CN114109335A - 由变频调速一体机驱动的压裂设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了由变频调速一体机驱动的压裂设备，其包括变频调速一体机和柱塞泵。所述变频调速一体机包括：用于提供驱动力的驱动装置；和集成地安装于所述驱动装置上的整流逆变装置。所述整流逆变装置把从供电系统输入的电力经过变频和/或调压后输出给所述驱动装置。所述柱塞泵与所述变频调速一体机集成在一个承载架上，所述柱塞泵连接至所述变频调速一体机且由所述变频调速一体机驱动，以将压裂液泵送到地下。根据本发明，能够实现具有高集成度的设备布局。

Description

由变频调速一体机驱动的压裂设备

技术领域

本发明涉及油气田压裂领域，具体地，涉及由变频调速一体机驱动的压裂设备。

背景技术

在全球的油气田压裂作业现场，在传统压裂设备中所采用的动力传动系统的配置方式如下：传动装置包括变速箱和传动轴，柴油发动机(其是动力源)连接至该传动装置的变速箱，继而经由该传动装置的传动轴驱动压裂设备的柱塞泵(其是执行元件)进行工作。上述动力传动系统的配置方式给传统压裂设备带来的缺点是：(1)由于柴油发动机需要经由变速箱和传动轴来驱动压裂设备的柱塞泵，这就导致了压裂设备的体积大，重量大，运输受限，且功率密度小；(2)由于使用柴油发动机作为动力源，这样的压裂设备在井场运行过程中就会产生发动机废气污染和噪音污染(例如噪音超过105dBA)，严重影响周围居民的正常生活；(3)对于被柴油发动机经由变速箱和传动轴驱动的压裂设备而言，设备初期的采购成本较高，设备运行时单位功率的燃料消耗费用较高，并且发动机和变速箱的日常维护保养费用也很高。鉴于全球的油气开发设备正朝着“低能耗、低噪音、低排放”的方向发展，所以，以柴油发动机作为动力源的传统压裂设备的上述缺点从很大程度上阻碍了非常规油气能源的开发进程。

为了克服上述传统压裂设备的不足，曾经开发了一些使用电动机取代柴油发动机的电驱压裂设备，在这样的电驱压裂设备中，动力源是电动机，传动装置是传动轴(视需要，可以配有联轴器或离合器)，执行元件是柱塞泵。由于采用电动机来驱动柱塞泵，因而电驱压裂设备具有体积小、重量轻以及经济、节能、环保等优点。

但是，在现有的电驱压裂设备中，通常都采用例如如图1中的(b)所示的变频器来进行变压和调速从而驱动电动机。该变频器包括供电开关、整流变压器、以及诸如整流部和逆变部等功能部件。目前的电网供电电压都比较高，变频器的输出电压与输入电压通常不一致，所以在变频器中需要设置有上述整流变压器以用于调整电压。其结果是，变频器由于需要包含整流变压器因而导致体积和重量都较大，所以变频器只能与电动机分开而单独放置着。于是，电动机和变频器之间就需要有较多的外用接线，这样的布局占用面积较大，井场布置也相对复杂。而且，因为各个变频器与电动机都是相互独立的，所以例如如图1中的(a)所示，在现有的电驱压裂设备的实际应用场所中，为了便于布局和运输，需要使用至少一个变频器橇(变频器橇(1)，变频器橇(2)，......)，在每个变频器橇上集中地安装有至少一个变频器，并且至少一个现有的电驱压裂设备(电驱压裂设备(1)，电驱压裂设备(2)，电驱压裂设备(3)，......)经由一个变频器橇而接入到供电系统。这种需要使用变频器橇的布局就进一步导致了占地面积的扩大化以及井场布置的复杂化。

正是由于现有的电驱压裂设备集成度不高且占用面积大，在井场建设时经常没有足够的面积来摆放现有电驱压裂设备的繁多部件，或者即使能够摆放，也需要付出昂贵的实施成本。此外，不同的井场具有不同的场地情况，目前还没有出现一种具有高集成度的能够便捷地适配于各种井场情况的电驱压裂设备。

发明内容

要解决的技术问题

鉴于上述现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种具有高集成度的压裂设备的设备布局，其采用了变频调速一体机并且将该变频调速一体机与压裂设备的柱塞泵集成地安装在一起。该变频调速一体机本身能够通过调节参数而具有耐压性，所以不需要额外地配备有用于调整电压的整流变压器而是可以直接接入高压供电系统。进一步地，本发明的设备布局通过将这样的变频调速一体机与压裂设备的柱塞泵集成地安装在一起，得到了具有高集成度的压裂设备的设备布局，这样的压裂设备对于大多数井场都具有便捷性和普适性。

解决问题的技术方案

为了实现上述目的，本发明一个实施例的由变频调速一体机驱动的压裂设备包括变频调速一体机和柱塞泵。所述变频调速一体机包括：用于提供驱动力的驱动装置；和集成地安装于所述驱动装置上的整流逆变装置。所述整流逆变装置把从供电系统输入的电力经过变频和/或调压后输出给所述驱动装置。所述柱塞泵与所述变频调速一体机集成在一个承载架上，所述柱塞泵连接至所述变频调速一体机且由所述变频调速一体机驱动，以将压裂液泵送到地下。

有益效果

本发明的压裂设备在其设备布局中所采用的变频调速一体机不需要额外地配备有用于调整电压的整流变压器，因此具有小的体积和轻的重量。本发明的设备布局通过将这样的变频调速一体机与压裂设备的柱塞泵集成地安装到一个橇上，能够减少设备占地面积且优化井场设备布置，所得到的设备布局具有很高的集成度，也更加便捷和更加经济环保。

