礦用隨鉆渦輪發電裝置設計

張冀冠，陳 龍，高 珺

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

近些年，煤礦井下定向鉆孔孔深世界紀錄不斷突破，這不僅代表著井下鉆探工藝和技術的進步，同時對孔中探測儀器提出了更高的要求[1-4]，其中，單孔施工時間的增加，要求探測儀器的續航時間必須得到提升；另一方面，隨著技術的進步，煤礦井下鉆井施工將實現從“幾何導向鉆進”到“精確地質導向鉆進”再到“自動旋轉導向鉆進”的大跨越[5-7]。這意味著以后的孔中儀器會越來越多，越來越復雜，因而對電能的需求也越來越多。目前，煤礦井下孔中儀器主要由電池供電，由于井下特殊的工況環境和安全要求，限制了礦用儀器電池的種類、容量和規格尺寸，工作時間相對較短成為了制約無線隨鉆測量、隨鉆測井以及未來旋轉導向系統在煤礦井下鉆孔施工應用和效果評價的重要因素之一。

因此研究并開發可在井下長時間工作的供電系統顯得十分重要，采用渦輪發電技術作為井下孔中儀器主電源是一種較佳的選擇[8-13]。目前石油領域已經有成熟的隨鉆渦輪發電機產品，但無法滿足煤礦井下小尺徑鉆孔、小鉆井液排量等工況條件和防爆要求。

本文從防爆性和安全性出發，設計了一套礦用隨鉆渦輪發電裝置，并對其工作原理、機械結構和電路的防爆設計、發電能力以及工作時的溫升進行了分析和試驗測試。

1 渦輪發電裝置工作原理

井下渦輪發電裝置的工作原理如圖1所示：泥漿泵將泥漿注入到井下時，高速流動的泥漿流經導輪葉片流道后，進入渦輪葉片流道，泥漿沖擊葉片產生旋轉力矩，帶動渦輪和渦輪轉軸高速旋轉。由于發電機的永磁轉子是固定在主軸上的，當渦輪轉軸旋轉時就會帶動永磁轉子旋轉，這相對于其定子線圈在做高速運轉，整個過程就等同于在線圈中切割磁感線從而產生感應電動勢，之后通過整流、濾波、穩壓處理后，得到所需要的電能。由于煤礦井下隨鉆參數大部分為停鉆時測量，為了提供穩定的電能，發電裝置內部放置了一個電池組作為儲能部件，電池組經雙重保護電路后給井下儀器供電。

圖1 渦輪發電裝置原理

2 發電裝置設計

2.1 機械結構設計

根據上述工作原理，結合井下工況環境，以安全性為前提，發電裝置防爆型式設計為隔爆兼本安型，電氣部分全部在隔爆腔體內部，采用螺紋接合面作為隔爆接合面，設置1個輸出端口，本安輸出。對煤礦井下鉆孔內管狀儀器來說，螺紋接合面和隔爆腔體的設計較為常見，按照GB3836的規定設計即可，這里不再贅述。

而發電功能的實現，要求發電裝置的渦輪系統，包括導輪、渦輪和直流導套必須處于水流通道里，即在隔爆腔體外部。因此，如何在不損壞隔爆結構的前提下將能量傳導進隔爆腔體內部較為關鍵。

發電裝置電機驅動結構采用磁耦合連接方式，結構剖面示意圖如圖2所示，斷面示意圖如圖3所示。渦輪底部和隔爆腔內轉軸外壁鑲嵌極性相反的磁鋼，當泥漿驅動渦輪轉動時，耦合器外磁極跟著渦輪同步轉動，利用磁性材料異性相吸原理，耦合器內磁極及固連的轉軸和永磁轉子組件一起轉動，永磁轉子組件在定子線圈中切割磁感線產生電能。

由于本安要求，隔爆腔壁厚最小為3mm，而磁驅動力的大小與磁耦合器內外磁極的間隙相關，隔爆腔壁厚越厚，磁驅動力越小，這里可以采取增加磁極對數和磁極長度的方法來提高磁驅動力。

圖2 磁耦合結構剖面

圖3 磁耦合結構斷面

2.2 電路設計

一般來說，發電裝置的電路結構基本包括整流、穩壓和保護三部分，但由于煤礦井下特殊的工況和嚴格的安全要求，在電路設計方面需要增加一些安全措施保證裝置的安全性。這里著重介紹以下設計要點，電路連接框圖如圖4所示。

圖4 電路連接框圖

1)整流電路后增加開關，當電池充滿電后，MCU控制開關斷開，使發電機進入空載運行狀態，此時發電機不輸出有功功率；當電池電量低于設定的閾值，MCU控制開關閉合，發電機給電池充電。為保障安全，開關設計為兩路，實現雙重保護。

2)為避免輸出電壓過高影響后端電路安全及性能，在整流電路后端增加一個穩壓管。

3)電池組電壓14.8V，總容量小于100Wh。充放電保護板主芯片為TI公司BQ40Z50-R1電源管理芯片，能夠實現電池組過壓、欠壓、過流、短路、過載和過熱保護，并能測量電池組可用容量、電壓、電流、溫度等參數，這些關鍵參數以及整流電壓測量電路測量的整流電壓值傳送給MCU處理，之后通過隔離串口實時輸出，從而實現對發電機和電池組狀態的實時監測。

