煤矿井下随钻涡轮发电装置研制与试验

陈超博，李泉新，张冀冠，褚志伟

（1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下随钻测量定向钻进技术具有成孔深度大、施工精度高和区域覆盖广等显著优势，是煤矿井下瓦斯抽采、水害治理和防灭火工程等领域关键技术保障[1-2]。随钻测量仪器作为煤矿井下定向钻进技术装备的重要组成之一，可以实时获取钻孔轨迹参数、地层地质参数和钻进工程参数，为钻孔轨迹控制和钻进参数优化提供数据支持[3-5]。

目前，煤矿井下随钻测量仪器主要包括有线随钻测量和无线随钻测量2 种仪器。有线随钻测量仪器利用孔口防爆计算机供电，通过通缆钻杆中心有线通道向孔口传输孔底测量数据；无线随钻测量仪器主要使用孔内可充电电池组供电，利用泥浆脉冲或电磁波无线通道向孔口传输孔底测量数据[6-8]。现有随钻测量仪器供电方式一定程度上满足了使用要求，然而随着煤矿智能钻探技术发展，对随钻测量数据量和传输速度提出了更高的技术需求，现有供电方式暴露出一定的局限性，主要体现在以下2 方面：①孔口防爆计算机供电受煤安限制，提供的电压和电流有限，在增加地层地质参数和钻进工程参数测量功能模块条件下，有线信号传输深度明显减小，难以满足孔内仪器用电需求；②孔内可充电电池组供电为满足煤安要求，电池组容量受限，需要定期停钻更换电池组，辅助钻进时间增加，钻进效率降低。

涡轮发电机是一种将冲洗液压能转化为涡轮转子动能进行发电的供电装置，输出电能功率高，且连续稳定，可以满足煤矿井下随钻测量仪器用电需求[9]。然而，现有涡轮发电机主要应用于石油和天然气钻探领域，无法直接应用于煤矿井下，主要原因：煤矿井下冲洗液排量低，无法驱动现有涡轮发电机转子达到设定的转速，输出电能不稳定；现有涡轮发电机输出电能的稳定性和安全性无法满足煤矿井下特殊的防爆要求[10-12]。因此，亟待开发适用于煤矿井下特殊工况的随钻涡轮发电装置，以满足煤矿井下随钻测量仪器高功耗和长续航供电技术要求。

1 涡轮发电装置

1.1 工作原理

随钻涡轮发电装置工作原理图如图1。

图1 随钻涡轮发电装置工作原理图Fig.1 Schematic diagram of turbine power generator while drilling

钻柱内高压冲洗液流经导轮后，由导轮改变流向以冲击涡轮，从而带动涡轮高速转动，涡轮通过磁力耦合装置带动永磁转子旋转，永磁转子在定子线圈中不断切割磁感线产生的交流电能经过整流、滤波、稳压处理转化为直流电能后给电池组供电，本安电路保护过的电池组为孔内随钻测量仪提供电源。

1.2 总体设计

随钻涡轮发电装置结构组成图如图2。

图2 随钻涡轮发电装置结构组成图Fig.2 Structure diagram of turbine power generator while drilling

依据煤矿井下防爆要求，涡轮发电装置防爆形式设计为隔爆兼本安型，电器元件设置在1 个隔爆腔体内，装置一端设有1 个本安输出端口，用于向随钻测量仪器供电。扶正组件用于涡轮发电装置的扶正；导轮组件为固定部分用于改变冲洗液流向，涡轮组件为转动部分将冲洗液压能转换为涡轮的动能；发电组件内部设置永磁转子和定子线圈，用于将涡轮组件动能转换为电能；主控电路是涡轮发电装置控制中心，保证发电组件和电池组件正常工作；电池组件由可充电电池组成，用于储存发电组件产生的电能；本安输出端口用于将电池组件储存电能向随钻测量仪器输送，以保障随钻测量仪器连续稳定用电需求。

1.3 导轮结构参数

导轮实物图如图3。

图3 导轮实物图Fig.3 Physical picture of regulating wheel

导轮叶片数过多将堵塞流体进入涡轮叶栅流道，流体易在导轮叶栅流道中形成回流，失去了导流的意义[13]。叶片数目过少时，导轮流道空间大，导流效果差，不利于提高流体对涡轮叶片冲击效果。因此，经过综合分析，导轮叶片选用7 片。

导轮螺旋角的增加有利于吸收并缓冲更多的流体动能，涡轮转矩、功率、水力效率也都随之逐渐增加。但在实际中，采用较大导轮叶片螺旋角来提高功率将严重降低涡轮的使用寿命，在满足功率要求的前提下，应尽量选择使涡轮叶片受到的轴向作用力较小导轮螺旋角。因此，将导轮叶片螺旋角设为70°。

1.4 涡轮结构参数

涡轮实物图如图4。

图4 涡轮实物图Fig.4 Physical picture of turbine wheel

涡轮叶片数目较少时，流动分离现象严重，流动分离在一定程度上降低了流体动能的转化。同时，叶片数目不宜过多，不利于降低制造加工的难度，另一方面，叶片数目的增多使叶栅流道空间减小，当涡轮转速较大时，流体易在涡轮叶栅流道中，尤其是中弧线圆弧对应轮廓附近易形成回流和二次流，这将严重降低流体能量的转化效率[14]。因此，涡轮叶片选用7 片。

