新型電驅(qū)壓裂系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

[摘 要]隨著頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，壓裂技術(shù)在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。然而，傳統(tǒng)的壓裂設(shè)備存在功率不足、效率低下、環(huán)保性能差等問(wèn)題。為此，文章提出了一種新型的電驅(qū)壓裂系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電驅(qū)動(dòng)方式，具有功率大、效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)。文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵技術(shù)、性能特點(diǎn)和應(yīng)用效果，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提供了新的技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞]電驅(qū)壓裂系統(tǒng)；頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)；壓裂技術(shù)

[中圖分類號(hào)]TM61 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0021–03

Research and Application of a New Electric Drive Fracturing System

BAO Yonghao

[Abstract]With the continuous progress of shale gas development technology， the application of fracturing technology in shale gas development is becoming increasingly widespread. However， traditional fracturing equipment has problems such as insufficient power， low efficiency， and poor environmental performance. Therefore， this article proposes a new type of electric drive fracturing system， which adopts the electric drive method and has advantages such as high power， high efficiency， and good environmental performance. This article provides a detailed introduction to the design principles， key technologies， performance characteristics， and application effects of the system， providing new technical support for shale gas development.

[Keywords]electric drive fracturing system； shale gas development； fracturing technology

目前，我國(guó)在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中普遍使用的仍是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓裂設(shè)備進(jìn)行施工。這種驅(qū)動(dòng)方式成熟、可靠，應(yīng)用多年，但這一驅(qū)動(dòng)方式存在工作噪聲大、占地空間大、空氣污染大、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用高等缺限，已不能滿足國(guó)家對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提出的“高功率、大排量、綠色、智能化”的要求，特別是非常規(guī)和大規(guī)模開(kāi)發(fā)的油氣井受工藝、單機(jī)功率、泵排量、壓力空間場(chǎng)地等因素限制，傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)方式已不能滿足現(xiàn)在的發(fā)展要求。為解決此問(wèn)題，可利用電機(jī)傳動(dòng)結(jié)合現(xiàn)代電力電子傳動(dòng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)壓裂泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)方式。

1 新型電驅(qū)壓裂系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

新型電驅(qū)壓裂系統(tǒng)主要由電驅(qū)動(dòng)裝置、壓裂泵、控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等部分組成。其中，電驅(qū)動(dòng)裝置主要功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)壓裂泵進(jìn)行工作。電驅(qū)動(dòng)裝置主要由電機(jī)和變頻器組成。電機(jī)主要功能是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。變頻器主要功能是調(diào)整電機(jī)的工作頻率，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂泵的精確控制。壓裂泵是新型電驅(qū)壓裂系統(tǒng)的重要部分，其主要功能是將液壓系統(tǒng)中的液體壓縮，產(chǎn)生高壓，用于地層壓裂。壓裂泵主要由泵體、泵頭和驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要功能是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和控制?？刂葡到y(tǒng)主要由控制器、傳感器和執(zhí)行器等部分組成。輔助設(shè)備主要包括電源設(shè)備、冷卻設(shè)備和保護(hù)設(shè)備等，其主要功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供必要的支持。

2 變頻器額定電壓等級(jí)的確定

我國(guó)變頻器常用電壓等級(jí)有220 V、380 V、660 V、1 140 V、3 300 V、6 kV、10 kV等。220 V、380 V一般應(yīng)用在小功率場(chǎng)所，660 V、1 140 V、3 300 V在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用較多，功率等級(jí)也較大，而6 kV、10 kV主要以羅賓康為代表的單元級(jí)聯(lián)拓?fù)浞绞降母邏鹤冾l器在大功率工業(yè)場(chǎng)所應(yīng)用較多。結(jié)合頁(yè)巖氣壓裂泵功率，最大功率可達(dá)8 600 kW，考慮選用傳統(tǒng)220 V、380 V變頻器，傳統(tǒng)220 V、380 V變頻器雖技術(shù)成熟，但電流、發(fā)熱量均較大，且電磁干攏大、電纜較粗，現(xiàn)場(chǎng)施工難度較大。而6 kV、10 kV單元級(jí)聯(lián)型高壓變頻器存在單元較多、移相整流變壓器到單元的連線多、體積大等劣勢(shì)，且頁(yè)巖氣壓裂作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，變頻器又在密閉場(chǎng)所內(nèi)安裝，IGBT直接貼裝散熱板方式由于單元之間需絕緣而無(wú)法采用這種散熱形式，水冷方式又存在單元間絕緣、維護(hù)工作量等問(wèn)題。綜上，考慮選用在煤礦領(lǐng)域有成熟應(yīng)用的1 140 V和3 300 V電壓等級(jí)，這兩種電壓等級(jí)的變頻器在煤礦領(lǐng)域有大量應(yīng)用，技術(shù)成熟度高，而且散熱方式可采用一次水冷和空冷方式，效率較高，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用二極管箝位式（NPC）三電平結(jié)構(gòu)方式，輸出電壓諧波含量低，對(duì)電機(jī)影響小，且體積較單元級(jí)聯(lián)方式小50%以上。對(duì)于1 140 V和3 300 V電壓等級(jí)，變頻器內(nèi)所用功率器件均為常規(guī)器件，供貨周期短、性價(jià)比較高，其中，3 300 V電壓等級(jí)更適應(yīng)于大功率傳動(dòng)。綜合上述因素，選用3 300 V電壓等級(jí)的電機(jī)和變頻器的電驅(qū)壓裂泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)柴油壓裂泵，電壓等級(jí)技術(shù)成熟，性價(jià)比高，適合頁(yè)巖氣壓裂現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3 壓裂泵配套變頻器的設(shè)計(jì)

