韩 培,张师帅

(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074)

井下泥浆涡轮发电系统水力性能试验研究

韩 培,张师帅

(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉430074)

在闭式循环结构的试验装置中,采用清水作流动介质,对井下泥浆涡轮发电系统进行水力性能试验。结果表明:在设计要求的流量和转速范围内,系统输出功率＞60 W,压降＜0.15 MPa,各项技术指标均能满足性能要求。

泥浆涡轮;水力性能;试验研究

Abstract:The hydraulic performance experiments were carried on the mud turbine generator for mine with the clear water medium in the closed cycle experiment equipments.The results showed that the output power was above 60 W,the pressure drop was below 0.15 MPa,and all the technical norms could reach performance requirement.

Key words:mud turbine;hydraulic performance;experiment research

目前,石油钻机广泛采用高性能锂电池为井下测量仪器供电,而锂电池的工作温度通常为150～175℃。随着地球上石油储量的减少,石油钻井的深度日益增加,达到9～15 km,井下温度通常达到225～250 ℃[1-3]。

深井中的高温环境使得锂电池性能和寿命都大幅度降低,甚至无法工作。另外,频繁地更换锂电池,将会因无法保证密封而带来安全问题。再者,使用锂电池供电还将带来环境污染[4]。

利用钻井过程中产生的泥浆来驱动涡轮,带动发电机发电,为井下测量仪器提供电力,是一种理想的供电方案。由此可见,研究泥浆涡轮发电系统具有十分重要的现实意义。

1 工作原理

井下泥浆涡轮发电系统的基本思路是:利用钻井过程中产生的泥浆动能来驱动涡轮,带动发电机发电,为井下测量仪器提供电力,实现流体动能—机械能—电能的转化。

井下泥浆涡轮发电系统的工作环境:介质为钻井泥浆(含沙量≤2.5%);泥浆压力为7.0～12.0 MPa(浅井),17.0～22.0 MPa(深井);泥浆密度为(1.05～1.50) ×103kg/m3;泥浆粘度 ≤0.014 m2/s。

井下泥浆涡轮发电系统的技术指标:流量Q=20.0～30.0 L/s;压降Δp≤0.15 MPa,且要求在一定流量下压降恒定;转速n=2 200～3 300 r/min;系统输出功率≥60 W;无故障工作时间≥240 h。

根据井下泥浆涡轮发电系统的工作环境、技术指标及尺寸限制,研制了一套井下泥浆涡轮发电系统,其工作原理如图1所示。

图1 井下泥浆涡轮发电系统的工作原理

由图1可以看出,系统由涡轮(转轮和导轮)、磁力联轴器和交流发电机3个部分构成。之所以采用磁力联轴器这样的柔性连接方式,主要是利用磁力联轴器内外磁力耦合产生的滑差效应,限制发电机极限转速,保护发电机,提高发电机工作的可靠性[5]。

2 水力性能试验

2.1 试验系统

试验系统主要由试验台架、传感器及参数测试与试验数据处理系统3大部分构成,原理如图2,各参数的具体测量方法如下。

图2 井下泥浆涡轮发电系统的水力性能试验系统

2.1.1 流量测量

涡轮发电系统流量的测量采用涡轮流量计,其型号为LW-100;精度为 0.5级;量程为25～160 m3/h(6.94～44.44 L/s);工作压力为 2.5 MPa;输出信号为频率信号。流量的计算公式为

式中,f为流量计读频率值,s-1;Kq为流量计仪表常数 ,L-1,取Kq=964.687。

2.1.2 压力测量

涡轮发电系统进出口压降的测量采用压力传感器,其型号为MPM480;精度为 0.5级;量程为 0～0.6 MPa;输出信号为电流型4～20 mA;供电电压为+24V DC。压力的计算公式为

式中,p为压力值,MPa;I为电流值,A;a、b为常数,标定后得到a=-0.15 MPa,b=3.75×10-2MPa/mA。

2.1.3 功率测量

涡轮发电系统输出功率的测量采用功率传感器,其型号为 WBP214P71-0.5;精度为0.5级;量程为0～300 W;输出信号为电流型 4～20 mA;供电电压为+24V DC。功率的计算公式为