附图说明

图1示出了现有技术的变频器的构造、由该变频器调压调频的电动机、以及含有该电动机的现有电驱压裂设备与供电系统之间的连接模式。

图2A至图2D分别是本发明第一实施方式的变频调速一体机的示意图。

图3是本发明第二实施方式的含有变频调速一体机且由其驱动的压裂设备的整体布局的立体图。

图4A和图4B分别是图3所示的压裂设备的整体布局的侧视示意图和俯视示意图。

图5A和图5B分别是作为图4A和图4B的变形例的侧视示意图和俯视示意图。

图6A和图6B分别示出了卧式散热器的示例的工作示意图。

图7A和图7B分别示出了立式散热器的示例的工作示意图。

图8示出了四方散热器的示例的工作示意图。

图9是本发明第一实施方式的一个实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。

图10是图9所示的变频调速一体机及其散热系统的结构示意图。

图11是图9所示的散热系统中的冷却板的结构示意图。

图12是图10所示的整流逆变器和整流逆变器散热装置的结构示意图。

图13是本发明第一实施方式的另一实施例的变频调速一体机及其散热系统的结构示意图。

图14是本发明第一实施方式的又一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。

图15是本发明第一实施方式的再一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。

图16是本发明第一实施方式的另外一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。

图17A至图17F分别示出了针对本发明第二实施方式的含有变频调速一体机且由其驱动的压裂设备的供电模式。

图18A至图18E示出了在本发明一个实施例的压裂设备中柱塞泵的动力输入轴与变频调速一体机的传动输出轴的连接模式示例。

图19示出了根据本发明一个实施例的压裂设备的一种井场布局示例。

图20示出了根据本发明一个实施例的将一个整流装置与多个分别集成于电动机上的逆变装置连接的示例。

具体实施方式

下面参照附图来详细说明本发明的实施例。以下的说明是本发明的一些具体实例，但是本发明并不限于此。另外，本发明也不限于各个附图中所示的各构成要素的布置、尺寸、尺寸比等。应当注意，按照以下顺序给出说明。

<1.变频调速一体机>

<2.由变频调速一体机驱动的压裂设备>

2.1压裂设备的结构

2.1.1总体设备布局

2.1.2润滑系统

2.1.3散热系统

2.1.4供电和控制系统

2.1.5橇架总成

2.2压裂设备的工作及效果

<3.变频调速一体机与柱塞泵的连接及驱动模式>

3.1单机驱动单泵的实例

3.2单机驱动多泵的实例

3.3用涡轮机替换电动机的实例

<4.压裂设备的井场布局>

<5.其他变形例>

下面将会对本发明的各种实施方式及实施例进行详细的说明。

<1.变频调速一体机>

图2A至图2D分别是本发明第一实施方式的变频调速一体机的示意图。如图2A至图2D所示，本发明第一实施方式的变频调速一体机包括电动机和集成地安装在电动机上的整流逆变器。

电动机(也称马达)是指一种依据电磁感应定律实现电能转换或传递的电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，可以作为井场设备的动力源。电动机可以是交流电机。在一个示例中，电动机的底表面可以布置于一个底座(或承载架)上。当将变频调速一体机安放于工作场景中时，上述底座(或承载架)与地面接触，以便增强变频调速一体机的稳定性。

整流逆变器通过供电电缆与电动机电气连接。通常，在整流逆变器对来自供电系统的交流电进行频率转换时，先将交流电变换成直流电(也就是“整流”)，然后再将直流电变换为可变频率的交流电(也就是“逆变”)，接着将其供给到电动机。

本发明采用的电动机能够通过调节自身参数以便与供电系统相适配因而具有一定的耐压性，所以不需要额外地使用整流变压器来调整电压，只需要使用整流逆变器来进行变频和/或调压就够了。这样的整流逆变器由于体积和重量比现有技术的含有整流变压器的变频器小很多，所以可以直接集成于电动机上。整流逆变器和电动机可以各自具有壳体(稍后还会参照例如图9等来详细说明电动机10和用于容纳电动机10的壳体12的示例)。整流逆变器的第一壳体集成地(紧密地)安装在电动机的第二壳体的底表面(在底表面没有全部接触承载架或底座的情况下)、侧表面(优选地，与电动机的传动输出轴的延伸方向垂直的两个侧表面中的任一者)或顶表面上，籍此，整流逆变器的输出线可以直接接入电动机内部，这使得有效地缩短了接线。整流逆变器和电动机的接线都在电动机的第二壳体内部，这能够降低井场干扰。优选的是，将整流逆变器的第一壳体安装在电动机的第二壳体的顶表面上，籍此，第二壳体的顶表面对整流逆变器起到固定支撑作用，而且整流逆变器不需要独立的占地面积，这种安装方式极大地节约了安装空间，使得整体设备更加紧凑。

在一些实施例中，整流逆变器的第一壳体和电动机的第二壳体的形状可以为诸如长方体、正方体、或圆柱体等柱状体，本发明的实施例对它们的形状不做具体限定。当第一壳体和第二壳体的形状为长方体或正方体时，有利于将整流逆变器的第一壳体固定安装在电动机的第二壳体上，以便增强整个设备的稳定性。第一壳体可以通过螺栓、螺钉、铆接或焊接等方式直接连接于第二壳体上，或者可以经由安装法兰而固定连接于第二壳体上。第一壳体和第二壳体二者的连接面中可以布置有用于让电缆贯穿的多个孔洞或者多个接线柱，所述电缆可以包括用于将整流逆变器与电动机电气连接的供电电缆，以便把由整流逆变器变频和/或调压之后的交流电直接输出给电动机，进而驱动该电动机以可调的转速运转。

