CN113767209A - 包括集成有电能存储的具有直联式电动机的移动发电子系统的液力压裂系统 - Google Patents
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Abstract
提供了用于液力压裂的系统10。该系统可以包括包含燃气涡轮发动机(14)和电能存储系统(16)的移动混合发电子系统(25)。发电子系统(25)还包括例如开关磁阻电动机或永磁电动机的电动机(12)，在这两种情形下，电动机都具有在没有转速降低装置的情况下联接至燃气涡轮发动机的主轴的转子轴。电力总线(15)由电能存储系统和/或电动机(12)供电。燃气涡轮发动机14、电能存储系统16和电动机(12)可以布置在发电移动平台(22)上，使得如此布置的子系统能够从一个物理位置运输到另一物理位置并且有效地构成可以完全独立于公用电力或外部电源操作的独立的移动混合发电子系统。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2019年4月26日的美国临时申请62/839,104的权益，该申请通过引用并入本文中。
背景技术
1.技术领域
所公开的实施方式总体上涉及例如与石油和天然气应用结合使用的液力压裂领域，并且更具体地涉及用于液力压裂的系统，并且甚至更具体地涉及包括发电子系统的系统，该发电子系统将燃气涡轮发动机与电能存储集成并且使用直接联接到燃气涡轮发动机的电动机。
2.相关技术的描述
液力压裂是用于促进油气井生产的工艺。液力压裂通常涉及在高压下通过井眼将可以包括颗粒/支撑剂和可选化学品的高压流体混合物泵送到地质地层中。当高压流体混合物进入地层时，该流体使地层断裂并且产生裂缝。当流体压力从井眼和地层释放时，断裂或裂缝沉降，但至少部分地由流体混合物中携带的颗粒/支撑剂保持打开。保持断裂打开使得能够从地层提取石油和天然气。
某些已知的液力压裂系统可以使用大型柴油发动机动力泵来对注入到井眼和地层中的流体混合物加压。由于其尺寸和重量，这些大型柴油发动机动力泵可能难以在站点之间运输，并且同样地——不亚于——难以在遥远且未开发的井场中移动或定位，在该井场中可能不容易获得铺设道路和操纵空间。此外，这些大型柴油发动机动力泵需要大型燃料储存罐，这些大型燃料储存罐也必须被运输到井场。涉及柴油发动机动力泵的系统的另一缺点是柴油发动机的繁重维护要求，其通常涉及约每300小时至400小时的重大维护操作，因此导致发动机约每2周至3周的定期停机时间。此外，涉及柴油发动机动力泵的现有技术移动系统的功率重量比往往是相对低的。
为了试图减轻与柴油发动机动力压裂泵系统有关的一些困难，已经提出了某些电驱动液力压裂系统。关于涉及电动液压系统的一种方法的示例，参见国际公开WO 2018/071738 A1。
发明内容
所公开的实施方式涉及用于液力压裂的系统。该系统可以包括发电子系统，该发电子系统可以包括燃气涡轮发动机；电能存储系统；电动机，其在没有转速降低装置的情况下直接联接至燃气涡轮发动机；以及由电能存储系统和/或电动机供电的电力总线。燃气涡轮发动机、电能存储系统和电动机可以布置在相应的发电移动平台上。
系统还可以包括可以由至少一个液压泵形成的液力压裂子系统，该至少一个液压泵由通过电力总线供电的电驱动系统来驱动。液压泵可以被布置成输送加压的压裂流体。
附图说明
图1示出了所公开的可以包括移动混合发电子系统的系统的一个非限制性实施方式的框图，该移动混合发电子系统集成有电能存储以及在没有转速降低装置的情况下机械地联接至燃气涡轮发动机的电动机例如开关磁阻电动机。
图2示出了可以在操作上与例如图1中示出的移动混合发电子系统组合布置的移动的或其他方式的公开的液力压裂子系统的一个非限制性示例的框图。
图3示出了可以在操作上与例如图1中示出的移动混合发电子系统组合布置的移动的或其他方式的公开的液力压裂子系统的另一非限制性示例的框图。
图4示出了其中移动混合发电子系统中的电动机可以是永磁电动机的公开的系统的另一非限制性实施方式的框图。
图5示出了可以在操作上与例如图4中示出的移动混合发电子系统组合布置的移动的或其他方式的公开的液力压裂子系统的又一非限制性示例的框图。
具体实施方式
