.jpg?imageView2/1/format/webp)
Phương pháp nứt vỡ bằng điện đang trở thành một lựa chọn quan trọng thay thế cho phương pháp nứt vỡ truyền thống chạy bằng diesel trong khai thác dầu và khí đá phiến. So với thiết bị chạy bằng diesel, hệ thống nứt vỡ điện cung cấp điều khiển bơm chính xác hơn, mật độ công suất cao và cơ hội giảm tiêu thụ nhiên liệu, tiếng ồn và khí thải.
Tuy nhiên, các hoạt động nứt vỡ đặt ra những yêu cầu khắt khe đối với nguồn điện và hệ thống truyền động. Thay đổi tải nhanh, áp suất hút dao động, vận hành bơm áp suất cao và hạn chế tiếp cận lưới điện đều có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết bị.
TheHệ thống VFD và lưu trữ năng lượng cho nứt đá điệncung cấp một cách tiếp cận tích hợp đối với những thách thức này. Bộ truyền động tần số biến thiên điện áp cao (VFD) điều chỉnh tốc độ động cơ và đầu ra của bơm, trong khi hệ thống lưu trữ năng lượng điện áp cao giúp duy trì cân bằng công suất và hỗ trợ hoạt động ổn định trong các ứng dụng mà lưới điện không có sẵn hoặc không đủ.
Công nghệ điện tử công suất của FGI hỗ trợ các ứng dụng nứt vỡ điện bằng cách kết hợp điều khiển động cơ, chuyển đổi công suất và quản lý năng lượng cho môi trường mỏ dầu khắc nghiệt.
Thủy lực nứt vỡ được sử dụng rộng rãi để cải thiện sản xuất dầu và khí tự nhiên từ các tầng ngầm. Quy trình này bao gồm việc bơm chất lỏng nứt vỡ vào giếng với áp suất và lưu lượng được kiểm soát để tạo ra các vết nứt trong lớp đá mục tiêu, cải thiện dòng chảy của hydrocarbon.
Một hoạt động điển hình bao gồm khoan, ghi chép giếng, đánh giá giếng, xi măng, đục lỗ và cuối cùng là nứt gãy. Trong giai đoạn nứt vỡ, các bơm áp suất cao liên tục cung cấp chất lỏng đến giếng theo yêu cầu của quy trình xử lý.
Thiết bị nứt vỡ truyền thống chạy bằng diesel dựa vào động cơ diesel để vận hành các máy bơm này. Thiết bị nứt vỡ điện thay vào đó sử dụng động cơ điện điều khiển bằng bộ truyền động tần số biến đổi.
Phương pháp truyền động điện mang lại nhiều lợi thế thực tiễn:
Kiểm soát lưu lượng và áp suất chính xác:Tốc độ động cơ có thể điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu vận hành thay đổi.
Mật độ công suất cao:Hệ thống truyền động điện có thể hỗ trợ thiết bị bơm công suất cao trong không gian hạn chế.
Giảm phát thải và tiếng ồn tại chỗ:Động cơ điện loại bỏ khí thải ngay tại điểm sử dụng và có thể giảm tiếng ồn khi vận hành so với thiết bị chạy bằng diesel.
Cải thiện tính linh hoạt vận hành:Các thông số truyền động có thể điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu bơm khác nhau.
Tích hợp với lưu trữ năng lượng:Lưu trữ năng lượng bằng pin có thể giúp cân bằng nhu cầu điện và hỗ trợ ổn định nguồn điện.
Những ưu điểm này khiến việc nứt đá điện trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các nhà khai thác mỏ dầu muốn nâng cao hiệu quả vận hành và cấu hình hệ thống điện linh hoạt hơn.
Hệ thống VFD điện áp cao là thành phần quan trọng của trượt nứt điện. Chức năng chính của nó là điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện điều khiển bơm pít-tông áp suất cao.
