大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验.pdf

钻井技术与装备大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验李 飞 程李浩 赵文轩(西安石油大学电子工程学院 中海油集团测井与定向钻井重点实验室定向钻井分室)李飞 程李浩 赵文轩.大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验.石油机械 ():.():.摘要:为使在宽钻井液排量变化范围内随钻涡轮发电机输出电压得到补偿和稳定 通过建立随钻涡轮发电机及励磁控制 模型 研究涡轮转速、负载变化及工具行为对发电机输出电压、输出功率和励磁控制的影响 仿真和试验结果表明:当励磁电流为 时 输出电压的范围满足旋转导向工具正常运行的需求 在额定转速范围内 发电机的输出功率达到 励磁控制系统模型和控制电路的调节性能基本一致 升降压励磁电流达到预期设计指标要求 当随钻涡轮发电机励磁控制系统在升压增磁状态和降压弱磁状态工作时 电压调整率为 所得结论可为旋转导向工具的水力循环测试、实际钻井作业和车间维保等提供数据支持关键词:旋转导向系统 随钻涡轮发电机 仿真模型 励磁控制 电压调整率中图分类号:文献标识码:/():.:石 油 机 械 年 第 卷 第 期基金项目:国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点项目“复合式旋转导向钻井工具的理论与方法研究”()引 言随着我国油气勘探逐步向丰富但探明率低的非常规油气资源过渡 钻井开发技术和关键装备的技术能力受到越来越严峻的挑战 旋转导向装备代表了当今世界井下导向工具发展的先进水平 是推进非常规油气资源规模化开发的高端装备之一 随着旋转导向技术的更新迭代 旋转导向工具的功能愈发强大 井下地质参数测量、数据通信及导向控制电子仓越来越复杂 使井下供电系统的输出功率和续航时间面临更大的挑战锂电池和涡轮发电机是井下仪器供电的 种主要方式 采用锂电池供电成本高、续航能力有限且受井下高温影响 经常因电池耗尽或高温爆炸而被迫起下钻 从而影响整个钻井生产过程 随钻涡轮发电机利用高速流动的钻井液动能循环发电是旋转导向工具持续工作的电能保障 已成为随钻测量和钻井系统的主电源 相比锂电池供电随钻涡轮发电机具有寿命长、抗高温、空间利用率高、续航能力强及输出功率大等优势 是旋转导向系统()、随钻测量工具()和随钻测井工具()的标准配置 为保证井下工具运行的可靠性 绝大多数旋转导向系统采用无源整流的方式 然而对于在实际钻井作业中运行的旋转导向工具而言 宽范围的钻井液流量变化和动态负载将会导致输出的整流电压不稳定 存在以下危害:在涡轮钻井液排量变化和动态载荷下 易引起发电机交流端电压波动大 使导向电机产生明显的转矩脉动 从而影响系统的闭环控制性能和导向功能 直流总线电压定义范围大 使下游部件普遍选型过大 不仅增加了控制电子仓的尺寸 而且加大了各电路板的设计难度 极为有限的功率管理 无功功率产生的附加损耗 缩短了旋转导向工具的使用寿命为解决以上问题 国内外学者开展了相关研究 取得了一定的成果 并进行了相关应用 等设计了 随钻凸极型混合励磁发电机 基于有限元分析了发电机在给定励磁电流下的输出特性 电压调整率为 刘克强针对“一趟钻”钻井技术 分析了旋转导向系统、高效钻头、长寿命螺杆及 供电技术的技术现状王智明等设计了 井下混合励磁涡轮发电机 研究了高温、钻井泵排量及涡轮型式对发电机性能的影响 吕官云等为缩短涡轮的研制周期利用流体动力学仿真软件对井下涡轮进行全三维数值模拟和力学性能预测 并通过合理调整相关参数 使之满足流道、叶片型线和喉部折转角的检验要求 以达到理论设计的预期结果 杨安林等通过相量法建立永磁同步发电机的内阻抗数学模型 研究了内阻抗特性等对电压调整率的影响 王闻涛等提出了涡轮发电机的技术要求 并设计了涡轮发电机性能试验系统 对涡轮发电机进行了性能试验、清水循环及泵排量适应范围试验 根据旋转导向发电整流系统的技术要求 混合励磁发电机相比于永磁同步发电机具有空间利用率高、调速范围宽及输出电压稳定等优势 