中車戚墅堰機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)動系統(tǒng)研制背景

2020年上半年我國能源安全形勢依然嚴峻，為進一步落實“六穩(wěn)”工作和“六保”任務(wù)，保障國家能源安全，國家能源局于2020年6月發(fā)布《2020年能源工作指導(dǎo)意見》，當年我國油氣產(chǎn)量目標為石油產(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?！?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，狠抓主要目標任務(wù)落地，進一步鞏固增儲上產(chǎn)良好態(tài)勢。重點做大渤海灣、四川、新疆、鄂爾多斯四大油氣上產(chǎn)基地，推動常規(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)，推動吉木薩爾等頁巖油項目開發(fā)取得突破。在疫情導(dǎo)致全球經(jīng)濟遲滯的形勢下，國內(nèi)加大勘探開發(fā)力度、增儲上產(chǎn)的政策為國內(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，國內(nèi)壓裂裝備研發(fā)也必然會向高壓力和大排量方向發(fā)展。

由于受到了井場環(huán)境和道路交通的影響（轉(zhuǎn)彎直徑可小于20m，便于拖車運輸），再加上國家對于整車的質(zhì)量和外形尺寸有嚴格的要求等，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，主要是用來控制交流變頻電機。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)是國內(nèi)最大功率等級的壓裂設(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)動變頻電機、變頻電機在VFD 房的控制下驅(qū)動壓裂泵。

2 7000馬力型電驅(qū)壓裂橇驅(qū)動系統(tǒng)整體方案

驅(qū)動系統(tǒng)包括配電房、變頻房、主電機。整體方案為主動力電源由2路10kV 輸入，經(jīng)配電房分為6路10kV 輸出給3臺變頻房，每臺變頻房輸出2路6.6kV 為壓裂泵橇的主電機供電，主電機軸端輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，經(jīng)傳動軸驅(qū)動壓裂泵橇工作。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、制造本著安全、可靠、先進、方便、經(jīng)濟的原則，采用先進、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，運輸方便、安裝簡捷。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)中國各油氣田的井場道路公路運輸和起吊安裝。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)以任意一臺變頻房為中心點，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)拓撲結(jié)構(gòu)以3臺變頻房和配電房及遠程控制箱組成環(huán)網(wǎng)，任意一臺設(shè)備留有遠程控制箱接入點供遠程控制箱入網(wǎng)，圖2以變頻房2為例，每臺變頻房配置2個控制接口，3臺變頻房共6個接口，對應(yīng)于配電房內(nèi)的6個控制接口，主要用于變頻房對配電房高壓開關(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，用于備用對配電房的控制，同時該PLC 控制系統(tǒng)采集配電房內(nèi)所有數(shù)據(jù)，留有通訊接口，供用戶方便讀取房內(nèi)數(shù)據(jù)。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖2 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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路出線為變頻房內(nèi)變壓器供電，1路為本系統(tǒng)內(nèi)1臺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，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臺低壓開關(guān)柜，其中1臺為本系統(tǒng)內(nèi)輔助設(shè)備及變頻房內(nèi)風(fēng)機、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臺為混砂橇提供720V 供電。

配電房內(nèi)設(shè)一臺1800kVA 雙變比變壓器，輸出400V/720V 輔助供電。配電房內(nèi)低壓開關(guān)柜實現(xiàn)系統(tǒng)輔助電源的分配、控制和保護，滿足配電房自身供電、風(fēng)機或空調(diào)等輔助供電。高壓開關(guān)柜用以實現(xiàn)10kV 電源分配，由13個高壓開關(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。變頻房內(nèi)配置一臺低壓開關(guān)柜，將配電房供給的輔助電源分配給風(fēng)機、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。每臺變頻房輔助電源容量不少于400kVA。變頻房內(nèi)配置2臺變頻器，可驅(qū)動2臺壓裂泵橇的主電機，為壓裂泵提供動力。用戶自行配置壓裂泵橇上的本地控制箱及遠程控制箱，實時對電機驅(qū)動裝置進行遠程監(jiān)控和操作，實現(xiàn)壓裂泵的無級調(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。變頻房內(nèi)設(shè)低壓開關(guān)柜，實現(xiàn)系統(tǒng)輔助電源的分配、控制和保護，以及滿足電控房自身供電、電機風(fēng)機和空調(diào)等輔助供電。符合GB/T 7251.8標準的要求，柜殼防護等級為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UPS，400VAC 輸入，230VAC 輸出四路，為兩個變頻器控制和兩處壓裂泵橇控制箱提供電源。

2.4 主電機

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

3 系統(tǒng)保護

變壓器保護：變壓器繞組溫度信號接入PLC 對溫度進行監(jiān)控和保護，在變頻房PLC 柜上可設(shè)置2級報警溫度值，超過設(shè)定值給出報警預(yù)警或停機。變壓器室柜門設(shè)置門控開關(guān)對變壓器室柜門狀態(tài)實時監(jiān)控，如變壓器帶電打開柜門整個變頻房會自動斷開10kV 高壓電源，確保人員不誤入帶電間隔；配電柜保護：10kV 配電柜滿足五防要求，同時配備微機保護、三段式電流保護、低電壓保護、PT 斷線報警、CT 斷線報警、過負荷報警等功能。

變頻器過電流過電壓保護：自動電壓調(diào)整。當電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒定；電流抑制。負載變化時變頻器可自動限制輸出電流大小，防止過流跳閘；快速限流功能。最大限度減小過流故障，保護變頻器正常運行；動態(tài)過壓抑制。運行頻率變化時自動抑制能量回饋大小，防止母線過壓跳閘；振蕩抑制。優(yōu)化V/F 振蕩抑制算法，實現(xiàn)V/F 穩(wěn)定運行；瞬停不停。瞬時停電時通過電機自動減速補償電壓降落，維持變頻器短時間內(nèi)繼續(xù)運行。

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

綜上，現(xiàn)場使用結(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)動壓裂系統(tǒng)采用高壓變頻調(diào)速電動機，降低了常規(guī)壓裂車換擋沖擊，流量調(diào)節(jié)平穩(wěn)、能降低對壓裂泵傳動部件的沖擊、延長壓裂泵使用壽命，智能化作業(yè)水平高。與柴油驅(qū)動、液壓驅(qū)動壓裂裝備相比，電驅(qū)壓裂裝備在設(shè)備采購?fù)顿Y、能源消耗費用、污染物排放等方面具有明顯優(yōu)勢。本設(shè)備移運性強、壓裂井場布置靈活方便的優(yōu)勢，因此具有良好市場推廣前景。