本发明人已经认识到，用于液力压裂的典型现有技术系统可能严重依赖于通常基于化石燃料发动机技术的原动机诸如柴油发动机和燃气涡轮发动机的操作可用性。为了解决可靠性问题，井操作员可能使用涉及多级冗余的配置；例如，N+1或者N+2冗余发动机配置。通常，冗余发动机以及安装在泵拖车上的传动装置和泵可以被液压连接到给定的井，但是通常在任何给定时间，发动机中的至少一些可能例如在空闲模式下被次优地操作。该冗余方法的伴随缺点可能包括在站点处需要更多的空间、燃烧增大的燃料的量、需要更多的拖拉机和司机、涉及更多的劳动力和/或时间来安装钻机和拆卸钻机，所有这些显著地增加了操作成本。
至少鉴于这样的认识，所公开的实施方式制定了用于将电能存储集成到用于液力压裂的系统中的创新方法。所公开的实施方式被认为成本有效地并且可靠地提供向压裂过程中利用的液压泵提供电力可能需要的必要的发电功能。这可以通过优化利用从燃气涡轮发动机得到的电能和由电能存储系统供应的电能来实现。
另外，本发明人已经认识到，在用于液力压裂的某些现有技术系统中，燃气涡轮发动机可以被机械地连接以经由减速齿轮箱使同步发电机旋转。例如，燃气涡轮发动机的额定转速可以在约6000转/分钟(rpm)至约14000rpm的范围内变化，并且发电机的额定转速可以在约1000rpm至约3000rpm的范围内变化。
本发明人还认识到，涉及齿轮箱的这些现有技术系统可能遭受某些缺点。例如，齿轮箱在其各自的寿命期间可能需要多次昂贵的检修，并且可能还需要例如齿轮箱的相当复杂的润滑子系统的周期性保养。例如，齿轮箱中可以包括的多个轮和轴承在操作时可能经受高水平应力，并且甚至齿轮箱中的单个部件的故障也可能潜在地使发电停止，并且进而可能导致液力压裂应用中的相当昂贵的事件(例如，井漏)。这使得齿轮箱成为这些现有技术系统中维护成本相对高的部分。最后，齿轮箱的价格几乎可以等于这些现有技术系统中通常包括的相对重和庞大的发电机的价格。
至少鉴于这样的另外的认识，所公开的实施方式构思了与用于液力压裂的系统结合的创新方法。该方法有效地从涉及的涡轮机械中去除了齿轮箱，从而消除了系统的技术上复杂的部件，并且因此提高了系统的整体可靠性。
非限制性地，所公开的实施方式可以利用涉及最先进的电动技术(例如可以包括开关磁阻电动机(SREM)、同步磁阻电动机(SynREM)、永磁电动机(PMEM)、由轻量型材料制成的同步感应电动机以及其他技术)的高速的直接驱动的电动机(EM)(例如，可以操作为发电机或马达的机器)，这些技术使得与发电应用中(例如约10MW的量级中)涉及的传统标准转速相比，电动机的转子能够以相对较高的速度可靠地旋转，从而使电动机能够直接联接至高速旋转的燃气涡轮发动机(例如可以涉及约14000rpm或更高的量级的转速)。
所公开的直接联接的涡轮机械设备的实施方式使得能够将整个发电子系统集成在相对紧凑且较轻的组件中，这对移动应用更有吸引力。例如，更适合于可以在移动液力压裂应用中可获得的有限的占用面积。
可以在所公开的实施方式中使用的高速电动机的非限制性技术特征可以包括：涉及相对较高数目的转子/定子极的设计；先进的轴承技术，例如磁轴承；以及用于多个电压水平生成的共用转子轴上的单芯或多芯。根据给定应用的需要，所公开的实施方式的拓扑可以适于生成交流(AC)电力或直流(DC)电力。此外，可以优化这样的拓扑以减少系统谐波，特别是在(如利用SREM)生成的DC电力的情况下。
根据生成的电力的性质，电路拓扑可以包括AC-DC-AC电力转换、DC-DC或DC-AC转换，例如，例如在利用开关磁阻马达(SRM)的实施方式中，电路拓扑可以包括基于逆变器的变频驱动器(VFD)或者开关磁阻驱动器(SRD)。如上所述，从最先进的电动技术获得的优势可以延伸到对利用负载(例如一个或更多个液力压裂泵)进行驱动的电动马达。这些电动马达可以同样受益于这样的电动技术，例如包括最先进的感应马达技术、开关磁阻马达技术、同步磁阻马达技术或永磁马达技术。
所公开的实施方式还可以为燃气涡轮发动机提供具有黑启动能力的紧凑且独立的移动混合发电系统。所公开的实施方式可以配置有智能算法以优先考虑并确定用于优化以有助于在满足液力压裂过程中可能涉及的负载的可变电力需求的同时使涉及的电源的可靠性和耐用性最大化的充电/放电模式和电源分配。