国内外学者们对井下涡轮发电机进行了一定的研究 但对大功率随钻涡轮发电机性能的研究较少 在励磁控制方面均以有限元分析和给定励磁电流研究发电机的稳压控制特性 在旋转导向工具的实际运行作业中 整个井下发电系统为闭环控制 随钻涡轮发电机的输出电压和励磁电流控制受钻井液排量变化、负载的变化和工具行为的影响为使在宽钻井液排量变化范围内随钻涡轮发电机输出电压得到补偿和稳定 笔者通过建立随钻涡轮发电机及励磁控制 模型 研究涡轮转速、负载变化及工具行为对发电机输出电压、输出功率和励磁控制的影响 在此基础上 设计井下励磁控制电路板并开展系统试验 经仿真和试验 分析发电机的发电特性和励磁控制性能 通过仿真和试验结果对比 验证随钻涡轮发电机励磁控制模型的准确性 为后续旋转导向工具的水力循环测试和实际钻井作业提供数据支持 励磁控制工作原理图 为指向式旋转导向工具的发电系统基本结构 在定向钻井工具钻进时 钻井液有效冲击涡轮叶片 叶片将钻井液的动能转换为驱动涡轮旋转的机械能 涡轮增速后带动发电机转子旋转 旋转的转子磁钢产生旋转磁场 定子绕组线圈在磁场作用下切割磁感线产生电能由图 可知 混合励磁发电机的永磁磁路与励磁磁路相互独立 永磁体产生主磁通 励磁线圈在励磁电流作用下产生辅助磁通 励磁线圈控制电路通过调节励磁电流的大小和方向实现对永磁体主磁通的增磁、弱磁及输出电压的调节 以此使发电机适应更宽的钻井液流量范围 发电机输出的三相交 年 第 卷 第 期李 飞 等:大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验 图 指向式旋转导向工具发电系统基本结构 流电经无源整流转换成直流电 直流电一部分为导向电机和励磁线圈控制电路板供电 另一部分经升降压电路为定向钻井工具的主控制电路板、信号处理电路板、导向电机驱动电路板及姿态传感器等供电 随钻涡轮发电机的基本参数如表 所示表 随钻涡轮发电机基本参数 发电机参数数值直轴电感/交轴电感/相电阻/极对数电压常数/()额定转速/()励磁线圈电感/励磁线圈电阻/数学模型由于混合励磁发电机永磁磁路与励磁磁路相互独立 故对永磁部分进行数学模型推导 在三相 静止坐标系中 发电机各变量耦合性强且求解困难 利用、变换 可得永磁部分 同步旋转坐标系的电压方程:()()式中:、为 轴定子电压 、为 轴电感 为定子绕组电阻 、为 轴电流 为时间 为电角速度/为磁链 电磁转矩方程:()()机械运动方程:()式中:为涡轮的输出扭矩 为发电机的电磁扭矩 为发电机的极对数 为阻尼系数/为涡轮的机械转速/为发电机的转动惯量 励磁控制系统设计要求混合励磁发电机的辅助磁通由励磁线圈产生通过励磁控制系统调节励磁线圈电流的大小和方向 改变励磁线圈产生的辅助磁通的强弱 实现对永磁部分主磁通的调节 依据旋转导向工具的电源管理系统 励磁电流与整流电压()的设计要求如图 所示图 励磁电流与整流电压的设计要求 由图 可以看出:当整流电压约为 时励磁线圈增压电流开启 整流电压约为 时励磁线圈增压电流减小 整流电压约为 时增压电流减小至 当整流电压约为 时 励磁线圈降压电流开始产生 整流电压为 时励磁线圈降压电流最大 当整流电压 时发电机处于制动状态 制动电阻以热耗散方式消耗制动产生的能量 并对发电机的输出电压进行限制 依据设计曲线和励磁调节的基本思想 发电机励磁控制系统如图 所示 石 油 机 械 年 第 卷 第 期图 发电机励磁控制系统 随钻涡轮发电机励磁系统工作的 种状态如图 所示由图 可见 当整流电压 励磁系统工作在增磁 状态 控制逻辑使场效应管、导通 采样电阻 对增压励磁电流进行采样 采样的信号与参考信号进行逻辑比较 产生逻辑控制信号 逻辑控制信号经功率驱动电路实现对场效应管的开关控制 连续导通 当励磁电流略高于参考信号时 截止 导通 当励磁电流略低于参考信号时 导通 截止由图 可见 当 整流电压 时 励磁电流为 励磁系统不工作 此时发电机系统运行状态与永磁同步发电机等效由图 可见 当整流电压 时 励磁电流 励磁系统工作在降磁 状态 控制逻辑使场效应管、导通 采样电阻 对降压励磁电流进行采样 将采样的信号与参考信号逻辑比较 产生逻辑控制信号 