3.1 逆變器功率器件的選擇

可控電力器件主要有SCR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT、IGET等，SCR、GTO主要應(yīng)用于交流軟起動(dòng)中，在變頻器應(yīng)用領(lǐng)域中以IGBT為主，IGCT、IGET由于對(duì)散熱和安裝方式要求較高、價(jià)格較貴、貨期較長(zhǎng)等因素，在常規(guī)變頻器中基本無(wú)應(yīng)用，主要應(yīng)用在高壓、大功率傳動(dòng)系統(tǒng)中。綜上，IGBT在變頻器領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛、性價(jià)比較高，較IGCT、IGET貨期較短，目前電壓等級(jí)可達(dá)6 500 V，完全滿足3 300 V電壓等級(jí)的變頻器應(yīng)用，所以本系統(tǒng)中選用IGBT作為逆變功率器件。

3.2 整流結(jié)構(gòu)方式選擇

壓裂柱塞泵屬于風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載，不屬位能性負(fù)載，兩象限工作方式變頻器即可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，對(duì)回饋功能無(wú)需求，但由于本項(xiàng)目中壓裂泵功率達(dá)4 600 kW，6脈波整流方式對(duì)電網(wǎng)的諧波影響較大，各變頻器制造商對(duì)于大功率整流多采用12脈波整流技術(shù)，其主要原理是在整流前端采用的移相變壓器，利用兩組相位差繞組經(jīng)6脈波整流后進(jìn)行相互抵消低次諧波，本項(xiàng)目壓裂泵電機(jī)功率達(dá)4600 kW，為了在運(yùn)行過(guò)程中降低諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，故采用12脈波整流。

3.3 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇對(duì)系統(tǒng)的性能、成本影響較大，對(duì)于3 300 V電壓等級(jí)的變頻器結(jié)構(gòu)主要包括以下幾種。

（1）兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在低壓交流變頻器中應(yīng)用較廣，技術(shù)最為成熟，性價(jià)比較高，但輸出電壓諧波含量較高，共模電壓較高，電機(jī)發(fā)熱量大。3 300 V電壓等級(jí)使用兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在IGBT的選型困難、價(jià)格較高、貨期較長(zhǎng)等問(wèn)題，且使用低電壓IGBT進(jìn)行串聯(lián)還存在動(dòng)靜態(tài)的均壓?jiǎn)栴}，難度較大。

（2）單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)影響較小，輸出電壓與正弦波接近，諧波含量低，對(duì)電機(jī)絕緣基本沒(méi)有特殊要求，但應(yīng)用到頁(yè)巖氣壓裂泵電驅(qū)方案中存在接線多、各單元散熱不佳、體積大等問(wèn)題。

（3）二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在1 140 V、3 300 V、4 160 V各功率段變頻應(yīng)用最為廣泛，即IGBT功率器件與高鐵調(diào)速用變頻器為同一電壓等級(jí)3 300 V，目前國(guó)產(chǎn)此類型IGBT技術(shù)成熟，應(yīng)用較廣，不存在貨期等問(wèn)題，而且與兩電平相比輸出電壓諧波含量更低，共模電壓低等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)合上述分析，對(duì)于3 300 V電壓等級(jí)，二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度高、性價(jià)比較高，且在頁(yè)巖氣壓裂泵電驅(qū)方案中可較好地解決體積與散熱問(wèn)題，因此在逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)先選用二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.4 電機(jī)控制方式

對(duì)于電機(jī)控制算法目前主流的有開(kāi)環(huán)VVVF控制、FOC磁場(chǎng)定位矢量控制、DTC直接轉(zhuǎn)矩控制等方式。

開(kāi)環(huán)VVVF控制方式通過(guò)按照壓頻比控制輸出頻率和輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁通的恒定和電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，控制方式簡(jiǎn)單，但其存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、控制精度差、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低等缺點(diǎn)。

