.jpg?imageView2/1/format/webp)
Электрический гидроразрыв пласта становится важной альтернативой традиционному дизельному гидроразрыву пласта в добыче сланцевой нефти и газа. По сравнению с дизельным оборудованием, электрические гидроразрывные системы обеспечивают более точное управление насосом, высокую плотность мощности и возможности для снижения расхода топлива, шума и выбросов.
Однако операции по разрыву разрыва предъявляют строгие требования к системе питания и привода. Резкие изменения нагрузки, колебания всасывающего давления, работа насоса высокого давления и ограниченный доступ к сетке могут влиять на надёжность оборудования.
TheVFD и система хранения энергии для электрического разрыва пластаобеспечивает комплексный подход к этим вызовам. Высоковольтный переменный частотный привод (VFD) регулирует скорость двигателя и выходную мощность насоса, а система хранения энергии высокого напряжения помогает поддерживать баланс мощности и поддерживает стабильную работу в приложениях, где сеть недоступна или недостаточна.
Технологии силовой электроники FGI поддерживают применение электрического гидроразрыва пласта, объединяя управление моторами, преобразование энергии и управление энергией в сложных условиях нефтяных месторождений.
Гидроразрыв пласта широко используется для улучшения добычи нефти и природного газа из подземных слоёв. Процесс включает закачку жидкости для разрыва пласта в скважину с контролируемым давлением и скоростью расхода, чтобы создать трещины в целевом породе, что улучшает поток углеводородов.
Типичная операция включает бурение, каротаж, оценку скважин, цементирование, перфорацию и, наконец, разрыв пласта. На этапе разрыва пласта насосы высокого давления непрерывно подают жидкость в скважину в соответствии с требованиями процесса очистки.
Традиционное дизельное оборудование для гидроразрыва использует дизельные двигатели для питания этих насосов. Оборудование для гидроразрыва пласта использует электродвигатели, управляемые приводами с переменной частотой.
Подход с электроприводом предлагает несколько практических преимуществ:
Точный контроль потока и давления:Скорость двигателя может регулироваться в соответствии с изменяющимися требованиями к эксплуатации.
Высокая плотность мощности:Электрические приводные системы способны поддерживать мощное насосное оборудование в условиях требовательных пространственных ограничений.
Снижение локальных выбросов и шума:Электродвигатели устраняют выбросы выхлопных газов в момент использования и могут уменьшить рабочий шум по сравнению с дизельным оборудованием.
Улучшенная гибкость эксплуатации:Параметры привода можно настраивать с учётом различных потребностей насоса.
Интеграция с хранением энергии:Аккумуляторное хранение энергии помогает сбалансировать спрос на электроэнергию и поддерживать стабильность электроснабжения.
Эти преимущества делают гидроразрыв пласта привлекательным вариантом для операторов нефтяных месторождений, желающих повысить эффективность эксплуатации и более гибкую конфигурацию энергосистем.
Высоковольтная система VFD является ключевым элементом электрического гидроразрывного разрыва пласта. Её основная функция — регулировать скорость и крутящий момент электродвигателя, приводящего в движение насос с поршнем высокого давления.
В архитектуре каскадного привода, описанной в данном приложении, входящий источник питания подключён к фазово-сдвиговому трансформатору. Несколько вторичных обмоток обеспечивают примерно 690 В переменного тока для отдельных силовых элементов. Каждая ячейка содержит трёхфазный выпрямитель и фильтрационную схему постоянного тока, за которыми следует инверторная ступень.
Силовые элементы соединены последовательно на выходной стороне, образуя каскадный высоковольтный привод.
Эта схема использует фазово-сдвиговую многоимпульсную ректификацию для улучшения характеристик входного тока. При n вторичных обмотках теоретическое количество импульсов выпрямления составляет 6n при соответствующей конфигурации. По сравнению с обычным шестиимпульсным выпрямителем, правильно спроектированная многоимпульсная система может снижать гармоники входного тока.
Каскадный выход также создаёт ступенчатую форму волны напряжения, которая может приближаться к синусоидальной форме сигнала, поддерживая работу мотора в высокоэнергетических приложениях.
Ключевые инженерные аспекты включают входную гармоническую производительность, качество выходной формы волны, требования к изоляции двигателя, термическое управление и способность поддерживать стабильную работу при изменяющихся нагрузках.
Для электрического гидроразрыва пласта могут использоваться несколько насосных санок с разными требованиями к мощности. Поэтому приводная система должна учитывать разные расположения двигателей без ущерба для гибкости эксплуатации.
В конфигурации электрического разрыва пласта класса 8 000, описанной в оригинальном инженерном исследовании, приводная схема поддерживает два режима работы:
Независимая работа:Один привод может управлять двумя двигателями мощностью 4500 кВт при соблюдении указанной рабочей конфигурации и пределов нагрузки.
