磁力懸浮式井下發(fā)電裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

張 勇 高昀馳 裴金源 魏文浩 孔海群

(1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 2.黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引 言

石油開采過程中，井下工況數(shù)據(jù)是井上工作人員變換操作參數(shù)的主要依據(jù)。井下工況數(shù)據(jù)由傳感器等工具提供，但如何為用電工具在井下長(zhǎng)期供電成為難題[1-2]。

為井下用電工具供電的方式主要有3種：電池供電、電纜供電和渦輪發(fā)電機(jī)供電。高溫鋰電池是最常用的井下電池供電方案，但需定期取出完成更換，井下高溫、高壓環(huán)境對(duì)電池性能影響嚴(yán)重[3]；電纜供電方式不僅成本較高，且需可靠的高壓密封[4]；渦輪發(fā)電機(jī)用于井下供電往往需要較大的流量和足夠的空間保證，目前研究集中在流量與扭轉(zhuǎn)力矩、渦輪葉片形狀對(duì)發(fā)電功率的影響以及渦輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面[5-9]，藥曉江等[10]采用CFD方法對(duì)某型隨鉆井下渦輪發(fā)電機(jī)葉輪組進(jìn)行了數(shù)值分析，預(yù)測(cè)了葉輪的輸出性能并解釋了葉輪輸出特性與葉片水力特性之間的關(guān)系；黃曉凡等[11]論述了鉆井液發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)形式以及優(yōu)缺點(diǎn)，并從3個(gè)方面指明了鉆井液發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)；譚春飛等[12]利用Fluent軟件對(duì)常用的五圓弧葉型和三次多項(xiàng)式葉型渦輪進(jìn)行了模擬分析，對(duì)比兩者的水力損失和水力效率，得出后者更優(yōu)的結(jié)論；張先勇等[13]利用CFD方法對(duì)井下渦輪式發(fā)電機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)做了詳細(xì)的數(shù)值模擬，并計(jì)算出發(fā)電機(jī)主要的外性能曲線；荊寶德等[14]設(shè)計(jì)了一種井下發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，采用Fluent仿真軟件研究確定了一種具有較好水力性能的渦輪模型；楊霞等[15]通過研究流量對(duì)渦輪發(fā)電及效率的影響，提出采用相似理論求解不同流量對(duì)應(yīng)渦輪工作特性曲線的想法。

目前，為處于空間狹小的井下用電工具持續(xù)提供電能，且能夠滿足自主發(fā)電以及啟動(dòng)條件低的裝置少有研究。鑒于此，本文在采用磁力懸浮方式約束葉輪軸向和徑向位移的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套適用小空間的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置。該裝置展現(xiàn)出的受井下空間限制小、磁懸浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)無接觸摩擦以及裝置啟動(dòng)條件低等優(yōu)點(diǎn)，為液體能量充分轉(zhuǎn)化為電能提供了有力保障。所設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，大大降低了供電的成本?？紤]到葉輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)發(fā)電效率的影響，對(duì)其開展了基于正交試驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最優(yōu)方案。研究結(jié)果可為解決井下工具供電問題提供參考。

1 發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

設(shè)計(jì)的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)見圖1，設(shè)計(jì)注水工況為10 m3/d，設(shè)計(jì)裝置腔體內(nèi)徑為34 mm。該裝置由液流入口、葉輪、磁力懸浮扶正機(jī)構(gòu)、穩(wěn)流葉片、發(fā)電體和液流出口等組成。井下流體經(jīng)切向入口進(jìn)入裝置內(nèi)部沖擊葉輪使其旋轉(zhuǎn)，將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，葉輪底端連接發(fā)電體轉(zhuǎn)子部分，使其與發(fā)電定子作用將轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。上下磁力懸浮模塊起到無接觸軸承作用，限制葉輪的軸向和徑向位移，使其穩(wěn)定在中心位置，穩(wěn)流葉片起到流場(chǎng)穩(wěn)定作用，并能利用葉輪以后的部分能量，使能量利用更加充分。實(shí)際使用過程中，發(fā)電模塊發(fā)出的電能經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換和整流，為鋰電池模塊持續(xù)充電。

