井下渦輪發電機水力性能測試平臺設計

孟凡賀， 董樹偉

(中國地質大學工程學院， 湖北 武漢 4300074)

在鉆井過程中，為了實時獲取井底信息并實現井眼軌道控制，多種井下智能儀器被采用，其中典型代表是隨鉆測量、隨鉆測井和導向鉆進系統，這些系統工作時需要持續的電源供給．目前其供電方式主要有電池組、井下渦輪發電機以及兩者聯合使用．電池組以高性能鋰電池為主，優點是結構緊湊，可靠性高，輸出電能平穩；缺點是容量有限，頻繁更換影響效率，且易受溫度限制[1]．井下渦輪發電機優點是功率大、耐溫高；缺點是輸出電能不穩，須用穩壓器調節，且一旦零件損壞就會導致斷電故障，維護有一定難度．井下智能儀器總的發展趨勢是集測量與控制為一體，正常工作時消耗電量較大，供電持續性與可靠性要求高．可充電電池組和井下渦輪發電機聯合使用，能夠彌補相互不足，達到上述要求，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，渦輪發電機又必須提供足夠的電能，因此如何提高渦輪發電機的能量轉換效率，是一個關鍵性的問題，而改善渦輪發電機的水力學性能是一個有效途徑．目前開展渦輪發電機水力性能研究的方法主要有理論流體力學、計算流體力學和實驗流體力學三種[2]，但最終理論計算結果必須通過實驗的檢驗和驗證，因此設計一套井下渦輪發電機水利性能測試平臺具有重要意義．

1 井下渦輪發電機的基本結構

井下渦輪發電機結構類似于軸流式水輪機，主要由渦輪機構和發電機兩部分組成．圖1所示為一種旋轉磁極式渦輪發電機結構示意圖，其工作原理是鉆井液驅動渦輪(一般一個或兩個)旋轉，渦輪又帶動安有永磁體的發電機轉子旋轉，在發電機定子上安裝有線圈繞組，線圈切割磁力線從而產生交流電．其本質就是流體的能量(動能、勢能及壓力能)轉換成渦輪的機械能，并最終轉換成發電機的電能．

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 井下渦輪發電機結構示意圖

2 井下渦輪發電機基本理論

對于轉速不是很高，結構要求簡單的井下渦輪發電機，一般采用凸極永磁式同步交流發電機，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，可得轉矩方程：Tem=T1-T0．

式中Tem為電磁轉矩；T1為驅動轉矩；T0為空載轉矩．對井下渦輪發電機而言，P1和T1即為渦輪機構的輸出功率和轉矩，要想提高發電機輸出功率，一方面要減少發電機自身損耗，另一方面要優化渦輪結構，提高渦輪機構的輸出功率．根據渦輪機械理論和動量矩定理，可知一副渦輪產生的扭矩

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為進口液流角；β2為出口液流角；u為轉子流道中徑處圓周速度；n為渦輪轉速．另外渦輪輪轂比及前后壓差也是渦輪設計和性能的重要參數，結合式(2)和(3)可以得出結論，渦輪的參數主要有扭矩、轉速、功率、壓差、輪轂比、葉片安裝角和流量，其中扭矩、轉速、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，輪轂比、葉片安裝角屬于結構參數，流量屬于輸入參數．明確了以上參數，也就得到了渦輪設計和發電機水力性能測試的依據．

3 水力性能測試平臺設計

根據前述井下渦輪發電機水力性能基本參數設計了相應的測試平臺，測試內容主要包括能量特性、力特性、流態以及振動等．通過試驗對參數進行采集并分析，尋找出渦輪發電機的水力性能影響因素及變化規律，從而優化設計參數，優選鉆進規程，改善渦輪發電機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 機械結構設計