在下面的详细描述中，阐述了各种具体细节以提供对这样的实施方式的透彻理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践所公开的实施方式，本发明的各方面不限于所公开的实施方式，并且可以在各种替选实施方式中实践本发明的各方面。在其他情况下，没有对本领域技术人员将很好理解的方法、过程和部件进行详细描述以避免不必要和繁冗的解释。
此外，各种操作可以被描述为以有助于理解本发明的实施方式的方式执行的多个离散步骤。然而，除非另有指示，否则描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作需要按照它们被呈现的顺序来执行，甚至也不应当被解释为暗示这些操作是顺序相关的。此外，短语“在一个实施方式中”的重复使用不一定是指同一实施方式，尽管其可以指同一实施方式。注意，所公开的实施方式不需要被解释为互相排斥的实施方式，因为本领域技术人员可以根据给定应用的需要对此类公开的实施方式的各方面进行适当地组合。
图1示出了用于液力压裂的系统10的一个非限制性实施方式的框图，该系统可以包括移动混合发电子系统25，并且还可以包括移动的或其他方式的液力压裂子系统50。如图1中所示，移动混合发电子系统25可以包括电动机12，例如开关磁阻电动机，该电动机可以具有在没有转速降低装置的情况下直接联接至燃气涡轮发动机14的转子。非限制性地，该结构性和/或操作性关系在本领域中可以被称为涉及高速电动机、直联式电动机、直驱式电动机或者无齿轮耦连电动机。
在一个非限制性实施方式中，电力总线15可以由电能存储系统16和/或电动机12供电。电力总线15可以是DC电力总线或者可以是AC电力总线。例如，在电动机12是开关磁阻电动机的情况下，该机器可以在发电模式下被控制以生成DC电力，并且在该示例中，电力总线15将是DC电力总线。
在一个非限制性实施方式中，燃气涡轮发动机14、电动机12和电能存储系统16可以各自分别安装到可以推进自身(例如，自推进移动平台)的相应移动发电平台22(例如，单一移动平台)上；或者可以由自推进车辆牵引或以其他方式运输并且有效地形成独立的移动发电系统。应当理解，该独立的移动混合发电子系统可以完全独立于公用电力或任何外部电源而运行。
也就是说，可以将前述移动混合发电子系统25的部件中的每一个分别安装到移动发电平台22上，使得移动发电子系统25能够从一个物理位置运输到另一物理位置。例如，移动发电平台22可以表示单独的或者与具有设置在自推进车辆和/或非机动化货物运载工具上的子系统部件的非机动化货物运载工具(例如，半挂车、全挂车、推车、橇、驳船等)组合的自推进车辆。如上所述，移动发电平台22不需要受限于基于陆地的运输并且可以包括其他运输形式，例如轨道运输、海洋运输等。
在一个非限制性实施方式中，燃气涡轮发动机14可以是航空改型燃气涡轮发动机，例如可以从西门子获得的SGT-A05型航空改型燃气涡轮发动机。航空改型燃气轮机具有一些优点，这些优点在移动压裂应用中可能特别有益。在没有限制的情况下，与同等工业燃气轮机相比，航空改型燃气轮机重量相对更轻并且相对更紧凑，这在移动压裂应用中是有利的属性。取决于给定应用的需要，燃气涡轮发动机14的另一非限制性示例可以是可以从西门子获得的SGT-300型工业燃气涡轮发动机。应当理解，所公开的实施方式不限于任何特定型号或类型的燃气涡轮发动机。
在一个非限制性实施方式中，电动机12可以选择性地被配置成在马达驱动模式或发电模式下操作。当在马达驱动模式下能够操作时，电动机12可以响应于来自电能存储系统16的电力，在没有限制的情况下，该电能存储系统16可以用于向燃气涡轮发动机14提供黑启动。在一个非限制性实施方式中，电能存储系统16可以是例如基于锂离子电池技术或者例如基于液流的电池技术或不同的电池技术的组合等的其他电池技术的电池储能系统。对于期望另外的关于使用电池进行储能的背景信息的读者，参考题为如下的论文：“LeadBatteries for Utility Energy Storage:A Review”，G.J.May，A.Davidson和B.Monahov，能源存储杂志(Journal of Energy Storage)，第15卷，2018年2月，第145页至第157页，Elsevier Ltd出版。
