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Elektrisches Fracturing wird zu einer wichtigen Alternative zum konventionellen dieselbetriebenen Fracturing in der Schieferöl- und Gasförderung. Im Vergleich zu dieselbetriebenen Anlagen bieten elektrische Frakturierungssysteme eine präzisere Pumpensteuerung, eine hohe Leistungsdichte und Möglichkeiten, Kraftstoffverbrauch, Lärm und Emissionen zu reduzieren.
Allerdings stellen Frakturierungsarbeiten hohe Anforderungen an die Stromversorgung und das Antriebssystem. Schnelle Lastwechsel, schwankender Saugdruck, Betrieb der Hochdruckpumpe und eingeschränkter Netzzugang können die Zuverlässigkeit der Geräte beeinflussen.
DieVFD und Energiespeichersystem für elektrische Frakturierungbietet einen integrierten Ansatz für diese Herausforderungen. Ein Hochspannungsfrequenzantrieb (VFD) regelt die Motordrehzahl und die Pumpenleistung, während ein Hochspannungsspeichersystem hilft, das Leistungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten und einen stabilen Betrieb in Anwendungen mit nicht verfügbarem oder unzureichendem Netz zu gewährleisten.
Die Leistungselektroniktechnologien von FGI unterstützen Anwendungen im elektrischen Frakturieren, indem sie Motorsteuerung, Leistungsumwandlung und Energiemanagement für anspruchsvolle Ölfelder kombinieren.
Hydraulisches Fracking wird weit verbreitet eingesetzt, um die Förderung von Öl und Erdgas aus unterirdischen Formationen zu verbessern. Der Prozess besteht darin, die Frakturationsflüssigkeit unter kontrolliertem Druck und Durchfluss in einen Brunnen einzubringen, um Risse in der Zielgesteinsformation zu erzeugen und so den Fluss der Kohlenwasserstoffe zu verbessern.
Ein typischer Vorgang umfasst Bohren, Bohrlochprotokollierung, Bohrlochbewertung, Zementierung, Perforation und schließlich das Brechen. Während der Frakturierungsphase liefern Hochdruckpumpen kontinuierlich die Flüssigkeit gemäß den Anforderungen des Behandlungsprozesses zum Bohrloch.
Traditionelle dieselbetriebene Frakturierungsanlagen sind auf Dieselmotoren angewiesen, um diese Pumpen anzutreiben. Elektrische Frakturierungsanlagen verwenden stattdessen Elektromotoren, die von frequenzvariablen Antrieben gesteuert werden.
Der Elektroantriebsansatz bietet mehrere praktische Vorteile:
Präzise Fluss- und Druckregelung:Die Motordrehzahl kann an sich ändernde Betriebsanforderungen angepasst werden.
Hohe Leistungsdichte:Elektrische Antriebssysteme können leistungsstarke Pumpanlagen bei hohen Platzbeschränkungen unterstützen.
Reduzierte lokale Emissionen und Lärm:Elektromotoren beseitigen Abgasemissionen am Einsatzort und können im Vergleich zu dieselbetriebenen Geräten den Betriebslärm reduzieren.
Verbesserte Betriebsflexibilität:Die Antriebsparameter können angepasst werden, um unterschiedliche Pumpanforderungen zu erfüllen.
Integration mit Energiespeicherung:Batteriespeicherung kann helfen, den Strombedarf auszugleichen und die Stabilität der Stromversorgung zu unterstützen.
Diese Vorteile machen das elektrische Fracking zu einer attraktiven Option für Ölfeldbetreiber, die eine verbesserte Betriebseffizienz und flexiblere Stromsystemkonfigurationen suchen.
Das Hochspannungs-VFD-System ist ein Schlüsselbestandteil eines elektrischen Frakturationsrutschers. Seine Hauptfunktion ist es, die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors zu regulieren, der die Hochdruckkolbenpumpe antreibt.