Trong kiến trúc truyền động nối tiếp được mô tả trong ứng dụng này, nguồn điện đầu vào được kết nối với một biến áp dịch pha. Nhiều cuộn dây phụ cung cấp khoảng 690 V AC cho từng tế bào nguồn riêng lẻ. Mỗi ô chứa một bộ chỉnh lưu ba pha và một mạch lọc liên kết DC, tiếp theo là một tầng biến tần.
Các tế bào nguồn được nối tiếp ở phía đầu ra để tạo thành một bộ truyền điện cao áp nối tiếp.
Cách bố trí này sử dụng chỉnh lưu đa xung dịch pha để cải thiện đặc tính dòng điện đầu vào. Với n cuộn dây thứ cấp, số xung chỉnh lưu lý thuyết là 6n theo cấu hình tương ứng. So với bộ chỉnh lưu sáu xung truyền thống, một hệ thống đa xung được thiết kế đúng cách có thể giảm các hài dòng điện đầu vào.
Đầu ra nối tiếp cũng tạo ra dạng sóng điện áp bậc thang có thể xấp xỉ dạng sóng hình sin, hỗ trợ hoạt động của động cơ trong các ứng dụng công suất cao.
Các yếu tố kỹ thuật chính bao gồm hiệu suất hài đầu vào, chất lượng dạng sóng đầu ra, yêu cầu cách điện động cơ, quản lý nhiệt và khả năng duy trì hoạt động ổn định dưới các tải thay đổi.
Hoạt động nứt vỡ điện có thể sử dụng nhiều giá đỡ bơm với các yêu cầu công suất khác nhau. Do đó, hệ thống truyền động cần thích ứng với các bố trí động cơ khác nhau mà không làm giảm tính linh hoạt vận hành.
Trong cấu hình nứt gãy điện loại 8.000 được mô tả trong nghiên cứu kỹ thuật ban đầu, bố trí truyền động hỗ trợ hai chế độ vận hành:
Hoạt động độc lập:Một bộ truyền động có thể vận hành hai động cơ 4.500 kW, tùy thuộc vào cấu hình vận hành và giới hạn tải đã quy định.
Hoạt động song song:Hai bộ truyền động có thể vận hành song song để vận hành động cơ 9.000 kW, khi được hỗ trợ bởi thiết kế hệ thống.
Cách bố trí phù hợp phụ thuộc vào thông số động cơ, cấu trúc truyền động, cấu hình điều khiển và yêu cầu vận hành.
Sự linh hoạt này giúp người vận hành cấu hình thiết bị truyền động cho các ứng dụng bơm khác nhau và cải thiện việc sử dụng thiết bị điện công suất cao.
Bơm pít-tông chịu trách nhiệm đưa chất lỏng nứt vỡ vào giếng với áp suất và lưu lượng yêu cầu. Chuyển động tân tiến của nó hút chất lỏng vào buồng bơm rồi xả ra đầu giếng.
Bằng cách điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua VFD, hệ thống có thể điều chỉnh đầu ra bơm để đáp ứng các yêu cầu quy trình thay đổi.
Các hoạt động nứt vỡ thực tế hiếm khi diễn ra liên tục. Áp suất dưới giếng có thể thay đổi trong quá trình xử lý, nguồn cung cấp chất lỏng từ thiết bị trộn phía trên có thể dao động, và các hạn chế trong đường ống hút có thể làm giảm lượng chất lỏng đi vào bơm.
Những điều kiện này có thể gây ra sự thay đổi đột ngột về tải động cơ. Trong một số trường hợp, bộ truyền động cũng phải khởi động hoặc hoạt động dưới áp suất quá trình cao, tùy thuộc vào hệ thống bơm và quy trình vận hành.
Do đó, một VFD phù hợp cần nhiều hơn là chỉ điều chỉnh tốc độ cơ bản. Nó cũng phải cung cấp các phản ứng kiểm soát phù hợp đối với các nhiễu loạn tải trọng và điều kiện quy trình thay đổi.
Giảm tải đột ngột có thể tạo ra nguy cơ quá áp trong bộ truyền động tần số biến đổi.