1—葉輪；2、4—磁力懸浮扶正機(jī)構(gòu)；3—穩(wěn)流葉片；5—發(fā)電體。圖1 磁力懸浮式井下發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of downhole magnetic suspension impeller generator

2 仿真分析

2.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

構(gòu)建發(fā)電葉輪部分的流體域仿真結(jié)構(gòu)模型，見圖2，模型主要由雙入口流道、流動(dòng)空間部分和出口組成。通過STAR-CCM軟件完成模型網(wǎng)格劃分，最終模型的體網(wǎng)格數(shù)為1 257 063，體網(wǎng)格模型及中心截面網(wǎng)格模型見圖3。湍流計(jì)算模型采用雙方程k-ε模型[16-19]，為提高計(jì)算精度，求解的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。模型邊界條件設(shè)置為：入口采用速度入口，速度值由流量以及入口截面積決定，出口為壓力出口，壁面選用y+壁面處理。

圖2 仿真結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Simulation structure model

圖3 體網(wǎng)格模型以及中心截面網(wǎng)格Fig.3 Body mesh model and center section mesh

2.2 模型仿真及優(yōu)化

葉輪葉片數(shù)、葉片高度、葉片角度、入口速度以及扭轉(zhuǎn)力矩等是影響整體裝置發(fā)電功率的主要參數(shù)，其中扭轉(zhuǎn)力矩為發(fā)電體線圈對(duì)葉輪造成的阻力矩，葉片高度為葉輪轂與葉片邊緣的徑向距離，葉片角度為葉片相對(duì)于水平方向張開的角度。由于影響因素較多，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)葉輪的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選，尋求優(yōu)化組合解。

本次正交試驗(yàn)因素的水平表中，每個(gè)參數(shù)根據(jù)實(shí)際工況、限定的尺寸以及為了得出更加充足的數(shù)據(jù)揭示其規(guī)律性而選用4個(gè)水平，具體見表1。

表1 因素水平表Table 1 Factor levels

根據(jù)參數(shù)的個(gè)數(shù)以及水平個(gè)數(shù)確定采用5因素4水平的正交表，為保證每個(gè)因素和每個(gè)水平的均勻分散性和整齊性，每個(gè)水平在表中均出現(xiàn)4次，通過對(duì)每組數(shù)據(jù)的模型開展試驗(yàn)得出試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test schemes and results

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行直觀分析，得出因素主次和優(yōu)化方案，其試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。

表3中，Ki表示該因素i水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)和，ki表示該因素i水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)平均值，R表示ki最大值與最小值的差。K值越大，表明該水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大；R值越大，表明該參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。

因此，由表3可以得出，因素影響指標(biāo)的主次關(guān)系為：入口速度>扭轉(zhuǎn)力矩>葉片角度>葉片數(shù)>葉片高度；同時(shí)可以得出最優(yōu)參數(shù)搭配方案為入口速度6 m/s、葉片數(shù)16、葉片高度3 mm、葉片角度45°，此時(shí)的扭轉(zhuǎn)力矩為0.000 65 N·m。參照表2可知，最優(yōu)參數(shù)搭配方案下結(jié)構(gòu)的發(fā)電功率為0.264 W。

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Test results analysis

2.3 扭轉(zhuǎn)力矩參數(shù)對(duì)發(fā)電功率的影響

正交試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)表明，隨著入口速度的增加，裝置的轉(zhuǎn)速越大。然而由式(1)可知，功率不僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與表征發(fā)電能力的扭轉(zhuǎn)力矩有關(guān)。

P=Tω

(1)

式中：P代表發(fā)電功率，T代表扭轉(zhuǎn)力矩，ω代表葉輪的角速度。

由正交試驗(yàn)表3可以看出，扭轉(zhuǎn)力矩參數(shù)的最優(yōu)水平是所選范圍的最大值，因此為進(jìn)一步研究扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系，對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行單因素分析，確定扭轉(zhuǎn)力矩范圍為0.001 5～0.005 0 N·m。以10 m3/d的注水井為例，裝置的入口速度為3.24 m/s，通過仿真的數(shù)據(jù)得出扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between torsional moment and power generation