In der in dieser Anwendung beschriebenen Cascaded-Drive-Architektur ist die eingehende Stromversorgung an einen phasenverschiebenden Transformator angeschlossen. Mehrere Sekundärwicklungen liefern etwa 690 V Wechselstrom an einzelne Leistungszellen. Jede Zelle enthält einen Dreiphasengleichrichter und eine DC-Link-Filterschaltung, gefolgt von einer Inverterstufe.
Die Leistungszellen sind auf der Ausgangsseite in Reihe geschaltet, um einen kaskadierenden Hochspannungsantrieb zu bilden.
Diese Anordnung verwendet phasenverschobene Mehrpulsgleichrichtung, um die Eingangsstromeigenschaften zu verbessern. Bei n Sekundärwicklungen beträgt die theoretische Gleichrichtungspulszählung unter der entsprechenden Konfiguration 6n. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Sechspuls-Gleichrichter kann ein korrekt konstruiertes Mehrpulssystem die Eingangsstrom-Oberschwingungen reduzieren.
Der kaskadierte Ausgang erzeugt außerdem eine gestufte Spannungswelle, die eine sinusförmige Wellenform approximieren kann und so den Motorbetrieb in Hochleistungsanwendungen unterstützt.
Wichtige technische Überlegungen sind die harmonische Leistung der Eingangswellen, die Qualität der Ausgangswellenform, Anforderungen an die Motorisolierung, das Wärmemanagement und die Fähigkeit, einen stabilen Betrieb unter wechselnden Lasten aufrechtzuerhalten.
Elektrische Frakturierungsoperationen können mehrere Pumpscheiben mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen verwenden. Das Antriebssystem muss daher unterschiedliche Motoranordnungen berücksichtigen, ohne die betriebliche Flexibilität zu beeinträchtigen.
In der in der ursprünglichen Ingenieurstudie beschriebenen elektrischen Frakturierungskonfiguration der 8.000er-Klasse unterstützt die Antriebsanordnung zwei Betriebsmodi:
Unabhängiger Betrieb:Eine Antriebseinheit kann zwei 4.500-kW-Motoren betreiben, abhängig von der vorgegebenen Betriebskonfiguration und den Lastgrenzen.
Parallelbetrieb:Zwei Antriebseinheiten können parallel betrieben werden, um einen 9.000-kW-Motor anzutreiben, sofern das System das System unterstützt.
Die geeignete Anordnung hängt von den Motorwerten, der Antriebstopologie, der Steuerungskonfiguration und den Betriebsanforderungen ab.
Diese Flexibilität kann Betreibern helfen, Antriebsgeräte für verschiedene Pumpanwendungen zu konfigurieren und die Nutzung leistungsstarker elektrischer Geräte zu verbessern.
Die Kolbenpumpe ist dafür verantwortlich, die Frakturationsflüssigkeit mit dem erforderlichen Druck und Durchfluss in den Brunnen zu bringen. Ihre hin- und hergekehrte Bewegung zieht Flüssigkeit in die Pumpkammer und leitet sie dann zum Bohrlochkopf ab.
Durch Anpassung der Motordrehzahl über einen VFD kann das System die Pumpenleistung regulieren, um sich ändernden Prozessanforderungen zu erfüllen.
Tatsächliche Frakturierungsoperationen sind selten konstant. Der Druck im Bohrloch kann sich während der Behandlung ändern, die Flüssigkeitszufuhr von der vorgelagerten Mischanlage kann schwanken, und Einschränkungen in der Saugleitung können die Menge der Flüssigkeit, die in die Pumpe eintritt, verringern.
Diese Bedingungen können plötzliche Veränderungen der Motorlast verursachen. In manchen Fällen muss der Antrieb auch bei erhöhtem Prozessdruck starten, abhängig vom Pumpsystem und dem Betriebsablauf.
Ein geeigneter Frequenzleiter benötigt daher mehr als nur eine grundlegende Geschwindigkeitsregelung. Sie muss außerdem angemessene Kontrollreaktionen auf Laststörungen und sich verändernde Prozessbedingungen gewährleisten.
Eine plötzliche Lastreduzierung kann ein Überspannungsrisiko bei einem variablen Frequenzantrieb darstellen.
