新型電驅壓裂系統的研究與應用

[摘 要]隨著頁巖氣開發技術的不斷進步，壓裂技術在頁巖氣開發中的應用越來越廣泛。然而，傳統的壓裂設備存在功率不足、效率低下、環保性能差等問題。為此，文章提出了一種新型的電驅壓裂系統，該系統采用電驅動方式，具有功率大、效率高、環保性能好等優點。文章詳細介紹了該系統的設計原理、關鍵技術、性能特點和應用效果，為頁巖氣開發提供了新的技術支持。

[關鍵詞]電驅壓裂系統；頁巖氣開發；壓裂技術

[中圖分類號]TM61 [文獻標志碼]A [文章編號]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，我國在頁巖氣開采過程中普遍使用的仍是柴油發動機驅動的壓裂設備進行施工。這種驅動方式成熟、可靠，應用多年，但這一驅動方式存在工作噪聲大、占地空間大、空氣污染大、維護保養費用高等缺限，已不能滿足國家對頁巖氣開發提出的“高功率、大排量、綠色、智能化”的要求，特別是非常規和大規模開發的油氣井受工藝、單機功率、泵排量、壓力空間場地等因素限制，傳統柴油驅動方式已不能滿足現在的發展要求。為解決此問題，可利用電機傳動結合現代電力電子傳動技術的驅動壓裂泵代替傳統柴油驅動方式。

1 新型電驅壓裂系統設計原理

新型電驅壓裂系統主要由電驅動裝置、壓裂泵、控制系統和輔助設備等部分組成。其中，電驅動裝置主要功能是將電能轉化為機械能，驅動壓裂泵進行工作。電驅動裝置主要由電機和變頻器組成。電機主要功能是將電能轉化為機械能。變頻器主要功能是調整電機的工作頻率，從而改變電機的轉速，實現對壓裂泵的精確控制。壓裂泵是新型電驅壓裂系統的重要部分，其主要功能是將液壓系統中的液體壓縮，產生高壓，用于地層壓裂。壓裂泵主要由泵體、泵頭和驅動裝置等部分組成。控制系統主要功能是對整個系統進行監控和控制。控制系統主要由控制器、傳感器和執行器等部分組成。輔助設備主要包括電源設備、冷卻設備和保護設備等，其主要功能是為整個系統提供必要的支持。

2 變頻器額定電壓等級的確定

我國變頻器常用電壓等級有220 V、380 V、660 V、1 140 V、3 300 V、6 kV、10 kV等。220 V、380 V一般應用在小功率場所，660 V、1 140 V、3 300 V在煤礦領域應用較多，功率等級也較大，而6 kV、10 kV主要以羅賓康為代表的單元級聯拓撲方式的高壓變頻器在大功率工業場所應用較多。結合頁巖氣壓裂泵功率，最大功率可達8 600 kW，考慮選用傳統220 V、380 V變頻器，傳統220 V、380 V變頻器雖技術成熟，但電流、發熱量均較大，且電磁干攏大、電纜較粗，現場施工難度較大。而6 kV、10 kV單元級聯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，且頁巖氣壓裂作業現場條件惡劣，變頻器又在密閉場所內安裝，IGBT直接貼裝散熱板方式由于單元之間需絕緣而無法采用這種散熱形式，水冷方式又存在單元間絕緣、維護工作量等問題。綜上，考慮選用在煤礦領域有成熟應用的1 140 V和3 300 V電壓等級，這兩種電壓等級的變頻器在煤礦領域有大量應用，技術成熟度高，而且散熱方式可采用一次水冷和空冷方式，效率較高，拓撲結構可采用二極管箝位式（NPC）三電平結構方式，輸出電壓諧波含量低，對電機影響小，且體積較單元級聯方式小50%以上。對于1 140 V和3 300 V電壓等級，變頻器內所用功率器件均為常規器件，供貨周期短、性價比較高，其中，3 300 V電壓等級更適應于大功率傳動。綜合上述因素，選用3 300 V電壓等級的電機和變頻器的電驅壓裂泵代替傳統柴油壓裂泵，電壓等級技術成熟，性價比高，適合頁巖氣壓裂現場應用。

3 壓裂泵配套變頻器的設計

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主要應用于交流軟起動中，在變頻器應用領域中以IGBT為主，IGCT、IGET由于對散熱和安裝方式要求較高、價格較貴、貨期較長等因素，在常規變頻器中基本無應用，主要應用在高壓、大功率傳動系統中。綜上，IGBT在變頻器領域應用較廣泛、性價比較高，較IGCT、IGET貨期較短，目前電壓等級可達6 500 V，完全滿足3 300 V電壓等級的變頻器應用，所以本系統中選用IGBT作為逆變功率器件。

3.2 整流結構方式選擇

壓裂柱塞泵屬于風機泵類負載，不屬位能性負載，兩象限工作方式變頻器即可滿足現場需求，對回饋功能無需求，但由于本項目中壓裂泵功率達4 600 kW，6脈波整流方式對電網的諧波影響較大，各變頻器制造商對于大功率整流多采用12脈波整流技術，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6脈波整流后進行相互抵消低次諧波，本項目壓裂泵電機功率達4600 kW，為了在運行過程中降低諧波對電網的影響，故采用12脈波整流。

