磁力懸浮式井下發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計*

張 勇 高昀馳 裴金源 魏文浩 孔海群

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院 2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點實驗室)

0 引 言

石油開采過程中，井下工況數(shù)據(jù)是井上工作人員變換操作參數(shù)的主要依據(jù)。井下工況數(shù)據(jù)由傳感器等工具提供，但如何為用電工具在井下長期供電成為難題[1-2]。

為井下用電工具供電的方式主要有3種：電池供電、電纜供電和渦輪發(fā)電機供電。高溫鋰電池是最常用的井下電池供電方案，但需定期取出完成更換，井下高溫、高壓環(huán)境對電池性能影響嚴重[3]；電纜供電方式不僅成本較高，且需可靠的高壓密封[4]；渦輪發(fā)電機用于井下供電往往需要較大的流量和足夠的空間保證，目前研究集中在流量與扭轉(zhuǎn)力矩、渦輪葉片形狀對發(fā)電功率的影響以及渦輪發(fā)電機的優(yōu)化設(shè)計等方面[5-9]，藥曉江等[10]采用CFD方法對某型隨鉆井下渦輪發(fā)電機葉輪組進行了數(shù)值分析，預(yù)測了葉輪的輸出性能并解釋了葉輪輸出特性與葉片水力特性之間的關(guān)系；黃曉凡等[11]論述了鉆井液發(fā)電機的主要結(jié)構(gòu)形式以及優(yōu)缺點，并從3個方面指明了鉆井液發(fā)電機的發(fā)展趨勢；譚春飛等[12]利用Fluent軟件對常用的五圓弧葉型和三次多項式葉型渦輪進行了模擬分析，對比兩者的水力損失和水力效率，得出后者更優(yōu)的結(jié)論；張先勇等[13]利用CFD方法對井下渦輪式發(fā)電機的內(nèi)流場做了詳細的數(shù)值模擬，并計算出發(fā)電機主要的外性能曲線；荊寶德等[14]設(shè)計了一種井下發(fā)電機系統(tǒng)，采用Fluent仿真軟件研究確定了一種具有較好水力性能的渦輪模型；楊霞等[15]通過研究流量對渦輪發(fā)電及效率的影響，提出采用相似理論求解不同流量對應(yīng)渦輪工作特性曲線的想法。

目前，為處于空間狹小的井下用電工具持續(xù)提供電能，且能夠滿足自主發(fā)電以及啟動條件低的裝置少有研究。鑒于此，本文在采用磁力懸浮方式約束葉輪軸向和徑向位移的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套適用小空間的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置。該裝置展現(xiàn)出的受井下空間限制小、磁懸浮技術(shù)實現(xiàn)無接觸摩擦以及裝置啟動條件低等優(yōu)點，為液體能量充分轉(zhuǎn)化為電能提供了有力保障。所設(shè)計的裝置結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了供電的成本。考慮到葉輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)對發(fā)電效率的影響，對其開展了基于正交試驗的優(yōu)化設(shè)計，得到了最優(yōu)方案。研究結(jié)果可為解決井下工具供電問題提供參考。

1 發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

設(shè)計的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)見圖1，設(shè)計注水工況為10 m3/d，設(shè)計裝置腔體內(nèi)徑為34 mm。該裝置由液流入口、葉輪、磁力懸浮扶正機構(gòu)、穩(wěn)流葉片、發(fā)電體和液流出口等組成。井下流體經(jīng)切向入口進入裝置內(nèi)部沖擊葉輪使其旋轉(zhuǎn)，將流體動能轉(zhuǎn)化為機械能，葉輪底端連接發(fā)電體轉(zhuǎn)子部分，使其與發(fā)電定子作用將轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)化為電能。上下磁力懸浮模塊起到無接觸軸承作用，限制葉輪的軸向和徑向位移，使其穩(wěn)定在中心位置，穩(wěn)流葉片起到流場穩(wěn)定作用，并能利用葉輪以后的部分能量，使能量利用更加充分。實際使用過程中，發(fā)電模塊發(fā)出的電能經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換和整流，為鋰電池模塊持續(xù)充電。

