增加地層地質(zhì)參數(shù)和鉆進(jìn)工程參數(shù)測(cè)量功能模塊條件下，有線信號(hào)傳輸深度明顯減小，難以滿足孔內(nèi)儀器用電需求；②孔內(nèi)可充電電池組供電為滿足煤安要求，電池組容量受限，需要定期停鉆更換電池組，輔助鉆進(jìn)時(shí)間增加，鉆進(jìn)效率降低。

渦輪發(fā)電機(jī)是一種將沖洗液壓能轉(zhuǎn)化為渦輪轉(zhuǎn)子動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電的供電裝置，輸出電能功率高，且連續(xù)穩(wěn)定，可以滿足煤礦井下隨鉆測(cè)量?jī)x器用電需求[9]。然而，現(xiàn)有渦輪發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于石油和天然氣鉆探領(lǐng)域，無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下，主要原因：煤礦井下沖洗液排量低，無(wú)法驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速，輸出電能不穩(wěn)定；現(xiàn)有渦輪發(fā)電機(jī)輸出電能的穩(wěn)定性和安全性無(wú)法滿足煤礦井下特殊的防爆要求[10-12]。因此，亟待開發(fā)適用于煤礦井下特殊工況的隨鉆渦輪發(fā)電裝置，以滿足煤礦井下隨鉆測(cè)量?jī)x器高功耗和長(zhǎng)續(xù)航供電技術(shù)要求。

1 渦輪發(fā)電裝置

1.1 工作原理

隨鉆渦輪發(fā)電裝置工作原理圖如圖1。

圖1 隨鉆渦輪發(fā)電裝置工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of turbine power generator while drilling

鉆柱內(nèi)高壓沖洗液流經(jīng)導(dǎo)輪后，由導(dǎo)輪改變流向以沖擊渦輪，從而帶動(dòng)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪通過磁力耦合裝置帶動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，永磁轉(zhuǎn)子在定子線圈中不斷切割磁感線產(chǎn)生的交流電能經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓處理轉(zhuǎn)化為直流電能后給電池組供電，本安電路保護(hù)過的電池組為孔內(nèi)隨鉆測(cè)量?jī)x提供電源。

1.2 總體設(shè)計(jì)

隨鉆渦輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)組成圖如圖2。

圖2 隨鉆渦輪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)組成圖Fig.2 Structure diagram of turbine power generator while drilling

依據(jù)煤礦井下防爆要求，渦輪發(fā)電裝置防爆形式設(shè)計(jì)為隔爆兼本安型，電器元件設(shè)置在1 個(gè)隔爆腔體內(nèi)，裝置一端設(shè)有1 個(gè)本安輸出端口，用于向隨鉆測(cè)量?jī)x器供電。扶正組件用于渦輪發(fā)電裝置的扶正；導(dǎo)輪組件為固定部分用于改變沖洗液流向，渦輪組件為轉(zhuǎn)動(dòng)部分將沖洗液壓能轉(zhuǎn)換為渦輪的動(dòng)能；發(fā)電組件內(nèi)部設(shè)置永磁轉(zhuǎn)子和定子線圈，用于將渦輪組件動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能；主控電路是渦輪發(fā)電裝置控制中心，保證發(fā)電組件和電池組件正常工作；電池組件由可充電電池組成，用于儲(chǔ)存發(fā)電組件產(chǎn)生的電能；本安輸出端口用于將電池組件儲(chǔ)存電能向隨鉆測(cè)量?jī)x器輸送，以保障隨鉆測(cè)量?jī)x器連續(xù)穩(wěn)定用電需求。

1.3 導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

導(dǎo)輪實(shí)物圖如圖3。

圖3 導(dǎo)輪實(shí)物圖Fig.3 Physical picture of regulating wheel

導(dǎo)輪葉片數(shù)過多將堵塞流體進(jìn)入渦輪葉柵流道，流體易在導(dǎo)輪葉柵流道中形成回流，失去了導(dǎo)流的意義[13]。葉片數(shù)目過少時(shí)，導(dǎo)輪流道空間大，導(dǎo)流效果差，不利于提高流體對(duì)渦輪葉片沖擊效果。因此，經(jīng)過綜合分析，導(dǎo)輪葉片選用7 片。

