煤礦井下隨鉆渦輪發電裝置研制與試驗

陳超博，李泉新，張冀冠，褚志偉

（1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術具有成孔深度大、施工精度高和區域覆蓋廣等顯著優勢，是煤礦井下瓦斯抽采、水害治理和防滅火工程等領域關鍵技術保障[1-2]。隨鉆測量儀器作為煤礦井下定向鉆進技術裝備的重要組成之一，可以實時獲取鉆孔軌跡參數、地層地質參數和鉆進工程參數，為鉆孔軌跡控制和鉆進參數優化提供數據支持[3-5]。

目前，煤礦井下隨鉆測量儀器主要包括有線隨鉆測量和無線隨鉆測量2 種儀器。有線隨鉆測量儀器利用孔口防爆計算機供電，通過通纜鉆桿中心有線通道向孔口傳輸孔底測量數據；無線隨鉆測量儀器主要使用孔內可充電電池組供電，利用泥漿脈沖或電磁波無線通道向孔口傳輸孔底測量數據[6-8]。現有隨鉆測量儀器供電方式一定程度上滿足了使用要求，然而隨著煤礦智能鉆探技術發展，對隨鉆測量數據量和傳輸速度提出了更高的技術需求，現有供電方式暴露出一定的局限性，主要體現在以下2 方面：①孔口防爆計算機供電受煤安限制，提供的電壓和電流有限，在增加地層地質參數和鉆進工程參數測量功能模塊條件下，有線信號傳輸深度明顯減小，難以滿足孔內儀器用電需求；②孔內可充電電池組供電為滿足煤安要求，電池組容量受限，需要定期停鉆更換電池組，輔助鉆進時間增加，鉆進效率降低。

渦輪發電機是一種將沖洗液壓能轉化為渦輪轉子動能進行發電的供電裝置，輸出電能功率高，且連續穩定，可以滿足煤礦井下隨鉆測量儀器用電需求[9]。然而，現有渦輪發電機主要應用于石油和天然氣鉆探領域，無法直接應用于煤礦井下，主要原因：煤礦井下沖洗液排量低，無法驅動現有渦輪發電機轉子達到設定的轉速，輸出電能不穩定；現有渦輪發電機輸出電能的穩定性和安全性無法滿足煤礦井下特殊的防爆要求[10-12]。因此，亟待開發適用于煤礦井下特殊工況的隨鉆渦輪發電裝置，以滿足煤礦井下隨鉆測量儀器高功耗和長續航供電技術要求。

1 渦輪發電裝置

1.1 工作原理

隨鉆渦輪發電裝置工作原理圖如圖1。

圖1 隨鉆渦輪發電裝置工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of turbine power generator while drilling

鉆柱內高壓沖洗液流經導輪后，由導輪改變流向以沖擊渦輪，從而帶動渦輪高速轉動，渦輪通過磁力耦合裝置帶動永磁轉子旋轉，永磁轉子在定子線圈中不斷切割磁感線產生的交流電能經過整流、濾波、穩壓處理轉化為直流電能后給電池組供電，本安電路保護過的電池組為孔內隨鉆測量儀提供電源。

1.2 總體設計

隨鉆渦輪發電裝置結構組成圖如圖2。

圖2 隨鉆渦輪發電裝置結構組成圖Fig.2 Structure diagram of turbine power generator while drilling

依據煤礦井下防爆要求，渦輪發電裝置防爆形式設計為隔爆兼本安型，電器元件設置在1 個隔爆腔體內，裝置一端設有1 個本安輸出端口，用于向隨鉆測量儀器供電。扶正組件用于渦輪發電裝置的扶正；導輪組件為固定部分用于改變沖洗液流向，渦輪組件為轉動部分將沖洗液壓能轉換為渦輪的動能；發電組件內部設置永磁轉子和定子線圈，用于將渦輪組件動能轉換為電能；主控電路是渦輪發電裝置控制中心，保證發電組件和電池組件正常工作；電池組件由可充電電池組成，用于儲存發電組件產生的電能；本安輸出端口用于將電池組件儲存電能向隨鉆測量儀器輸送，以保障隨鉆測量儀器連續穩定用電需求。

1.3 導輪結構參數

導輪實物圖如圖3。

圖3 導輪實物圖Fig.3 Physical picture of regulating wheel

導輪葉片數過多將堵塞流體進入渦輪葉柵流道，流體易在導輪葉柵流道中形成回流，失去了導流的意義[13]。葉片數目過少時，導輪流道空間大，導流效果差，不利于提高流體對渦輪葉片沖擊效果。因此，經過綜合分析，導輪葉片選用7 片。

導輪螺旋角的增加有利于吸收并緩沖更多的流體動能，渦輪轉矩、功率、水力效率也都隨之逐漸增加。但在實際中，采用較大導輪葉片螺旋角來提高功率將嚴重降低渦輪的使用壽命，在滿足功率要求的前提下，應盡量選擇使渦輪葉片受到的軸向作用力較小導輪螺旋角。因此，將導輪葉片螺旋角設為70°。

1.4 渦輪結構參數

渦輪實物圖如圖4。

圖4 渦輪實物圖Fig.4 Physical picture of turbine wheel

渦輪葉片數目較少時，流動分離現象嚴重，流動分離在一定程度上降低了流體動能的轉化。同時，葉片數目不宜過多，不利于降低制造加工的難度，另一方面，葉片數目的增多使葉柵流道空間減小，當渦輪轉速較大時，流體易在渦輪葉柵流道中，尤其是中弧線圓弧對應輪廓附近易形成回流和二次流，這將嚴重降低流體能量的轉化效率[14]。因此，渦輪葉片選用7 片。