在一个非限制性实施方式中，双向电力转换器18可以电互连在能量存储系统16与开关磁阻电动机12之间，以选择性地提供电能存储系统16与开关磁阻电动机12之间的双向电力转换。例如，当从电能存储系统16提取电力以例如使开关磁阻电动机12通电以用于马达驱动动作时，双向电力转换器18可以被布置成将由电能存储系统16供应的DC电压水平转换成适合于对开关磁阻电动机12进行驱动的DC电压水平。相反，在由电动机12进行的发电动作期间，双向电力转换器18可以将由开关磁阻电动机12生成的DC电压转换成适合于将能量储存在电能存储系统16中的DC电压水平。
在一个非限制性实施方式中，液力压裂子系统50可以包括一个或更多个液压泵55，该一个或更多个液压泵由至少部分地响应于由电动机12在发电模式期间生成的电力或者响应于由电动机12生成的电力与从电能存储系统16提取的电力的结合的电驱动系统52(例如，单独的电动马达或与驱动器组合的电动马达)供电。一个或多个液压泵55可以被布置成输送加压的压裂流体(由箭头58示意性地表示)，该加压的压裂流体例如可以被输送至井口以通过井的井眼输送到给定地质地层中。
在液力压裂子系统50是移动液力压裂子系统的情况下，电驱动系统52和一个或多个液压泵55可以安装在相应的移动平台60(例如，单一移动平台)上。移动平台60的结构性和/或操作性特征可以如以上在移动发电平台22的上下文中所描述的。因此，在某些实施方式中，移动液力压裂子系统50能够从一个物理位置运输到另一物理位置。
在一个非限制性实施方式中，能量管理系统(EMS)20可以被配置成执行电力控制策略,该电力控制用于将来自电能存储系统16的电力和由电动机12生成的电力进行混合以例如适当地满足液力压裂子系统50的可变电力需求。
在一个非限制性实施方式中，EMS 20可以被配置成自主地选择电能存储系统16作为补充电源，以满足移动液力压裂子系统50中的峰值负荷。这可以在不必使燃气涡轮发动机14遭受热机械应力的情况下实现，否则如果例如电能存储系统16不能用作补充电源，则燃气涡轮发动机14将遭受热机械应力以便满足这样的峰值负荷。类似地，电能存储系统16可以用作补充电源以补偿燃气涡轮发动机14在具有挑战性的环境条件下(例如高海拔操作、潮湿和炎热的环境条件等)的减少的电力产生。
在一个非限制性实施方式中，EMS 20可以被配置成控制电池储能系统的荷电状态(SoC)。例如，基于给定应用的充电输入和输出要求，电池储能系统可以不返回至完全充电状态，而是可以在被选择为使电池寿命最大化的部分SoC(PSoC)状态下进行操作，其中PSoC的水平可以基于电池化学、环境条件等进行定制。
在一个非限制性实施方式中，移动混合发电系统25的部件例如双向电力转换器18和EMS 20可以各自与燃气涡轮发动机14、电动机12和电能存储系统16组合安装到移动发电平台22上。
在一个非限制性实施方式中，EMS 20可以被配置成自主地选择电能存储系统16作为补充电源，以使在移动液力压裂子系统50中的瞬态负荷期间可能出现的电压偏差和/或频率偏差稳定。
在一个非限制性实施方式中，电能存储系统可以可选地包括混合电能存储系统(HESS)，例如可以包括不同类型的电化学装置，例如但不限于基于超级电容器(UC)的存储模块以及基于电池的能量存储模块。基本构思是将这些装置协同地组合以实现更好的整体性能。例如，电池具有相对高的能量密度，该能量密度随着涉及的具体电池技术的化学物质和电力密度而变化。与电池相比，UC具有相对较低的能量密度，但是具有明显较高的电力密度。另外，UC的寿命通常可能高于大约一百万个周期，这相对高于电池的寿命。此外，与电池相比，UC可能具有优异的低温性能。这些各种特性允许可以被定制以在给定的液力压裂应用中实现改进的整体性能的最佳组合。对于期望另外的关于可以基于给定应用的需求使用的各种可替选电路拓扑的背景信息的读者，参见题为如下的论文：“A New Battery/Ultracapacitor Hybrid Energy Storage System for Electric,Hybrid,and Plug-InHybrid Electric Vehicles，J.Caoa和A.Emadi，IEEE Transactions on PowerElectronics出版，第27卷，第1号，2012年1月。
以下是SREM的有吸引力的特性的非限制性示例，申请人已经认识到这些有吸引力的特性对于通过所公开的用于液力压裂应用的实施方式实现新颖的技术解决方案是有效的：
