石油压裂的电力驱动与储能系统的应用.pdf

节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY石油压裂的电力驱动与储能系统的应用Applicationof Permanent Magnet Synchronous MotorConverter inRefiner黄建军（HuangJianjun)，魏继云（Wei Jiyun），荣凯（RongKai)，曹广芹（CaoGuangqin)新风光电子科技股份有限公司，山东，2 7 2 50 0摘要：压裂技术是针对石油、天然气等储存在地下的能源而开发出来的提高产量的一种方法。而由变频驱动的电驱压裂是页岩能源开采设备的必然发展趋势，具备排量精准控制、功率密度大等优势。在部分现场不具备电网的条件下，燃机加储能在页岩油气的压裂中也应运而生。由变频驱动的电驱压裂及提供能源储备的储能为石油行业的降本增效、节能减排发挥重要作用。关键词：电驱压裂；页岩油气；变频器；储能系统Abstract:Fracturing technology is a method developed to increase production of energy stored underground,such asoil and natural gas.The electric drive fracturing driven by frequency conversion is an inevitable development trend ofshale energy extraction equipment,with advantages such as precise displacement control and high power density.Inthe absence of a power grid in some sites,the use of gas turbines with energy storage in shale oil and gas fracturing hasalso emerged.Electric fracturing driven by frequency conversion and energy storage providing energy reserves play animportant role in reducing costs,increasing efficiency,and reducing emissions in the petroleum industry.Key words:Electric drive fracturing;Shale oil and gas;Frequency converter;Energy storage【中图分类号】TU854【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 3 3 0(2 0 2 4)0 4-0 0 7 0-0 41引言在页岩油气的开采中，压裂技术是一种常用的油气井增产技术。通过将高压液体注入到含有油气的岩石层中，从而在岩石层形成裂缝，使得原本无法被开采的油气资源能够顺利流出。当探测到某处具备页岩油气资源后，会首先由钻井方施工队进行现场作业，搭建钻机进行钻井，整个钻探过程包括钻井、录井、测井、固井、射孔。上述步骤完成后，才正式进入压裂阶段，通过向井内注入压裂液完成压裂过程。注入的压裂液体种类很多，根据不同的现场也会有不同的工艺。压裂设备主要有柴驱压裂和电驱压裂两种驱动方式，柴驱压裂是传统的驱动方案，具有环境污染、噪音大、功率密度小等明显短板，而电驱压裂设备的环保性、经济性都胜过传统柴驱。本文将介绍变频器及储能系统在电驱压裂现场的应用。压裂施工现场如图1所示。2电驱压裂撬变频器控制系统2.1电驱压裂撬变频器系统结构70THEWORLDOFINVERTERS图1压裂施工现场电驱压裂撬变频器系统结构如图2 所示。电网电压经外部输入连接端子连接至变频器的移相变压器，移相变压器的次级分为多组电压6 9 0 V的二次绕组为功率单元提供输入电源。每个单元内又具备三相桥式整流电路，经滤波后形成稳定的直流母线电压，从而形成具备多脉波移相整流的级联方案。普通的三相桥式整流，一个周期内只会产生6 个脉波直流。而多脉冲第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月主变压器控制电绕组22图2 电驱压裂撬变频器系统结构柱塞上凡尔体总成移相整流通过移相变压器的n个副边，整流后的脉冲数为6 n。脉冲数越多，变频器的输入电流及输出电压特性则越好，级联式高压变频器具有输入谐波小、输出波形正弦度好的显著优势。2.2电驱压裂撬变频器的主回路结构为了应对压裂现场多个不同功率泵撬的应用场合，电驱压裂撬变频器采用一拖二的主回路结构。以8 0 0 0型电驱压裂撬为例，变频器可单机运行同时带载两台4500kW的电机，亦可并机运行带载9 0 0 0 kW的电机，极大的增加了变频器与泵撬搭配的灵活度。主回路结构图如图3 所示。JOYK1QF1QF2TuI下的关键作用。柱塞泵是一种通过柱塞往复运动产生压力的泵，其通过改变柱塞的运动速度和频率，控制泵的流量和压力。如图4所示，上级混砂撬通过各级管道源源不断的向各个压裂撬输送压裂液，柱塞泵的下口即供液位置，当柱塞向后退回时，泵腔体积增大，液体被吸入泵腔；当柱塞向前推进时，泵腔体积缩小，液体被压缩，产生压力并将液体输送至井口。通过循环往复的运动，柱塞泵能够持续的产生压力和排量。然而压裂撬在压裂现场的工况是复杂且多变的，由于井下压力变化，或者是混砂撬供液不稳，会导致整个管路中压力出现较大变化。当混砂撬供液不足或者柱塞泵前级管道出现堵1OLY塞时，柱塞泵的吸入压力降低，从而引起变频器负载突降；又或者井内压力过高，限于工艺情况下变频器需带K1压启动。为了应对此类复杂的工况，变频器需具备成熟的控制算法。