渦輪葉片螺旋角增加，葉片對流體動能的吸收能力隨之逐漸減增大，渦輪旋轉的機械能也隨之增大。但是，渦輪葉片螺旋角越大對應渦輪輸出功率越高，此時渦輪流場受到流體的壓力沖擊將更大，考慮到渦輪的使用壽命，渦輪葉片螺旋角不應過大。經過綜合分析，渦輪葉片螺旋角選用42°。

1.5 主控電路

為了滿足隨鉆測量儀器連續用電要求，渦輪發電裝置電池組件需具備自行關斷和恢復功能，即鉆孔施工時發電組件輸出電能給電池組件充電；停鉆參數測量時發電組件停止工作，電池組件輸出電能以保障隨鉆測量儀器的用電需求。主控電路工作原理如圖5。

圖5 主控電路工作原理圖Fig.5 Main control circuit operating principle diagram

渦輪發電裝置主控電路主要包括整流、穩壓、檢測、充電限壓限流、電池組充放電保護和放電2 級限壓限流電路等。其中整流、穩壓、檢測和一級充電限壓限流電路布置在1 個電路板上，簡稱整流電路板；電池組件充放電單獨設置保護電路稱為電池保護板；放電2 級限壓限流電路設置在單獨的本安保護板上[15]。

2 渦輪發電裝置性能試驗

2.1 發電性能

為了測試渦輪發電裝置的發電性能，利用已有螺桿鉆具試驗臺開展了發電性能試驗，渦輪發電裝置發電性能試驗連接圖如圖6。

圖6 渦輪發電裝置發電性能試驗連接圖Fig.6 Connection diagram for power generation performance test of turbine generator

試驗過程中先不安裝電池組件，連接滑動變阻器模擬負載，負載值設定為10 Ω，將渦輪發電裝置裝入外管并固定在螺桿鉆具試驗臺上，連接水便，泥漿泵輸出的高速沖洗液驅動渦輪轉動，水源由水箱提供且返流回水箱中循環，測量不同流量下渦輪發電裝置的輸出功率。渦輪發電裝置輸出功率測量值見表1。

表1 渦輪發電裝置輸出功率測量值Tab.1 Measured power output of turbine generator

2.2 電池組件充電性能

根據煤礦井下實際工況，渦輪發電裝置設計配套的泥漿泵最大流量為390 L/min，由表1 測試數據可知：在正常的工作流量范圍內，該發電裝置的發電能力可達13 W，可以滿足隨鉆測量儀器用電要求。

為了測試渦輪發電裝置對電池組件充電的可靠性，利用發電性能試驗裝置進行了電池組件充電性能試驗。保持沖洗液流量200 L/min 左右，記錄電池組件充電電壓、充電電流，計算充電功率。測試連續進行了300 min，每10 min 記錄1 次數據。渦輪發電裝置電池組件充電功率曲線圖如圖7。

圖7 電池組件充電功率曲線圖Fig.7 Battery pack charging power curve

從圖7 可以看出：測試初期由于沖洗液流量不穩定，渦輪發電裝置充電功率逐步升高并趨于穩定；待沖洗液流量穩定后，渦輪發電裝置充電功率平穩，充電過程可靠，滿足電池組件充電要求。

2.3 溫升性能

煤礦井下安全規程要求作業設備儲能部件電池運行溫度上限為55 ℃，且設備內部元器件的溫升應滿足防爆要求，溫度上限為150 ℃，因此，需要對渦輪發電裝置工作時的溫升性能進行驗證分析。

為了防止熱量的散失，選取厚度為8 cm 的橡塑海綿保溫層，將渦輪發電裝置包裹在保溫層中，以保證溫升性能的準確性。負載值設定為10 Ω，泥漿泵流量保持在400 L/min 左右，連續不間斷工作，試驗共進行了174 min，每30 s 記錄1 次渦輪發電裝置內部溫度。渦輪發電裝置溫升曲線如圖8。

圖8 渦輪發電裝置溫升曲線圖Fig.8 Temperature rise curve of turbine power unit

由圖8 可以看出：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3 h 試驗，水溫由15 ℃緩慢增長到23 ℃。由此可以推斷，若試驗時經過渦輪發電裝置的水完全排掉，渦輪發電裝置內部溫度可以保持在41 ℃以內，滿足煤礦井下安全規程的要求。

3 結 語

1）針對煤礦井下沖洗液排量低和特殊防爆要求的特殊工況，研制了一種煤礦井下隨鉆渦輪發電裝置，將沖洗液壓能轉換為電能，產生的交流電能經過整流、濾波、穩壓處理轉化為直流電能后給電池組供電，本安電路保護過的電池組為孔內隨鉆測量儀器提供電源，可以滿足隨鉆測量儀器高功耗和長續航用電的技術需求。

2）渦輪發電裝置渦輪和導輪合理結構設計參數為：導輪葉片數量為7 片，導輪葉片螺旋角為70°；渦輪葉片數量為7 片，渦輪葉片螺旋角為42°。

3）渦輪發電裝置性能試驗表明：沖洗液流量保持390 L/min 時，渦輪發電裝置的發電能力可達13 W，可以滿足隨鉆測量儀器用電要求；沖洗液流量保持200 L/min 時，300 min 充電過程中渦輪發電裝置充電功率平穩，充電過程可靠；經過近3 h 溫升性能試驗，渦輪發電裝置溫度穩定在41 ℃附近，滿足煤礦井下安全規程的要求。