中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 何海軍

1 7000馬力型電驅(qū)壓裂橇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研制背景

2020年上半年我國(guó)能源安全形勢(shì)依然嚴(yán)峻，為進(jìn)一步落實(shí)“六穩(wěn)”工作和“六?！比蝿?wù)，保障國(guó)家能源安全，國(guó)家能源局于2020年6月發(fā)布《2020年能源工作指導(dǎo)意見》，當(dāng)年我國(guó)油氣產(chǎn)量目標(biāo)為石油產(chǎn)量約1.93億噸，天然氣產(chǎn)量約1810億立方米，較2019年均有小幅增長(zhǎng)?！?020年能源工作指導(dǎo)意見》指出，要加大油氣勘探開發(fā)力度，大力提升油氣勘探開發(fā)力度保障能源安全，狠抓主要目標(biāo)任務(wù)落地，進(jìn)一步鞏固增儲(chǔ)上產(chǎn)良好態(tài)勢(shì)。重點(diǎn)做大渤海灣、四川、新疆、鄂爾多斯四大油氣上產(chǎn)基地，推動(dòng)常規(guī)天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步增加，頁巖氣、煤層氣較快發(fā)展。探索湖北宜昌等地區(qū)頁巖氣商業(yè)化開發(fā)，推動(dòng)吉木薩爾等頁巖油項(xiàng)目開發(fā)取得突破。在疫情導(dǎo)致全球經(jīng)濟(jì)遲滯的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)加大勘探開發(fā)力度、增儲(chǔ)上產(chǎn)的政策為國(guó)內(nèi)鉆井設(shè)備和相關(guān)服務(wù)需求增加了確定性。在我國(guó)頁巖氣和深井/超深井勘探開發(fā)方面，隨著壓裂工藝向高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)壓裂裝備研發(fā)也必然會(huì)向高壓力和大排量方向發(fā)展。

由于受到了井場(chǎng)環(huán)境和道路交通的影響（轉(zhuǎn)彎直徑可小于20m，便于拖車運(yùn)輸），再加上國(guó)家對(duì)于整車的質(zhì)量和外形尺寸有嚴(yán)格的要求等，使得車載式壓裂車的研發(fā)受到了很多的限制，VFD（Variable Frequency Drive 縮寫，意思是變頻驅(qū)動(dòng)，主要是用來控制交流變頻電機(jī)。VFD 房是石油油氣壓裂的核心房體）房集成在集裝箱內(nèi)的模式是未來電驅(qū)壓裂的主流。為了節(jié)約施工面積須提升單機(jī)功率，減少了壓裂工程作業(yè)裝備的數(shù)量。目前7000馬力的電驅(qū)壓裂泵系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)最大功率等級(jí)的壓裂設(shè)備，其主要有10kV 配電系統(tǒng)、VFD 房（輸入10kV、輸出最大6kV）用于驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)、變頻電機(jī)在VFD 房的控制下驅(qū)動(dòng)壓裂泵。

