CN103095209A - 用于页岩气开采的中压变频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于页岩气开采的中压变频系统，它包括电控房、ABB中压变频系统、电机系统、PLC控制系统、压裂泵、用户操作系统和远程监控系统，所述的电机系统包括交流变频电机、软启动器、传感器和冷却系统，软启动器、传感器和冷却系统分别与交流变频电机相连；电控房的电压输出与ABB中压变频系统相连，ABB中压变频系统的输出与交流变频电机连接，交流变频电机直接驱动压裂泵，传感器的数据输出与PLC控制系统相连，PLC控制系统还分别与ABB中压变频系统、软启动器和用户操作系统连接。本发明电机直接驱动压裂泵代替传统机械传动路线，提高机组的工作效率，减小机组的体积与重量，降低了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种中压变频系统，特别涉及一种用于页岩气开采的中压变频系统。
背景技术
页岩气是保留在生油岩层中的天然气，是“非常规天然气”的一种，与“煤层气”、“致密气”同属一类。作为新兴的能源学科的一种，页岩气研究和发展起来并非易事。受勘探开发理论和技术上的瓶颈制约，目前，国际上除了美国对页岩气大量商业化开发利用外，其他国家仍处于研究开发阶段。随着勘探开发技术的发展，非常规天然气将成为未来我国重要的低碳资源。
页岩气是充填于页岩裂隙、微细孔隙及层面内的天然气，其储层的渗透率低、气流的阻力比传统天然气大得多，从而难以开采。开采页岩气层需要采取某种增产措施和特殊的钻井与完井方法，目前多采用水平井或斜井开采，斜井钻进是开发透镜状气藏可选择的最佳方法，水平井将成为开发边缘海相和海相席状砂岩最佳方法。
页岩气勘探方法有地质、地球物理、地球化学勘探、钻井等方法，采用多学科综合勘探是页岩气勘探发展方向。由于页岩气藏的自身特性，页岩气只有在某些特定条件下才能被开采出来。岩石内必须具备足够的通道以使天然气流入井筒。在页岩中，气源岩中裂缝引起的渗透性在一定程度上可以补偿基质的低渗透率。因此，将页岩作为开采目标的作业者应事先考虑系统渗透率，即包含页岩基质和天然裂缝的综合渗透率。为了更好地利用储层中的天然裂缝，并且使井筒穿越更多储层，越来越多的作业者都在应用水平钻井技术。该技术在石油工业中并不是一项新技术，但它对提高页岩气开发成功率却有着重大的意义。从水平井中获得的最终采收率是直井的3倍，而费用只相当于直井的2倍。
页岩气相对于常规油气开发对技术的要求更高，这主要是由页岩气成藏特点决定的。水平井同步压裂和分段压裂技术的广泛运用，使原本低产或无气流的页岩气井获得工业价值成为可能，近年来水平井在北美地区新井中所占比例逐年上升，水平部分长度也在不断增加。与传统垂直井不同，页岩气水平井需要8～20台压裂车同时作业，随着单阶段长度的增加，单井所需的压裂阶段不断增加。2010年已开始试验30阶段甚至更高的阶段压裂，相应的单井压裂所需的工作时间越来越长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术，提供一种电机直接驱动压裂泵代替传统机械传动路线，提高机组的工作效率，减小机组的体积与重量，降低制造成本；并使用DTC直接转矩控制交流变频电机的转矩和转速等参数，转速和扭矩的控制精度高，能快速、准确且稳定的实现过程控制，能进行远程监视和诊断的用于页岩气开采的中压变频系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：用于页岩气开采的中压变频系统，它包括电控房、ABB中压变频系统、电机系统、PLC控制系统、压裂泵、用户操作系统和远程监控系统，所述的电机系统包括交流变频电机、软启动器、传感器和冷却系统，软启动器、传感器和冷却系统分别与交流变频电机相连；
电控房的电压输出与ABB中压变频系统相连，ABB中压变频系统的输出与交流变频电机连接，交流变频电机直接驱动压裂泵，传感器的数据输出与PLC控制系统相连，PLC控制系统还分别与ABB中压变频系统、软启动器和用户操作系统连接，PLC控制系统还通过通讯网络与远程监控系统相连。
ABB中压变频系统包括ABB ACS1000变频器，使用DTC直接转矩控制控制交流变频电机的转速和转矩；变频器的工作原理为：变频器的主电路包括整流单元和逆变单元两部分，电控房输出的三相交变电源，从R、S、T端输入频率固定的三相交变电源，经过由二极管VD1~VD6构成的三相整流桥进行全波整流后，变成电压为 
的直流电，由6个绝缘栅晶体管（IGBT管）V1~V6构成三相逆变桥，把直流电
逆变成频率和电压可任意调节的三相交流电，从U、V、W端输出到交流变频电机。
冷却系统包括空调及其控制器和水冷装置，水冷装置采用循环水冷却。
交流变频电机为双轴伸直驱变频调速异步鼠笼式电机。
压裂泵为6000HP的五缸压裂泵。
本发明的优点在于：
1、电机直接驱动压裂泵代替传统压裂泵组柴油机＋液力变速箱的机械传动路线，提高机组的工作效率，减小机组的体积与重量，降低制造成本，还可以在此基础上开发研究直驱五缸泥浆泵、直驱顶驱等设备。
2、选用ABB ACS1000变频器，使用DTC直接转矩控制交流变频电机的转矩和转速等参数，转速和扭矩的控制精度高，能快速、准确且稳定的实现过程控制，实现压裂作业稳定，机械磨损最小。
3、采用水冷结合风冷的冷却方法，散热快，水冷装置采用循环水冷却方式，提高水的重复利用率，减少环境污染。