逻辑控制信号经功率驱动电路实现对场效应管的开关控制 连续导通当励磁电流略高于参考信号时 截止 导通当励磁电流略低于参考信号时 导通 截止图 随钻涡轮发电机励磁工作状态 仿真模型设计由于混合励磁发电机的永磁磁路与励磁线圈相互独立 当励磁电流 时 混合励磁发电机可等效为永磁发电机 基于发电机的数学模型和励磁系统的控制要求 为更准确模拟随钻涡轮发电机的工作特性 分别对永磁发电机和励磁控制系统进行模型搭建 采用 搭建的系统仿真模型如图 所示 励磁控制电路设计与测试 励磁控制电路设计依据定向钻井工具的电源管理系统 励磁控制电路工作在井下 的高温环境 为提高控制电路工作的可靠性和稳定性 采用模拟电路控制方式 励磁控制电路主要由高压调理电路、参考电路、采样电路、逻辑控制电路、功率驱动电路及 功率桥电路组成高压调理电路对整流电压 进行采样 电阻 和 分压后经跟随器 缓冲隔离后生成 的采样信号 和 用于励磁电流采样电路的 和 控制信号的生成 将输出至旋转导向工具的主控器 经主控器传输至上位机界面 以便于实时监测整流电压 高压调理电路原理如图 所示参考电路的主要作用是生成与励磁电流采样信号进行逻辑比较的参考信号 以满足励磁控制的电压要求 参考电路原理如图 所示 年 第 卷 第 期李 飞 等:大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验 图 系统仿真模型 图 高压调理电路 图 参考电路 石 油 机 械 年 第 卷 第 期 以英飞凌 为驱动 桥电路的核心当励磁系统工作在增磁 状态时 和 导通 逻辑信号为高电平 逻辑信号为低电平 通过采样电路实现对增磁电流的采样得到增磁电流采样信号 当励磁系统工作在降磁 状态时 和 导通 逻辑信号为低电平 逻辑信号为高电平 通过采样电路实现对降磁电流的采样 得到降磁电流采样信号 桥电路和采样电路如图 所示图 功率桥和采样电路 励磁控制电路测试励磁控制电路测试流程图如图 所示 该测试平台主要有直流高压电源、励磁控制电路板、励磁线圈及数据采集系统组成图 励磁电路测试 为测试励磁控制系统模型和电路设计的可靠性及稳定性 当整流电压 时 仿真模型和实际电路的励磁电流测试曲线如图 所示由图 可知 设计的励磁控制系统 模型和电路满足要求 即:当 时 增压励磁开启 励磁电流约为 增压励磁性能最大 当 时 增压励磁电流呈线性减小至 当 时励磁系统不工作 励磁电流为 当 降压励磁电流约为 降压励磁性能最强 通过仿真模型和控制电路的测试二者的励磁调节性能几乎一致 达到设计要求图 励磁电流测试曲线 系统测试及分析图 样机测试流程图 随钻涡轮发电机仿真与试验样机测试流程如图 所示 测试平台主要由原动机、随钻涡轮发电机、无源整流电路板、滤波电容及电子负载组成 如图 所示 年 第 卷 第 期李 飞 等:大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验 图 样机试验测试平台 为验证所建立模型和励磁控制方案的有效性当涡轮转速分别为 、及 /时对模型和样机性能进行测试分析 励磁电流为 仿真模型和样机的整流电压 和负载功率曲线如图 图 所示由图 图 可知:当励磁电流为 时 若发电机涡轮转速一定 随着负载的增大 发电机输出功率减小 整流输出电压 增大 发电机负载一定 随着转速的增大 发电机输出功率和整流输出电压呈线性增加图 转速 /时仿真模型和样机试验性能 /图 转速 /时仿真模型和样机试验性能 /图 转速 /时仿真模型和样机试验性能 /模型仿真和试验测试表明 建立的随钻涡轮发电机 模型与试验样机的输出特性几乎一致输出电压 的范围满足旋转导向工具正常运行需求 在额定转速范围内 输出功率均达到 随钻涡轮发电机及励磁控制系统仿真与试验随钻涡轮发电机及励磁控制系统测试平台如图 所示 该平台由原动机、随钻涡轮发电机、无源整流电路板、励磁控制电路板、电子负载及数据采集仪器组成图 随钻涡轮发电机励磁控制系统测试平台 为测试随钻涡轮发电机励磁控制系统的闭环调节特性 在图 所示的测试平台进行试验 励磁控制电路板对发电机内置励磁线圈进行控制 当转 石 油 机 械 年 第 卷 第 期速为 /负 载 为 时 系 统 处 于 升压增磁状态 