4)電池組充電保護前端串聯一級過流過壓保護，實現了充電過程雙重保護；電池組放電保護后接本安保護電路，本安保護電路由兩級過流過壓保護電路組成，實現了電池組的本安輸出。

2.3 發電能力測試

為驗證防爆渦輪發電裝置的性能，進行了發電能力測試，測試現場如圖5所示，泥漿泵輸出高速泥漿液，水源由水箱提供。

圖5 測試現場

發電裝置未安裝電池組，直接測量不同流量下發電機直接輸出的最大功率，測試數據見表1。結果表明，在煤礦井下正常鉆進的工作流量下，發電裝置發電量可以達到10W。

表1 不同流量下最大發電功率

3 溫升試驗

根據煤礦井下安全要求，電池最高運行溫度不應超過55℃，同時在任何極端情況下，設備內部元器件的溫升應滿足防爆要求，不得超過150℃。因此需要對發電裝置工作時的溫升進行測試分析。

3.1 試驗設計

發電裝置工作時，具體運行狀態有以下兩種：

1)驅動渦輪的泥漿液流量較小，此時發電機輸出電壓較低，穩壓二極管沒有被擊穿，發電機輸出的能量除了給電池組充電外，只有一小部分消耗在控制電路中；

2)驅動渦輪的泥漿液流量較大，此時發電機輸出電壓較高，穩壓二極管被擊穿，發電機輸出的能量除了給電池組充電以及控制電路消耗的一小部分外，剩下的能量全部消耗在穩壓二極管上，從而轉化為熱能。

測試在實驗室進行，由于實驗室試驗平臺環境開放，發電機暴露在空氣中，空氣會散發部分熱量，相比井下鉆孔內密閉環境，試驗條件不夠嚴酷。針對此問題，采用在發電裝置外管包裹隔熱材料的方法，使之在實驗室環境下空氣散熱量比鉆孔的空氣散熱量小，此時測量發電裝置工作時的溫升。隔熱材料厚度的計算方法如下：

首先計算實際鉆孔環境中的最小散熱量。

煤礦井下實際工況中，發電裝置放置在鉆孔內，假設此時發電裝置不與煤壁接觸(煤的導熱系數比空氣高，此種假設下散熱量更小)，且不考慮輻射傳熱，此時，只需計算空氣自然對流的散熱量。根據牛頓冷卻公式：

Φ=hAΔt

(1)

式中，Φ為熱量，W；h為表面傳熱系數，W/(m2·K)；A為表面積，m2；Δt為溫差，℃。

表面傳熱系數的大小與對流傳熱中的許多因素有關，但其大致范圍是確定的。本算式中，表面傳熱系數取空氣自然對流散熱最不利的數值h=1W/(m2·K)，發電裝置外管直徑d=73mm，長度l=1.5m，表面積A=πdl=0.344m2，假設發電裝置外管溫度為50℃，鉆孔內環境溫度為20℃，溫差Δt=30℃，此時散熱量Φ=10.32W。

下面計算隔熱材料厚度，試驗模型可以近似為通過圓筒壁的導熱問題[14]，考察一個內外半徑分別為r1、r2的保溫層，其內外表面溫度分別為t1和t2，經推導，保溫層導熱量計算式為：

具體到上述問題的計算，將式(2)改寫為：

式中，λ為隔熱材料的導熱系數，W/(m·K)。

本試驗選取橡塑海綿作為隔熱材料，其λ=0.037W/(m·K)，導熱量Φ為10.32W，保溫層內徑r1為發電裝置外管半徑0.0365m。解得r2=0.101m，保溫層厚度d2=r2-r1=0.064m。此時保溫層的熱損失與實際鉆孔環境時的最小散熱量相同。

通過上述計算，保溫層選取厚度為8cm的橡塑海綿。

3.2 試驗結果

試驗分兩步進行，過程和結果如下：

1)泥漿泵流量固定在200L/min左右，測試了110min，溫度曲線如圖6所示，溫升非常緩慢。

圖6 溫度曲線(流量200L/min)

2)泥漿泵流量固定在400L/min，試驗時環境溫度23℃，水箱入水水溫15℃，水箱初始水溫15℃，測試了174min，發電裝置溫度曲線和水箱溫度曲線如圖7所示。

圖7 溫度曲線(流量400L/min)

由測試結果可知，測試初始階段，溫度上升較快，隨著測試的進行，溫升逐漸減小，最后溫度穩定在41℃附近；并且由于水箱換水量較低，水箱內水溫緩慢增長，經過近3h試驗，水溫由15℃緩慢增長到23℃。由此可以推斷，若試驗時經過發電裝置的水完全排掉，實現隨打隨排，發電裝置內部溫度應該小于41℃。

4 結 論

本文以防爆性和安全性為基礎，對礦用隨鉆渦輪發電裝置進行了設計研究，并對該裝置的發電能力和工作時的溫升進行了測試。設計方法和試驗結果表明，該裝置符合礦用設備防爆要求和實際工況需要，但在實際應用中，還需對該裝置作以下限制：

1)正常使用時，水和空氣皆可驅動轉子轉動，但考慮到空氣鉆進時轉子轉動沒有降溫處理，轉子溫度會持續升高，所以嚴禁本類裝置在空氣鉆進時使用。

2)需對配套泥漿泵流量進行限制，測試中使用的泥漿泵流量最大為400L/min，已滿足煤礦井下鉆孔施工需要，溫升也符合煤礦井下安全要求。若提高泥漿泵流量，則需對裝置的安全性重新分析驗證。