煤礦井下鉆孔內渦輪發(fā)電機設計研究

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關鍵詞：發(fā)電機；渦輪；礦用本安；自供電

引言

隨著煤礦井下鉆探工藝及技術的發(fā)展，深孔、多分支孔增多，單孔施工時間越來越長；另一方面，隨著地質評價儀器、地質導向工具的發(fā)展和需要，地質參數(shù)和工程參數(shù)的隨鉆測量越發(fā)重要，這些儀器的控制執(zhí)行機構和傳感器的增多，也對儀器的供電提出了更高的要求。現(xiàn)有煤礦井下孔中儀器供電采用2種方式：電池供電和孔口載波供電。采用電池供電的方式，由于電池容量受到限制，導致孔內儀器持續(xù)工作能力受限，在鉆孔施工時，要頻繁地停鉆、起鉆、更換電池，降低了鉆進效率，加大了工作強度；采用孔口載波供電方式，受到煤安限制，可以提供的電壓和電流非常有限，無法滿足越來越大的孔中儀器的功耗要求，另外在深孔施工時在鉆桿上壓降較大也會影響儀器正常工作。解決這一問題的有效方式是通過鉆井時的泥漿液產生的動力驅動渦輪發(fā)電機進行發(fā)電。目前石油鉆探領域已有成熟的產品在市場上應用，但煤炭領域由于多種原因渦輪發(fā)電機的使用受到了限制。主要原因：①相比較石油領域，煤炭領域鉆井液排量較小，無法驅動現(xiàn)有隨鉆渦輪發(fā)電機轉子達到穩(wěn)定的轉速，從而無法提供穩(wěn)定的電能；②由于煤安對于防爆結構輸出功率的要求，石油領域中的渦輪發(fā)電機電能輸出的穩(wěn)定性和安全性并不能滿足煤礦井下防爆要求。本文結合煤礦井下孔中測量儀器的要求和特點，設計開發(fā)了一套礦用小功率泥漿渦輪發(fā)電機。

1渦輪發(fā)電機總體設計

井下渦輪發(fā)電技術屬于流體機械范疇，實現(xiàn)了井下泥漿動能轉化為渦輪機械能再通過發(fā)電機轉軸轉化為電能的能量轉化。渦輪發(fā)電機總體結構采用隔爆兼本安形式，安裝在一個隔爆腔體內，設置一個輸出端口為本安輸出。總體結構如圖1所示。泥漿泵將泥漿注入到井下時，泥漿按定子渦輪葉片設定方向轉過一定角度，增加泥漿的沖刷力度，高速流動的泥漿進入轉子渦輪葉片流道，沖擊葉片產生旋轉力矩，帶動轉子渦輪高速旋轉；轉子渦輪通過磁力耦合裝置帶動驅動軸旋轉，從而驅動發(fā)電機組件的轉子旋轉，產生交流電能；將交流電能轉化為直流電后對充電電池組進行充電，電池組經過本安保護后提供電能給負載使用。

2渦輪發(fā)電機關鍵結構設計

（1）發(fā)電機結構設計發(fā)電機結構采用磁耦合聯(lián)接方式，發(fā)電機參數(shù)：當泥漿驅動渦輪轉動時，磁耦合器外磁鋼隨著渦輪同步轉動，利用磁性材料同性相斥、異性相吸原理，磁耦合器內磁鋼及固聯(lián)的轉軸和轉子組件一起轉動，轉子在定子線圈中切割磁感線產生電能。（2）渦輪結構設計渦輪結構如圖2所示，采用1個導輪加1個渦輪設計。鉆孔時，由鉆桿流進的高速泥漿首先流經固定導輪，經過導輪導流后沖擊渦輪葉片，帶動渦輪旋轉。導輪可以提高井下渦輪的工作效率，其作用主要有：①調節(jié)工況；②使流經導輪的高速泥漿形成一定的沖刷角度，提高渦輪對泥漿動能的轉換效率，最后再經過1個直流導套將泥漿液調整為穩(wěn)定的流體。實際使用過程中，可根據(jù)現(xiàn)場情況更換不同葉片角度和葉片數(shù)量的定子渦輪和轉子渦輪以滿足不同泥漿排量。

