李 飛 喬 昊
(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院;中海油集團測井與定向鉆井重點實驗室定向鉆井分室)
油氣資源作為我國甚至全球范圍內(nèi)的主要能源,對于全球經(jīng)濟生活具有決定性作用[1]。而近些年來由于全球氣候變暖以及當(dāng)前疫情影響,特別是部分國家及地區(qū)持續(xù)性的戰(zhàn)爭導(dǎo)致石油價格上漲。中國石油經(jīng)濟技術(shù)研究院發(fā)布的《2022—2028年中國石油行業(yè)發(fā)展策略分析及投資前景研究報告》指出,2020年中國的石油消費總量已達到7.02億t,比上年同期增加6.6%,未來幾年這種情況大概率會呈現(xiàn)持續(xù)增長態(tài)勢[2]。在這種局勢下,油氣資源的產(chǎn)出早已供不應(yīng)求。諸多開采技術(shù)的各項指標要求也日益提升,其中所需的發(fā)電裝置相關(guān)技術(shù)也隨之不斷被突破。
目前,國內(nèi)外井下供電主要有電池組供電和渦輪發(fā)電機供電2種方式。由于供電技術(shù)的不斷突破,電池供電方式已經(jīng)不能滿足井下溫度上升和反復(fù)充放電的工況[3]。而井下渦輪發(fā)電機通過鉆井液的流動能量來進行循環(huán)發(fā)電,且其具有高溫下工作效率高、工作時限較長、供電的轉(zhuǎn)換率高以及低污染等優(yōu)勢[4],已使其成為井下供電方式的首選。
近年來,井下隨鉆測量技術(shù)(MWD)從鉆井工藝參數(shù)的測量發(fā)展到與隨鉆測井(LWD)參數(shù)相結(jié)合,并促使井眼控制手段發(fā)生根本性的變化[5]。隨著MWD測量參數(shù)的增加和井下控制機構(gòu)的復(fù)雜化,油氣井開采深度和水平段長度的增加,井溫的進一步升高及MWD井下工作時間的延長,MWD電力系統(tǒng)的容量和可靠性成為制約MWD系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵[6]。目前,國外石油公司和鉆井服務(wù)公司普遍將井下渦輪發(fā)電機作為MWD的標準配置。
為保障渦輪發(fā)電機井下工作的可靠性,本文以渦輪特性為研究對象,建立隨鉆渦輪仿真器以永磁同步電機為主的Simulink模型;以永磁同步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型和控制策略為理論基礎(chǔ),通過井下隨鉆發(fā)電機的Simulink模型,建立以DSP為主控制器的同步電機,來模擬實際渦輪的輸出特性,以渦輪機驅(qū)動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生三相交流電,經(jīng)整流后輸出電能,實現(xiàn)隨鉆渦輪發(fā)電機直流總線電壓的閉環(huán)控制。通過研究可進一步為隨鉆渦輪發(fā)電機的現(xiàn)場可靠應(yīng)用提供指導(dǎo)意見。
井下鉆井液流過渦輪葉片通道,沖擊渦輪葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,渦輪主軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連,帶動永磁發(fā)電機產(chǎn)生三相交流電,經(jīng)過整流變成直流電,然后經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波供給負載使用。建立的隨鉆渦輪發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 隨鉆渦輪發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.1 Power generation system of turbine while drilling
永磁渦輪發(fā)電系統(tǒng)模型主要包括井下渦輪模型、永磁同步發(fā)電機模型、三相二極管橋式整流模型。利用Simulink軟件對該渦輪發(fā)電模型進行建模和仿真分析。
渦輪葉片被鉆井液沖擊后旋轉(zhuǎn),將鉆井液中的能量轉(zhuǎn)換為機械能,同時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩[7]。根據(jù)動量矩定理,渦輪的輸出扭矩為:
(1)
其中:
(2)
(3)
S=πD0bφ0
(4)
式中:Ti為渦輪扭矩,N·m;ρ為流體的密度,kg/m3;Qi為流體的流量,L/s;R為計算半徑,m;S為渦輪過流面積,m2;i表示不同時刻;n為渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,r/min;α1k為渦輪定子出口角,(°);β2k為渦輪轉(zhuǎn)子出口角,(°);D0為平均直徑,m;b為葉片徑向高度,m;φ0為考慮葉片厚度影響的斷面收縮系數(shù),φ0=0.9。