2 7000馬力型電驅(qū)壓裂橇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體方案

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括配電房、變頻房、主電機(jī)。整體方案為主動(dòng)力電源由2路10kV 輸入，經(jīng)配電房分為6路10kV 輸出給3臺(tái)變頻房，每臺(tái)變頻房輸出2路6.6kV 為壓裂泵橇的主電機(jī)供電，主電機(jī)軸端輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)壓裂泵橇工作。輔助電源從配電房輔助變壓器輸出，供給變頻房、壓裂泵橇及混砂橇。設(shè)計(jì)、制造本著安全、可靠、先進(jìn)、方便、經(jīng)濟(jì)的原則，采用先進(jìn)、成熟技術(shù)，具有可靠的防爆、防震、防潮、防水、防火措施，符合安全操作要求，運(yùn)輸方便、安裝簡(jiǎn)捷。全部供貨設(shè)備的部件技術(shù)性能配置合理，載荷分布合理、無偏重現(xiàn)象，適應(yīng)中國(guó)各油氣田的井場(chǎng)道路公路運(yùn)輸和起吊安裝。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以任意一臺(tái)變頻房為中心點(diǎn)，其他設(shè)備接入組網(wǎng)，圖1以變頻房2為例。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以3臺(tái)變頻房和配電房及遠(yuǎn)程控制箱組成環(huán)網(wǎng)，任意一臺(tái)設(shè)備留有遠(yuǎn)程控制箱接入點(diǎn)供遠(yuǎn)程控制箱入網(wǎng)，圖2以變頻房2為例，每臺(tái)變頻房配置2個(gè)控制接口，3臺(tái)變頻房共6個(gè)接口，對(duì)應(yīng)于配電房?jī)?nèi)的6個(gè)控制接口，主要用于變頻房對(duì)配電房高壓開關(guān)柜的合閘、分閘等操作，硬線連接。配電房還配置有PLC 控制系統(tǒng)一套，用于備用對(duì)配電房的控制，同時(shí)該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)采集配電房?jī)?nèi)所有數(shù)據(jù)，留有通訊接口，供用戶方便讀取房?jī)?nèi)數(shù)據(jù)。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 配電房

配電房輸入2路10kV 電源，用戶接線至進(jìn)線柜輸入接線柱，通過隔離刀閘及真空斷路器將高壓電源接入10kV 母線，出線柜將10kV 電源經(jīng)真空斷路器及隔離刀閘送入變頻房。配電房配置7路10kV 電源出線，其中6路出線為變頻房?jī)?nèi)變壓器供電，1路為本系統(tǒng)內(nèi)1臺(tái)1800kVA 輔助變壓器供電。配電房配置有10kV 分段聯(lián)絡(luò)柜，在一路電源因故障或檢修退出供電時(shí)，可經(jīng)過分段聯(lián)絡(luò)柜由另一路電源為部分主要設(shè)備供電，提高供電可靠性。配電房配置2臺(tái)低壓開關(guān)柜，其中1臺(tái)為本系統(tǒng)內(nèi)輔助設(shè)備及變頻房?jī)?nèi)風(fēng)機(jī)、變頻控制、壓裂泵撬上本地控制箱等設(shè)備提供380V/220V 輔助供電；另1臺(tái)為混砂橇提供720V 供電。

配電房?jī)?nèi)設(shè)一臺(tái)1800kVA 雙變比變壓器，輸出400V/720V 輔助供電。配電房?jī)?nèi)低壓開關(guān)柜實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助電源的分配、控制和保護(hù)，滿足配電房自身供電、風(fēng)機(jī)或空調(diào)等輔助供電。高壓開關(guān)柜用以實(shí)現(xiàn)10kV 電源分配，由13個(gè)高壓開關(guān)柜模塊組成。

2.3 變頻房

變頻房將引自配電房的10kV 高壓電源送入6500kVA 變壓器，降壓為6×3×1920VAC，為變頻器提供輸入電壓。變頻房?jī)?nèi)配置一臺(tái)低壓開關(guān)柜，將配電房供給的輔助電源分配給風(fēng)機(jī)、變頻控制、壓裂泵撬上的本地控制箱等設(shè)備，提供380V/220V供電。每臺(tái)變頻房輔助電源容量不少于400kVA。變頻房?jī)?nèi)配置2臺(tái)變頻器，可驅(qū)動(dòng)2臺(tái)壓裂泵橇的主電機(jī)，為壓裂泵提供動(dòng)力。用戶自行配置壓裂泵橇上的本地控制箱及遠(yuǎn)程控制箱，實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，實(shí)現(xiàn)壓裂泵的無級(jí)調(diào)速控制。