Параллельная работа:Два приводных блока могут работать параллельно для привода в действие мотора мощностью 9 000 кВт, что поддерживается системным дизайном.
Подходящее расположение зависит от мощности мотора, топологии привода, конфигурации управления и эксплуатационных требований.
Эта гибкость помогает операторам настраивать приводное оборудование для различных насосных задач и улучшать использование мощного электрооборудования.
Плунжерный насос отвечает за подачу гидроразрывной жидкости в скважину при необходимом давлении и расходе. Её обратное движение затягивает жидкость в камеру насоса, а затем сбрасывает её к устью скважины.
Регулируя скорость двигателя через VFD, система может регулировать выход насоса для удовлетворения меняющихся требований процесса.
Реальные операции по разрыву разрыва редко бывают постоянными. Давление под скважиной может изменяться во время обработки, подача жидкости из оборудования для смеси в верхнем потоке может колебаться, а ограничения в трубопроводе всасывания могут уменьшить количество жидкости, поступающей в насос.
Эти состояния могут вызывать резкие изменения моторной нагрузки. В некоторых случаях привод должен также запускаться или работать под повышенным давлением процесса, в зависимости от системы насоса и процедуры работы.
Подходящий VFD требует большего, чем просто базовое регулирование скорости. Он также должен обеспечивать соответствующие реакции управления на нарушения нагрузки и изменяющиеся условия процесса.
Резкое снижение нагрузки может создать риск перенапряжения в приводе с переменной частотой.
Например, когда подача жидкости выше по течению становится недостаточной, насос с плунжером может испытать резкое снижение нагрузки. Рабочие условия двигателя меняются, и энергия, возвращаемая на постоянное соединение привода, может вызвать повышение напряжения постоянного тока. Если напряжение превышает порог защиты, диск может сработать и прервать операции разрыва.
Функция предотвращения перенапряжения помогает решить это состояние.
Система управления контролирует напряжение постоянного тока в силовых элементах привода. Когда напряжение приближается к заданному порогу, контроллер вносит соответствующую корректировку выходной частоты, чтобы стабилизировать напряжение постоянного тока и избежать ненужных срабатываний перенапряжения.
Эта функция особенно важна для применения гидроразрыва пласта, поскольку условия подачи жидкостей и нагрузки на насосы могут быстро меняться.
Её эффективность зависит от конфигурации привода, параметров, характеристик нагрузки и условий ввода в эксплуатацию.
Векторное управление обеспечивает метод независимой регулировки крутящего момента и скорости двигателя через координированное управление компонентами тока мотора.
В архитектуре управления, описанной в инженерном исследовании, система использует внешний контур управления скоростью и внутренний контур управления током. Контроллеры PI регулируют ошибки управления, а измеренные трёхфазные токи мотора преобразуются в вращающуюся систему отсчёта с помощью преобразований Кларка и Парка.
Контроллер вычисляет необходимые команды напряжения, которые преобразуются в сигналы широкой импульсной модуляции (PWM) для управления инверторными устройствами питания.
Эта управляющая структура поддерживает отзывчивую работу мотора при изменяющихся условиях нагрузки. Это также позволяет приводу более точно регулировать скорость двигателя, чем базовая стратегия управления с открытым контуром.
Для электрического разрыва пласта практическая задача — поддерживать необходимую мощность насоса, реагируя на изменения давления жидкости, условий всасывания и спроса на процесс.
Окончательная стратегия управления должна быть выбрана с учётом характеристик двигателя, динамики насоса и необходимой рабочей огибающей.
Ресурсы сланцевой нефти и газа часто расположены в отдалённых бассейнах и горных районах, где может быть недоступно надёжное подключение к сети.
В этих местах газотурбинные генераторы могут обеспечивать электроэнергию на месте, используя такие виды топлива, как сжиженный природный газ (СПГ) или сжатый природный газ (CNG), в зависимости от конфигурации проекта и топливной инфраструктуры.
По сравнению с традиционными дизельными генераторами, генерация электроэнергии на основе газовых турбин может обеспечивать преимущества в плотности мощности, конфигурации оборудования и локальных выбросах. Фактическая производительность зависит от технологии генератора, топлива, условий эксплуатации и требований площадки.
Тем не менее, мощные нагрузки на разрыв пласта могут создавать значительные нагрузки на изолированный источник питания. Изменения спроса на откачку могут создать несоответствие между мгновенной генерацией и потреблением.
Система хранения энергии высокого напряжения может помочь справиться с этим несоответствием, заряжая при наличии избыточной мощности и разряжая при необходимости дополнительной мощности, в пределах возможностей аккумулятора и оборудования для преобразования энергии.
