賈惠芹，付倩玉，陳東東 ，賈慶升，孫德旭，田 豆，岳列紅

(1.西安石油大學(xué) 陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000)

引 言

在分層注水井中，為提高開采效率和采收率，充分發(fā)揮注水井的效能，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制各儲(chǔ)層的注水量。近年來，多個(gè)油田開發(fā)了電纜式注水測調(diào)系統(tǒng)，但遇到的共同問題是通信不可靠，其主要原因是在高溫環(huán)境下，電纜的分布參數(shù)發(fā)生了變化，這種變化對供電無影響，但卻造成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄐ问д?。使用注水井的流體發(fā)電，是去掉電纜并提高可靠性的有效手段。與使用電池的供電方式相比，渦輪發(fā)電機(jī)可長時(shí)間在井下工作，并提供穩(wěn)定的電源。

在鉆井發(fā)電機(jī)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者都開展了大量的工作。沈躍等[1]研究了井下渦輪發(fā)電機(jī)渦輪設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的原則及約束條件，根據(jù)發(fā)電機(jī)試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)電機(jī)電磁特性的理論分析以及渦輪設(shè)計(jì)理論，計(jì)算分析了渦輪的實(shí)際工作特性參數(shù)。張先勇等[2]提出了3種渦輪設(shè)計(jì)方法，大大節(jié)約了試驗(yàn)成本。呂官云等[3]對渦輪進(jìn)行三維建模和機(jī)械性能的CFD預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)基本一致，說明預(yù)測結(jié)果可以作為設(shè)計(jì)決策的重要依據(jù)。馮進(jìn)等[4]對葉輪進(jìn)行了理論計(jì)算，并利用CFD方法進(jìn)行數(shù)值模擬，對計(jì)算結(jié)果修正，比較了同一情況下不同螺旋角葉片的效率，得出了在滿足設(shè)計(jì)要求條件下的最優(yōu)螺旋角，具有指導(dǎo)意義。荊寶德等[5]建立了一種水力性能較高的渦輪模型，對不同的葉片參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了流量、轉(zhuǎn)速對渦輪流場的影響。

分析上述文獻(xiàn)，用于鉆井過程的井下發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。但是目前關(guān)于注水井的渦輪發(fā)電機(jī)的研究很少，還沒有應(yīng)用實(shí)例。主要原因是注水流量比鉆井液的流量小，且為了保證測調(diào)儀器能方便地下入井下，發(fā)電機(jī)不能占據(jù)中心通道，這為注水發(fā)電機(jī)的研制帶來了很大的難度。

傳統(tǒng)的渦輪發(fā)電機(jī)為了保護(hù)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子而多使用磁耦合結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要較大的空間安裝多種磁鐵，且當(dāng)負(fù)載突然變化時(shí)易發(fā)生柔性諧振和滑脫現(xiàn)象，可靠性不高。這使得磁耦合結(jié)構(gòu)的渦輪發(fā)電機(jī)無法長時(shí)間在井下工作[6]。

本文通過對井下渦輪在理論計(jì)算、流場建模等方面的研究現(xiàn)狀及研究方法進(jìn)行分析，總結(jié)出了井下渦輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)注水井的井筒結(jié)構(gòu)和測調(diào)工藝的需求，設(shè)計(jì)了一種新型外轉(zhuǎn)子渦輪發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)的渦輪葉片直徑44 mm，偏心布局于井下管柱上，測調(diào)儀器的中心通道直徑42 mm。該發(fā)電機(jī)克服了傳統(tǒng)磁耦合發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)[7]，其輸出功率可滿足注水井流量測調(diào)的要求。

1 發(fā)電機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子的結(jié)構(gòu)模式，其中定子線圈將被PEEK材料做成的隔離套完全包裹，避免了流體的沖蝕，從而保護(hù)了發(fā)電機(jī)定子。渦輪發(fā)電機(jī)由導(dǎo)輪、渦輪、轉(zhuǎn)子、定子、整流穩(wěn)壓電路、充放電電路等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

當(dāng)注水流量切換到偏心發(fā)電流道時(shí)，流體通過圖1前端的導(dǎo)輪導(dǎo)流后沖擊渦輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)與渦輪連接的發(fā)電機(jī)外殼及永磁體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，處于變化磁場中的定子線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，通過整流穩(wěn)壓電路處理后輸出直流電，對井下設(shè)備供電。

圖1 渦輪發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of turbine generator

2 發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 渦輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算

文中以井眼直徑為46 mm、每天注入的流體總流量為50 m3進(jìn)行渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算。考慮到加工工藝問題，本文設(shè)計(jì)的是一種平面葉柵渦輪葉片，由速度三角形可知渦輪圓周速度與平均流速之間的夾角為β，近似與葉片安裝角β1相等。故可得出

(1)

式中：cz為渦輪軸向分速度,m/s；u為渦輪的圓周速度,m/s。

葉片弦長

(2)

