孟凡賀， 董樹偉

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院， 湖北 武漢 4300074)

在鉆井過程中，為了實(shí)時(shí)獲取井底信息并實(shí)現(xiàn)井眼軌道控制，多種井下智能儀器被采用，其中典型代表是隨鉆測(cè)量、隨鉆測(cè)井和導(dǎo)向鉆進(jìn)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)工作時(shí)需要持續(xù)的電源供給．目前其供電方式主要有電池組、井下渦輪發(fā)電機(jī)以及兩者聯(lián)合使用．電池組以高性能鋰電池為主，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，輸出電能平穩(wěn)；缺點(diǎn)是容量有限，頻繁更換影響效率，且易受溫度限制[1]．井下渦輪發(fā)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是功率大、耐溫高；缺點(diǎn)是輸出電能不穩(wěn)，須用穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，且一旦零件損壞就會(huì)導(dǎo)致斷電故障，維護(hù)有一定難度．井下智能儀器總的發(fā)展趨勢(shì)是集測(cè)量與控制為一體，正常工作時(shí)消耗電量較大，供電持續(xù)性與可靠性要求高．可充電電池組和井下渦輪發(fā)電機(jī)聯(lián)合使用，能夠彌補(bǔ)相互不足，達(dá)到上述要求，已成為井下智能儀器供電方式首選方案．受限于井下狹小的空間，渦輪發(fā)電機(jī)又必須提供足夠的電能，因此如何提高渦輪發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，是一個(gè)關(guān)鍵性的問題，而改善渦輪發(fā)電機(jī)的水力學(xué)性能是一個(gè)有效途徑．目前開展渦輪發(fā)電機(jī)水力性能研究的方法主要有理論流體力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)三種[2]，但最終理論計(jì)算結(jié)果必須通過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和驗(yàn)證，因此設(shè)計(jì)一套井下渦輪發(fā)電機(jī)水利性能測(cè)試平臺(tái)具有重要意義．

1 井下渦輪發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

井下渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)類似于軸流式水輪機(jī)，主要由渦輪機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)兩部分組成．圖1所示為一種旋轉(zhuǎn)磁極式渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，其工作原理是鉆井液驅(qū)動(dòng)渦輪(一般一個(gè)或兩個(gè))旋轉(zhuǎn)，渦輪又帶動(dòng)安有永磁體的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在發(fā)電機(jī)定子上安裝有線圈繞組，線圈切割磁力線從而產(chǎn)生交流電．其本質(zhì)就是流體的能量(動(dòng)能、勢(shì)能及壓力能)轉(zhuǎn)換成渦輪的機(jī)械能，并最終轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)的電能．

1-渦輪；2-密封圈；3-外殼；4-永磁體；5-軸承；6-渦輪；7-氈圈；8-T型套筒；9-密封圈；10-線圈；11-心軸；12-軸承圖 1 井下渦輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 井下渦輪發(fā)電機(jī)基本理論

對(duì)于轉(zhuǎn)速不是很高，結(jié)構(gòu)要求簡單的井下渦輪發(fā)電機(jī)，一般采用凸極永磁式同步交流發(fā)電機(jī)，其電磁功率

Pem=P1-(Pmec+PFe+Pad)=P1-P0，

(1)

Pem=P2+Pcu1．

式中P1為輸入功率；Pmec為機(jī)械損耗；PFe為定子鐵損；Pad為附加損耗；P2為輸出功率；Pcu1為定子銅損．將式(1)兩端同除以角速度ω，可得轉(zhuǎn)矩方程：Tem=T1-T0．

式中Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；T1為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩．對(duì)井下渦輪發(fā)電機(jī)而言，P1和T1即為渦輪機(jī)構(gòu)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩，要想提高發(fā)電機(jī)輸出功率，一方面要減少發(fā)電機(jī)自身損耗，另一方面要優(yōu)化渦輪結(jié)構(gòu)，提高渦輪機(jī)構(gòu)的輸出功率．根據(jù)渦輪機(jī)械理論和動(dòng)量矩定理，可知一副渦輪產(chǎn)生的扭矩

T=ηνηmρQR(Czcotα1+Czcotβ2-u),

(2)

和功率[3]

．

(3)

式中：ην為容積效率；ηm為機(jī)械效率；ρ為流體密度；Q為工作流量；R為平均流道半徑；Cz為軸向流速；α1為進(jìn)口液流角；β2為出口液流角；u為轉(zhuǎn)子流道中徑處圓周速度；n為渦輪轉(zhuǎn)速．另外渦輪輪轂比及前后壓差也是渦輪設(shè)計(jì)和性能的重要參數(shù)，結(jié)合式(2)和(3)可以得出結(jié)論，渦輪的參數(shù)主要有扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、壓差、輪轂比、葉片安裝角和流量，其中扭矩、轉(zhuǎn)速、功率和壓差是渦輪的輸出特性，輪轂比、葉片安裝角以及流量是渦輪輸出特性的影響參數(shù)，輪轂比、葉片安裝角屬于結(jié)構(gòu)參數(shù)，流量屬于輸入?yún)?shù)．明確了以上參數(shù)，也就得到了渦輪設(shè)計(jì)和發(fā)電機(jī)水力性能測(cè)試的依據(jù)．