渦輪的輸出功率Pi為:
(5)
式中:w為渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率,s-1。
擬合渦輪的Simulink模型如圖2所示。設(shè)計與實際發(fā)電機數(shù)據(jù)相匹配的渦輪參數(shù)為:定子出口角α1k=16.45°,轉(zhuǎn)子出口角β2k=16.45°,渦輪計算半徑R=51 mm,葉片高度b=15 mm,密度ρ=1 000 kg/m3,氣隙間距d=10 mm。運行渦輪仿真模型,分析在不同流量下渦輪的轉(zhuǎn)速、輸出功率和扭矩曲線。
圖2 擬合渦輪Simulink模型Fig.2 Simulink model for fitting turbine
永磁同步發(fā)電機與渦輪剛性連接,渦輪旋轉(zhuǎn)并帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),將機械能轉(zhuǎn)化為電能。永磁同步發(fā)電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子電壓方程為[8]:
(6)
式中:id、iq為直軸和交軸電流,A;R為電樞繞組電阻,Ω;Ld、Lq為直軸交軸電感,H;ud、uq為直軸和交軸電壓,V;ψf為磁鏈,Wb;ωe為電機角速度,rad/min。
永磁同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為[9]:
(7)
式中:Te為電磁扭矩,N·m;np為極對數(shù)。
永磁同步發(fā)電機的反電勢常數(shù)為:
(8)
永磁同步發(fā)電機的力矩常數(shù)為:
(9)
式中:Kt為力矩常數(shù),N·m/A;Ipeak為線電流峰值,A。
由隨鉆渦輪發(fā)電機的工作原理可知,渦輪對永磁發(fā)電機直接驅(qū)動產(chǎn)生轉(zhuǎn)速,渦輪輸出的扭矩可作為永磁發(fā)電機的拖動轉(zhuǎn)矩,它可克服永磁發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩,使永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電,進而產(chǎn)生電能[10-11]。忽略渦輪與永磁發(fā)電機的阻尼系數(shù)、摩擦力,進一步得到永磁渦輪發(fā)電機的機械運動方程為[12]:
(10)
式中:Tj為慣性扭矩,N·m;Ti為拖動扭矩,N·m;J為渦輪與發(fā)電機連接軸間的等效轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;ωm為轉(zhuǎn)子角速度,rad/s。
永磁同步發(fā)電機輸出有功功率P為[13]:
P=Teωm
(11)
將永磁同步電機作為渦輪機模型的電機驅(qū)動,把輸入流量轉(zhuǎn)化為扭矩,并經(jīng)過電流環(huán)PI控制驅(qū)動隨鉆發(fā)電機進行發(fā)電,使其輸出性能與渦輪性能近似[14]。永磁同步電機(PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、功率因數(shù)高及低損耗等優(yōu)勢[15-16]。隨著永磁同步電機控制技術(shù)的不斷提高和深入應(yīng)用,結(jié)合實際電機的參數(shù),建立了PMSM的Simulink模型,與渦輪模型組合設(shè)計隨鉆渦輪發(fā)電機的驅(qū)動模型。該模型以給定的鉆井液流量作為渦輪輸入?yún)?shù),經(jīng)渦輪模型輸出響應(yīng)扭矩,進一步得到參考電流。通過PI控制器調(diào)節(jié),輸出與渦輪近似的轉(zhuǎn)速,帶動隨鉆發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)。基于以上公式及原理分析,在Simulink軟件中搭建渦輪設(shè)計模型,如圖3所示。
圖3 渦輪驅(qū)動Simulink設(shè)計模型Fig.3 Design of turbine driven Simulink model
整流模塊采用三相二極管全橋整流電路,由三相半波共陰極接法和三相半波共陽極接法串聯(lián)組合而成,該模塊可將發(fā)電機發(fā)出的三相電轉(zhuǎn)換成直流電[17]。
整流器的電路圖如圖4所示。其中Ua、Ub、Uc為三相交流輸入側(cè)電壓,L為濾波電感,R為等效電阻,VD1~VD6為二級管,Udc為直流側(cè)電壓,idc為直流側(cè)電流,C為濾波電容。
圖4 整流器的電路圖Fig.4 Circuit diagram of rectifier bridge
直流側(cè)電壓的平均值為:
(12)
直流側(cè)功率為:
(13)
永磁渦輪發(fā)電機的效率為[18]:
(14)
式中:Udc為直流側(cè)電壓,V;RL為負載電阻,Ω;Pdc為直流電功率,W。
基于以上理論分析,在Simulink中搭建永磁渦輪發(fā)電機的仿真模型如圖5所示。系統(tǒng)模塊包括渦輪模型、永磁同步發(fā)電機模型、整流橋模型。本文使用的永磁發(fā)電機的參數(shù)為:發(fā)電機電阻R=3.35 Ω,定子電感Ld=Lq=0.006 94 H,磁鏈ψf=0.174 Wb,轉(zhuǎn)動慣量J=0.011 97 kg·m2,極對數(shù)np=8。
圖5 隨鉆渦輪發(fā)電機模型圖Fig.5 Model of turbogenerator while drilling
分析其在不同鉆井液流量輸入下的電機轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機功率輸出情況,表1為在輸入流量分別為9.10及11.00 L/s時,不同負載情況下的渦輪發(fā)電機輸出特性。
表1 發(fā)電機模型輸出特性Table1 Output characteristics of generator model
所采用的仿真系統(tǒng)是基于DSP28335旋變永磁同步電機控制開發(fā)板來控制永磁同步電機[19]。電機是電控系統(tǒng)中不可或缺的一種控制裝置,針對不同的場合,電機的控制方法也各不相同,而直流電機的PID控制則是最為常用的一種[20-22]。由于PID算法對直流電機的控制較為簡單,同時具有良好的驅(qū)動性和制動性,所以采用PID算法進行直流電機的DSP控制[23-24]。
電路的DSP控制芯片采用TMS320F28335。本設(shè)計采用的旋轉(zhuǎn)變壓器永磁同步電機的實物圖如圖6所示。其電機相關(guān)參數(shù)如表2所示。
表2 電機參數(shù)Table2 Motor parameters
圖6 電機實物圖Fig.6 Physical picture of motor
為了增強系統(tǒng)的運行性能,首先給出了U相電機驅(qū)動電路的模擬電路圖,由于V相、W相的電路設(shè)計原理與U相電路設(shè)計原理一致,所以本文只以U相電路為例進行說明。在U相電路中,PWMUH和PWMUL表示主控制芯片中存在的高位U相電流和低位U相電流的脈沖幅度調(diào)制信號[25]。在經(jīng)過IR2101S芯片后,其Q5、Q7引腳都可以輸出與12 V方向相反的方波信號。在Q5輸入一個高脈沖信號且在Q7輸入端輸出一個低脈沖信號,則三極管Q10將被開啟,Q9將被關(guān)閉。這時電容器C55會受到電壓V12P的影響而被充電。Q9引腳輸出一個低脈沖時,三極管Q10斷開,Q9會重新開啟,這時24 V的U相直流電源會通過Q9,使W端口的輸出電壓提高至36 V,通過驅(qū)動電路可以使電機驅(qū)動板的運行能力更加高效[26]。圖7為U相電機驅(qū)動電路圖。
將12 V的電壓提供給旋轉(zhuǎn)變壓器,以達到其輸入的差動信號幅值。12 V電壓在通過解碼芯片時會在輸出端同時產(chǎn)生2個3.6 V雙振幅信號,因而最終會產(chǎn)生7.2 V雙振幅的差分信號。這也相當(dāng)于如果將解碼芯片與單位增益緩沖器相連接,那么在旋轉(zhuǎn)變壓器的雙振幅輸出電壓大約為2.06 V時,由于該旋轉(zhuǎn)變壓器的激發(fā)電壓是7 V,則增益緩沖器也將使增益提高。SGM8272的放大電路是由原理圖中的電阻R23與R39參與組成的,采用同向比例放大[27]。在該電路中,給連接片設(shè)定了約3.8 V的公共模式電壓,而激發(fā)的公共模式電壓是2.6 V左右,最后的緩沖區(qū)是6.68 V。D1、Q1的電壓應(yīng)與D2、Q2保持相同。R14和R19的電壓也應(yīng)當(dāng)是相同的。緩沖電路圖如圖8所示。
采用電流互感器ACS758LCB-050B對三相電流進行采集,其中U相采集電路如圖9所示。該交流變壓器的輸入電壓為40 mV,通過該交流變壓器可以對電機的三相電流進行測量,其結(jié)果也較為準確。采用電流互感器來對電機的U相電流以及V相電流進行測量,W相電流通過基爾霍夫電流定律來計算[28]。由于U相電流與V相電流均采用了交流變壓器來測量,則V相電流的采集電路圖與圖9相同。
圖9 U相電流采集電路Fig.9 U-phase current acquisition circuit
圖10 動態(tài)扭矩傳感器實物圖Fig.10 Physical picture of dynamic torque sensor
通過在實驗室搭建測試環(huán)境,測試渦輪驅(qū)動和發(fā)電機輸出的系統(tǒng)響應(yīng),測試系統(tǒng)如圖11所示。
該測試系統(tǒng)由流量給定上位機、永磁同步電機控制電路板、永磁同步電機、永磁同步發(fā)電機組成。