励磁电流 仿真模型和试验测试数据如表 所示表 /负载 励磁 状态 /励磁电流/模型励磁反馈电压/样机系统反馈电压/由表 可知 当发电机转速为 /负载 时 测试随钻涡轮发电机励磁控制系统的 升压增磁状态实时调节性能 首先 断开励磁控制电路 励磁电流为 随钻涡轮发电机的运行状态等效于永磁发电机 仿真模型和样机的输出电压几乎一致 约 其次 连接励磁控制电路 与发电机构成闭环控制系统 当发电机达到设定转速时 励磁系统工作在 状态 励磁电流为 励磁调节后仿真模型和样机的输出电压几乎一致 约 升压率约为 当转速为 /负载为 时 系统处于 降压弱磁状态 励磁电流 仿真模型和样机试验测试数据如表 所示表 /负载 励磁 状态 /励磁电流/模型励磁反馈电压/样机系统反馈电压/由表 可知 当发电机转速为 /负载 时 测试随钻涡轮发电机励磁控制系统的 降压弱磁实时调节性能 首先 断开励磁控制电路 励磁电流为 随钻涡轮发电机的运行状态等效于永磁发电机 仿真模型和样机的输出电压几乎一致 约 其次 连接励磁控制电路 与发电机构成闭环控制系统 当发电机达到设定转速时 励磁系统工作在 降压弱磁状态励磁电流为 励磁调节后仿真模型和样机的输出电压几乎一致 约 降压率约为 结 论()当励磁电流为 时 研究了随钻涡轮发电机在不同转速和负载下仿真模型和样机的输出特性 仿真结果与实测数据基本一致 输出电压的范围满足旋转导向工具正常运行的需求 在额定转速范围内 发电机的输出功率达到 有效解决了目前随钻涡轮发电机输出功率小的问题()励磁控制系统模型和控制电路的调节性能基本一致 满足旋转导向工具电源管理系统的设计要求 升降压励磁电流达到预期设计指标要求()随钻涡轮发电机励磁控制系统有效地解决了宽流量范围内发电机稳压补偿的问题 当系统在 升压增磁状态和 降压弱磁状态工作时 仿真模型和试验系统的励磁调节电压几乎一致 电压调整率约为()随钻涡轮发电机励磁控制系统 仿真模型与井下实际发电系统性能一致 模型具备良好的灵活性和准确性 为旋转导向工具的水力循环测试、实际钻井作业和车间维保提供了数据支持 降低了旋转导向工具的测试成本和复杂程度参 考 文 献 李飞.钻头切削深度对抑制黏滑振动和提高钻进速度的影响.石油钻采工艺 ():.().():冯定 王鹏 张红 等.旋转导向工具研究现状及发展趋势.石油机械 ():.():宋红喜 曾义金 张卫 等.旋转导向系统现状及关键技术分析.科学技术与工程 ():.():黄晓凡 林恩怀 干昌明.井下涡轮发电机系统特性分析与试验.石油钻探技术 ():.():荆宝德 王智明 曲海乐 等.随钻测井用井下发 年 第 卷 第 期李 飞 等:大功率随钻涡轮发电机的性能仿真与试验 电机系统的涡轮设计.光学精密工程 ():.():沈跃 苏义脑 李林 等.井下随钻测量涡轮发电机的设计与工作特性分析.石油学报 ():.():吴超 菅志军 郭云 等.旋转导向钻井系统关键技术研究与实钻试验.中国海上油气 ():.():苏义脑 窦修荣.随钻测量、随钻测井与录井工具.石油钻采工艺 ():.():.():刘克强.“一趟钻”关键工具技术现状及发展展望.石油机械 ():.():王智明 郭云 尚捷.混合励磁井下涡轮发电机设计及试验研究.石油机械 ():.():吕官云 孙峰 冯进 等.井下发电机涡轮设计、动力模拟与性能试验.石油机械 ():.():杨安林 沈跃 刘作鹏.永磁同步发电机内阻抗对电压调整率的影响 .石油机械 ():.():王闻涛 王小通 杨晓勇 等.自动垂直钻井工具用涡轮发电机性能模拟试验 .石油机械 ():.():.:():付兴贺 林明耀 徐妲 等.永磁感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的计算与分析.电工技术学报 ():.():邓聪颖 舒杰 陈翔 等.多参数变化下基于参数辨识的永磁同步电机偏差解耦控制方法.仪器仪表学报 ():.():第一作者简介:李 飞 教授 生于 年 年毕业于英国斯特莱思克莱德大学电子和电气工程专业 获博士学位 现主要从事旋转导向系统、钻井自动化及随钻测量的研究工作 地址:()陕西省西安市:收稿日期:(本文编辑 杨晓峰)石 油 机 械 年 第 卷 第 期