Wenn beispielsweise die vorgelagerte Flüssigkeitszufuhr unzureichend wird, kann die Kolbenpumpe eine rasche Lastabnahme erfahren. Der Betriebszustand des Motors ändert sich, und die an die Gleichstromverbindung des Laufwerks zurückgegebene Energie kann dazu führen, dass die Gleichspannung steigt. Überschreitet die Spannung die Schutzgrenze, kann das Laufwerk auslösen und die Bruchoperationen unterbrechen.
Die Überspannungs-Stall-Prevention-Funktion hilft, diesen Zustand zu beheben.
Das Steuerungssystem überwacht die Gleichstromspannung der Antriebsstromzellen. Wenn die Spannung sich einem konfigurierten Schwellenwert nähert, nimmt der Controller eine angemessene Anpassung der Ausgangsfrequenz vor, um die DC-Link-Spannung zu stabilisieren und unnötige Überspannungsauslösungen zu vermeiden.
Diese Funktion ist besonders relevant für Frakturierungsanwendungen, da sich die Flüssigkeitszufuhrbedingungen und die Pumpenlasten schnell ändern können.
Ihre Wirksamkeit hängt von der Antriebskonfiguration, den Parametereinstellungen, den Lasteigenschaften und den Inbetriebnahmebedingungen ab.
Die Vektorregelung bietet eine Methode, um Motordrehmoment und -geschwindigkeit unabhängig voneinander durch koordinierte Steuerung der Motorstromkomponenten zu regulieren.
In der in der Ingenieurstudie beschriebenen Regelungsarchitektur verwendet das System eine äußere Geschwindigkeitsregelungsschleife und eine innere Stromregelungsschleife. PI-Regler regulieren die Steuerfehler, während die gemessenen Dreiphasenmotorströme mittels Clarke- und Park-Transformationen in ein rotierendes Bezugssystem umgewandelt werden.
Der Controller berechnet die erforderlichen Spannungsbefehle, die in Pulsbreitenmodulationssignale (PWM) umgewandelt werden, um die Inverter-Stromgeräte anzutreiben.
Diese Steuerungsstruktur unterstützt einen reaktionsschnellen Motorbetrieb unter wechselnden Lastbedingungen. Außerdem ermöglicht es dem Antrieb, die Motordrehzahl genauer zu regeln als eine grundlegende Open-Loop-Steuerungsstrategie.
Beim elektrischen Frakturieren besteht das praktische Ziel darin, die erforderliche Pumpleistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig auf Schwankungen im Flüssigkeitsdruck, den Saugbedingungen und dem Prozessbedarf zu reagieren.
Die endgültige Steuerungsstrategie sollte entsprechend den Motoreigenschaften, der Pumpendynamik und dem erforderlichen Betriebsbereich ausgewählt werden.
Schieferöl- und Gasressourcen befinden sich oft in abgelegenen Becken und Gebirgsregionen, in denen möglicherweise kein zuverlässiger Netzanschluss vorhanden ist.
An diesen Standorten können Gasturbinengeneratoren vor Ort Strom liefern, wobei Kraftstoffe wie Flüssiggas (LNG) oder komprimiertes Erdgas (CNG) verwendet werden, abhängig von Projektkonfiguration und Brennstoffinfrastruktur.
Im Vergleich zu herkömmlichen Dieselgeneratoren kann die gasturbinenbasierte Stromerzeugung Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte, Gerätekonfiguration und lokalen Emissionen bieten. Die tatsächliche Leistung hängt von der Generatortechnologie, dem Kraftstoff, den Betriebsbedingungen und den Anforderungen des Standorts ab.
Dennoch können Hochleistungs-Frakturierungslasten erhebliche Anforderungen an eine isolierte Stromversorgung stellen. Veränderungen in der Pumpnachfrage können eine Diskrepanz zwischen sofortiger Erzeugung und Verbrauch verursachen.