式中：b為葉片弦長，mm；s為渦輪軸向高度,mm。

葉柵距

(3)

式中：t為渦輪葉片的葉柵距，mm；R為渦輪流道的平均半徑,mm；z為渦輪葉片個(gè)數(shù)。

葉片數(shù)

(4)

相對葉柵距

(5)

為了求得所設(shè)計(jì)的參數(shù)在合理范圍內(nèi)理論上可提供的最大轉(zhuǎn)速，使用控制單一變量法對所設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。部分結(jié)果見表1—表3。

表1 改變?nèi)~片數(shù)對渦輪轉(zhuǎn)速的影響Tab.1 Influence of changing the number of blades on turbine speed

表2 改變螺旋升角對渦輪轉(zhuǎn)速的影響Tab.2 Influence of changing spiral rising angle on turbine speed

表3 改變?nèi)~片高度對渦輪轉(zhuǎn)速的影響Tab.3 Influence of changing blade height on turbine speed

由表1—表3可以看出，在合理范圍內(nèi)，隨著葉片數(shù)的增加，渦輪轉(zhuǎn)速降低；隨著螺旋升角的增加，渦輪轉(zhuǎn)速降低；隨著葉高的降低，渦輪轉(zhuǎn)速增大。在發(fā)電機(jī)外徑條件的約束下，經(jīng)過理論計(jì)算和比較，確定了渦輪的主要參數(shù)，見表4。

表4 渦輪主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of turbine

2.2 發(fā)電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及計(jì)算

發(fā)電機(jī)輸出功率

(6)

式中：E為額定輸出電壓,V；R為帶載電阻,Ω。

發(fā)電機(jī)定子線圈匝數(shù)

(7)

式中：φ為氣隙合成磁通，Wb；f為額定頻率，Hz；KN為定子繞組系數(shù)。

根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理[8]有

(8)

式中：D為定子內(nèi)徑,mm；Kφ為磁場波形系數(shù)；Kφ為電樞基波繞組系數(shù)；Bδ為電機(jī)的氣隙磁密，T，一般取0.6～0.8 T；A為電負(fù)荷，A/m，對于小功率發(fā)電機(jī)，一般取A≤30 A/m；n為轉(zhuǎn)速，rad/min；λ為長徑比，一般取0.4～0.6；α為極弧系數(shù)，對于小功率發(fā)電機(jī)α取值范圍為0.5～0.7；P′為計(jì)算功率,W。

(9)

其中，效率η一般取大于80%；PN為額定功率，W。

發(fā)電機(jī)的電樞直徑

D′=2r′=2(r+hr+δ)。

(10)

式中：r為定子線圈半徑，mm；hr為轉(zhuǎn)子厚度，mm；δ為氣隙寬度，mm。

極對數(shù)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率關(guān)系如下：

(11)

式中：p為發(fā)電機(jī)極對數(shù)；f為額定頻率，Hz；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

文中設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)電機(jī)的額定功率為10 W， 已知流體的流速為50 m3/d，流體密度ρ取1 000 kg/m3，在發(fā)電機(jī)外徑尺寸約束下，根據(jù)式(6)—(11)，得出其他參數(shù)的數(shù)值，見表5。

表5 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of generator

3 發(fā)電機(jī)仿真分析

3.1 渦輪壓力場模型

圖2展示了渦輪在井下套管中的壓力場[9]?？梢钥闯隽黧w流經(jīng)發(fā)電機(jī)通道時(shí)，由于渦輪占據(jù)了大部分套管空間，渦輪表面的壓力較大，尤其是流體直接沖擊的渦輪面，不利于渦輪快速旋轉(zhuǎn)，因此加入導(dǎo)輪以減輕渦輪壓力和提高流體對渦輪葉片的沖擊速度，使得流體更有效地沖擊渦輪葉片。

圖2 渦輪壓力圖Fig.2 Turbine pressure diagram

3.2 外轉(zhuǎn)子磁片和內(nèi)定子線圈的電磁模型

定子由退火的軟磁鐵構(gòu)成，這是一種相對磁導(dǎo)率較高的材料。轉(zhuǎn)子是由多塊永磁體組成，可產(chǎn)生強(qiáng)磁場[10]。繞組纏繞在定子的槽內(nèi)。

定子與轉(zhuǎn)子之間的邊界條件的確定需要考慮轉(zhuǎn)子中磁源的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)安培環(huán)路定律

(12)

而轉(zhuǎn)子和定子的不導(dǎo)電部分通過高斯磁通定律

▽·B=0

(13)

來模擬。式中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，T。

忽略轉(zhuǎn)子末端的電壓貢獻(xiàn)，此處的繞組截面相連。取每個(gè)繞組橫截面E場z分量，將該值乘以轉(zhuǎn)子的軸向長度，然后對所有繞組的橫截面求和，從而得到電壓