1—葉輪；2、4—磁力懸浮扶正機構(gòu)；3—穩(wěn)流葉片；5—發(fā)電體。圖1 磁力懸浮式井下發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of downhole magnetic suspension impeller generator

2 仿真分析

2.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

構(gòu)建發(fā)電葉輪部分的流體域仿真結(jié)構(gòu)模型，見圖2，模型主要由雙入口流道、流動空間部分和出口組成。通過STAR-CCM軟件完成模型網(wǎng)格劃分，最終模型的體網(wǎng)格數(shù)為1 257 063，體網(wǎng)格模型及中心截面網(wǎng)格模型見圖3。湍流計算模型采用雙方程k-ε模型[16-19]，為提高計算精度，求解的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。模型邊界條件設(shè)置為：入口采用速度入口，速度值由流量以及入口截面積決定，出口為壓力出口，壁面選用y+壁面處理。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Simulation structure model

圖3 體網(wǎng)格模型以及中心截面網(wǎng)格Fig.3 Body mesh model and center section mesh

2.2 模型仿真及優(yōu)化

葉輪葉片數(shù)、葉片高度、葉片角度、入口速度以及扭轉(zhuǎn)力矩等是影響整體裝置發(fā)電功率的主要參數(shù)，其中扭轉(zhuǎn)力矩為發(fā)電體線圈對葉輪造成的阻力矩，葉片高度為葉輪轂與葉片邊緣的徑向距離，葉片角度為葉片相對于水平方向張開的角度。由于影響因素較多，采用正交試驗方法對葉輪的參數(shù)進行優(yōu)化篩選，尋求優(yōu)化組合解。

本次正交試驗因素的水平表中，每個參數(shù)根據(jù)實際工況、限定的尺寸以及為了得出更加充足的數(shù)據(jù)揭示其規(guī)律性而選用4個水平，具體見表1。

表1 因素水平表Table 1 Factor levels

根據(jù)參數(shù)的個數(shù)以及水平個數(shù)確定采用5因素4水平的正交表，為保證每個因素和每個水平的均勻分散性和整齊性，每個水平在表中均出現(xiàn)4次，通過對每組數(shù)據(jù)的模型開展試驗得出試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗方案及試驗結(jié)果Table 2 Test schemes and results

對上述結(jié)果進行直觀分析，得出因素主次和優(yōu)化方案，其試驗結(jié)果分析見表3。

表3中，Ki表示該因素i水平對應(yīng)的指標和，ki表示該因素i水平對應(yīng)的指標平均值，R表示ki最大值與最小值的差。K值越大，表明該水平對試驗結(jié)果影響越大；R值越大，表明該參數(shù)對試驗結(jié)果的影響越大。

因此，由表3可以得出，因素影響指標的主次關(guān)系為：入口速度>扭轉(zhuǎn)力矩>葉片角度>葉片數(shù)>葉片高度；同時可以得出最優(yōu)參數(shù)搭配方案為入口速度6 m/s、葉片數(shù)16、葉片高度3 mm、葉片角度45°，此時的扭轉(zhuǎn)力矩為0.000 65 N·m。參照表2可知，最優(yōu)參數(shù)搭配方案下結(jié)構(gòu)的發(fā)電功率為0.264 W。

表3 試驗結(jié)果分析Table 3 Test results analysis

2.3 扭轉(zhuǎn)力矩參數(shù)對發(fā)電功率的影響

正交試驗得出的數(shù)據(jù)表明，隨著入口速度的增加，裝置的轉(zhuǎn)速越大。然而由式(1)可知，功率不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與表征發(fā)電能力的扭轉(zhuǎn)力矩有關(guān)。

P=Tω

(1)