本发明的实施例对整流逆变器(或者其壳体)和电动机(或者其壳体)之间的连接位置及连接方式不做具体限定，只要可将它们二者集成地固定安装在一起即可。

在本发明的实施例的变频调速一体机中集成有整流逆变器和电动机，而不包括整流变压器。因此，在电动机上可以仅设置有整流逆变器，这降低了变频调速一体机的整体体积和重量。

<2.由变频调速一体机驱动的压裂设备>

2.1压裂设备的结构

2.1.1总体设备布局

图3是本发明第二实施方式的含有变频调速一体机且由其驱动的压裂设备的整体布局的立体图。图4A和图4B分别是图3所示的压裂设备的整体布局的侧视示意图和俯视示意图。

如图3、图4A和图4B所示，压裂设备100a包括：承载架67：安装于承载架67上的变频调速一体机310；以及安装于承载架67上且集成地连接至变频调速一体机310的柱塞泵11。变频调速一体机310包括电动机10和集成地安装于电动机10上的整流逆变器3。变频调速一体机310中的电动机10的传动输出轴可以直接连接至压裂设备100a的柱塞泵11的动力输入轴。它们二者可以通过花键连接，例如，电动机10的传动输出轴可以具有内花键或外花键或平键或锥形键，柱塞泵11的动力输入轴可以具有与上述键适配的外花键或内花键或平键或锥形键。电动机10的传动输出轴可以具有用于保护的外壳，柱塞泵11的动力输入轴可以具有用于保护的外壳，这二者的外壳可以通过螺钉、螺栓、铆接、焊接、或者法兰等方式而被固定连接在一起。该法兰可以是圆形或方形等其他形式。

在图3和图4A中，假设电动机10的传动输出轴水平地向外延伸的方向(从变频调速一体机310朝着柱塞泵11的方向)为X方向，与X方向垂直的向上方向为Y方向，与X方向及Y方向都正交且垂直于图4A的纸面而向内的方向为Z方向。

压裂设备100a还可以包括控制柜66。例如，控制柜66布置于变频调速一体机310的在-X方向上的一个端部处，压裂设备100a的柱塞泵11布置于变频调速一体机310的在X方向上的另一个端部处。本发明并不限制控制柜66、变频调速一体机310和柱塞泵11的相对位置，只要它们的布局能够使得该压裂设备100a能够高度集成就行了。从供电网等输送过来的电力可以直接提供给变频调速一体机，也可以经由控制柜(未经控制柜处理或者由控制柜进行了处理后)提供给变频调速一体机。例如，控制柜66可以控制压裂设备100a并且可以给压裂设备100a中的任何用电装置供电。例如，在控制柜66中可以集成地设置有高压开关柜和辅助变压器。控制柜66中的辅助变压器可以对从供电网等输送过来的电力进行电压调整然后将其提供给压裂设备中的各种用电装置。可替代地，控制柜66中的辅助变压器亦可以对从供电网等输送过来的电力进行电压调整然后将其提供给压裂设备中的除变频调速一体机外的辅助设备。作为一个示例，该辅助变压器可以输出300V～500V(交流)的低电压，用于给压裂设备100a内的诸如润滑系统、散热系统等的辅助用电装置供电。

压裂设备100a中的辅助用电装置例如包括：润滑系统电机、散热系统电机、控制系统等。

如同前述实施例中所说明的，变频调速一体机310不需要采用整流变压器。变频调速一体机310的额定频率可以是50Hz或者是60Hz，该额定频率与诸如供电网等供电系统的供电频率相同，因此变频调速一体机310可以直接接到诸如供电网等供电系统，这就简化了供电方式，并且适应性更强。

整个压裂设备100a由于采用了变频调速一体机310，在不需要用于调整电压的整流变压器的情况下，该压裂设备100a的外部接线可以直接连接到高压供电系统上。压裂设备100a的柱塞泵11由变频调速一体机310驱动从而将压裂液泵送到地下。

低压管汇34可以设置于柱塞泵11的在-Z方向上的一侧处，用于向柱塞泵11供给压裂液。高压管汇33可以设置于柱塞泵11的在X方向上的一个端部处，用于排出压裂液。压裂液通过低压管汇34进入柱塞泵11内部，然后经过柱塞泵11的运动增压后，通过高压管汇33排出到柱塞泵11外部的高压集管。

压裂设备100a还可以包括：润滑系统；润滑油散热系统；以及冷却液散热系统等。润滑系统例如包括：润滑油箱60；第一润滑电机及润滑泵组61；以及第二润滑电机及润滑泵组62等。润滑油散热系统例如包括润滑油散热器59等。冷却液散热系统例如包括：冷却液散热器63；以及水路电机和水路泵组64等。

图5A和图5B分别是作为图4A和图4B的变形例的侧视示意图和俯视示意图。图5A和图5B中的压裂设备100b跟图4A和图4B中的压裂设备100a的不同之处在于：从俯视图来看，在图4B中将润滑油散热器59安置于柱塞泵11的在Z方向上的侧面处且将冷却液散热器63安置于变频调速一体机310的在-Z方向上的侧面处，而在图5B中将润滑油散热装置59与冷却液散热器63一起大致并排地安置于变频调速一体机310的在-Z方向上的侧面处。压裂设备100b的其他方面与压裂设备100a一样，在此不再赘述。下文中在不需要区分的情况下，压裂设备100a和压裂设备100b都称为压裂设备100。

此外，上述润滑系统、润滑油散热系统、及冷却液散热系统可以布置于承载架上的任何适宜位置处，例如可以布置于柱塞泵11的顶部或侧面处或者变频调速一体机310的顶部或侧面处，只要该位置能够使得设备布局具有高集成度就够了。另外，上述润滑油散热系统用于提供对润滑油的散热作用。上述冷却液散热系统用于提供对柱塞泵11和/或变频调速一体机310的散热作用。上述润滑油散热系统和冷却液散热系统视需要可以至少一部分被替换为风冷散热系统。此外，上述润滑油散热器和冷却液散热器可以是如图6A至图8所示的卧式散热器、立式散热器或四方散热器，它们内部的空气流动路径以及冷却液或润滑油流动路径不限于附图中所示的示例，而是可以根据实际需要来适宜地改变或设定。稍后还会参照图9至图16针对变频调速一体机310的散热系统进行具体举例说明。

2.1.2润滑系统

如前所述，压裂设备100的润滑系统例如包括：润滑油箱60；第一润滑电机及润滑泵组61；以及第二润滑电机及润滑泵组62。该润滑系统可以分为高压润滑系统和低压润滑系统，高压润滑系统用于给柱塞泵的动力端等提供润滑，低压润滑系统用于给齿轮箱等提供润滑。第一润滑电机及润滑泵组61和第二润滑电机及泵组62可以分别用于高压润滑系统和低压润滑系统。润滑油箱60可以安置在承载架67上，且例如位于变频调速一体机310的侧面处，或有利于设备集成布局的其他位置处。在润滑油箱60中储存有用于高压润滑系统和/或低压润滑系统的润滑油。