DTC直接轉(zhuǎn)矩控制方式通過(guò)測(cè)量電機(jī)運(yùn)行的電壓和電流，使用算法估算出電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩值，以及控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

FOC矢量控制通過(guò)檢測(cè)電機(jī)的三相電流，通過(guò)三、二變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流，然后通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向變換等效生成類似直流電機(jī)的電樞電流和勵(lì)磁電流，再控制直流電機(jī)的控制方法取得電機(jī)的控制量后進(jìn)行坐標(biāo)的反變換，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)類似直流電機(jī)的控制方式，達(dá)到電機(jī)的高性能調(diào)速。

目前VVVF控制方式變頻器均可支持，適用于簡(jiǎn)單的調(diào)速場(chǎng)所，對(duì)于對(duì)調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)所一般選擇DTC或FOC控制方式，DTC控制方式目前只有ABB取得了成熟應(yīng)用，但資料較少，相對(duì)技術(shù)開(kāi)發(fā)人員也較少，大部分均處于理論研究階段，實(shí)際控制效果難以達(dá)到理想的結(jié)果，而FOC矢量控制方式目前技術(shù)成熟度高，技術(shù)資料較全，調(diào)速性能較好，因此頁(yè)巖氣壓裂電驅(qū)方案采用FOC矢量控制方式。

3.5 頁(yè)巖氣壓裂電驅(qū)變頻器主電路

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)電機(jī)為4 600 kW異步電機(jī)，用于5 500 HP頁(yè)巖氣壓裂電驅(qū)泵系統(tǒng)，主電路整流電路采用12脈波不可控整流方式，逆變回路采用二極管箝位式三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電驅(qū)配套變頻器主回路如圖1所示。10 kV電源經(jīng)過(guò)移相整流變壓器輸出兩組1 905 V、相位差30？電源后作為12脈波整流電路輸入電源，解決了大功率整流的諧波污染問(wèn)題，較APF前端可控整流具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)。二極管箝位式三電平逆變回路的0點(diǎn)與直流母線0點(diǎn)相連，實(shí)現(xiàn)了逆變回路中性點(diǎn)電壓的硬件箝位與正負(fù)直流母線電壓的平衡。電驅(qū)系統(tǒng)除變頻器外還有相應(yīng)的供配電柜、變頻輸出柜、控制柜、冷卻系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)經(jīng)單元測(cè)試后一并集成到定制集裝箱中，具有體積小、運(yùn)輸方便、密封性好、集成度高等特點(diǎn)，輸入與輸出電源、對(duì)外控制、通信等采用對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)和電流等級(jí)快速聯(lián)接器方式連接，方便快速安裝與調(diào)試。

4 頁(yè)巖氣電驅(qū)壓裂系統(tǒng)的性能

4.1 功率大

頁(yè)巖氣電驅(qū)壓裂系統(tǒng)的單機(jī)功率取決于柱塞泵、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)變頻器的功率大小，目前單機(jī)功率最高可達(dá)8 600HP，與柴油驅(qū)動(dòng)壓裂系統(tǒng)相比，單機(jī)功能更大。

4.2 效率高

柴油機(jī)傳動(dòng)效率大約為50%左右，而電機(jī)傳動(dòng)效率可達(dá)90%以上，電驅(qū)壓裂系統(tǒng)較柴油驅(qū)動(dòng)壓裂泵系統(tǒng)效率有很大的提升。

4.3 環(huán)保性能好

由于傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)方式有CO2、NOx等廢氣排放，且存在噪聲污染，而電驅(qū)動(dòng)方式無(wú)廢氣排放，噪聲遠(yuǎn)小于柴油驅(qū)動(dòng)方式，因此，該系統(tǒng)的環(huán)保性能遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的柴油驅(qū)動(dòng)壓裂驅(qū)動(dòng)方式。

4.4 自動(dòng)化程度高

由于采用了電驅(qū)方式，因此，該系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程序遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的柴油驅(qū)動(dòng)方式。

5 結(jié)束語(yǔ)

2021年7月，在四川內(nèi)江威遠(yuǎn)某頁(yè)巖氣壓裂平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試完成山西華鑫電氣有限公司與中石化下屬裝備公司共同研制的5 500 HP電驅(qū)頁(yè)巖氣壓裂泵系統(tǒng)，系統(tǒng)配置恒壓控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)近3 a的運(yùn)行，電驅(qū)壓裂系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，有力地推動(dòng)了電驅(qū)壓裂系統(tǒng)的全面推廣應(yīng)用，與傳統(tǒng)柴油驅(qū)動(dòng)壓裂系統(tǒng)相比，電驅(qū)壓裂系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、噪聲低、無(wú)廢氣排放、維護(hù)量小，完全能夠適應(yīng)頁(yè)巖氣壓裂工況的現(xiàn)場(chǎng)需求。

參考文獻(xiàn)

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