煤矿井下钻孔内涡轮发电机设计研究

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关键词：发电机；涡轮；矿用本安；自供电

引言

随着煤矿井下钻探工艺及技术的发展，深孔、多分支孔增多，单孔施工时间越来越长；另一方面，随着地质评价仪器、地质导向工具的发展和需要，地质参数和工程参数的随钻测量越发重要，这些仪器的控制执行机构和传感器的增多，也对仪器的供电提出了更高的要求。现有煤矿井下孔中仪器供电采用2种方式：电池供电和孔口载波供电。采用电池供电的方式，由于电池容量受到限制，导致孔内仪器持续工作能力受限，在钻孔施工时，要频繁地停钻、起钻、更换电池，降低了钻进效率，加大了工作强度；采用孔口载波供电方式，受到煤安限制，可以提供的电压和电流非常有限，无法满足越来越大的孔中仪器的功耗要求，另外在深孔施工时在钻杆上压降较大也会影响仪器正常工作。解决这一问题的有效方式是通过钻井时的泥浆液产生的动力驱动涡轮发电机进行发电。目前石油钻探领域已有成熟的产品在市场上应用，但煤炭领域由于多种原因涡轮发电机的使用受到了限制。主要原因：①相比较石油领域，煤炭领域钻井液排量较小，无法驱动现有随钻涡轮发电机转子达到稳定的转速，从而无法提供稳定的电能；②由于煤安对于防爆结构输出功率的要求，石油领域中的涡轮发电机电能输出的稳定性和安全性并不能满足煤矿井下防爆要求。本文结合煤矿井下孔中测量仪器的要求和特点，设计开发了一套矿用小功率泥浆涡轮发电机。

1涡轮发电机总体设计

井下涡轮发电技术属于流体机械范畴，实现了井下泥浆动能转化为涡轮机械能再通过发电机转轴转化为电能的能量转化。涡轮发电机总体结构采用隔爆兼本安形式，安装在一个隔爆腔体内，设置一个输出端口为本安输出。总体结构如图1所示。泥浆泵将泥浆注入到井下时，泥浆按定子涡轮叶片设定方向转过一定角度，增加泥浆的冲刷力度，高速流动的泥浆进入转子涡轮叶片流道，冲击叶片产生旋转力矩，带动转子涡轮高速旋转；转子涡轮通过磁力耦合装置带动驱动轴旋转，从而驱动发电机组件的转子旋转，产生交流电能；将交流电能转化为直流电后对充电电池组进行充电，电池组经过本安保护后提供电能给负载使用。

2涡轮发电机关键结构设计

（1）发电机结构设计发电机结构采用磁耦合联接方式，发电机参数：当泥浆驱动涡轮转动时，磁耦合器外磁钢随着涡轮同步转动，利用磁性材料同性相斥、异性相吸原理，磁耦合器内磁钢及固联的转轴和转子组件一起转动，转子在定子线圈中切割磁感线产生电能。（2）涡轮结构设计涡轮结构如图2所示，采用1个导轮加1个涡轮设计。钻孔时，由钻杆流进的高速泥浆首先流经固定导轮，经过导轮导流后冲击涡轮叶片，带动涡轮旋转。导轮可以提高井下涡轮的工作效率，其作用主要有：①调节工况；②使流经导轮的高速泥浆形成一定的冲刷角度，提高涡轮对泥浆动能的转换效率，最后再经过1个直流导套将泥浆液调整为稳定的流体。实际使用过程中，可根据现场情况更换不同叶片角度和叶片数量的定子涡轮和转子涡轮以满足不同泥浆排量。

3涡轮发电机电路设计

由于煤矿井下探测参数大部分为停钻时测量，因此发电装置内部放置了一个电池组作为储能部件，正常打钻时发电机给电池组充电，停钻测量时电池组给配套仪器供电。涡轮发电机电路主要包括电源控制电路和电池组电路两部分。电气连接框图如图3所示。电源控制电路将先发电机产生的交流电进行整流、滤波和稳压处理，转化的直流电经过充电保护板对电池组进行充电。需要注意的是，为防止发电电压过高影响后端的电路性能，设计中增加一个稳压二极管防止输出电压过高。电池组一路经直流电压变换模块输出至控制，为控制电路中的MCU、电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块提供所需电能，MCU将电压测量模块、电流测量模块和转速测量模块测量得到的电压值、电流值和转速值储存并输出至涡轮发电机系统的输出接口。电池组另一路输出至本安保护电路，经过过压、过流保护后输出至发电机系统的输出接口给所要连接的测量仪器供电，当输出电压或电流高于设定值时，过压、过流保护电路自动切断输出以保证煤矿井下电气安全。

4试验测试

为验证涡轮发电机的设计效果，在样机装配完毕后，首先进行了发电机不同转速情况下发电性能试验。涡轮发电机由外部电机驱动转动，可调整转速测试输出电压，测试数据如表1所示。测试电压值为电源控制电路输出电压,负载设置为10Ω。在测试完涡轮发电机电压输出能力后，再进行外部泥浆泵驱动的样机整体性能试验。涡轮发电机装入外管并放在试验台上，联接水辩，用泥浆泵驱动涡轮转动，调整不同泥浆流量驱动涡轮发电机工作，泥浆泵由水箱供水，并排放在水箱内循环使用，测试数据如表2所示，泥浆流量、涡轮转速与输出电压的关系曲线如图4所示。由表2、图4可知，流量96L/min时发电机可启动，涡轮转速1000r/min左右，发电功率0.6W左右；流量160L/min时涡轮转速1500r/min左右，发电功率2W左右；流量200L/min时涡轮转速2000r/min左右，发电功率6W左右；流量270L/min时涡轮转速2500r/min左右，发电功率11W左右。当流量大于270L/min后，输出电压和功率下降。是因为发电机整流电路后端稳压二极管启动，负载变大导致电磁转矩变大，涡轮转速降低，稳压二极管会消耗部分发电机产生的能量，但此时输出的功率仍可以保持在9W以上。

5结语

本文设计的煤矿井下钻孔内涡轮发电机符合矿用设备防爆要求和实际工况需要，在煤矿井下现有正常的泥浆流量下，发电量可维持在9W以上，减小了电池容量对孔中仪器使用的限制，同时测量发电机转速、发电机输出的电流、电压，监测发电机系统运行状态，能够根据状态了解当前孔内施工情况。

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作者：陈龙 张冀冠 单位：中煤科工集团西安研究院有限公司