2.1.3散热系统

如前所述，压裂设备100的散热系统例如包括润滑油散热系统，其用于给柱塞泵的动力端处的润滑油降温，以保证柱塞泵11在作业过程中作业温度正常。润滑油散热系统可以由润滑油散热器、散热风扇和散热电机组成，其中散热风扇由散热电机驱动。例如，润滑油散热系统可安置在柱塞泵11的顶部或侧面处，也可安置在变频调速一体机310的顶部或侧面处。在执行润滑油散热的过程中，润滑油进入润滑油散热器的内部后，通过散热风扇的叶片旋转带动空气流动，该空气跟润滑油散热器内部的润滑油进行热交换进而将润滑油的温度降低，降温后的润滑油进入柱塞泵11内部从而对柱塞泵的动力端进行降温。

如前所述，压裂设备100的散热系统例如还包括冷却液散热系统。变频调速一体机310在运行中会产生热量，为了避免在长期工作期间该热量对设备造成损坏，可以采用冷却液进行冷却。冷却液散热系统具有冷却液散热器和散热器风扇，还具有用于泵送冷却液的诸如电机和泵等驱动装置。冷却液散热系统也可以被替换为空气冷却方式，此时需要使用散热风机。

例如，冷却液散热系统可安置在柱塞泵11的顶部或侧面处，也可安置在变频调速一体机310的顶部或侧面处。在例如对变频调速一体机310进行散热时，通过水路电机及水路泵组(水路电机对水泵进行驱动，水泵可以是叶片泵，例如离心泵或轴流泵或多级泵等)使冷却介质(其可以是防冻液或油液或水等)在变频调速一体机310的内部和冷却液散热器63的内部进行循环。当冷却介质进入冷却液散热器63内部后，通过散热器风扇的叶片旋转带动空气流动，该空气跟冷却液散热器内部的冷却介质进行热交换进而将冷却介质的温度降低，降温后的冷却介质进入变频调速一体机310内部跟变频调速一体机310进行热交换，由此降低变频调速一体机310的温度，保证变频调速一体机310的作业温度正常。

图6A和图6B分别示出了卧式散热器的示例的工作示意图，卧式散热器的形状以及空气和冷却液介质(水或油等)的流动路径不限于图中所示的示例。图7A和图7B分别示出了立式散热器的示例的工作示意图，立式散热器的形状以及空气和冷却液介质(水或油等)的流动路径不限于图中所示的示例。图8示出了四方散热器的示例的工作示意图。对于四方散热器，空气的流动方向例如是：空气从外部经由至少一个竖直侧面(例如4个侧面)进入四方散热器中，然后经由顶部排放出去。例如，用于让冷却液或润滑油流通的冷却管的进口端和出口端可以设置于四方散热器的上部(顶部附近)。本发明不限于此示例。本发明的冷却液散热器和润滑油散热器可以是卧式散热器，也可以是立式散热器，还可以是四方散热器。

下面说明变频调速一体机310与对其提供散热作用的散热系统的具体布置示例。

图9是本发明第一实施方式的一个实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。图10是图9所示的变频调速一体机及其散热系统的结构示意图。

如图9至图10所示，本实施例所提供的变频调速一体机310a包括驱动装置1、电动机散热装置2(本示例中仅包括风冷散热机构2A)、整流逆变器3和整流逆变器散热装置4。驱动装置1包括电动机10和用于容纳电动机10的壳体12。壳体12界定了用于容纳电动机10的腔体13。驱动装置1的传动输出轴14从壳体12的端盖伸出，并且沿第一方向(例如图10中所示的x方向)延伸。壳体12包括在与x方向相垂直的第二方向(例如图10中所示的y方向)上彼此相对的第一侧S1(图10所示的上侧)和第二侧S2(图10所示的下侧)。壳体12具有分别对应于上侧和下侧的顶表面F1和底表面F2。壳体12还包括在第三方向上(例如图10中所示的z方向)上彼此相对的第三侧S3和第四侧S4，相应地，壳体12具有分别对应于第三侧S3和第四侧S4的两个侧表面F3、F4。壳体12还包括在x方向上彼此相对的第一端部E1和第二端部E2。

如图9和图10所示，整流逆变器散热装置4设置在整流逆变器3的背离壳体12的一侧。也就是，整流逆变器3和整流逆变器散热装置4均设置在壳体12的同一侧上，且整流逆变器3位于壳体12和整流逆变器散热装置4之间。如果将整流逆变器3和整流逆变器散热装置4分别设置在壳体12的不同侧，那么整流逆变器3和整流逆变器散热装置4位于壳体12的不同表面上，这种设置方式会增加变频调速一体机310a的整体体积。另外，由于整流逆变器散热装置4采用冷却液散热方式对整流逆变器3进行散热，当二者位于壳体12的不同表面上时，用于提供冷却液的冷却管路的长度需要设计得更长，这会影响到整流逆变器散热装置4对整流逆变器3的散热效果。在本发明一个实施例的变频调速一体机310a中，通过将整流逆变器3和整流逆变器散热装置4设置为位于壳体12的同一侧，不仅使变频调速一体机的结构更紧凑，也能保证整流逆变器散热装置4对整流逆变器3的散热效果。