(14)

式中：L為發(fā)電機(jī)的長度，mm；N為繞組匝數(shù)；A為繞組橫截總面積，mm2。

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[11]，對永磁體和線圈的網(wǎng)格加密，因此采用三角形劃分網(wǎng)格。根據(jù)表2的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，設(shè)置發(fā)電機(jī)長度為150 mm，導(dǎo)線線徑為1 mm，線圈匝數(shù)設(shè)置為120匝，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)置為480 r/min,定子線圈保持不動(dòng)。中心部分選用軟磁材料[12]，磁化關(guān)系選用系統(tǒng)自帶的碳鋼B-H曲線，通過邊界條件設(shè)置發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)橥鈿ず屯廪D(zhuǎn)子磁體，內(nèi)部電子線圈固定不動(dòng)。

對所建模型進(jìn)行瞬態(tài)分析[13]，在0.2 s時(shí)繪制磁通密度分布圖，如圖3所示。可以看出，發(fā)電機(jī)最高磁通密度沒有達(dá)到定子鐵芯材料的飽和值(鐵芯材料為硅鋼片310時(shí)，磁通量密度的飽和值為1.7 T)。

圖3 0.2 s時(shí)發(fā)電機(jī)磁通量模|B|分布圖Fig.3 Distribution of generator flux mode |B| at 0.2 s

轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的電壓是正弦信號[14]。轉(zhuǎn)速為480 r/min時(shí)， 其線圈電壓如圖4所示，發(fā)電機(jī)在帶載100 Ω時(shí)輸出幅值約為11.8 V，輸出功率計(jì)算為12.5 W，滿足發(fā)電機(jī)額定功率為10 W的設(shè)計(jì)要求。證明本文所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為合理[15]。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為480 r/min時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢Fig.4 Induced electromotive force when the generator speed is 480 r/min

4 樣機(jī)試制及結(jié)果分析

4.1 渦輪發(fā)電機(jī)樣機(jī)及試驗(yàn)平臺

根據(jù)表4和表5的渦輪和發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了如圖5—圖7所示的渦輪發(fā)電機(jī)樣機(jī)及其各部分組成零件。

圖5 渦輪發(fā)電機(jī)樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of turbo generator prototype

圖6 渦輪發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of turbine generator stator

圖7 渦輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of turbine generator rotor

為了測試制作的發(fā)電機(jī)樣機(jī)是否符合要求，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的流體實(shí)驗(yàn)平臺搭建了渦輪發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，采用實(shí)驗(yàn)室水循環(huán)系統(tǒng)對渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。平臺結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)構(gòu)原理Fig.8 Principle of experimental platform

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在室內(nèi)環(huán)境下用水泵先對渦輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。在50 m3/d的排量下測得渦輪轉(zhuǎn)速為385 r/min，考慮到摩擦等因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致與理論計(jì)算結(jié)果相符。

經(jīng)過測量，當(dāng)泵頻率為18 Hz時(shí)，產(chǎn)生的流量約為50 m3/d。當(dāng)負(fù)載內(nèi)阻與發(fā)電機(jī)繞組相等時(shí)，輸出的功率最大?？紤]到整流時(shí)兩繞組之間的相對電壓，經(jīng)過理論計(jì)算，所使用的負(fù)載電阻為160 Ω。

發(fā)電機(jī)在一定的渦輪結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了發(fā)電機(jī)在一定負(fù)載情況下流量測試結(jié)果,見表6。

表6 發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of generator

由表6可知，在一定流量范圍內(nèi)，電壓及發(fā)電功率隨流量的增加而增大，在流量為50 m3/d時(shí)，基本滿足發(fā)電功率10 W設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)流量為50 m3/d時(shí)，測得帶載160 Ω的輸出電壓幅值為23.36 V。根據(jù)公式(6)得到的輸出功率為10.23 W，基本達(dá)到預(yù)期輸出要求。

5 結(jié) 論

研究了用于油田注水井的渦輪發(fā)電機(jī)，根據(jù)注水井井下實(shí)際工況和空間，確定了發(fā)電機(jī)主要參數(shù)的約束關(guān)系，計(jì)算了外轉(zhuǎn)子型發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過COMSOL分析了流道壓力對渦輪結(jié)構(gòu)的影響，建立了發(fā)電機(jī)電磁仿真模型，以判斷所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)樣機(jī)是否符合預(yù)先設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)表明， 按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下帶載160 Ω時(shí)， 實(shí)際輸出的電壓為23.36 V，輸出功率為10.23 W。考慮實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差和客觀因素等的影響后，本文設(shè)計(jì)的渦輪發(fā)電機(jī)基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。本文的分析過程和設(shè)計(jì)結(jié)果可以對后續(xù)注水井井下渦輪發(fā)電機(jī)研發(fā)提供參考。