導(dǎo)輪螺旋角的增加有利于吸收并緩沖更多的流體動(dòng)能，渦輪轉(zhuǎn)矩、功率、水力效率也都隨之逐漸增加。但在實(shí)際中，采用較大導(dǎo)輪葉片螺旋角來提高功率將嚴(yán)重降低渦輪的使用壽命，在滿足功率要求的前提下，應(yīng)盡量選擇使渦輪葉片受到的軸向作用力較小導(dǎo)輪螺旋角。因此，將導(dǎo)輪葉片螺旋角設(shè)為70°。

1.4 渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

渦輪實(shí)物圖如圖4。

圖4 渦輪實(shí)物圖Fig.4 Physical picture of turbine wheel

渦輪葉片數(shù)目較少時(shí)，流動(dòng)分離現(xiàn)象嚴(yán)重，流動(dòng)分離在一定程度上降低了流體動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。同時(shí)，葉片數(shù)目不宜過多，不利于降低制造加工的難度，另一方面，葉片數(shù)目的增多使葉柵流道空間減小，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速較大時(shí)，流體易在渦輪葉柵流道中，尤其是中弧線圓弧對(duì)應(yīng)輪廓附近易形成回流和二次流，這將嚴(yán)重降低流體能量的轉(zhuǎn)化效率[14]。因此，渦輪葉片選用7 片。

渦輪葉片螺旋角增加，葉片對(duì)流體動(dòng)能的吸收能力隨之逐漸減增大，渦輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能也隨之增大。但是，渦輪葉片螺旋角越大對(duì)應(yīng)渦輪輸出功率越高，此時(shí)渦輪流場(chǎng)受到流體的壓力沖擊將更大，考慮到渦輪的使用壽命，渦輪葉片螺旋角不應(yīng)過大。經(jīng)過綜合分析，渦輪葉片螺旋角選用42°。

1.5 主控電路

為了滿足隨鉆測(cè)量?jī)x器連續(xù)用電要求，渦輪發(fā)電裝置電池組件需具備自行關(guān)斷和恢復(fù)功能，即鉆孔施工時(shí)發(fā)電組件輸出電能給電池組件充電；停鉆參數(shù)測(cè)量時(shí)發(fā)電組件停止工作，電池組件輸出電能以保障隨鉆測(cè)量?jī)x器的用電需求。主控電路工作原理如圖5。

圖5 主控電路工作原理圖Fig.5 Main control circuit operating principle diagram

渦輪發(fā)電裝置主控電路主要包括整流、穩(wěn)壓、檢測(cè)、充電限壓限流、電池組充放電保護(hù)和放電2 級(jí)限壓限流電路等。其中整流、穩(wěn)壓、檢測(cè)和一級(jí)充電限壓限流電路布置在1 個(gè)電路板上，簡(jiǎn)稱整流電路板；電池組件充放電單獨(dú)設(shè)置保護(hù)電路稱為電池保護(hù)板；放電2 級(jí)限壓限流電路設(shè)置在單獨(dú)的本安保護(hù)板上[15]。

2 渦輪發(fā)電裝置性能試驗(yàn)

2.1 發(fā)電性能

為了測(cè)試渦輪發(fā)電裝置的發(fā)電性能，利用已有螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)開展了發(fā)電性能試驗(yàn)，渦輪發(fā)電裝置發(fā)電性能試驗(yàn)連接圖如圖6。

圖6 渦輪發(fā)電裝置發(fā)電性能試驗(yàn)連接圖Fig.6 Connection diagram for power generation performance test of turbine generator

試驗(yàn)過程中先不安裝電池組件，連接滑動(dòng)變阻器模擬負(fù)載，負(fù)載值設(shè)定為10 Ω，將渦輪發(fā)電裝置裝入外管并固定在螺桿鉆具試驗(yàn)臺(tái)上，連接水便，泥漿泵輸出的高速?zèng)_洗液驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，水源由水箱提供且返流回水箱中循環(huán)，測(cè)量不同流量下渦輪發(fā)電裝置的輸出功率。渦輪發(fā)電裝置輸出功率測(cè)量值見表1。