整流逆变器散热装置4包括冷却板41(例如当用水作为冷却液介质时，也称水冷板)、冷却液储存组件42和风机组件43。风机组件43具有第一风机组件43a和第二风机组件43b。第一风机组件43a包括散热风扇45和散热电机47，第二风机组件43b包括散热风扇46和散热电机48。采用两个风机组件43a和43b可同时对冷却液储存组件42中的冷却液储存室52内的冷却液进行冷却降温，从而增强冷却效果。另外，风冷散热机构2A包括入风组件30和出风组件20。入风组件30位于壳体12的底表面处且包括第一入风组件30a和第二入风组件30b。在壳体12的底表面还设置有分别至少覆盖第一入风组件30a和第二入风组件30b的防护网P以避免外界杂物被吸入腔体13中。出风组件20包括第一出风组件20a和第二出风组件20b。第一出风组件20a包括：散热风机21a、排风道22a和风机蜗壳25a。排风道22a设置有出风口23a和出风口盖板24a。风机蜗壳25a的第一侧251与散热风机21a连通，第二侧252与壳体12的腔体13连通，第三侧253与排风道22a连通。第二出风组件20b具有与第一出风组件20a类似的构造。整流逆变器3包括靠近壳体12的第一表面BM1和远离壳体12的第二表面BM2。即，第一表面BM1和第二表面BM2在垂直于传动输出轴14的方向(例如图中所示y方向)上彼此相对。冷却板41位于第二表面BM2上且与第二表面BM2直接接触。

图11是图9所示的散热系统中的冷却板41的结构示意图。例如，如图11所示，冷却板41例如包括冷却通道。该冷却通道包括至少一个冷却管51(51a和51b)、冷却通道入口51i和冷却通道出口51o。当冷却液在冷却板41的至少一个冷却管中流动时，可以对位于冷却板41下方的整流逆变器3进行换热，从而达到冷却整流逆变器3的目的。为了增强冷却效果，冷却板41和整流逆变器3之间为直接接触。在一个示例中，冷却液包括水或者油等。在本发明的实施例中，通过让两个冷却管51a、51b共用一个冷却通道入口51i和一个冷却通道出口51o，不仅可以增加冷却板的换热面积，增强冷却效果，还可以简化制造冷却板的工艺，降低制造成本。在一些实施例中，冷却管51a和冷却管51b的管路走向呈S形、锯齿状、直线状等，本发明实施例对此不做限定。

图12是图10所示的整流逆变器和整流逆变器散热装置的结构示意图。例如，如图12所示，冷却液储存组件42设置在冷却板41的远离整流逆变器3的一侧，并且包括与冷却板41相互连通的冷却液储存室52，用于储存冷却液并且向冷却板41提供冷却液。冷却液储存室52的右端与冷却通道入口51i通过第一连接管53连接，冷却液储存室52的左端与冷却通道出口51o通过第二连接管54连接。在本实施例中，冷却液从冷却液储存室52通过第一连接管53流入冷却板41，并且从冷却板41沿第一移动方向v1通过第二连接管54回流到冷却液储存室52，接下来，回流到冷却液储存室52中的冷却液沿第二移动方向v2流动，由此达到循环使用的目的。

在本发明实施例的整流逆变器散热装置4中，通过如上所述地设置冷却板41、冷却液储存组件42和风机组件43，不仅提高了对整流逆变器3的散热效果，而且降低了变频调速一体机的整体体积。另外，由于冷却液为可循环使用，不仅降低了生产成本，而且减少了废水排放，避免了环境污染。

图13是本发明第一实施方式的另一实施例的变频调速一体机310b及其散热系统的结构示意图。图13和图9的变频调速一体机的区别在于，图13的电动机散热装置2(即风冷散热机构2B)包括第三出风组件20c和第四出风组件20d以代替第一出风组件20a和第二出风组件20b，第三出风组件20c和第四出风组件20d二者结构相同但出风方向不同(如图13中所示，出风口23d例如朝向左上方向，出风口23c例如朝向右上方向)。其他的具体结构和设置方式可参考前面实施例的描述，此处不再赘述。

图14是本发明第一实施方式的又一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。如图14所示，本实施例所提供的变频调速一体机310c包括驱动装置1、电动机散热装置2、整流逆变器3和整流逆变器散热装置4。电动机散热装置2包括冷却液储存组件202和风机组件203，该风机组件203含有散热风扇204和散热电机205。图14和图9的变频调速一体机的区别在于，在图14的变频调速一体机中，整流逆变器散热装置4和电动机散热装置2均采用冷却液散热方式，但是二者的冷却液散热系统是独立的，各自在壳体12的顶表面F1上占用大致一半的面积。

图15是本发明第一实施方式的再一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。如图15所示，本实施例所提供的变频调速一体机310d包括驱动装置1、电动机散热装置、整流逆变器3和整流逆变器散热装置。本实施例中，整流逆变器散热装置和电动机散热装置均采用冷却液散热方式，而且这二组散热装置共用冷却板441、冷却液储存组件C202及风机组件C203。被共用的风机组件C203的数量可以是一个或多个(图15中示出了四个)，每个风机组件C203都包括散热风扇C204和散热电机C205。

图16是本发明第一实施方式的另外一实施例的变频调速一体机及其散热系统的立体示意图。如图16所示，本实施例所提供的变频调速一体机310e包括驱动装置1、电动机散热装置2、整流逆变器3和整流逆变器散热装置4。图16与图9的变频调速一体机的区别在于，图16的电动机散热装置2同时以风冷散热方式和冷却液散热方式对驱动装置1散热，在此情况下，电动机散热装置2包括风冷散热机构和冷却液散热机构，该风冷散热机构含有出风组件520和入风组件530，该冷却液散热机构含有冷却液储存组件502和风机组件503，风机组件503包括散热风扇504和散热电机505。它们的具体结构如前所述。需要说明的是，相比于图14的占用大致一半顶表面面积的冷却液储存组件202，图16中的冷却液储存组件502在壳体12的顶表面F1上所占用的空间较小，这样有利于在顶表面F1上同时设置出风组件520。

2.1.4供电和控制系统

从电源形式上，国内广泛使用的是电网(供电电压主要是10kV/50Hz配电网)，国外更倾向于发电设备供电(例如在美国等地方，常见的发电机电压是13.8kV/60Hz)。本发明的变频调速一体机经过参数调整而具有耐压性，可以直接接入电网，而无需经过变压器变压。