TheVFD и система хранения энергии для электрического разрыва пластаТаким образом, решаются две взаимодополняющие задачи: управляемая работа двигателя на насосной стороне и балансировка мощности на стороне питания.
Типичная система хранения энергии высокого напряжения включает аккумуляторные сборки, систему управления аккумуляторами (BMS), систему управления энергией (EMS) и систему преобразования энергии (PCS).
Аккумуляторная система
Батареи с литий-железофосфатом (LFP) широко применяются в стационарных накоплениях энергии. Несколько элементов собираются в аккумуляторные блоки и группируются в кластеры аккумуляторов для достижения необходимого напряжения и энергоёмкости.
Окончательная конфигурация аккумулятора зависит от мощности проекта, требуемой энергоёмкости, продолжительности работы и конструкции безопасности.
Система управления аккумулятором (BMS)
BMS отслеживает условия работы аккумулятора, включая напряжение, ток и температуру. Он помогает защитить аккумулятор от ненормальных условий эксплуатации, таких как перезарядка и чрезмерный разряд, а также поддерживает мониторинг состояния батареи и безопасность эксплуатации.
Система управления энергией (EMS)
EMS координирует производство электроэнергии, накопление энергии и электрические нагрузки. В системе с несколькими генераторами или накопительными устройствами он может управлять командами зарядки и разрядки в зависимости от доступной мощности, нагрузки и настроенных стратегий работы.
Для изолированной системы гидроразрыва стратегия управления может быть разработана для координации выхода генератора с питанием от батарей, что помогает поддерживать баланс между генерацией и потреблением.
Система преобразования энергии (PCS)
PCS обеспечивает двунаправленное преобразование питания между постоянной стороной батареи и системой переменного тока. Он преобразует переменное питание в постоянное время зарядки и постоянное питание в переменный во время разрядки.
Характеристики и возможности управления PCS должны быть согласованы с требуемой мощностью, системным напряжением и характеристиками генератора.
Системы хранения энергии высокого напряжения могут быть разработаны для различных уровней напряжения в сети, включая 6 кВ, 10 кВ и 35 кВ, в зависимости от применения.
Архитектура каскадного высоковольтного хранения энергии может предложить несколько инженерных преимуществ:
Прямое подключение к совместимой шине высокого напряжения:Подходящая система может подключаться без отдельного трансформатора повышения напряжения между преобразователем и указанной шиной.
Модульное преобразование мощности:Можно координировать несколько силовых элементов для достижения требуемого выходного напряжения и мощности.
Мониторинг и контроль на уровне клеток:Отдельные силовые элементы можно контролировать для поддержки управления системой и устранения неисправностей.
Быстрая регулировка мощности:Преобразователь может реагировать на изменения команд активного энергопотребления в пределах своих ограничений управления и оборудования.
Потенциально улучшенная оперативная готовность:Избыточные или обходные конструкции помогают поддерживать работу при возникновении поддерживаемой неисправности.
Координированное распределение энергии:EMS может координировать выход нескольких накопительных блоков и генераторов для поддержки общего баланса мощности.
Эти преимущества зависят от конкретной топологии системы, конструкции защиты, стратегии управления и условий эксплуатации. Требования к трансформаторам должны оцениваться по полной электрической архитектуре, а не выводиться только по номиналу напряжения.
Для операций по электрическому разрыву пласта VFD и система хранения энергии выполняют разные, но взаимодополняющие функции.
VFD регулирует скорость и крутящий момент двигателя в соответствии с требованиями насоса. Система хранения энергии обеспечивает баланс между доступной генерацией и спросом на электроэнергию.
При интеграции с газотурбинной генерацией вся система может быть спроектирована по следующим принципам работы:
Генератор обеспечивает первичную электроэнергию для оборудования для гидроразрыва.
VFD регулирует работу двигателя в соответствии с требуемой скоростью насоса, давлением и условиями расхода.
EMS отслеживает баланс мощности и координирует зарядку и разрядку аккумулятора.
PCS обменивается питанием между батареей и системой переменного тока согласно заданной стратегии управления.
BMS отслеживает состояние батареи и контролирует соответствующие рабочие ограничения.
Генератор, VFD, преобразователь хранения и системы защиты координируют свои реакции на изменения нагрузки и аномальные условия работы.
Конкретная последовательность управления зависит от дизайна проекта. При интеграции системы должны учитываться показатели мощности, ёмкость аккумулятора, скорость нарастания генератора, временная реакция, координация защиты и коммуникации управления — всё это необходимо учитывать.
Правильно спроектированная конфигурация помогает снизить влияние колебаний нагрузки на изолированную систему питания и повысить гибкость высокомощных операций гидроразрыва.
Выбор VFD и системы хранения энергии для электрического разрыва пласта требует оценки как насосного оборудования, так и источника питания.