Ein Hochspannungsspeichersystem kann helfen, diese Diskrepanz zu bewältigen, indem es lädt, wenn überschüssige Leistung verfügbar ist, und entlädt, wenn zusätzlicher Strom benötigt wird – innerhalb der Grenzen der Batterie- und Leistungsumwandlungsanlagen.
DieVFD und Energiespeichersystem für elektrische FrakturierungDaher werden zwei komplementäre Bedürfnisse erfüllt: der gesteuerte Motorbetrieb am Pumpende und die Leistungsbilanz am Versorgungsende.
Ein typisches Hochspannungsspeichersystem umfasst Batteriebaugruppen, ein Batteriemanagementsystem (BMS), ein Energiemanagementsystem (EMS) und ein Leistungsumwandlungssystem (PCS).
Batteriesystem
Lithium-Eisenphosphat-(LFP)-Batterien werden häufig in stationären Energiespeicheranwendungen verwendet. Mehrere Zellen werden zu Batteriepacks zusammengesetzt und in Batterieclustern gruppiert, um die erforderliche Spannung und Energiekapazität zu erreichen.
Die endgültige Batteriekonfiguration hängt von der Projektleistung, der erforderlichen Energiekapazität, der Betriebsdauer und dem Sicherheitsdesign ab.
Batteriemanagementsystem (BMS)
Das BMS überwacht die Betriebsbedingungen der Batterie, einschließlich Spannung, Strom und Temperatur. Es hilft, die Batterie vor abnormalen Betriebsbedingungen wie Überladung und übermäßigem Entladen zu schützen und unterstützt die Überwachung des Batteriestatus sowie die Betriebssicherheit.
Energiemanagementsystem (EMS)
Der EMS koordiniert Stromerzeugung, Energiespeicherung und elektrische Lasten. In einem System mit mehreren Generatoren oder Speichereinheiten kann es Lade- und Entladebefehle entsprechend verfügbarem Strom, Lastbedarf und konfigurierten Betriebsstrategien verwalten.
Bei einem isolierten Fracturing-Stromsystem kann die Steuerungsstrategie so gestaltet sein, dass sie die Generatorleistung mit der Batterieleistung koordiniert und so das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch aufrechterhält.
Stromumwandlungssystem (PCS)
Der PCS ermöglicht eine bidirektionale Stromumwandlung zwischen der Gleichstromseite der Batterie und dem Wechselstromsystem. Es wandelt während des Ladens Wechselstrom in Gleichstrom um und beim Entladen Gleichstrom in Wechselstrom.
Die PCS-Bewertungs- und Steuerfähigkeiten müssen an die erforderliche Leistungsantwort, Systemspannung und die Betriebseigenschaften des Generators abgestimmt werden.
Hochspannungsspeichersysteme können für unterschiedliche Netzspannungsniveaus ausgelegt werden, darunter 6 kV, 10 kV und 35 kV, je nach Anwendung.
Eine kaskadierte Hochspannungs-Energiespeicherarchitektur kann mehrere ingenieurtechnische Vorteile bieten:
Direkter Anschluss an einen kompatiblen Hochspannungsbus:Ein geeignetes System kann ohne separaten Spannungs-Aufwärtstransformator zwischen dem Wandler und dem angegebenen Bus verbunden werden.
Modulare Stromumwandlung:Mehrere Leistungszellen können koordiniert werden, um die erforderliche Ausgangsspannung und Leistungsangabe zu erreichen.
Überwachung und Steuerung auf Zellebene:Einzelne Stromzellen können überwacht werden, um das Systemmanagement und die Fehlerbehandlung zu unterstützen.
Schnelle Leistungsanpassung:Der Wandler kann auf wechselnde Aktivleistungsbefehle innerhalb seiner Steuerungs- und Gerätegrenzen reagieren.
Potenziell verbesserte operative Verfügbarkeit:Redundante oder umgehungsfähige Designs können helfen, den Betrieb aufrechtzuerhalten, wenn ein unterstützter Fehler auftritt.
Koordinierte Energieverteilung:Der EMS kann die Leistung mehrerer Speichereinheiten und Generatoren koordinieren, um die Gesamtleistungsbilanz zu unterstützen.