Ví dụ, khi nguồn cung cấp chất lỏng phía trước không đủ, bơm pít-tông có thể giảm tải nhanh chóng. Tình trạng hoạt động của động cơ thay đổi, và năng lượng trả lại cho liên kết DC của bộ truyền động có thể làm điện áp liên kết DC tăng lên. Nếu điện áp vượt quá ngưỡng bảo vệ, bộ truyền động có thể ngắt và làm gián đoạn quá trình nứt gãy.
Chức năng phòng ngừa quá áp dừng giúp giải quyết tình trạng này.
Hệ thống điều khiển giám sát điện áp DC-link của các tế bào nguồn truyền động. Khi điện áp đạt ngưỡng đã cấu hình, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tần số đầu ra phù hợp để giúp ổn định điện áp liên kết DC và tránh các lần ngắt quá áp không cần thiết.
Chức năng này đặc biệt phù hợp với các ứng dụng nứt vỡ vì điều kiện cung cấp chất lỏng và tải trọng bơm có thể thay đổi nhanh chóng.
Hiệu quả của nó phụ thuộc vào cấu hình động cơ, cài đặt thông số, đặc tính tải và điều kiện vận hành.
Điều khiển vectơ cung cấp phương pháp điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ động cơ một cách độc lập thông qua việc điều khiển phối hợp các bộ phận dòng điện động cơ.
Trong kiến trúc điều khiển được mô tả trong nghiên cứu kỹ thuật, hệ thống sử dụng vòng điều khiển tốc độ bên ngoài và vòng điều khiển dòng điện bên trong. Bộ điều khiển PI điều chỉnh lỗi điều khiển, trong khi dòng điện động cơ ba pha đo được được chuyển đổi thành hệ quy chiếu quay bằng các phép biến đổi Clarke và Park.
Bộ điều khiển tính toán các lệnh điện áp cần thiết, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển các thiết bị nguồn của bộ biến tần.
Cấu trúc điều khiển này hỗ trợ vận hành động cơ phản hồi trong điều kiện tải thay đổi. Nó cũng cho phép bộ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ chính xác hơn so với chiến lược điều khiển vòng hở cơ bản.
Đối với nứt gãy điện, mục tiêu thực tế là duy trì công suất bơm cần thiết đồng thời phản ứng với sự biến động về áp suất chất lỏng, điều kiện hút và yêu cầu quy trình.
Chiến lược điều khiển cuối cùng nên được lựa chọn dựa trên đặc tính động cơ, động lực học bơm và phạm vi vận hành yêu cầu.
Tài nguyên dầu khí đá phiến thường nằm ở các lưu vực xa xôi và vùng núi, nơi có thể không có kết nối lưới điện ổn định.
Tại những địa điểm này, máy phát tuabin khí có thể cung cấp điện tại chỗ, sử dụng các loại nhiên liệu như khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) hoặc khí tự nhiên nén (CNG), tùy thuộc vào cấu hình dự án và cơ sở hạ tầng nhiên liệu.
So với các hệ thống máy phát điện diesel truyền thống, sản xuất điện dựa trên tuabin khí có thể mang lại lợi thế về mật độ công suất, cấu hình thiết bị và phát thải tại chỗ. Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào công nghệ máy phát điện, nhiên liệu, điều kiện vận hành và yêu cầu tại chỗ.
Tuy nhiên, các tải nứt công suất cao có thể đặt ra yêu cầu đáng kể đối với nguồn điện cách ly. Sự thay đổi trong nhu cầu bơm có thể tạo ra sự không phù hợp giữa sản xuất tức thời và tiêu thụ.
Hệ thống lưu trữ năng lượng điện áp cao có thể giúp kiểm soát sự không khớp này bằng cách sạc khi có điện dư thừa và xả khi cần thêm điện, trong giới hạn của pin và thiết bị chuyển đổi điện.
TheHệ thống VFD và lưu trữ năng lượng cho nứt đá điệnDo đó, giải quyết hai nhu cầu bổ trợ: vận hành động cơ kiểm soát ở đầu bơm và cân bằng công suất ở đầu cung cấp.