表1 渦輪發(fā)電裝置輸出功率測(cè)量值Tab.1 Measured power output of turbine generator

2.2 電池組件充電性能

根據(jù)煤礦井下實(shí)際工況，渦輪發(fā)電裝置設(shè)計(jì)配套的泥漿泵最大流量為390 L/min，由表1 測(cè)試數(shù)據(jù)可知：在正常的工作流量范圍內(nèi)，該發(fā)電裝置的發(fā)電能力可達(dá)13 W，可以滿足隨鉆測(cè)量?jī)x器用電要求。

為了測(cè)試渦輪發(fā)電裝置對(duì)電池組件充電的可靠性，利用發(fā)電性能試驗(yàn)裝置進(jìn)行了電池組件充電性能試驗(yàn)。保持沖洗液流量200 L/min 左右，記錄電池組件充電電壓、充電電流，計(jì)算充電功率。測(cè)試連續(xù)進(jìn)行了300 min，每10 min 記錄1 次數(shù)據(jù)。渦輪發(fā)電裝置電池組件充電功率曲線圖如圖7。

圖7 電池組件充電功率曲線圖Fig.7 Battery pack charging power curve

從圖7 可以看出：測(cè)試初期由于沖洗液流量不穩(wěn)定，渦輪發(fā)電裝置充電功率逐步升高并趨于穩(wěn)定；待沖洗液流量穩(wěn)定后，渦輪發(fā)電裝置充電功率平穩(wěn)，充電過程可靠，滿足電池組件充電要求。

2.3 溫升性能

煤礦井下安全規(guī)程要求作業(yè)設(shè)備儲(chǔ)能部件電池運(yùn)行溫度上限為55 ℃，且設(shè)備內(nèi)部元器件的溫升應(yīng)滿足防爆要求，溫度上限為150 ℃，因此，需要對(duì)渦輪發(fā)電裝置工作時(shí)的溫升性能進(jìn)行驗(yàn)證分析。

為了防止熱量的散失，選取厚度為8 cm 的橡塑海綿保溫層，將渦輪發(fā)電裝置包裹在保溫層中，以保證溫升性能的準(zhǔn)確性。負(fù)載值設(shè)定為10 Ω，泥漿泵流量保持在400 L/min 左右，連續(xù)不間斷工作，試驗(yàn)共進(jìn)行了174 min，每30 s 記錄1 次渦輪發(fā)電裝置內(nèi)部溫度。渦輪發(fā)電裝置溫升曲線如圖8。

圖8 渦輪發(fā)電裝置溫升曲線圖Fig.8 Temperature rise curve of turbine power unit

由圖8 可以看出：測(cè)試初始階段，溫度上升較快，隨著測(cè)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(zhǎng)，經(jīng)過近3 h 試驗(yàn)，水溫由15 ℃緩慢增長(zhǎng)到23 ℃。由此可以推斷，若試驗(yàn)時(shí)經(jīng)過渦輪發(fā)電裝置的水完全排掉，渦輪發(fā)電裝置內(nèi)部溫度可以保持在41 ℃以內(nèi)，滿足煤礦井下安全規(guī)程的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)煤礦井下沖洗液排量低和特殊防爆要求的特殊工況，研制了一種煤礦井下隨鉆渦輪發(fā)電裝置，將沖洗液壓能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的交流電能經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓處理轉(zhuǎn)化為直流電能后給電池組供電，本安電路保護(hù)過的電池組為孔內(nèi)隨鉆測(cè)量?jī)x器提供電源，可以滿足隨鉆測(cè)量?jī)x器高功耗和長(zhǎng)續(xù)航用電的技術(shù)需求。

2）渦輪發(fā)電裝置渦輪和導(dǎo)輪合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為：導(dǎo)輪葉片數(shù)量為7 片，導(dǎo)輪葉片螺旋角為70°；渦輪葉片數(shù)量為7 片，渦輪葉片螺旋角為42°。

3）渦輪發(fā)電裝置性能試驗(yàn)表明：沖洗液流量保持390 L/min 時(shí)，渦輪發(fā)電裝置的發(fā)電能力可達(dá)13 W，可以滿足隨鉆測(cè)量?jī)x器用電要求；沖洗液流量保持200 L/min 時(shí)，300 min 充電過程中渦輪發(fā)電裝置充電功率平穩(wěn)，充電過程可靠；經(jīng)過近3 h 溫升性能試驗(yàn)，渦輪發(fā)電裝置溫度穩(wěn)定在41 ℃附近，滿足煤礦井下安全規(guī)程的要求。