·相当高的功率重量比；
·简单的构造，例如层压钢的转子构造，没有永磁体或绕组；
·在宽速度范围内的高效率；
·可以在高速和高温下可靠地操作，因为例如转子可以作为定子的冷却源；
·相对高的可靠性，因为例如每个相在电和磁上彼此独立。
对于期望另外的背景信息的读者，参见例如题为如下的技术论文：“State of theArt of Switched Reluctance Generator”,A.Arifin，I.Al-Bahadly，S.C.Mukhopadhyay，能源与动力工程(Energy and Power Engineering)出版，2012,4,447-458,版权
2012科学研究。
现在将进行下面的描述以描述可以被液力压裂子系统50’使用的图2中所示出的部件，液力压裂子系统50’由包括开关磁阻电动机12的移动混合发电子系统25(图1)供电，开关磁阻电动机12被配置成在发电模式下生成DC电力以使得电力总线15是DC电力总线。应当理解，与从电能存储系统16提取的电力相结合的由开关磁阻电动机12生成的电力可以用于向DC电力总线15供电。
在该非限制性实施方式中，电驱动系统52’可以包括被电耦连以从DC电力总线15接收电力的变频驱动器(VFD)51’。VFD 51’可以具有可以基于给定应用的需求而适配的模块化构造。例如，由于在该实施方式中VFD 51’连接至DC电力总线15，因此VFD 51’将不包括电力整流器模块。
电动马达53’——例如但不限于感应马达、永磁马达或同步磁阻马达——可以由VFD 51’电驱动。一个或更多个液压泵55可以由电动马达53’驱动以输送加压的压裂流体。如上所述，VFD 51’的模块化构造可以使得能够基于电动马达53’的额定功率并且进而基于由电动马达53’驱动的一个或更多个液压泵55的额定值来选择性地缩放VFD 51’的输出功率。
如本领域技术人员将理解的，除了术语VFD之外，涉及电动马达的变速操作的技术在本领域中还可以被称为变速驱动器(VSD)；或可变电压、可变频率(VVVF)。因此，在没有限制的情况下，可以在本公开内容的上下文中互换地应用任何这样的首字母缩写或短语，以指代可以在所公开的实施方式中用于电动马达的变速操作的驱动电路系统。在一个非限制性实施方式中，VFD 51’、电动马达53’和一个或多个液压泵55可以布置在相应的移动平台60(例如单一移动平台)上。
现在将进行下面的描述以描述可以被液力压裂子系统50”使用的图3中所示出的部件，液力压裂子系统50”由包括开关磁阻电动机12的移动混合发电子系统25(图1)供电，开关磁阻电动机12被配置成在发电模式下时生成DC电力以使得电力总线15是DC电力总线的。如上所述，与从电能存储系统16提取的DC电力相结合的由开关磁阻电动机12生成的电力可以用于向DC电力总线15供电。
在该非限制性实施方式中，电驱动系统52”可以包括被电耦连以从DC电力总线15接收电力的开关磁阻驱动器(SRD)51”。开关磁阻马达(SRM)53”可以由SRD 51”电驱动。如上所述，一个或多个液压泵55可以由SRM 53”驱动以输送加压的压裂流体58。在一个非限制性实施方式中，SRD 51”、SRM 53”和一个或多个液压泵55可以布置在单一移动平台60上。也就是说，这样的子系统部件中的每一个可以分别安装到移动平台60上。
图4示出了所公开的用于液力压裂的系统10的又一非限制性实施方式的框图，该系统例如可以包括移动混合发电子系统25’和移动液力压裂子系统50’。在一个非限制性实施方式中，移动发电子系统50’中的电动机12’(例如，高速直驱电动机)可以是但不限于永磁(PM)电动机，该永磁(PM)电动机被配置成在发电模式下时生成AC电力以使得电力总线15是AC电力总线。如上所述，与从电能存储系统16提取的电力相结合的由PM电动机12生成的电力可以用于向AC电力总线15供电。
在一个非限制性实施方式中，双向电力转换器18’可以电互连在能量存储系统16与PM电动机12’之间，以选择性地提供电能存储系统16与电动机12’之间的双向电力转换。例如，当从电能存储系统16提取电力以例如使PM电动机12’通电以进行马达驱动动作时，双向电力转换器18可以被布置成将由电能存储系统16供应的DC电压水平转换成适合于驱动PM电动机12’的AC电压。相反，在由PM电动机12’进行的发电动作期间，双向电力转换器18’可以将由PM电动机12’生成的AC电压转换成适合于将能量储存在电能存储系统16中的DC电压水平。