涡轮叶片螺旋角增加，叶片对流体动能的吸收能力随之逐渐减增大，涡轮旋转的机械能也随之增大。但是，涡轮叶片螺旋角越大对应涡轮输出功率越高，此时涡轮流场受到流体的压力冲击将更大，考虑到涡轮的使用寿命，涡轮叶片螺旋角不应过大。经过综合分析，涡轮叶片螺旋角选用42°。

1.5 主控电路

为了满足随钻测量仪器连续用电要求，涡轮发电装置电池组件需具备自行关断和恢复功能，即钻孔施工时发电组件输出电能给电池组件充电；停钻参数测量时发电组件停止工作，电池组件输出电能以保障随钻测量仪器的用电需求。主控电路工作原理如图5。

图5 主控电路工作原理图Fig.5 Main control circuit operating principle diagram

涡轮发电装置主控电路主要包括整流、稳压、检测、充电限压限流、电池组充放电保护和放电2 级限压限流电路等。其中整流、稳压、检测和一级充电限压限流电路布置在1 个电路板上，简称整流电路板；电池组件充放电单独设置保护电路称为电池保护板；放电2 级限压限流电路设置在单独的本安保护板上[15]。

2 涡轮发电装置性能试验

2.1 发电性能

为了测试涡轮发电装置的发电性能，利用已有螺杆钻具试验台开展了发电性能试验，涡轮发电装置发电性能试验连接图如图6。

图6 涡轮发电装置发电性能试验连接图Fig.6 Connection diagram for power generation performance test of turbine generator

试验过程中先不安装电池组件，连接滑动变阻器模拟负载，负载值设定为10 Ω，将涡轮发电装置装入外管并固定在螺杆钻具试验台上，连接水便，泥浆泵输出的高速冲洗液驱动涡轮转动，水源由水箱提供且返流回水箱中循环，测量不同流量下涡轮发电装置的输出功率。涡轮发电装置输出功率测量值见表1。

表1 涡轮发电装置输出功率测量值Tab.1 Measured power output of turbine generator

2.2 电池组件充电性能

根据煤矿井下实际工况，涡轮发电装置设计配套的泥浆泵最大流量为390 L/min，由表1 测试数据可知：在正常的工作流量范围内，该发电装置的发电能力可达13 W，可以满足随钻测量仪器用电要求。

为了测试涡轮发电装置对电池组件充电的可靠性，利用发电性能试验装置进行了电池组件充电性能试验。保持冲洗液流量200 L/min 左右，记录电池组件充电电压、充电电流，计算充电功率。测试连续进行了300 min，每10 min 记录1 次数据。涡轮发电装置电池组件充电功率曲线图如图7。

图7 电池组件充电功率曲线图Fig.7 Battery pack charging power curve

从图7 可以看出：测试初期由于冲洗液流量不稳定，涡轮发电装置充电功率逐步升高并趋于稳定；待冲洗液流量稳定后，涡轮发电装置充电功率平稳，充电过程可靠，满足电池组件充电要求。

2.3 温升性能

煤矿井下安全规程要求作业设备储能部件电池运行温度上限为55 ℃，且设备内部元器件的温升应满足防爆要求，温度上限为150 ℃，因此，需要对涡轮发电装置工作时的温升性能进行验证分析。

为了防止热量的散失，选取厚度为8 cm 的橡塑海绵保温层，将涡轮发电装置包裹在保温层中，以保证温升性能的准确性。负载值设定为10 Ω，泥浆泵流量保持在400 L/min 左右，连续不间断工作，试验共进行了174 min，每30 s 记录1 次涡轮发电装置内部温度。涡轮发电装置温升曲线如图8。

图8 涡轮发电装置温升曲线图Fig.8 Temperature rise curve of turbine power unit

由图8 可以看出：测试初始阶段，温度上升较快，随着测试的进行，温升逐渐减小，最后温度稳定在41 ℃附近；并且由于水箱换水量较低，水箱内水温缓慢增长，经过近3 h 试验，水温由15 ℃缓慢增长到23 ℃。由此可以推断，若试验时经过涡轮发电装置的水完全排掉，涡轮发电装置内部温度可以保持在41 ℃以内，满足煤矿井下安全规程的要求。

3 结 语

1）针对煤矿井下冲洗液排量低和特殊防爆要求的特殊工况，研制了一种煤矿井下随钻涡轮发电装置，将冲洗液压能转换为电能，产生的交流电能经过整流、滤波、稳压处理转化为直流电能后给电池组供电，本安电路保护过的电池组为孔内随钻测量仪器提供电源，可以满足随钻测量仪器高功耗和长续航用电的技术需求。

2）涡轮发电装置涡轮和导轮合理结构设计参数为：导轮叶片数量为7 片，导轮叶片螺旋角为70°；涡轮叶片数量为7 片，涡轮叶片螺旋角为42°。

3）涡轮发电装置性能试验表明：冲洗液流量保持390 L/min 时，涡轮发电装置的发电能力可达13 W，可以满足随钻测量仪器用电要求；冲洗液流量保持200 L/min 时，300 min 充电过程中涡轮发电装置充电功率平稳，充电过程可靠；经过近3 h 温升性能试验，涡轮发电装置温度稳定在41 ℃附近，满足煤矿井下安全规程的要求。