式中,N为功率值,W;I为电流值,A;a、b为常数,标定后得到a=-75 MPa,b=18.75 W/mA。

2.1.4 转速测量

涡轮发电系统转速的测量是利用发电机输出的电流频率信号来测量,转速的计算公式为

式中,f为频率值,Hz;j为发电机的级数。

所有的测量信号均送入自行研发的参数测试仪,进而送入计算机,以便进行后续的数据处理。

2.2 试验方法

在闭式循环结构的试验装置中,采用清水作流动介质,对井下泥浆涡轮发电系统进行水力性能试验[6]。对于试验工况的调节,则通过手动调节阀门的开度来调节流量,通过调节发电机负载的大小来调节转速。待试验工况稳定后,由特性参数测试仪采集相关数据并通过串口通信方式将相关数据传给试验数据处理系统。试验数据处理系统对相关数据进行分析处理,获得试验结果。具体试验步骤如下:

a) 第1步 将阀门调节至全关位置,负荷调节至最大,启动试验台,使试验系统稳定运行 1 min。观察转速测量值(估计此时转速较小)。

b) 第2步 降低负荷,观察转速测量值(估计转速会逐渐增大),直至转速测量值达到 2 200 r/min。若负荷降至最小,而转速仍不能达到2 200 r/min,则开大阀门,观察转速测量值(估计转速会逐渐增大),直至转速测量值达到2 200 r/min以上。此时的阀门位置即为最小阀门位置。

c) 第3步 开大阀门,观察流量测量值,直至流量测量值达到20.0 L/s左右。将此时阀门位置设定为位置1。

d) 第4步 让阀门处于位置1,增加负荷,观察转速测量值(估计转速会逐渐减小)。每增加1次负荷,则对流量、转速、进口压力、出口压力、输出功率等参数进行1次测量,并保存记录。

e) 第5步 开大阀门,观察流量测量值,直至流量测量值达到25.0 L/s左右。将此时阀门位置设定为位置2。

f) 第6步 让阀门处于位置2,增加负荷,观察转速测量值(估计转速会逐渐减小)。每增加1次负荷,则对流量、转速、进口压力、出口压力、输出功率等参数进行1次测量,并保存记录。

g) 第7步 开大阀门,观察流量测量值,直至流量测量值达到30.0 L/s左右。将此时阀门位置设定为位置3。

h) 第8步 让阀门处于位置3,增加负荷,观察转速测量值(估计转速会逐渐减小)。每增加1次负荷,则对流量、转速、进口压力、出口压力、输出功率等参数进行1次测量,并保存记录。

3 试验结果

对加工、装配完成的井下泥浆涡轮发电系统样机进行了水力性能试验,流量为25.0 L/s情况下的试验数据如表1。

表1 流量为25.0 L/s情况下的试验数据

图3～4分别为不同流量下的转速与压降关系、不同流量下的转速与输出功率关系。

图3 不同流量下的转速和压降关系

图4 不同流量下的转速和系统输出功率关系

由图3～4可以看出,随着流量的增加,输出功率和压降均有所升高;在一定流量下,随着转速的增加,输出功率有所下降,压降基本保持不变。

4 结论

在闭式循环结构的试验装置中,采用清水作流动介质,对井下泥浆涡轮发电系统进行水力性能试验。试验结果表明:在设计要求的流量(20.0～30.0 L/s)和转速(2 200～3 300 r/min)范围内,系统输出功率＞60 W,系统压降＜0.15 MPa,各项技术指标均能满足使用要求。

[1] 李志刚,管志川,王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):6-9.

[2] 肖仕红,梁 政.智能钻井电缆信号传输的研究现状及难点[J].石油矿场机械,2007,36(2):7-10.

[3] 王江萍,王 怡,鲍泽富.钻井过程监测与实时故障诊断综述[J].石油矿场机械,2006,35(6):15-19.

[4] 张辛耘,王敬农,郭彦军.随钻测井技术进展和发展趋势[J].测井技术,2006,30(1):10-14.

[5] Alexander N Gorban,Alexander M Gorlov,Valentin M Silantyev.Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow[J].Journal of Energy Resources Technology,2001,123:311-317.

[6] 张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2000.

Hydraulic Performance Experiment Research on the Mud Turbine Generator for Mine

HAN Pei,ZHANG Shi-shuai
(School of Energy&Power Engineering,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan430074,China)

TE921.1

A

1001-3482(2010)03-0059-03

2009-09-24

韩 培(1985-),男,安徽芜湖人,主要从事流体机械的设计与应用研究。