现在将进行下面的描述以描述在由移动混合发电子系统25’(图4)供电时可以被液力压裂子系统50”使用的图5中所示出的部件，该移动混合发电子系统25’包括PM电动机12’，PM电动机12’被配置成在发电模式下时生成AC电力以使得电力总线15’是AC电力总线。应当理解，与从电能存储系统16提取的电力相结合的由PM电动机12’生成的电力可以用于向AC电力总线15’供电。
在该非限制性实施方式中，电驱动系统52”’可以包括被电耦连以从AC电力总线15’接收电力的变频驱动器(VFD)51”’。在该实施方式中，耦连至AC电力总线15’的VFD 51”’将包括电力整流器模块。在一个非限制性实施方式中，VFD 51”’可以包括六脉冲VFD。也就是说，VFD 51”’可以被构造成具有被布置成形成六脉冲正弦波形的电力开关电路系统。如本领域的技术人员将理解的，与包括更高脉冲数目的VFD拓扑(例如12脉冲VFD、18脉冲VFD等)相比，这样的VFD拓扑以更低的成本提供相对更紧凑和更轻的拓扑。
可以在所公开的实施方式中使用的VFD的一个非限制性示例可以是基于给定液力压裂应用的需求从可以从西门子获得的VFD的Sinamics产品组合适当选择的驱动器。将理解的是，所公开的实施方式不限于任何特定型号的VFD。
例如但不限于，例如，在采矿应用或类似应用的具有挑战性的环境中，可以使用已经被证明是高度可靠的坚固且耐用的VFD，并且因此，预期该VFD在液力压裂应用的具有挑战性的环境中同样有效。在一个非限制性实施方式中，如图5中所指示的，例如可以包括线路电抗器的谐波抑制电路系统62可以用于例如减少从PM电动机12’汲取的谐波波形。电动马达53’——如上所述可以是但不限于感应马达、永磁马达或同步磁阻马达——可以由VFD51”’电驱动，并且进而电动马达53’将驱动一个或多个液压泵55以输送加压的压裂流体。
在操作中，所公开的实施方式避免了包括多级原动机冗余的系统配置的需要，并且使相对更紧凑的移动发电系统能够更易于从站点到站点运输并且更易于在其中可能不容易获得铺设道路和操纵空间的井场中移动或定位。
非限制性地，所公开的实施方式被认为：通过优化利用从燃气涡轮发动机得到的电能和由电能存储系统供应的电能，成本有效并且可靠地满足了一个或多个液力压裂子系统的必要发电需求。所公开的实施方式还可以提供可以完全独立于公用电力或外部电源进行操作的独立的移动混合发电子系统，该独立的移动混合发电子系统包括用于燃气涡轮发动机的黑启动能力。
在操作中，另外地，所公开的实施方式被认为成本有效且可靠地提供了如下技术方案：该技术方案有效地去除了现有技术实现方式中通常涉及的齿轮箱，由此消除了现有技术实现方式中的技术上复杂的部件，并且因此提高了所公开的系统的总体可靠性。在没有限制的情况下，这可以通过成本有效地利用相对紧凑且轻质的电动机械和驱动电路系统来实现。
尽管已经以示例性形式公开了本公开内容的实施方式，但是对于本领域的技术人员将明显的是，在不背离如所附权利要求中阐述的本发明及其等同物的范围的情况下，可以在其中进行许多修改、添加和删除。
Claims (17)
1.一种用于液力压裂的系统，所述系统包括：
燃气涡轮发动机(14)；
电能存储系统(16)；
电动机(12)，其具有在没有转速降低装置的情况下直接联接至所述燃气涡轮发动机的转子轴；
电力总线(15)，其由所述电能存储系统和/或所述电动机(12)供电，
其中，所述燃气涡轮机、所述电能存储系统和所述电动机被布置到相应的发电移动平台(22)上；以及