3渦輪發(fā)電機電路設計

由于煤礦井下探測參數(shù)大部分為停鉆時測量，因此發(fā)電裝置內部放置了一個電池組作為儲能部件，正常打鉆時發(fā)電機給電池組充電，停鉆測量時電池組給配套儀器供電。渦輪發(fā)電機電路主要包括電源控制電路和電池組電路兩部分。電氣連接框圖如圖3所示。電源控制電路將先發(fā)電機產生的交流電進行整流、濾波和穩(wěn)壓處理，轉化的直流電經過充電保護板對電池組進行充電。需要注意的是，為防止發(fā)電電壓過高影響后端的電路性能，設計中增加一個穩(wěn)壓二極管防止輸出電壓過高。電池組一路經直流電壓變換模塊輸出至控制，為控制電路中的MCU、電壓測量模塊、電流測量模塊和轉速測量模塊提供所需電能，MCU將電壓測量模塊、電流測量模塊和轉速測量模塊測量得到的電壓值、電流值和轉速值儲存并輸出至渦輪發(fā)電機系統(tǒng)的輸出接口。電池組另一路輸出至本安保護電路，經過過壓、過流保護后輸出至發(fā)電機系統(tǒng)的輸出接口給所要連接的測量儀器供電，當輸出電壓或電流高于設定值時，過壓、過流保護電路自動切斷輸出以保證煤礦井下電氣安全。

4試驗測試

為驗證渦輪發(fā)電機的設計效果，在樣機裝配完畢后，首先進行了發(fā)電機不同轉速情況下發(fā)電性能試驗。渦輪發(fā)電機由外部電機驅動轉動，可調整轉速測試輸出電壓，測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試電壓值為電源控制電路輸出電壓,負載設置為10Ω。在測試完渦輪發(fā)電機電壓輸出能力后，再進行外部泥漿泵驅動的樣機整體性能試驗。渦輪發(fā)電機裝入外管并放在試驗臺上，聯(lián)接水辯，用泥漿泵驅動渦輪轉動，調整不同泥漿流量驅動渦輪發(fā)電機工作，泥漿泵由水箱供水，并排放在水箱內循環(huán)使用，測試數(shù)據(jù)如表2所示，泥漿流量、渦輪轉速與輸出電壓的關系曲線如圖4所示。由表2、圖4可知，流量96L/min時發(fā)電機可啟動，渦輪轉速1000r/min左右，發(fā)電功率0.6W左右；流量160L/min時渦輪轉速1500r/min左右，發(fā)電功率2W左右；流量200L/min時渦輪轉速2000r/min左右，發(fā)電功率6W左右；流量270L/min時渦輪轉速2500r/min左右，發(fā)電功率11W左右。當流量大于270L/min后，輸出電壓和功率下降。是因為發(fā)電機整流電路后端穩(wěn)壓二極管啟動，負載變大導致電磁轉矩變大，渦輪轉速降低，穩(wěn)壓二極管會消耗部分發(fā)電機產生的能量，但此時輸出的功率仍可以保持在9W以上。

5結語

本文設計的煤礦井下鉆孔內渦輪發(fā)電機符合礦用設備防爆要求和實際工況需要，在煤礦井下現(xiàn)有正常的泥漿流量下，發(fā)電量可維持在9W以上，減小了電池容量對孔中儀器使用的限制，同時測量發(fā)電機轉速、發(fā)電機輸出的電流、電壓，監(jiān)測發(fā)電機系統(tǒng)運行狀態(tài)，能夠根據(jù)狀態(tài)了解當前孔內施工情況。

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作者：陳龍 張冀冠 單位：中煤科工集團西安研究院有限公司