Một hệ thống lưu trữ năng lượng cao áp điển hình bao gồm các cụm pin, hệ thống quản lý pin (BMS), hệ thống quản lý năng lượng (EMS) và hệ thống chuyển đổi nguồn điện (PCS).
Hệ thống pin
Pin lithium sắt phosphate (LFP) thường được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng cố định. Nhiều tế bào được lắp ráp thành các bộ pin và nhóm thành cụm pin để đạt được điện áp và dung lượng năng lượng cần thiết.
Cấu hình pin cuối cùng phụ thuộc vào công suất dự án, dung lượng năng lượng cần thiết, thời gian hoạt động và thiết kế an toàn.
Hệ thống Quản lý Pin (BMS)
BMS giám sát các điều kiện hoạt động của pin, bao gồm điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Nó giúp bảo vệ pin khỏi các điều kiện vận hành bất thường như sạc quá mức và xả quá mức, đồng thời hỗ trợ giám sát trạng thái pin và an toàn vận hành.
Hệ thống Quản lý Năng lượng (EMS)
EMS phối hợp sản xuất điện, lưu trữ năng lượng và tải điện. Trong một hệ thống có nhiều máy phát điện hoặc đơn vị lưu trữ, nó có thể quản lý các lệnh sạc và xả điện theo nguồn điện sẵn có, nhu cầu tải và chiến lược vận hành được cấu hình.
Đối với hệ thống điện nứt vỡ cách ly, chiến lược điều khiển có thể được thiết kế để phối hợp đầu ra máy phát với năng lượng pin, giúp duy trì cân bằng giữa phát điện và tiêu thụ.
Hệ thống chuyển đổi nguồn (PCS)
PCS cung cấp chuyển đổi nguồn hai chiều giữa phía DC của pin và hệ thống nguồn AC. Nó chuyển đổi nguồn AC sang DC trong quá trình sạc và chuyển đổi nguồn DC sang AC khi xả điện.
Khả năng kiểm soát và định mức PCS phải phù hợp với đáp ứng công suất, điện áp hệ thống và đặc tính hoạt động của máy phát.
Hệ thống lưu trữ năng lượng cao áp có thể được thiết kế cho các mức điện áp lưới khác nhau, bao gồm 6 kV, 10 kV và 35 kV, tùy thuộc vào ứng dụng.
Kiến trúc lưu trữ năng lượng cao áp nối chuỗi có thể mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật:
Kết nối trực tiếp với bus điện áp cao tương thích:Một hệ thống phù hợp có thể kết nối mà không cần biến áp tăng điện áp riêng biệt giữa bộ chuyển đổi và bus được chỉ định.
Chuyển đổi nguồn dạng mô-đun:Nhiều pin nguồn có thể phối hợp để đạt được điện áp đầu ra và công suất yêu cầu.
Giám sát và điều khiển ở cấp độ tế bào:Các tế bào nguồn riêng lẻ có thể được giám sát để hỗ trợ quản lý hệ thống và xử lý lỗi.
Điều chỉnh công suất nhanh:Bộ chuyển đổi có thể phản hồi các lệnh công suất chủ động thay đổi trong giới hạn điều khiển và thiết bị.
Có thể cải thiện khả năng sẵn sàng vận hành:Thiết kế dự phòng hoặc có khả năng bỏ qua có thể giúp duy trì hoạt động khi xảy ra tình trạng lỗi hỗ trợ.
Điều phối năng lượng:EMS có thể phối hợp đầu ra của nhiều bộ lưu trữ và máy phát điện để hỗ trợ cân bằng công suất tổng thể.
Những lợi ích này phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống thực tế, thiết kế bảo vệ, chiến lược điều khiển và điều kiện vận hành. Yêu cầu của máy biến áp phải được đánh giá dựa trên toàn bộ kiến trúc điện thay vì chỉ dựa vào mức điện áp.
