煤礦井下鉆孔內(nèi)渦輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究

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關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；渦輪；礦用本安；自供電

引言

隨著煤礦井下鉆探工藝及技術(shù)的發(fā)展，深孔、多分支孔增多，單孔施工時(shí)間越來越長；另一方面，隨著地質(zhì)評(píng)價(jià)儀器、地質(zhì)導(dǎo)向工具的發(fā)展和需要，地質(zhì)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(jī)構(gòu)和傳感器的增多，也對(duì)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(dǎo)致孔內(nèi)儀器持續(xù)工作能力受限，在鉆孔施工時(shí)，要頻繁地停鉆、起鉆、更換電池，降低了鉆進(jìn)效率，加大了工作強(qiáng)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(shí)在鉆桿上壓降較大也會(huì)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(shí)的泥漿液產(chǎn)生的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。目前石油鉆探領(lǐng)域已有成熟的產(chǎn)品在市場上應(yīng)用，但煤炭領(lǐng)域由于多種原因渦輪發(fā)電機(jī)的使用受到了限制。主要原因：①相比較石油領(lǐng)域，煤炭領(lǐng)域鉆井液排量較小，無法驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有隨鉆渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速，從而無法提供穩(wěn)定的電能；②由于煤安對(duì)于防爆結(jié)構(gòu)輸出功率的要求，石油領(lǐng)域中的渦輪發(fā)電機(jī)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(jié)合煤礦井下孔中測量儀器的要求和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套礦用小功率泥漿渦輪發(fā)電機(jī)。

1渦輪發(fā)電機(jī)總體設(shè)計(jì)

井下渦輪發(fā)電技術(shù)屬于流體機(jī)械范疇，實(shí)現(xiàn)了井下泥漿動(dòng)能轉(zhuǎn)化為渦輪機(jī)械能再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化。渦輪發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)采用隔爆兼本安形式，安裝在一個(gè)隔爆腔體內(nèi)，設(shè)置一個(gè)輸出端口為本安輸出。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。泥漿泵將泥漿注入到井下時(shí)，泥漿按定子渦輪葉片設(shè)定方向轉(zhuǎn)過一定角度，增加泥漿的沖刷力度，高速流動(dòng)的泥漿進(jìn)入轉(zhuǎn)子渦輪葉片流道，沖擊葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子渦輪高速旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)子渦輪通過磁力耦合裝置帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組件的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生交流電能；將交流電能轉(zhuǎn)化為直流電后對(duì)充電電池組進(jìn)行充電，電池組經(jīng)過本安保護(hù)后提供電能給負(fù)載使用。

2渦輪發(fā)電機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)采用磁耦合聯(lián)接方式，發(fā)電機(jī)參數(shù)：當(dāng)泥漿驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁耦合器外磁鋼隨著渦輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，利用磁性材料同性相斥、異性相吸原理，磁耦合器內(nèi)磁鋼及固聯(lián)的轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子組件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子在定子線圈中切割磁感線產(chǎn)生電能。（2）渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)渦輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用1個(gè)導(dǎo)輪加1個(gè)渦輪設(shè)計(jì)。鉆孔時(shí)，由鉆桿流進(jìn)的高速泥漿首先流經(jīng)固定導(dǎo)輪，經(jīng)過導(dǎo)輪導(dǎo)流后沖擊渦輪葉片，帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)輪可以提高井下渦輪的工作效率，其作用主要有：①調(diào)節(jié)工況；②使流經(jīng)導(dǎo)輪的高速泥漿形成一定的沖刷角度，提高渦輪對(duì)泥漿動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率，最后再經(jīng)過1個(gè)直流導(dǎo)套將泥漿液調(diào)整為穩(wěn)定的流體。實(shí)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(zhuǎn)子渦輪以滿足不同泥漿排量。

3渦輪發(fā)電機(jī)電路設(shè)計(jì)

由于煤礦井下探測參數(shù)大部分為停鉆時(shí)測量，因此發(fā)電裝置內(nèi)部放置了一個(gè)電池組作為儲(chǔ)能部件，正常打鉆時(shí)發(fā)電機(jī)給電池組充電，停鉆測量時(shí)電池組給配套儀器供電。渦輪發(fā)電機(jī)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(jī)產(chǎn)生的交流電進(jìn)行整流、濾波和穩(wěn)壓處理，轉(zhuǎn)化的直流電經(jīng)過充電保護(hù)板對(duì)電池組進(jìn)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(shè)計(jì)中增加一個(gè)穩(wěn)壓二極管防止輸出電壓過高。電池組一路經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量模塊測量得到的電壓值、電流值和轉(zhuǎn)速值儲(chǔ)存并輸出至渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出接口。電池組另一路輸出至本安保護(hù)電路，經(jīng)過過壓、過流保護(hù)后輸出至發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的輸出接口給所要連接的測量儀器供電，當(dāng)輸出電壓或電流高于設(shè)定值時(shí)，過壓、過流保護(hù)電路自動(dòng)切斷輸出以保證煤礦井下電氣安全。

4試驗(yàn)測試

為驗(yàn)證渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)效果，在樣機(jī)裝配完畢后，首先進(jìn)行了發(fā)電機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況下發(fā)電性能試驗(yàn)。渦輪發(fā)電機(jī)由外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，可調(diào)整轉(zhuǎn)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(fù)載設(shè)置為10Ω。在測試完渦輪發(fā)電機(jī)電壓輸出能力后，再進(jìn)行外部泥漿泵驅(qū)動(dòng)的樣機(jī)整體性能試驗(yàn)。渦輪發(fā)電機(jī)裝入外管并放在試驗(yàn)臺(tái)上，聯(lián)接水辯，用泥漿泵驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整不同泥漿流量驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)工作，泥漿泵由水箱供水，并排放在水箱內(nèi)循環(huán)使用，測試數(shù)據(jù)如表2所示，泥漿流量、渦輪轉(zhuǎn)速與輸出電壓的關(guān)系曲線如圖4所示。由表2、圖4可知，流量96L/min時(shí)發(fā)電機(jī)可啟動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)速1000r/min左右，發(fā)電功率0.6W左右；流量160L/min時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速1500r/min左右，發(fā)電功率2W左右；流量200L/min時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速2000r/min左右，發(fā)電功率6W左右；流量270L/min時(shí)渦輪轉(zhuǎn)速2500r/min左右，發(fā)電功率11W左右。當(dāng)流量大于270L/min后，輸出電壓和功率下降。是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)整流電路后端穩(wěn)壓二極管啟動(dòng)，負(fù)載變大導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變大，渦輪轉(zhuǎn)速降低，穩(wěn)壓二極管會(huì)消耗部分發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量，但此時(shí)輸出的功率仍可以保持在9W以上。

5結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的煤礦井下鉆孔內(nèi)渦輪發(fā)電機(jī)符合礦用設(shè)備防爆要求和實(shí)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(duì)孔中儀器使用的限制，同時(shí)測量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出的電流、電壓，監(jiān)測發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，能夠根據(jù)狀態(tài)了解當(dāng)前孔內(nèi)施工情況。

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作者：陳龍 張冀冠 單位：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司