式中：P代表發(fā)電功率，T代表扭轉(zhuǎn)力矩，ω代表葉輪的角速度。

由正交試驗表3可以看出，扭轉(zhuǎn)力矩參數(shù)的最優(yōu)水平是所選范圍的最大值，因此為進一步研究扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系，對扭轉(zhuǎn)力矩進行單因素分析，確定扭轉(zhuǎn)力矩范圍為0.001 5～0.005 0 N·m。以10 m3/d的注水井為例，裝置的入口速度為3.24 m/s，通過仿真的數(shù)據(jù)得出扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between torsional moment and power generation

由圖4可以得出：在確定入口速度的條件下，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的逐漸增加，裝置的發(fā)電功率先增大再減小；當扭轉(zhuǎn)力矩為0.003 N·m時，裝置的發(fā)電功率達到最大值0.352 W。

3 試驗驗證

3.1 實物及試驗工藝

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)對磁力懸浮式井下發(fā)電裝置進行加工，并搭建了驗證試驗臺。其中，葉輪實物如圖5所示，試驗工藝如圖6所示。

圖5 葉輪實物圖Fig.5 Picture of impeller

圖6 發(fā)電裝置試驗工藝Fig.6 Test process of generator

該工藝通過水循環(huán)系統(tǒng)為裝置提供流體能量，并運用示波器進行參照調(diào)節(jié)，采用萬用表測量電流和電壓數(shù)據(jù)，交直流轉(zhuǎn)化并整流后充入鋰電池中。

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

3.2.1 扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率關(guān)系驗證

為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，筆者在室內(nèi)開展了模擬試驗。分別試驗了8種不同扭轉(zhuǎn)力矩的情況，將試驗值與仿真值進行對比，見圖7。

圖7 試驗值與仿真值對比Fig.7 Comparison between test results and simulation results

由圖7可知，確定入口速度改變扭轉(zhuǎn)力矩，數(shù)值模擬的結(jié)果值與模擬試驗的測量值呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，都表現(xiàn)出先增大后減小，充分說明了仿真與試驗結(jié)果的一致性。在扭轉(zhuǎn)力矩為0.003 N·m時，發(fā)電功率達到最大值，試驗測量值為0.332 W，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的增加，發(fā)電功率明顯減小。在該試驗條件下，輸出電壓為5 V，則對5 V的鋰電池進行充電，充電電流為2 A，電池的容量為1 200 mAh，充電時間為36 min。以短小型SAx0R4D系測溫儀為例，該儀器的工作電流最大為20 mA，則單個1 200 mAh的鋰電池充電完成后可以連續(xù)放電至少60 min，并能保證隨用隨充。

3.2.2 最優(yōu)模型驗證

模型優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。由表4可知，優(yōu)化前選取的葉輪葉片高度值為最優(yōu)值，葉輪葉片數(shù)和葉片角度2個參數(shù)優(yōu)化為16和45°。

表4 優(yōu)化前、后模型參數(shù)Table 4 Model parameters before and after optimization

在10 m3/d的注水工況下，對優(yōu)化前、后的模型進行仿真模擬，得到的葉輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電功率的結(jié)果值見表5。根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，優(yōu)化后模型的發(fā)電功率提升了28.65%。

表5 葉輪仿真結(jié)果Table 5 Simulation results

4 結(jié) 論

(1)正交試驗結(jié)果表明，影響發(fā)電功率因素的重要程度依次為：入口速度>扭轉(zhuǎn)力矩>葉片角度>葉片數(shù)>葉片高度。

(2)在10 m3/d的注水工況下，34 mm內(nèi)徑的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：葉輪葉片數(shù)16個，葉片高3 mm，葉片角度45°。

(3)優(yōu)化后的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置在確定入口速度的前提下，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的逐漸增加，發(fā)電功率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，并在0.003 N·m時達到最大。

(4)優(yōu)化后的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置試驗功率可達0.332 W，使用36 min可充滿容量為1 200 mAh的5 V鋰電池，充電完成后可為工作電流不高于20 mA的用電工具持續(xù)供電至少60 min。