Đối với các hoạt động nứt vỡ điện, VFD và hệ thống lưu trữ năng lượng thực hiện các chức năng khác nhau nhưng bổ trợ cho nhau.
VFD điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ để đáp ứng các yêu cầu về bơm. Hệ thống lưu trữ năng lượng quản lý sự cân bằng giữa nguồn điện sẵn có và nhu cầu điện.
Khi tích hợp với máy phát tua-bin khí, tổng thể hệ thống có thể được thiết kế dựa trên các nguyên tắc hoạt động sau:
Máy phát điện cung cấp nguồn điện chính cho thiết bị nứt vỡ.
VFD điều chỉnh hoạt động của động cơ theo tốc độ, áp suất và điều kiện lưu lượng cần thiết.
EMS giám sát cân bằng công suất và phối hợp sạc và xả pin.
PCS trao đổi nguồn điện giữa pin và hệ thống AC theo chiến lược điều khiển đã được cấu hình.
BMS giám sát tình trạng pin và thực thi các giới hạn vận hành liên quan.
Các hệ thống máy phát điện, VFD, bộ chuyển đổi lưu trữ và hệ thống bảo vệ phối hợp phản ứng với sự thay đổi tải và điều kiện vận hành bất thường.
Trình tự điều khiển cụ thể phụ thuộc vào thiết kế dự án. Các chỉ số công suất, dung lượng pin, tốc độ tăng tốc độ máy phát, phản ứng tạm thời, phối hợp bảo vệ và giao tiếp điều khiển đều phải được xem xét trong quá trình tích hợp hệ thống.
Một cấu hình được thiết kế đúng cách có thể giúp giảm tác động của dao động tải lên hệ thống điện cách ly và cải thiện tính linh hoạt của các hoạt động nứt vỡ công suất cao.
Việc lựa chọn hệ thống VFD và lưu trữ năng lượng cho nứt đá điện đòi hỏi phải đánh giá cả thiết bị bơm và nguồn điện.
Các yếu tố thiết kế quan trọng bao gồm:
| Yếu tố kỹ thuật | Những yếu tố then chốt |
|---|---|
| Chỉ số động cơ | Yêu cầu công suất, điện áp, dòng điện và khởi động định mức |
| Phạm vi hoạt động của bơm | Lưu lượng, áp suất, tốc độ và điều kiện tải trọng chuyển tiếp yêu cầu |
| Cấu trúc VFD | Hài đầu vào, dạng sóng đầu ra, hiệu suất điều khiển và bảo vệ |
| Công suất máy phát điện | Đầu ra liên tục, phản ứng tạm thời và dự trữ hoạt động |
| Công suất lưu trữ năng lượng | Công suất sạc và xả tối đa cần thiết |
| Dung lượng pin | Thời gian xả cần thiết và dự trữ năng lượng |
| Điện áp hệ thống | Tương thích với máy phát điện và bus phân phối điện áp cao |
| Điều phối EMS | Điều phối máy phát điện, lệnh cấp pin và quản lý tải |
| Bảo vệ và an toàn | Bảo vệ điện, giám sát pin, phản ứng sự cố và tắt khẩn cấp |
| Điều kiện địa điểm | Nhiệt độ môi trường, bụi, giới hạn vận chuyển, tiếp cận bảo trì và yêu cầu môi trường |
Công suất và các chỉ số năng lượng nên được xác định dựa trên hồ sơ tải và kịch bản vận hành của địa điểm. Một hệ thống có công suất năng lượng đủ có thể vẫn cần công suất cao hơn để xử lý các đỉnh ngắn hạn, trong khi pin công suất cao với dung lượng không đủ có thể không duy trì được thời gian hỗ trợ cần thiết.
Vì lý do này, thiết kế nên đánh giá cả kilowatt (kW) hoặc megawatt (MW) và kilowatt-giờ (kWh) hoặc megawatt-giờ (MWh).