測試平臺采用密閉循環方式[4]，其機械結構如圖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．渦輪發電機不轉的一端是安放在管道內的一個支撐架上，隨渦輪旋轉的一端安裝在帶有旋轉密封的軸承座上，并通過聯軸器與轉速轉矩儀相連，清水或泥漿經多級離心泵加壓后在管道間流動，帶動渦輪發電機工作．渦輪發電機所在位置處外管采用有機玻璃，以便于在實驗過程中觀察渦輪的運行狀況和采用粒子成像測速(PIV)系統采集速度場、流場數據，同時管道上安裝有水密接頭，方便內部數據輸出．此外，為了降低泵和電機的振動對試驗平臺及數據采集儀器的影響，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-轉矩轉速儀；5-電子調節閥；6-有機玻璃管；7-PIV系統；8-渦輪發電機；9-流量計；10-液罐；11-閘閥；12-軟連接；13-離心泵圖 2 測試平臺結構示意圖

3.2 測控系統設計

為了實現數據采集和系統控制自動化，測試平臺采用如圖3所示測控系統，通過電量變送器、轉矩轉速儀、壓力傳感器和流量計等多種傳感器以及數據采集卡和測控軟件可測量發電機的三相交流電壓、電流、功率、電網頻率、轉速、進出口壓力、流量等參數，并且數據采集卡能夠輸出模擬控制信號作用于電子調節閥，以調節系統壓力和流量．另外測控系統安裝有PIV系統以采集速度場和流場數據．

圖 3 測控系統流程圖

調節閥選用電子式單座調節閥，其電動執行機構內有伺服系統，連接電源后輸入控制電流信號即可控制運轉．數據采集卡采用PCI-8333 多功能模入模出接口卡，其模入模出及I/O信號均由卡上的37芯D 型插頭通過端子板與外部信號源及設備連接．

組態軟件以其通用性和靈活性廣泛應用于電力、石油以及化工等領域的數據采集和監控，測試平臺人機界面的開發采用的是力控組態軟件[5]，其開發步驟是:1)制作工程畫面, 用力控組態軟件提供的各種圖形化工具繪制圖形畫面, 描繪實際測試流程, 模擬測試現場和工控設備；2)創建數據庫, 定義一系列數據并連接數據采集卡，用于反映渦輪發電機的各種屬性；3)動畫連接, 建立數據庫中的數據與圖形畫面中的圖形對象的連接關系，從而使畫面根據實際數據的變化來產生動畫效果，如液流速度、渦輪轉速和壓力數據等．測控程序主要功能模塊包括：實時數據監控，數據存儲與打印，電子調節閥比例控制，歷史數據讀取以及系統異常報警等，其中數據監控界面如圖4所示．

圖 4 監控界面

測控軟件開發完成后連接數據采集卡對其進行測試，測試結果顯示，管道內可以實時演示液流方向及渦輪轉速，傳感器能夠采集并顯示相應參數，控制組件也可以調節電子閥開口比例，并反饋位置數據．

4 結論與建議

在分析井下渦輪發電機工作原理和理論的基礎上，確定了渦輪發電機的性能參數，并針對其水力性能設計了一套測試平臺，完成了其機械結構設計和基于力控組態軟件的測控系統設計．通過連接硬件設備對測控系統進行了測試，測試結果顯示，系統能夠實現數據的自動采集和處理，以及電子調節閥的比例控制．為了實現智能控制，進一步的研究內容是計算機在測控過程中分析當前的真實情況，基于智能算法，控制進、出口閥，自適應地調節最合理的工況點，待狀態穩定后自動采集相關數據，實現自適應的最優控制．

[參考文獻]

[1] 沈 躍, 蘇義腦, 李 林, 等. 井下隨鉆測量渦輪發電機的設計與工作特性分析[J]. 石油學報, 2008, 29(06): 907-912.

[2] 張先勇, 馮 進. 井下水力渦輪的研究現狀及發展[J]. 機械工程師, 2012(10): 26-29.

[3] 呂官云, 孫 峰, 馮 進, 等. 井下發電機渦輪設計、動力模擬與性能試驗[J]. 石油機械, 2011, 39(7): 25-29.

[4] 王軍麗, 徐如良, 焦 磊, 等. 液力渦輪性能測試裝置設計及其工程實現[A]∥2006年中國機械工程學會年會論文集[C]: 杭州, 2006.

[5] 馬國華. 監控組態軟件應用----從基礎到實踐[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.