本发明的含有变频调速一体机310且由其驱动的压裂设备100，其供电可以来自电网、发电机、储能装置或者它们的组合等。图17A至图17F分别示出了针对本发明第二实施方式的含有变频调速一体机且由其驱动的压裂设备的供电模式。

本发明由于在供电路径中没有设置整流变压器，因此使得供电更加简单便捷，而且因为减少了整流变压器这个环节，接线量也随之减少。

为了满足设备集中控制的需求，本发明的压裂设备可以设置有各种仪表设备，这些仪表设备可以将本发明的压裂设备的多个装置的控制系统直接或间接地集成到一起，以实现集中控制。

本发明的压裂设备100中的多个装置都可以设置有各自的控制系统。例如，针对整流逆变器3可以设置有整流逆变控制系统，该整流逆变控制系统可以控制整流逆变器3的运行参数。此外，针对柱塞泵11还可以包括有柱塞泵控制系统，该柱塞泵控制系统可以调节柱塞泵的运行参数。本发明的压裂设备100还可以包括用于压裂井场的其他装置及其相应的控制系统。

例如，本发明的压裂设备100可以设置有一个集中控制系统，该集中控制系统与柱塞泵控制系统进行通讯连接，柱塞泵控制系统又与整流逆变控制系统进行通讯连接。藉此，利用柱塞泵控制系统与整流逆变控制系统之间的通讯连接，可以实现通过柱塞泵控制系统来控制整流逆变器3，进而控制由该整流逆变器输出的交流电的频率，从而调整压裂设备100中的电动机10的转速。进一步地，利用集中控制系统与柱塞泵控制系统之间的通讯连接，可以使得集中控制系统间接地与整流逆变控制系统进行通讯连接，从而实现能够通过集中控制系统来控制整流逆变器3和柱塞泵11，即实现对电驱压裂作业的远程集中控制。

例如，集中控制系统可以通过有线网络或无线网络的方式来实现与柱塞泵控制系统、整流逆变控制系统及压裂设备中其他装置的控制系统的通讯连接。

例如，本发明对于电驱压裂作业的远程集中控制包括：电动机启动/停止、电动机转速调整、急停、整流逆变器复位、关键参数(电压、电流、扭矩、频率、温度)监控等。本发明的压裂设备可以包括多个柱塞泵控制系统和多个整流逆变控制系统。在多个柱塞泵控制系统和多个整流逆变控制系统全部连接到集中控制系统的情况下，本发明通过该集中控制系统就可以控制全部的柱塞泵装置及整流逆变装置。

2.1.5橇架总成

承载架用于承载本发明的压裂设备的上述各部分，可以是橇架形式、半挂车形式、底盘车形式或它们的组合。上述橇架可以仅有一个底板，或仅有框架但没有直接连接的车体。图3示出了位于设备底部的承载架67。通过使用这样的承载架，使得集成于一个承载架上的压裂设备能够方便地运输和便捷地布置到井场中。

此外，例如如图19所示，多个压裂设备的低压管汇34(如虚线箭头所示)和高压管汇33都可以集成地布置于一个管汇撬架(未图示)上，并且这些压裂设备可以共用一个高压管汇33。

2.2压裂设备的工作及效果

本发明的通过采用变频调速一体机而组成的压裂设备包括：变频调速一体机、柱塞泵和控制柜。本发明的压裂设备将变频调速一体机与柱塞泵等集成到一个承载架上。可以通过控制柜来启动、控制和停止压裂设备。从供电网输送过来的电力可以直接提供给变频调速一体机，也可以经由控制柜(经过控制柜处理后或者未经控制柜处理后)提供给变频调速一体机。或者，设置于控制柜中的辅助变压器可以对从供电网输送过来的电力进行电压调整然后将其提供给压裂设备中的各种用电装置。可替代地，设置于控制柜中的辅助变压器可以对从供电网输送过来的电力进行电压调整然后将其提供给压裂设备中的除变频调速一体机外的辅助设备。被电力驱动的变频调速一体机通过电动机的传动输出轴将驱动力提供给柱塞泵的动力输入轴，使得柱塞泵工作，柱塞泵利用运动对压裂液加压然后将高压的压裂液泵送到地下。

在本发明的压裂设备的变频调速一体机中，将整流逆变器集成地安装在电动机上，整流逆变器的壳体与电动机的壳体紧密安装在一起，整流逆变器的输出线直接接入电动机内部。由于整流逆变器和电动机的接线都在电动机内部，所以能够降低干扰。尤其当整流逆变器集成于电动机的顶部上时，整流逆变器无需占用独立的空间，因此极大地节约了安装空间，使得整体设备更加紧凑。

在本发明的压裂设备中，变频调速一体机的额定频率与供电网的供电频率相同，因此具有耐压性，不需要额外采用变压器来变压。本发明的压裂设备的外部接线只需要接入一组高压电缆，因此可以直接连接到高压供电电网上，简化了供电方式，适应性更强。

本发明的压裂设备具有高集成度，在各种不同状况下的井场中都能便捷地运输和布置，具有很高的实用性和普适性，井场布局时的实施成本较低。

<3.变频调速一体机与柱塞泵的连接及驱动模式>

如前所述，变频调速一体机310与柱塞泵11可以直接连接。它们二者的内部传动部分可以通过诸如内花键或外花键或平键或锥形键等方式予以直接连接。如果在传动部分处各自具有壳体，它们二者的壳体可以通过法兰(该法兰可以是圆形或方形等其他形式)予以连接。

考虑到不同应用场所的需要，变频调速一体机310与柱塞泵11也可以采用其他连接方式，然后也集成地安装于承载架上。图18A至图18E例举了柱塞泵11的动力输入轴与变频调速一体机310的传动输出轴的几种连接模式示例。