所搭建的仿真系統(tǒng)以LabVIEW作為上位機,經(jīng)過CAN分析儀來進行永磁同步電機的控制,Code Composer Studio作為下位機將與仿真相符的參數(shù)指標編譯到電機控制板中,接24 V與1.5 A的直流電,經(jīng)電源供電后,上位機下達指令來進行電機的驅(qū)動,待電機轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定后,上位機即會顯示實時的電機轉(zhuǎn)速,而扭矩信號則會經(jīng)過一個動態(tài)扭矩傳感器,再以頻率信號的方式輸出,進而帶動發(fā)電機發(fā)電。搭建的渦輪仿真器系統(tǒng)如圖11所示。
為得到隨鉆渦輪仿真器整體模型的匹配結(jié)果,對渦輪及電機模型進行了仿真分析。當(dāng)輸入鉆井液流量Q為5~11 L/s,鉆井液密度ρ為1 000 kg/m3時,隨鉆渦輪發(fā)電機系統(tǒng)可以正常運行,其在輸入流量9~11 L/s時的輸出功率曲線如圖 12所示。
從圖12可以看出,當(dāng)輸入流量在9~11 L/s時,隨著發(fā)電機負載的增大,渦輪發(fā)電機的輸出功率隨之緩慢下降,且逐漸穩(wěn)定下來。由此可以得出,驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)的輸入流量以及負載變化時,發(fā)電機輸出功率會產(chǎn)生變化,因此可以通過調(diào)節(jié)流量和負載大小來調(diào)整發(fā)電機速度穩(wěn)定后的輸出功率。
再對所搭建的系統(tǒng)進行發(fā)電機轉(zhuǎn)速測試,同理得出,當(dāng)輸入流量范圍為9~11 L/s時,永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)速曲線如圖 13所示。此時,永磁同步電機在不同流量下的輸出轉(zhuǎn)速與仿真系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速近似。
由上述輸入在9~11 L/s的流量條件下渦輪的Simulink模型與仿真系統(tǒng)2個部分的轉(zhuǎn)速特性一致的結(jié)論可以得出,在實際的電機驅(qū)動過程中,當(dāng)流量在該范圍內(nèi)時,電機的實際轉(zhuǎn)動效果能被準確有效地測量到。從圖12和圖13可以看出:當(dāng)流量保持恒定,增大發(fā)電機的負載阻值時,渦輪的輸出轉(zhuǎn)速也隨之穩(wěn)步提升,發(fā)電機的輸出功率會隨之逐漸下降;在相同轉(zhuǎn)速條件下,此時的輸出扭矩會相應(yīng)地增大,且2個部分的轉(zhuǎn)速增長趨勢基本一致。由此可知,可以通過改變渦輪輸入流量的大小來得出渦輪的實際轉(zhuǎn)速與功率,測試試驗驗證了所搭建的仿真模型的正確性。
圖13 輸入流量9~11 L/s時發(fā)電機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線Fig.13 Rotation speed of generator system at input flow rate of 9 to 11 L/s
隨著井下各種鉆井儀器性能的提升,越來越多的新型電子控制系統(tǒng)被研制,渦輪發(fā)電機的使用也日益增加。在鉆井過程中,渦輪發(fā)電機的實際輸出受到鉆井液的流體密度和流量等參數(shù)的影響。根據(jù)實際渦輪特性,通過仿真設(shè)計渦輪模型,運用直流電機和PID相關(guān)原理,結(jié)合實際測量的電機輸出數(shù)據(jù),設(shè)計了渦輪系統(tǒng)仿真模型,研究了渦輪發(fā)電機在不同流量范圍的輸出特性,完成了基于直流電機和DSP的渦輪仿真器設(shè)計,得到結(jié)論如下:
(1)建立了渦輪驅(qū)動設(shè)計的Simulink模型,該模型由渦輪Simulink模型和永磁同步電機控制Simulink模型2部分組成,經(jīng)由電流環(huán)PI調(diào)節(jié),實現(xiàn)永磁同步電機的扭矩和轉(zhuǎn)速特性與渦輪性能一致。搭建以TMS320F28335為核心的永磁同步電機控制仿真系統(tǒng),在不同流量下對Simulink模型和系統(tǒng)進行測試,電機的轉(zhuǎn)速在不同流量下的輸出性能與渦輪的特性一致,由此實現(xiàn)了實驗室環(huán)境下隨鉆渦輪仿真器的初步設(shè)計。
(2)根據(jù)設(shè)計要求,搭建了渦輪機仿真系統(tǒng),通過電機控制的流程,將所設(shè)計的仿真模型結(jié)果與實際工作數(shù)據(jù)進行了比較分析,并完成了仿真模型與實際系統(tǒng)之間的比較。
(3)比較了直流電機與渦輪模型輸出特性,在試驗中經(jīng)過測量得出,在輸入流量為5~11 L/s時,渦輪的輸出特性有很好體現(xiàn),由此驗證了渦輪仿真器的正確性。所得結(jié)論為渦輪機的后續(xù)研究提供了參考,對現(xiàn)場操作具有指導(dǎo)意義。