Phá vỡ điện đặt ra những yêu cầu khắt khe về điều khiển động cơ, ổn định nguồn điện và độ tin cậy của thiết bị. VFD điện áp cao cung cấp khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ và kiểm soát mô-men xoắn cho bơm pít-tông áp suất cao, trong khi lưu trữ năng lượng điện áp cao có thể hỗ trợ cân bằng công suất ở các khu vực xa xôi nơi việc truy cập lưới điện bị hạn chế.
Việc tích hợp hệ thống VFD và lưu trữ năng lượng cho nứt đá điện cung cấp một khuôn khổ thực tiễn để phối hợp thiết bị bơm, phát điện tại chỗ và lưu trữ pin. Công nghệ truyền động theo chuỗi, điều khiển vectơ, phòng ngừa quá áp, quản lý pin và điều phối năng lượng đều góp phần vào thiết kế tổng thể của hệ thống.
Đối với các nhà vận hành mỏ dầu và nhà thầu kỹ thuật, giải pháp phù hợp nhất phụ thuộc vào đặc tính của bơm, công suất máy phát, nhu cầu điện tạm thời, thời gian lưu trữ và điều kiện vận hành tại chỗ.
FGI phát triển các giải pháp điện tử công suất cho các bộ truyền động động cơ công nghiệp và ứng dụng lưu trữ năng lượng. Bằng cách kết hợp công nghệ truyền động và lưu trữ với yêu cầu dự án, các hệ thống điện trong mỏ dầu có thể được thiết kế để hỗ trợ vận hành linh hoạt hơn, quản lý năng lượng hiệu quả và đáp ứng nhu cầu ngày càng phát triển của phương pháp khai thác điện.
Bộ truyền động tần số biến thiên điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn của động cơ điện điều khiển bơm pít-tông áp suất cao. Điều này cho phép hệ thống bơm điều chỉnh sản lượng theo yêu cầu quy trình thay đổi và phản ứng với các nhiễu loạn tải trọng.
Lưu trữ năng lượng có thể giúp cân bằng giữa sản xuất và nhu cầu điện, đặc biệt tại các địa điểm xa xôi không có kết nối lưới điện ổn định. Khi có kích thước và kiểm soát phù hợp, nó có thể cung cấp thêm năng lượng trong các giai đoạn nhu cầu tăng và hấp thụ điện dư thừa khi có sẵn.
Có, một số kiến trúc lưu trữ năng lượng cao áp nối chuỗi có thể kết nối trực tiếp với bus điện áp cao tương thích mà không cần biến áp tăng thêm ở giao diện bộ chuyển đổi. Tính khả thi phụ thuộc vào cấu trúc bộ chuyển đổi, mức điện áp, thiết kế cách điện và cấu hình tổng thể của hệ thống điện.
BMS giám sát tình trạng pin và giới hạn bảo vệ. EMS phối hợp sản xuất điện, lưu trữ và nhu cầu tải. PCS chuyển đổi nguồn điện giữa phía DC của pin và hệ thống nguồn AC.
Các yếu tố chính bao gồm nhu cầu điện đỉnh, biến động tải, phản ứng của máy phát, thời gian xả yêu cầu, công suất sạc sẵn có, giới hạn hoạt động của pin và mức hỗ trợ nguồn điện mong muốn.
Phương pháp nứt vỡ điện có thể cung cấp điều khiển động cơ chính xác hơn, mật độ công suất cao, giảm khí thải cục bộ và giảm tiếng ồn khi vận hành. Lợi ích kinh tế và môi trường tổng thể phụ thuộc vào nguồn điện hoặc nhiên liệu, hiệu quả thiết bị, cách sử dụng và điều kiện hiện trường.
Bài viết này dựa trên nghiên cứu kỹ thuật về các bộ truyền động tần số biến thiên và hệ thống lưu trữ năng lượng cao áp cho ứng dụng nứt vỡ điện do các kỹ sư từ WindSun Science & Technology Co., Ltd. thực hiện. Các cấu hình kỹ thuật được mô tả phản ánh nghiên cứu ban đầu và cần được kiểm chứng với các thiết kế dự án cụ thể trước khi triển khai kỹ thuật.