Diese Vorteile hängen von der tatsächlichen Systemtopologie, dem Schutzdesign, der Steuerungsstrategie und den Betriebsbedingungen ab. Transformatoranforderungen müssen anhand der gesamten elektrischen Architektur bewertet werden und nicht allein aus der Spannungsbewertung abgeleitet werden.
Für elektrische Frakturierungsoperationen erfüllen VFD und Energiespeichersystem unterschiedliche, aber komplementäre Funktionen.
Der VFD regelt Motordrehzahl und Drehmoment entsprechend den Pumpanforderungen. Das Energiespeichersystem steuert das Gleichgewicht zwischen verfügbarer Erzeugung und Strombedarf.
In der Integration mit der Gasturbinenerzeugung kann das Gesamtsystem nach folgenden Betriebsprinzipien gestaltet werden:
Der Generator liefert die primäre elektrische Energie für die Frakturierungsgeräte.
Der VFD passt den Motorbetrieb entsprechend der erforderlichen Pumpendrehzahl, dem Druck und den Durchflussbedingungen an.
Der EMS überwacht die Strombilanz und koordiniert das Laden und Entladen der Batterie.
Der PCS tauscht Strom zwischen Batterie und Wechselstrom gemäß der konfigurierten Steuerstrategie.
Das BMS überwacht die Batteriezustände und setzt entsprechende Betriebsgrenzen durch.
Der Generator, der VFD, der Speicherwandler und die Schutzsysteme koordinieren ihre Reaktionen auf Laständerungen und abnormale Betriebsbedingungen.
Die spezifische Steuerungssequenz hängt vom Projektdesign ab. Leistungsangaben, Batterieenergiekapazität, Generator-Rampenrate, Transientant-Reaktion, Schutzkoordination und Steuerungskommunikation müssen bei der Systemintegration berücksichtigt werden.
Eine richtig konstruierte Konfiguration kann dazu beitragen, die Auswirkungen von Lastschwankungen auf das isolierte Stromsystem zu verringern und die Flexibilität von Hochleistungs-Frakturierungsoperationen zu verbessern.
Die Auswahl eines VFD- und Energiespeichersystems für das elektrische Fracking erfordert eine Bewertung sowohl der Pumpausrüstung als auch der Stromversorgung.
Wichtige Designaspekte umfassen:
| Ingenieurfaktor | Wichtige Überlegungen |
|---|---|
| Motorenwert | Nennleistung, Spannung, Strom und Anfangsanforderungen |
| Betriebsbereich der Pumpe | Erforderliche Durchfluss-, Druck-, Geschwindigkeits- und transiente Lastbedingungen |
| VFD-Topologie | Eingangsharmonics, Ausgangswellenform, Steuerungsleistung und Schutz |
| Generatorkapazität | Kontinuierlicher Ausgang, Transientenantwort und Betriebsreserve |
| Energiespeicherleistung | Maximal erforderliche Lade- und Entladeleistung |
| Energiekapazität der Batterie | Erforderliche Entladungsdauer und Energiereserve |
| Systemspannung | Kompatibilität mit dem Generator und dem Hochspannungsverteilungsbus |
| EMS-Koordination | Generator-Dispatch, Batteriestrombefehle und Lastmanagement |
| Schutz und Sicherheit | Elektrischer Schutz, Batterieüberwachung, Fehlerreaktion und Notfallabschaltung |
| Standortbedingungen | Umgebungstemperatur, Staub, Transportbeschränkungen, Wartungszugang und Umweltanforderungen |
Leistungs- und Energiewerte sollten anhand des Lastprofils und der Betriebsszenarien des Standorts bestimmt werden. Ein System mit ausreichender Energiekapazität benötigt möglicherweise dennoch eine höhere Leistungsangabe für kurzzeitige Spitzen, während eine leistungsstarke Batterie mit unzureichender Energiekapazität möglicherweise nicht die erforderliche Unterstützungsdauer aufrechterhält.
Aus diesem Grund sollte das Design sowohl Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW) als auch Kilowattstunden (kWh) oder Megawattstunden (MWh) bewerten.