4、友好的用户操作系统，还能将PLC控制系统的数据通过网络通讯传输到远程监控系统，进行远程监视和诊断功能。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的变频器的主电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图进一步本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。
如图1所示，用于页岩气开采的中压变频系统，它包括电控房、ABB中压变频系统、电机系统、PLC控制系统、压裂泵、用户操作系统和远程监控系统，所述的电机系统包括交流变频电机、软启动器、传感器和冷却系统，软启动器、传感器和冷却系统分别与交流变频电机相连；
电控房的电压输出与ABB中压变频系统相连，ABB中压变频系统的输出与交流变频电机连接，交流变频电机直接驱动压裂泵，传感器的数据输出与PLC控制系统相连，PLC控制系统还分别与ABB中压变频系统、软启动器和用户操作系统连接，PLC控制系统还通过通讯网络与远程监控系统相连。
如图2所示，ABB中压变频系统包括ABB ACS1000变频器，使用DTC直接转矩控制控制交流变频电机的转速和转矩；变频器的工作原理为：变频器的主电路包括整流单元和逆变单元两部分，电控房输出的三相交变电源，从R、S、T端输入频率固定的三相交变电源，经过由二极管VD1~VD6构成的三相整流桥进行全波整流后，变成电压为
的直流电，由6个绝缘栅晶体管（IGBT管）V1~V6构成三相逆变桥，把直流电
逆变成频率和电压可任意调节的三相交流电，从U、V、W端输出到交流变频电机。
由于电机功率大，相应损耗也大，必须设计新的散热结构，加快电机的散热速度，冷却系统包括空调及其控制器和水冷装置，冷却方式可以采用水、空冷混合冷却型式，水冷装置采用循环水冷却方式，提高水的重复利用率，减少对环境的污染。
交流变频电机为双轴伸直驱变频调速异步鼠笼式电机，能满足6000HP五缸压裂泵的使用要求。
压裂泵为6000HP的五缸压裂泵。
改变频率和电压是最优的电机控制方法：如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏，因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
输出频率在额定频率以上时，电压却不能继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。
变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动：工频直接起动会产生一个大的起动电流，起动和加速冲击很大；而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。
当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低：通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速。变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
变频器50Hz以上的应用情况：对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的，如果增大输出频率, 变频器的输出功率不变，称之为恒功率调速。
Claims (5)
1.用于页岩气开采的中压变频系统，其特征在于：它包括电控房、ABB中压变频系统、电机系统、PLC控制系统、压裂泵、用户操作系统和远程监控系统，所述的电机系统包括交流变频电机、软启动器、传感器和冷却系统，软启动器、传感器和冷却系统分别与交流变频电机相连；
电控房的电压输出与ABB中压变频系统相连，ABB中压变频系统的输出与交流变频电机连接，交流变频电机直接驱动压裂泵，传感器的数据输出与PLC控制系统相连，PLC控制系统还分别与ABB中压变频系统、软启动器和用户操作系统连接，PLC控制系统还通过通讯网络与远程监控系统相连。
2.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的中压变频系统，其特征在于：所述的ABB中压变频系统包括ABB ACS1000变频器，使用DTC直接转矩控制控制交流变频电机的转速和转矩；变频器的工作原理为：变频器的主电路包括整流单元和逆变单元两部分，电控房输出的三相交变电源，从R、S、T端输入频率固定的三相交变电源，经过由二极管VD1~VD6构成的三相整流桥进行全波整流后，变成电压为 
的直流电，由6个绝缘栅晶体管（IGBT管）V1~V6构成三相逆变桥，把直流电
逆变成频率和电压可任意调节的三相交流电，从U、V、W端输出到交流变频电机。
3.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的中压变频系统，其特征在于：所述的冷却系统包括空调及其控制器和水冷装置，水冷装置采用循环水冷却。
4.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的中压变频系统，其特征在于：所述的交流变频电机为双轴伸直驱变频调速异步鼠笼式电机。
5.根据权利要求1所述的用于页岩气开采的中压变频系统，其特征在于：所述的压裂泵为6000HP的五缸压裂泵。
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