由圖4可以得出：在確定入口速度的條件下，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的逐漸增加，裝置的發(fā)電功率先增大再減小；當(dāng)扭轉(zhuǎn)力矩為0.003 N·m時(shí)，裝置的發(fā)電功率達(dá)到最大值0.352 W。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)物及試驗(yàn)工藝

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)對(duì)磁力懸浮式井下發(fā)電裝置進(jìn)行加工，并搭建了驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)。其中，葉輪實(shí)物如圖5所示，試驗(yàn)工藝如圖6所示。

圖5 葉輪實(shí)物圖Fig.5 Picture of impeller

圖6 發(fā)電裝置試驗(yàn)工藝Fig.6 Test process of generator

該工藝通過水循環(huán)系統(tǒng)為裝置提供流體能量，并運(yùn)用示波器進(jìn)行參照調(diào)節(jié)，采用萬用表測(cè)量電流和電壓數(shù)據(jù)，交直流轉(zhuǎn)化并整流后充入鋰電池中。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 扭轉(zhuǎn)力矩與發(fā)電功率關(guān)系驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，筆者在室內(nèi)開展了模擬試驗(yàn)。分別試驗(yàn)了8種不同扭轉(zhuǎn)力矩的情況，將試驗(yàn)值與仿真值進(jìn)行對(duì)比，見圖7。

圖7 試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比Fig.7 Comparison between test results and simulation results

由圖7可知，確定入口速度改變扭轉(zhuǎn)力矩，數(shù)值模擬的結(jié)果值與模擬試驗(yàn)的測(cè)量值呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，都表現(xiàn)出先增大后減小，充分說明了仿真與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。在扭轉(zhuǎn)力矩為0.003 N·m時(shí)，發(fā)電功率達(dá)到最大值，試驗(yàn)測(cè)量值為0.332 W，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的增加，發(fā)電功率明顯減小。在該試驗(yàn)條件下，輸出電壓為5 V，則對(duì)5 V的鋰電池進(jìn)行充電，充電電流為2 A，電池的容量為1 200 mAh，充電時(shí)間為36 min。以短小型SAx0R4D系測(cè)溫儀為例，該儀器的工作電流最大為20 mA，則單個(gè)1 200 mAh的鋰電池充電完成后可以連續(xù)放電至少60 min，并能保證隨用隨充。

3.2.2 最優(yōu)模型驗(yàn)證

模型優(yōu)化前、后的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。由表4可知，優(yōu)化前選取的葉輪葉片高度值為最優(yōu)值，葉輪葉片數(shù)和葉片角度2個(gè)參數(shù)優(yōu)化為16和45°。

表4 優(yōu)化前、后模型參數(shù)Table 4 Model parameters before and after optimization

在10 m3/d的注水工況下，對(duì)優(yōu)化前、后的模型進(jìn)行仿真模擬，得到的葉輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電功率的結(jié)果值見表5。根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，優(yōu)化后模型的發(fā)電功率提升了28.65%。

表5 葉輪仿真結(jié)果Table 5 Simulation results

4 結(jié) 論

(1)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響發(fā)電功率因素的重要程度依次為：入口速度>扭轉(zhuǎn)力矩>葉片角度>葉片數(shù)>葉片高度。

(2)在10 m3/d的注水工況下，34 mm內(nèi)徑的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為：葉輪葉片數(shù)16個(gè)，葉片高3 mm，葉片角度45°。

(3)優(yōu)化后的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置在確定入口速度的前提下，隨著扭轉(zhuǎn)力矩的逐漸增加，發(fā)電功率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，并在0.003 N·m時(shí)達(dá)到最大。

(4)優(yōu)化后的磁力懸浮式井下發(fā)電裝置試驗(yàn)功率可達(dá)0.332 W，使用36 min可充滿容量為1 200 mAh的5 V鋰電池，充電完成后可為工作電流不高于20 mA的用電工具持續(xù)供電至少60 min。