如图18A所示，本发明一个实施例的压裂设备100包括柱塞泵11和变频调速一体机310。柱塞泵11包括动力端11a和液力端11b。在液力端11b的一侧处设置有压裂液输出端170，柱塞泵11的排出管汇160从压裂液输出端170向外延伸出去。柱塞泵11还包括从动力端11a延伸出去的动力输入轴，该动力输入轴与变频调速一体机310的传动输出轴可以经由离合器13相连接。具体地，离合器13包括第一连接部131、第二连接部132和位于第一连接部131和第二连接部132之间的离合部133。柱塞泵11的动力输入轴与第一连接部131相连，第二连接部132与变频调速一体机310的传动输出轴相连。离合器13外面可以设置有护罩以保护该离合器，该护罩的前后两端分别与柱塞泵11的动力输入轴的壳体及变频调速一体机310的传动输出轴的壳体紧密连接。这里，可以采用稳定性非常高的离合器，一方面是为了在压裂作业中能够维持柱塞泵稳定地、持续地作业，另一方面是为了即使需要频繁地将柱塞泵接合或脱离时该离合器也不会损坏。

如图18B所示，本发明一个实施例的压裂设备100除了具有与图18A中一样的部分之外，还可以包括减速箱210。减速箱210设置有输入齿轮轴。输入齿轮轴的一端与离合器13的第一连接部131相连，输入齿轮轴的另一端与减速箱210相连。减速箱210可以包括行星齿轮箱210a和平行轴齿轮箱210b。平行轴齿轮箱210b与上述的输入齿轮轴的另一端相连，行星齿轮箱210a与柱塞泵11的动力输入轴相连。

此外，在该压裂设备100中，在柱塞泵11和减速箱210的连接部处配备有快速连接/断开机构，柱塞泵11的底部以装配结构安装于设备底座上，在安装位置处设置有吊装点。在想要拆卸某个柱塞泵并且进行更换的时候，通过控制系统先使得该柱塞泵停止工作，通过快速连接/断开机构使其断开，再利用吊装点将该柱塞泵从设备底座上取下来且移动到指定位置，然后再将新的柱塞泵吊装到设备底座上，接着通过快速连接/断开机构将新的柱塞泵和减速箱连接一起，最后在控制系统中启动柱塞泵。

3.1单机驱动单泵的实例

在本发明的由变频调速一体机驱动的压裂设备中，为了提高柱塞泵的单泵功率，如图18A和图18B所示，采用了单电动机驱动单柱塞泵的设计方案。籍此，压裂设备的整体结构也变得更加简单，同时大幅度地提升了压裂设备的输出功率，能够更好地满足使用需求。请注意，离合器13也可以被替换成联轴器。

3.2单机驱动多泵的实例

在本发明的由变频调速一体机驱动的压裂设备中，为了进一步节省占地面积，可以采用一个电动机驱动多个柱塞泵的设计方案。图18C至图18E示出了一个电动机驱动多个(或两个以上)柱塞泵的连接模式。

如图18C所示，本发明一个实施例的压裂设备100包括两个柱塞泵11和一个变频调速一体机310，这样，一个变频调速一体机310可同时驱动两个柱塞泵11。此时，该压裂设备100可包括至少一个离合器13，较佳地包括两个离合器13。由此，当检测到两个柱塞泵11中任意一者出现问题时，可立即控制相应的离合器脱开，从而可保障另一个柱塞泵的正常工作。

在图18D中，本发明一个实施例的压裂设备100也包括一个变频调速一体机310以及两个柱塞泵11(11-1和11-2)。在变频调速一体机310与柱塞泵11-1之间以及在变频调速一体机310与柱塞泵11-2之间分别设置有联轴器15a和15b。每个联轴器的一侧与变频调速一体机310的传动输出轴(主动轴)相连，另一侧与柱塞泵(11-1或11-2)的动力输入轴(从动轴)相连。联轴器可以使得主动轴和从动轴共同旋转并传递扭矩。利用联轴器可以快速将柱塞泵连接或拆卸，并且利用联轴器可以补偿主动轴和从动轴的制造差异和相对位移。

图18A、图18C和图18D可以是单电动机的单轴输出。图18B和图18E可以是单电动机的单轴输出或多轴输出。在多轴输出的情形下，电动机的传动输出轴可以经由减速箱210连接至各个柱塞泵。

例如如图18E所示，一台变频调速一体机310与减速箱210的输入端相连，减速箱210有至少2个输出端，各个柱塞泵11连接到减速箱210的相应一个输出端上。柱塞泵11和减速箱210之间也可以采用传动装置相连。例如，减速箱210在其各个输出端可以配备有离合器，以便实现各个输出端的独立控制，藉此还可以实现各个柱塞泵11的快速拆卸和更换。多个柱塞泵11相对于减速箱210的布局可以是按实际需要进行适宜地布置，例如可以沿一体机310的传动输出轴的延伸方向并排着且布置于减速箱210的同一输出侧(如图18E中的(a)所示)，或者可以在与一体机310的传动输出轴的延伸方向垂直的方向上并排着且布置于减速箱210的同一输出侧(如图18E中的(b)所示)，或者可以分置于减速箱210的不同输出侧(如图18E中的(c)所示)。在一体机310或者减速箱210上还可以配有取力口，通过该取力口来带动例如润滑马达6从而为润滑系统提供动力(如图18E中的(c)所示)。

3.3用涡轮机替换电动机的实例

在前面的实施方式及其实施例中已经说明了采用变频调速一体机来驱动压裂设备的示例，但是也可以用涡轮机来替换变频调速一体机，通过把涡轮机跟压裂设备的柱塞泵集成地安装在一起，也能得到高集成度的设备布局。

上面已经示例性地说明了根据本技术的压裂设备，接下来说明该压裂设备在井场中的应用例。

<4.压裂设备的井场布局>

图19示出了根据本发明一个实施例的压裂设备的一种井场布局示例。在该井场布局中，多个压裂设备100各自有自身的低压管汇34，但是它们共用一个高压管汇33。每台压裂设备100输出的高压压裂液进入高压管汇33，通过高压管汇33连接到井口40以注入地层。所有的管汇可以集成于一个管汇撬架上以便于集中地观察和管理。