Elektrische Frakturierung stellt hohe Anforderungen an Motorsteuerung, Stabilität der Stromversorgung und die Zuverlässigkeit der Geräte. Hochspannungs-VFDs ermöglichen eine verstellbare Motordrehzahl- und Drehmomentregelung für Hochdruck-Kolbenpumpen, während Hochspannungsspeicher die Leistungsbilanz an abgelegenen Orten unterstützen kann, an denen der Netzzugang begrenzt ist.
Die Integration eines VFD und eines Energiespeichersystems für elektrische Frakturierung bietet einen praktischen Rahmen für die Koordination von Pumpanlagen, der Erzeugung vor Ort und der Batteriespeicherung. Kaskadierende Antriebstechnologie, Vektorsteuerung, Überspannungs-Stall-Prävention, Batteriemanagement und Energieverteilung tragen jeweils zum Gesamtdesign des Systems bei.
Für Ölfeldbetreiber und Ingenieurunternehmer hängt die geeignetste Lösung von den Eigenschaften der Pumpe, der Generatorkapazität, dem vorübergehenden Strombedarf, der Speicherdauer und den Betriebsbedingungen des Standorts ab.
FGI entwickelt Leistungselektroniklösungen für industrielle Motorantriebe und Energiespeicheranwendungen. Durch die Anpassung von Antriebs- und Speichertechnologien an Projektanforderungen können Stromversorgungssysteme für Ölfelder so gestaltet werden, dass sie flexibleren Betrieb, effektives Energiemanagement und die sich wandelnden Anforderungen des elektrischen Frakturierens unterstützen.
Ein variabler Frequenzantrieb regelt Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors, der eine Hochdruck-Kolbenpumpe antreibt. Dies ermöglicht es dem Pumpsystem, seine Leistung an veränderte Prozessanforderungen anzupassen und auf Laststörungen zu reagieren.
Energiespeicherung kann helfen, Stromerzeugung und -nachfrage auszugleichen, insbesondere an abgelegenen Orten ohne zuverlässigen Netzanschluss. Wenn sie angemessen dimensioniert und kontrolliert wird, kann sie in Zeiten erhöhter Nachfrage zusätzliche Energie liefern und überschüssige Energie absorbieren, wenn verfügbar.
Ja, bestimmte kaskadierte Hochspannungsspeicherarchitekturen können direkt an einen kompatiblen Hochspannungsbus angeschlossen werden, ohne einen zusätzlichen Stufentransformator an der Wandlerschnittstelle. Die Machbarkeit hängt von der Wandlertopologie, der Spannungsbestimmung, dem Isolierungsdesign und der Gesamtkonfiguration des elektrischen Systems ab.
Das BMS überwacht den Batteriezustand und die Schutzgrenzen. Der EMS koordiniert Stromerzeugung, -speicherung und Lastnachfrage. Der PCS wandelt elektrische Energie zwischen der Gleichstromseite der Batterie und dem Wechselstromsystem um.
Wichtige Faktoren sind die Spitzenleistung, Lastschwankungen, die Antwort des Generators, die erforderliche Entladedauer, verfügbare Ladeleistung, die Betriebsgrenzen der Batterie und das gewünschte Leistungsniveau der Stromversorgung.
Elektrische Frakturierung bietet eine präzisere Motorsteuerung, eine hohe Leistungsdichte, reduzierte lokale Abgasemissionen und geringere Betriebsgeräusche. Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile hängen insgesamt von Strom oder Brennstoffquellen, der Effizienz der Ausrüstung, der Auslastung und dem Standortzustand ab.
Dieser Artikel basiert auf der technischen Studie von variablen Frequenzantrieben und Hochspannungsspeichersystemen für Anwendungen im elektrischen Frakturieren von Ingenieuren der WindSun Science & Technology Co., Ltd. Die beschriebenen technischen Konfigurationen spiegeln die ursprüngliche Studie wider und sollten vor der technischen Umsetzung anhand projektspezifischer Entwürfe validiert werden.