3 水力性能測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)前述井下渦輪發(fā)電機(jī)水力性能基本參數(shù)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試內(nèi)容主要包括能量特性、力特性、流態(tài)以及振動(dòng)等．通過試驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行采集并分析，尋找出渦輪發(fā)電機(jī)的水力性能影響因素及變化規(guī)律，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)選鉆進(jìn)規(guī)程，改善渦輪發(fā)電機(jī)在井下智能儀器中的工作性能，提高其工作效率和可靠性．

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)采用密閉循環(huán)方式[4]，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括液罐、管道、離心泵、閥門、接頭和渦輪固定裝置等．渦輪發(fā)電機(jī)不轉(zhuǎn)的一端是安放在管道內(nèi)的一個(gè)支撐架上，隨渦輪旋轉(zhuǎn)的一端安裝在帶有旋轉(zhuǎn)密封的軸承座上，并通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀相連，清水或泥漿經(jīng)多級(jí)離心泵加壓后在管道間流動(dòng)，帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)工作．渦輪發(fā)電機(jī)所在位置處外管采用有機(jī)玻璃，以便于在實(shí)驗(yàn)過程中觀察渦輪的運(yùn)行狀況和采用粒子成像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)采集速度場(chǎng)、流場(chǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)管道上安裝有水密接頭，方便內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出．此外，為了降低泵和電機(jī)的振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)及數(shù)據(jù)采集儀器的影響，在管路中多處使用了軟連接，這樣既隔絕振源，又減少管路安裝難度．

1-壓力傳感器；2-水密接頭；3-壓力泵；4-轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀；5-電子調(diào)節(jié)閥；6-有機(jī)玻璃管；7-PIV系統(tǒng)；8-渦輪發(fā)電機(jī)；9-流量計(jì)；10-液罐；11-閘閥；12-軟連接；13-離心泵圖 2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制自動(dòng)化，測(cè)試平臺(tái)采用如圖3所示測(cè)控系統(tǒng)，通過電量變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀、壓力傳感器和流量計(jì)等多種傳感器以及數(shù)據(jù)采集卡和測(cè)控軟件可測(cè)量發(fā)電機(jī)的三相交流電壓、電流、功率、電網(wǎng)頻率、轉(zhuǎn)速、進(jìn)出口壓力、流量等參數(shù)，并且數(shù)據(jù)采集卡能夠輸出模擬控制信號(hào)作用于電子調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流量．另外測(cè)控系統(tǒng)安裝有PIV系統(tǒng)以采集速度場(chǎng)和流場(chǎng)數(shù)據(jù)．

圖 3 測(cè)控系統(tǒng)流程圖

調(diào)節(jié)閥選用電子式單座調(diào)節(jié)閥，其電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)有伺服系統(tǒng)，連接電源后輸入控制電流信號(hào)即可控制運(yùn)轉(zhuǎn)．?dāng)?shù)據(jù)采集卡采用PCI-8333 多功能模入模出接口卡，其模入模出及I/O信號(hào)均由卡上的37芯D 型插頭通過端子板與外部信號(hào)源及設(shè)備連接．

組態(tài)軟件以其通用性和靈活性廣泛應(yīng)用于電力、石油以及化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，測(cè)試平臺(tái)人機(jī)界面的開發(fā)采用的是力控組態(tài)軟件[5]，其開發(fā)步驟是:1)制作工程畫面, 用力控組態(tài)軟件提供的各種圖形化工具繪制圖形畫面, 描繪實(shí)際測(cè)試流程, 模擬測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)和工控設(shè)備；2)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫, 定義一系列數(shù)據(jù)并連接數(shù)據(jù)采集卡，用于反映渦輪發(fā)電機(jī)的各種屬性；3)動(dòng)畫連接, 建立數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與圖形畫面中的圖形對(duì)象的連接關(guān)系，從而使畫面根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的變化來產(chǎn)生動(dòng)畫效果，如液流速度、渦輪轉(zhuǎn)速和壓力數(shù)據(jù)等．測(cè)控程序主要功能模塊包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與打印，電子調(diào)節(jié)閥比例控制，歷史數(shù)據(jù)讀取以及系統(tǒng)異常報(bào)警等，其中數(shù)據(jù)監(jiān)控界面如圖4所示．

圖 4 監(jiān)控界面

測(cè)控軟件開發(fā)完成后連接數(shù)據(jù)采集卡對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，管道內(nèi)可以實(shí)時(shí)演示液流方向及渦輪轉(zhuǎn)速，傳感器能夠采集并顯示相應(yīng)參數(shù)，控制組件也可以調(diào)節(jié)電子閥開口比例，并反饋位置數(shù)據(jù)．

4 結(jié)論與建議

在分析井下渦輪發(fā)電機(jī)工作原理和理論的基礎(chǔ)上，確定了渦輪發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)，并針對(duì)其水力性能設(shè)計(jì)了一套測(cè)試平臺(tái)，完成了其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于力控組態(tài)軟件的測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)．通過連接硬件設(shè)備對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理，以及電子調(diào)節(jié)閥的比例控制．為了實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)一步的研究內(nèi)容是計(jì)算機(jī)在測(cè)控過程中分析當(dāng)前的真實(shí)情況，基于智能算法，控制進(jìn)、出口閥，自適應(yīng)地調(diào)節(jié)最合理的工況點(diǎn)，待狀態(tài)穩(wěn)定后自動(dòng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的最優(yōu)控制．

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