高壓移相變壓器將引自配電房的10kV 高壓電源為變頻器提供輸入電壓。變頻房?jī)?nèi)設(shè)低壓開關(guān)柜，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助電源的分配、控制和保護(hù)，以及滿足電控房自身供電、電機(jī)風(fēng)機(jī)和空調(diào)等輔助供電。符合GB/T 7251.8標(biāo)準(zhǔn)的要求，柜殼防護(hù)等級(jí)為IP20。低壓開關(guān)柜主要包括輔助供配電斷路器、各種顯示儀器儀表等。在400V 低壓開關(guān)柜內(nèi)布置一臺(tái)UPS，400VAC 輸入，230VAC 輸出四路，為兩個(gè)變頻器控制和兩處壓裂泵橇控制箱提供電源。

2.4 主電機(jī)

主電機(jī)采用異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、臥式安裝，軸端采用可伸縮十字萬向傳動(dòng)軸剛性直接聯(lián)接。主電機(jī)采用進(jìn)口滾動(dòng)軸承并具有防止軸電流措施。每個(gè)軸承上設(shè)置1個(gè)Pt100鉑熱電阻(三線制)引接至測(cè)溫接線盒，提供遠(yuǎn)傳信號(hào)。主電機(jī)定子繞組埋置Pt100鉑熱電阻(三線制)6支，每相2支，3支工作、3支備用，并接至測(cè)溫接線盒。主電機(jī)帶有防冷凝空間加熱器，電壓220VAC。

3 系統(tǒng)保護(hù)

變壓器保護(hù)：變壓器繞組溫度信號(hào)接入PLC 對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)，在變頻房PLC 柜上可設(shè)置2級(jí)報(bào)警溫度值，超過設(shè)定值給出報(bào)警預(yù)警或停機(jī)。變壓器室柜門設(shè)置門控開關(guān)對(duì)變壓器室柜門狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如變壓器帶電打開柜門整個(gè)變頻房會(huì)自動(dòng)斷開10kV 高壓電源，確保人員不誤入帶電間隔；配電柜保護(hù)：10kV 配電柜滿足五防要求，同時(shí)配備微機(jī)保護(hù)、三段式電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、PT 斷線報(bào)警、CT 斷線報(bào)警、過負(fù)荷報(bào)警等功能。

變頻器過電流過電壓保護(hù)：自動(dòng)電壓調(diào)整。當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，能自動(dòng)保持輸出電壓恒定；電流抑制。負(fù)載變化時(shí)變頻器可自動(dòng)限制輸出電流大小，防止過流跳閘；快速限流功能。最大限度減小過流故障，保護(hù)變頻器正常運(yùn)行；動(dòng)態(tài)過壓抑制。運(yùn)行頻率變化時(shí)自動(dòng)抑制能量回饋大小，防止母線過壓跳閘；振蕩抑制。優(yōu)化V/F 振蕩抑制算法，實(shí)現(xiàn)V/F 穩(wěn)定運(yùn)行；瞬停不停。瞬時(shí)停電時(shí)通過電機(jī)自動(dòng)減速補(bǔ)償電壓降落，維持變頻器短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。

總體保護(hù)：整個(gè)變頻房具有欠壓保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)、缺相保護(hù)、瞬時(shí)斷電保護(hù)、接地故障保護(hù)、過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、電機(jī)過溫保護(hù)、通信故障保護(hù)、功率器件的過熱保護(hù)、操作程序互鎖、防雷保護(hù)、接地保護(hù)等，保護(hù)性能符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果證明本電驅(qū)壓裂設(shè)備擁有更高的穩(wěn)定性，并擁有更好的節(jié)能性。電驅(qū)動(dòng)壓裂系統(tǒng)采用高壓變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，降低了常規(guī)壓裂車換擋沖擊，流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)、能降低對(duì)壓裂泵傳動(dòng)部件的沖擊、延長(zhǎng)壓裂泵使用壽命，智能化作業(yè)水平高。與柴油驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)壓裂裝備相比，電驅(qū)壓裂裝備在設(shè)備采購?fù)顿Y、能源消耗費(fèi)用、污染物排放等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本設(shè)備移運(yùn)性強(qiáng)、壓裂井場(chǎng)布置靈活方便的優(yōu)勢(shì)，因此具有良好市場(chǎng)推廣前景。