在一些示例中，如图19所示，井场布局中还包括配液区域70。配液区域70可以包括混配供液设备71、混砂设备72、液罐73、储砂加砂设备74等。在一些情况下，注入到井下的压裂液为携砂液体，所以需要通过将水、砂、化学添加剂混合以使砂粒悬浮在压裂液中。例如，清水和化学添加剂可以在混配供液设备71中混合以形成混配液，混配供液设备71中的混配液以及储砂加砂设备74中的砂共同进入混砂设备72进行混合，形成作业需要的携砂压裂液。由混砂设备72形成的低压压裂液被输送到压裂设备100的进液口，压裂设备100对低压压裂液加压后将其输送到高压管汇33。

例如，混配供液设备71、混砂设备72、储砂加砂设备74等的动力可以来自现场的例如控制柜等供电设备。

在一些示例中，如图19所示，井场布局经常还包括控制室，控制室中设置有集中控制系统以用于控制所有的柱塞泵、变频调速一体机等。

<5.其他变形例>

图20示出了根据本发明一个实施例的将一个整流装置与多个分别集成于电动机上的逆变装置连接的示例。整流装置包括输入端和输出端，逆变装置包括输入端和输出端，整流装置的输出端分别连接到每台逆变装置的输入端，每台逆变装置各自的输出端连接至相应的电动机的输入端子。通过将一个整流装置与多个逆变装置连接，可以减少整流装置的数量，使得井场布局占地更少且更经济。

整流装置可以设置于控制柜中，各逆变装置集成于相应的电动机上。通过仅将逆变装置集成地设置在电动机上，可以进一步减小变频调速一体机的重量，节省变频调速一体机的占据空间，有利于优化变频调速一体机中的电动机和逆变器等装置的布局，或者有利于布置其他装置。由于逆变装置各自集成地设置在相应的电动机上，就不需要每次压裂作业前都要进行逆变装置和电动机的接线，降低了操作复杂度。

例如将图20应用于图19所示的井场布局中，可以将图19中的压裂设备100分为三组，其中两组各自包括三个逆变装置和三个电动机，剩下的一组包括两个逆变装置和两个电动机。每一组配备一个整流装置。藉此，在八个压裂设备100进行作业时，只需要配备三个整流装置即可，由此，显著地减少了整流装置的数量，减少了井场占地面积且降低了费用。需要说明的是，图19中所示的压裂设备100的数量以及图20所示的共用一个整流装置的逆变装置的数量都仅为一个示例，本方面的实施例不限于此。

本发明的各个实施方式或实施例中的装置或者部件可以按需要相互组合或者进行替换，而不是限于前面所说明的具体示例。

本领域技术人员应当理解，可以根据设计要求和其他因素而想到各种变形、组合、子组合和变更，这些都落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (10)

1.由变频调速一体机驱动的压裂设备，包括：

变频调速一体机，其包括用于提供驱动力的驱动装置和集成地安装于所述驱动装置上的整流逆变装置，所述整流逆变装置把从供电系统输入的电力经过变频和/或调压后输出给所述驱动装置；以及

柱塞泵，所述柱塞泵与所述变频调速一体机集成在一个承载架上，所述柱塞泵连接至所述变频调速一体机且由所述变频调速一体机驱动，以将压裂液泵送到地下。

2.如权利要求1所述的压裂设备，还包括：

控制柜，在所述控制柜中设置有辅助变压器，所述辅助变压器把来自所述供电系统的电力经过电压调整后供给到所述压裂设备；

低压管汇，所述压裂液经由所述低压管汇供给到所述柱塞泵内部；

高压管汇，所述压裂液经过所述柱塞泵的运动而增压后通过所述高压管汇排出到所述柱塞泵的外部；和

润滑系统，其包括：用于储存润滑油的润滑油箱；和用于提供润滑油循环的润滑电机及润滑泵组，

其中，所述润滑系统设置在所述变频调速一体机的侧面处。

3.如权利要求2所述的压裂设备，其中，

所述变频调速一体机的壳体与所述柱塞泵的壳体直接通过法兰连接，所述变频调速一体机的所述驱动装置的传动输出轴直接连接到所述柱塞泵的动力输入轴，所述润滑系统给所述柱塞泵的动力端提供润滑，或者

所述变频调速一体机的所述驱动装置的传动输出轴经由变速箱和/或联轴器连接至所述柱塞泵的动力输入轴，并且所述润滑系统包括给所述柱塞泵的动力端提供润滑的高压润滑系统以及给所述变速箱的齿轮等提供润滑的低压润滑系统。

4.如权利要求2或3所述的压裂设备，还包括：

用于所述变频调速一体机的散热系统和/或用于润滑油的散热系统，

其中，用于所述变频调速一体机的所述散热系统设置于所述变频调速一体机的侧面和/或顶部处，用于润滑油的所述散热系统设置于所述柱塞泵的顶部和/或所述变频调速一体机的侧面处。

5.如权利要求4所述的压裂设备，其中

用于所述变频调速一体机的所述散热系统包括用于所述驱动装置的散热系统和用于所述整流逆变装置的散热系统，它们各自是风冷装置和/或冷却液冷却装置。

6.如权利要求5所述的压裂设备，其中

所述冷却液冷却装置和用于润滑油的所述散热系统各自包括卧式散热器、立式散热器或四方散热器。

7.如权利要求1所述的压裂设备，其中

所述整流逆变装置的壳体与所述驱动装置的壳体紧密安装在一起，并且所述整流逆变装置的输出端子直接接入所述驱动装置内部。

8.如权利要求1所述的压裂设备，其中所述整流逆变装置包括：

整流器，它的输入端连接至所述供电系统；和

至少一个逆变器，各所述逆变器的输入端分别连接至所述整流器的输出端，各所述逆变器的输出端分别连接至相应的所述驱动装置。

9.如权利要求1所述的压裂设备，其中

所述供电系统是：市电电网、发电机、储能装置、或者它们中任意二者的组合。

10.如权利要求1至9中任一项所述的压裂设备，还包括：

承载架，其处于所述压裂设备的底部以集成地承载整个所述压裂设备，所述承载架呈橇架、半挂车、或底盘车的形式。

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