3.3 逆變器拓撲結構設計

逆變器拓撲結構的選擇對系統的性能、成本影響較大，對于3 300 V電壓等級的變頻器結構主要包括以下幾種。

（1）兩電平拓撲結構。兩電平拓撲結構在低壓交流變頻器中應用較廣，技術最為成熟，性價比較高，但輸出電壓諧波含量較高，共模電壓較高，電機發熱量大。3 300 V電壓等級使用兩電平拓撲結構存在IGBT的選型困難、價格較高、貨期較長等問題，且使用低電壓IGBT進行串聯還存在動靜態的均壓問題，難度較大。

（2）單元級聯多電平拓撲結構。單元級聯多電平拓撲結構產生的諧波對電網影響較小，輸出電壓與正弦波接近，諧波含量低，對電機絕緣基本沒有特殊要求，但應用到頁巖氣壓裂泵電驅方案中存在接線多、各單元散熱不佳、體積大等問題。

（3）二極管箝位式三電平拓撲結構。二極管箝位式三電平拓撲結構在1 140 V、3 300 V、4 160 V各功率段變頻應用最為廣泛，即IGBT功率器件與高鐵調速用變頻器為同一電壓等級3 300 V，目前國產此類型IGBT技術成熟，應用較廣，不存在貨期等問題，而且與兩電平相比輸出電壓諧波含量更低，共模電壓低等優點。

結合上述分析，對于3 300 V電壓等級，二極管箝位式三電平拓撲結構技術成熟度高、性價比較高，且在頁巖氣壓裂泵電驅方案中可較好地解決體積與散熱問題，因此在逆變器拓撲結構優先選用二極管箝位式三電平拓撲結構。

3.4 電機控制方式

對于電機控制算法目前主流的有開環VVVF控制、FOC磁場定位矢量控制、DTC直接轉矩控制等方式。

開環VVVF控制方式通過按照壓頻比控制輸出頻率和輸出電壓，實現電機磁通的恒定和電機轉速的調節，控制方式簡單，但其存在動態響應慢、控制精度差、起動轉矩低等缺點。

DTC直接轉矩控制方式通過測量電機運行的電壓和電流，使用算法估算出電機的磁通和轉矩值，以及控制電機輸出轉矩從而達到控制電機轉速的目的。

FOC矢量控制通過檢測電機的三相電流，通過三、二變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流，然后通過轉子磁場的定向變換等效生成類似直流電機的電樞電流和勵磁電流，再控制直流電機的控制方法取得電機的控制量后進行坐標的反變換，實現交流電機類似直流電機的控制方式，達到電機的高性能調速。

目前VVVF控制方式變頻器均可支持，適用于簡單的調速場所，對于對調速性能要求較高的場所一般選擇DTC或FOC控制方式，DTC控制方式目前只有ABB取得了成熟應用，但資料較少，相對技術開發人員也較少，大部分均處于理論研究階段，實際控制效果難以達到理想的結果，而FOC矢量控制方式目前技術成熟度高，技術資料較全，調速性能較好，因此頁巖氣壓裂電驅方案采用FOC矢量控制方式。

3.5 頁巖氣壓裂電驅變頻器主電路

項目驅動電機為4 600 kW異步電機，用于5 500 HP頁巖氣壓裂電驅泵系統，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撲結構。電驅配套變頻器主回路如圖1所示。10 kV電源經過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題，較APF前端可控整流具有結構簡單、成本低、運行可靠等特點。二極管箝位式三電平逆變回路的0點與直流母線0點相連，實現了逆變回路中性點電壓的硬件箝位與正負直流母線電壓的平衡。電驅系統除變頻器外還有相應的供配電柜、變頻輸出柜、控制柜、冷卻系統等。這些子系統經單元測試后一并集成到定制集裝箱中，具有體積小、運輸方便、密封性好、集成度高等特點，輸入與輸出電源、對外控制、通信等采用對應電壓等級和電流等級快速聯接器方式連接，方便快速安裝與調試。

4 頁巖氣電驅壓裂系統的性能

4.1 功率大

頁巖氣電驅壓裂系統的單機功率取決于柱塞泵、電機、驅動變頻器的功率大小，目前單機功率最高可達8 600HP，與柴油驅動壓裂系統相比，單機功能更大。

4.2 效率高

柴油機傳動效率大約為50%左右，而電機傳動效率可達90%以上，電驅壓裂系統較柴油驅動壓裂泵系統效率有很大的提升。

4.3 環保性能好

由于傳統柴油驅動方式有CO2、NOx等廢氣排放，且存在噪聲污染，而電驅動方式無廢氣排放，噪聲遠小于柴油驅動方式，因此，該系統的環保性能遠好于傳統的柴油驅動壓裂驅動方式。

4.4 自動化程度高

由于采用了電驅方式，因此，該系統的自動化、智能化程序遠高于傳統的柴油驅動方式。

5 結束語

2021年7月，在四川內江威遠某頁巖氣壓裂平臺現場調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電驅頁巖氣壓裂泵系統，系統配置恒壓控制與遠程監控系統，經過近3 a的運行，電驅壓裂系統可靠、穩定，有力地推動了電驅壓裂系統的全面推廣應用，與傳統柴油驅動壓裂系統相比，電驅壓裂系統自動化程度高、噪聲低、無廢氣排放、維護量小，完全能夠適應頁巖氣壓裂工況的現場需求。

參考文獻

[1] 高永強.煤礦供電系統防越級跳閘技術及其應用[J].能源與節能，2024（1）：116-119.