液力压裂子系统(50)，其包括由电驱动系统(52)驱动的至少一个液压泵(55)，所述电驱动系统由所述电力总线(15)供电，所述至少一个泵被布置成输送加压的压裂流体。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机(12)包括开关磁阻电动机，并且所述电力总线包括直流(DC)电力总线。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述开关磁阻电动机被配置成在马达驱动模式或发电模式下操作，在所述马达驱动模式下的所述电动机响应于来自所述电能存储系统(16)的电力以提供所述燃气涡轮发动机的黑启动。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述电能存储系统(16)包括电池储能系统。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括双向电力转换器(18)，所述双向电力转换器(18)电互连在所述电池储能系统与所述电动机之间以选择性地提供所述电池储能系统与所述电动机之间的双向电力转换。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括能量管理系统(20)，所述能量管理系统被配置成执行电力控制策略，所述电力控制策略用于将来自所述电能存储系统(16)的电力和由所述电动机(12)生成的电力进行混合以满足所述液力压裂子系统(50)的可变电力需求。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述能量管理系统被配置成自主地选择所述电能存储系统(16)作为补充电源，以满足移动液力压裂子系统中的峰值负荷。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机包括永磁电动机(12’)，并且所述电力总线包括交流(AC)电力总线(15’)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述永磁电动机被配置成在马达驱动模式或发电模式下操作，在所述马达驱动模式下的所述永磁电动机响应于来自所述电能存储系统(16)的电力以提供所述燃气涡轮发动机的黑启动。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述电能存储系统包括电池储能系统。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括双向电力转换器(18’)，所述双向电力转换器(18’)电互连在所述电池储能系统(16)与所述永磁电动机(12’)之间以选择性地提供所述电池储能系统与所述电动机之间的双向电力转换。
12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述电驱动系统(52)包括：
电耦连至所述AC电力总线的变频驱动器(51”’)；以及
由所述变频驱动器电驱动的电动马达(53’)；
其中，所述至少一个液压泵(55)由所述电动马达驱动，
其中，所述变频驱动器、所述电动马达和所述至少一个液压泵被布置在相应的移动平台(60)上。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述变频驱动器包括六脉冲变频驱动器。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述六脉冲变频驱动器包括谐波抑制电路系统(62)。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电动马达(53’)选自由感应马达、永磁马达和同步磁阻马达组成的组。
16.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电驱动系统(52)包括：
电耦连至所述DC电力总线的变频驱动器(51’)；以及
由所述变频驱动器电驱动的电动马达(53’)；
其中，所述至少一个液压泵(55)由所述电动马达驱动，
其中，所述变频驱动器、所述电动马达和所述至少一个液压泵被布置在相应的移动平台(60)上。
17.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电驱动系统(52)包括：
电耦连至所述DC电力总线的开关磁阻驱动器(52”)；以及
由所述开关磁阻驱动器电驱动的开关磁阻马达(53”)；
其中，所述至少一个液压泵(55)由所述开关磁阻驱动器驱动，
其中，所述开关磁阻驱动器、所述开关磁阻马达和所述至少一个液压泵被布置在相应的移动平台(60)上。
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