Важные аспекты проектирования включают:
| Инженерный фактор | Ключевой аспект |
|---|---|
| Моторная характеристика | Требования к номинальной мощности, напряжению, току и старту |
| Диапазон работы насоса | Требуемые условия расхода, давления, скорости и переходных нагрузок |
| Топология VFD | Входные гармоники, выходная форма волны, производительность управления и защита |
| Мощность генератора | Непрерывный выход, переходный отклик и рабочий резерв |
| Энергия для накопления энергии | Максимальная мощность заряда и разряда, необходимая |
| Ёмкость энергии батареи | Требуемая продолжительность разряда и запас энергии |
| Напряжение в системе | Совместимость с генератором и высоковольтной распределительной шиной |
| Координация EMS | Распределение генераторов, команды питания от батарей и управление нагрузкой |
| Защита и безопасность | Электрическая защита, мониторинг аккумулятора, реагирование на неисправности и экстренное отключение |
| Состояние участка | Температура окружающей среды, пыль, ограничения транспорта, доступ к обслуживанию и экологические требования |
Показатели мощности и энергопотребления должны определяться исходя из профиля нагрузки площадки и рабочих сценариев. Система с достаточной энергоёмкостью может потребовать более высокой мощности для управления кратковременными пиками, тогда как мощная батарея с недостаточной ёмкостью может не выдержать необходимую длительность поддержки.
По этой причине в проекте следует оценивать как киловатты (кВт), либо мегаватты (МВт), так и киловатт-часа (кВт·ч) или мегаватт-часа (МВт·ч).
Электрический разрыв пласта предъявляет строгие требования к управлению двигателем, стабильности источника питания и надёжности оборудования. Высоковольтные VFD обеспечивают регулируемую скорость двигателя и управление крутящим моментом для насосов с плунжерами высокого давления, а высоковольтные накопления энергии поддерживают балансировку мощности в удалённых местах с ограниченным доступом к сети.
Интеграция VFD и системы хранения энергии для электрического разрыва пласта предоставляет практическую основу для координации насосного оборудования, генерации на месте и аккумуляторного хранения. Технология каскадных приводов, векторное управление, предотвращение заглохов напряжения, управление аккумулятором и распределение энергии способствуют общему проектированию системы.
Для операторов нефтяных месторождений и инженерных подрядчиков наиболее подходящее решение зависит от характеристик насоса, мощности генератора, временного спроса на электроэнергию, продолжительности хранения и условий работы на площадке.
FGI разрабатывает решения в области силовой электроники для промышленных моторных приводов и приложений для хранения энергии. Благодаря согласованию технологий приводов и хранения с требованиями проекта, энергетические системы нефтяных месторождений могут быть спроектированы для поддержки более гибкой эксплуатации, эффективного управления электроэнергией и меняющихся потребностей в гидроразрыве пласта.
Привод с переменной частотой регулирует скорость и крутящий момент электродвигателя, приводящего в действие насос высокого давления. Это позволяет насосной системе корректировать свою мощность в соответствии с изменяющимися требованиями процесса и реагировать на нарушения нагрузки.
Накопление энергии может помочь сбалансировать производство электроэнергии и спрос, особенно на удалённых объектах без надёжного подключения к сети. При соответствующем размере и контроле он может обеспечивать дополнительную мощность в периоды повышенного спроса и поглощать избыточную мощность, когда она доступна.
Да, некоторые каскадные архитектуры высоковольтного хранения энергии могут напрямую подключаться к совместимой высоковольтной шине без дополнительного повышения на интерфейсе преобразователя. Осуществимость зависит от топологии преобразователя, номинального напряжения, конструкции изоляции и общей конфигурации электрической системы.
BMS отслеживает состояние аккумулятора и пределы защиты. EMS координирует выработку, хранение электроэнергии и нагрузку. PCS преобразует электрическую энергию между постоянной стороной батареи и системой переменного тока.
Ключевые факторы включают пиковое энергопотребление, колебания нагрузки, отклик генератора, требуемую продолжительность разряда, доступную мощность зарядки, пределы работы аккумулятора и желаемый уровень поддержки источника питания.
Электрический гидроразрыв пласта обеспечивает более точное управление двигателем, высокую плотность мощности, снижение локальных выбросов выхлопных газов и снижение рабочего шума. Общие экономические и экологические выгоды зависят от источников электроэнергии или топлива, эффективности оборудования, использования и состояния объекта.
Эта статья основана на инженерном исследовании приводов с переменной частотой и систем накопления энергии высокого напряжения для применения в электрическом гидроразрыве пласта, проведённых инженерами из WindSun Science & Technology Co., Ltd. Описанные технические конфигурации отражают исходное исследование и должны быть проверены на соответствие проектно-специфическим проектам до инженерной реализации.