QF1FU2十TRQF2下凡尔体总成凡尔弹簧VALVER1432K2.3柱塞泵的工作过程柱塞泵在压裂作业中承担着将高压液体输送至井JK主日图图3 主回路结构图JKK变极露（2)图4柱塞泵工作原理图2.4过压失速抑制功能为应对压裂现场负载突降的工况，过压失速抑制功能可起到有效抑制作用。当柱塞泵吸入压力低即前级混沙撬供液不足时，电机的负载突降，变频器无法及时释放单元模块的能量，会引起变频器单元的母线电压升高，严重时可能会造成单元过压保护，从而引起压裂撬故障停WWW.CA168.COM71节能与新能源ENERGYSAVINGANDNEWENERGY机。过压失速抑制的原理即监测单元母线的值，设定过压失速的触发界限。当监测到单元母线电压到达设定界限时通过微调变频器输出频率的方式稳定单元母线电压。根据在压裂现场的应用情况，过压失速抑制功能可以有效避免压裂作业过程中负载突变引起的单元过压现象。2.5矢量控制电驱压裂变频器可采用先进的空间量磁场定向控和环保、支持清洁能源的发展，高压储能系统在压裂现场作为发电端储能设备发挥了重要作用。如图6 所示。FGi风价T系统系统FG统制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PI调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。速度给定与速度反馈相减得出速度误差，速度误差经PI调节后输出转矩电流给定ias，i*a s 励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈i、i、i w 经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度进行Clarke变换和Park变换输出is、i g s，i d s、i g s 值与给定值igs、i*d s 求误差，进行PI调节后输出Vas、Va s，电压矢量利用转子位置电气角度经过Park逆变换和Clarke逆变换输出电机定子三相电压U、U、U 值，三相电压U、U、U w 值作为PWM（脉宽调制）的比较值比较输出PWM波形到逆变器，然后驱动电机旋转 2。无感矢量控制原理如图5所示。AiPIPIAiPI1Speed/PositionEstimation图5无感矢量控制原理图3燃气发电机与高压储能系统3.1储能系统在压裂场景的应用页岩油气主要分布在盆地、山区等较偏远区域，这些区域常不具备电网条件。因此压裂作业现场常常会使用燃机进行发电，燃气发电可采用LNG、C N G 等供气方式，较传统的柴油发电机相比，燃机发电具备体积更小、重量更轻、单机功率更大、污染小等优点。为提高压裂作业现场的电力系统可靠性和稳定性、促进电能的节约72THEWORLDOFINVERTERS图6 高压储能系统3.2储能系统的构成高压储能系统主要由电池、EMS系统、BMS系统、储能变流器等组成。目前高压储能系统中的电池常采用磷酸铁锂电池，单个电芯的电压范围在2.5V-3.65V之间，多个电芯组成一个电池PACK，电池PACK又根据不同的组合方式组成一个电池簇。EMS即能量管理系统，主要用于电网内部能量控制，维持电网功率平衡，保证电网正常运行。当电网中有多台储能设备时，可以通过EMS控制各个储能设备的出力，也可以协调整个电网的能量调度，根据电网峰谷平特点，实现电网的经济运Vd,g,Bd,g，行。BMS系统即电池管理系统，主要是为了智能化管SV3-PhaseVeJPWMlaverter,B/a,b,d理及维护各个电池单元，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。储能变流器又称为PCS，是实现电网AC和电池DC之间的转换装置，AC/DC即充电过程，DC/AC即放电过程。高压储能系统架构如图7 所示。3.3高压级联储能的优势PMSM)高压储能常规电压等级主要有6 kV、10 k V 和35kV，高压储能系统可以直接并入高压电网而不需要变压器转换。此外，高压级联储能还具备电池单簇运行，所有电芯受控、低载波频率下高输出波动质量、系统效率高、电网调度简单响应速度快、功率单元可穴余，无故障运行时间长等优点。4结束语电驱压裂撬是未来压裂行业中的必然发展趋势，变频器及储能系统在压裂中的应用也会越来越广泛。经过不断的现场应用以及时间的推移，高压变频器及高压储第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月10kV电网QS1-AKM1-AQS1-BKM1-B/QS1-C?KMI-CY一电BKxN3池C组Um电池BKxN3组U电BKxN3池组m电池组KxN3北电BOXN3池组电池组BDKXN3KxN2KXNIRXNBMUPCAKIBMU2PCAK2FuxNBMU16PCAK16BCU16个模块Y电池组XN16个模块Y电池组BCU16个模块电BDKXN3XN3每个电池组单元由2 40 个3.2V/280Ah电芯串联而成，标称7 6 8 V，容量为2 15KWh.CAN(光隔离）BMS116对光纤CAN(光隔离）16对光纤BMS2485通信1485通信2主控箱CAN(光隔离BMS316对光纤485通信3图7 高压储能系统架构能系统将为页岩油气压裂行业的降本增效、节能减排输出强大动力。参考文献：1闫育东，杜焰，孙建平，长庆区域电驱压裂装备配套技术研究及应用 J.钻采工艺，2 0 2 3,46(1):57-6 3.作者简介：黄建军，男，1996 年生，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。魏继云，男，198 0 年生，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子。荣凯，男，198 6 年生，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子技术工作。曹广芹，男，198 0 年生，电气工程师，现工作于新风光电子科技股份有限公司，从事电力电子。WWW.CA168.COM73