7000型电驱压裂橇驱动系统研制

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 何海军

1 7000马力型电驱压裂橇驱动系统研制背景

2020年上半年我国能源安全形势依然严峻，为进一步落实“六稳”工作和“六保”任务，保障国家能源安全，国家能源局于2020年6月发布《2020年能源工作指导意见》，当年我国油气产量目标为石油产量约1.93亿吨，天然气产量约1810亿立方米，较2019年均有小幅增长。《2020年能源工作指导意见》指出，要加大油气勘探开发力度，大力提升油气勘探开发力度保障能源安全，狠抓主要目标任务落地，进一步巩固增储上产良好态势。重点做大渤海湾、四川、新疆、鄂尔多斯四大油气上产基地，推动常规天然气产量稳步增加，页岩气、煤层气较快发展。探索湖北宜昌等地区页岩气商业化开发，推动吉木萨尔等页岩油项目开发取得突破。在疫情导致全球经济迟滞的形势下，国内加大勘探开发力度、增储上产的政策为国内钻井设备和相关服务需求增加了确定性。在我国页岩气和深井/超深井勘探开发方面，随着压裂工艺向高水平、大排量、大砂量、高砂比和深井方向发展，国内压裂装备研发也必然会向高压力和大排量方向发展。

由于受到了井场环境和道路交通的影响（转弯直径可小于20m，便于拖车运输），再加上国家对于整车的质量和外形尺寸有严格的要求等，使得车载式压裂车的研发受到了很多的限制，VFD（Variable Frequency Drive 缩写，意思是变频驱动，主要是用来控制交流变频电机。VFD 房是石油油气压裂的核心房体）房集成在集装箱内的模式是未来电驱压裂的主流。为了节约施工面积须提升单机功率，减少了压裂工程作业装备的数量。目前7000马力的电驱压裂泵系统是国内最大功率等级的压裂设备，其主要有10kV 配电系统、VFD 房（输入10kV、输出最大6kV）用于驱动变频电机、变频电机在VFD 房的控制下驱动压裂泵。

2 7000马力型电驱压裂橇驱动系统整体方案

驱动系统包括配电房、变频房、主电机。整体方案为主动力电源由2路10kV 输入，经配电房分为6路10kV 输出给3台变频房，每台变频房输出2路6.6kV 为压裂泵橇的主电机供电，主电机轴端输出转矩、转速，经传动轴驱动压裂泵橇工作。辅助电源从配电房辅助变压器输出，供给变频房、压裂泵橇及混砂橇。设计、制造本着安全、可靠、先进、方便、经济的原则，采用先进、成熟技术，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，运输方便、安装简捷。全部供货设备的部件技术性能配置合理，载荷分布合理、无偏重现象，适应中国各油气田的井场道路公路运输和起吊安装。

2.1 网络拓扑结构

网络拓扑结构以任意一台变频房为中心点，其他设备接入组网，图1以变频房2为例。环型网络拓扑结构以3台变频房和配电房及远程控制箱组成环网，任意一台设备留有远程控制箱接入点供远程控制箱入网，图2以变频房2为例，每台变频房配置2个控制接口，3台变频房共6个接口，对应于配电房内的6个控制接口，主要用于变频房对配电房高压开关柜的合闸、分闸等操作，硬线连接。配电房还配置有PLC 控制系统一套，用于备用对配电房的控制，同时该PLC 控制系统采集配电房内所有数据，留有通讯接口，供用户方便读取房内数据。

图1 星型网络拓扑结构图

图2 环型网络拓扑结构图

2.2 配电房

配电房输入2路10kV 电源，用户接线至进线柜输入接线柱，通过隔离刀闸及真空断路器将高压电源接入10kV 母线，出线柜将10kV 电源经真空断路器及隔离刀闸送入变频房。配电房配置7路10kV 电源出线，其中6路出线为变频房内变压器供电，1路为本系统内1台1800kVA 辅助变压器供电。配电房配置有10kV 分段联络柜，在一路电源因故障或检修退出供电时，可经过分段联络柜由另一路电源为部分主要设备供电，提高供电可靠性。配电房配置2台低压开关柜，其中1台为本系统内辅助设备及变频房内风机、变频控制、压裂泵撬上本地控制箱等设备提供380V/220V 辅助供电；另1台为混砂橇提供720V 供电。

配电房内设一台1800kVA 双变比变压器，输出400V/720V 辅助供电。配电房内低压开关柜实现系统辅助电源的分配、控制和保护，满足配电房自身供电、风机或空调等辅助供电。高压开关柜用以实现10kV 电源分配，由13个高压开关柜模块组成。

2.3 变频房

变频房将引自配电房的10kV 高压电源送入6500kVA 变压器，降压为6×3×1920VAC，为变频器提供输入电压。变频房内配置一台低压开关柜，将配电房供给的辅助电源分配给风机、变频控制、压裂泵撬上的本地控制箱等设备，提供380V/220V供电。每台变频房辅助电源容量不少于400kVA。变频房内配置2台变频器，可驱动2台压裂泵橇的主电机，为压裂泵提供动力。用户自行配置压裂泵橇上的本地控制箱及远程控制箱，实时对电机驱动装置进行远程监控和操作，实现压裂泵的无级调速控制。

高压移相变压器将引自配电房的10kV 高压电源为变频器提供输入电压。变频房内设低压开关柜，实现系统辅助电源的分配、控制和保护，以及满足电控房自身供电、电机风机和空调等辅助供电。符合GB/T 7251.8标准的要求，柜壳防护等级为IP20。低压开关柜主要包括辅助供配电断路器、各种显示仪器仪表等。在400V 低压开关柜内布置一台UPS，400VAC 输入，230VAC 输出四路，为两个变频器控制和两处压裂泵橇控制箱提供电源。

2.4 主电机

主电机采用异步电动机结构、卧式安装，轴端采用可伸缩十字万向传动轴刚性直接联接。主电机采用进口滚动轴承并具有防止轴电流措施。每个轴承上设置1个Pt100铂热电阻(三线制)引接至测温接线盒，提供远传信号。主电机定子绕组埋置Pt100铂热电阻(三线制)6支，每相2支，3支工作、3支备用，并接至测温接线盒。主电机带有防冷凝空间加热器，电压220VAC。

3 系统保护

变压器保护：变压器绕组温度信号接入PLC 对温度进行监控和保护，在变频房PLC 柜上可设置2级报警温度值，超过设定值给出报警预警或停机。变压器室柜门设置门控开关对变压器室柜门状态实时监控，如变压器带电打开柜门整个变频房会自动断开10kV 高压电源，确保人员不误入带电间隔；配电柜保护：10kV 配电柜满足五防要求，同时配备微机保护、三段式电流保护、低电压保护、PT 断线报警、CT 断线报警、过负荷报警等功能。

变频器过电流过电压保护：自动电压调整。当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定；电流抑制。负载变化时变频器可自动限制输出电流大小，防止过流跳闸；快速限流功能。最大限度减小过流故障，保护变频器正常运行；动态过压抑制。运行频率变化时自动抑制能量回馈大小，防止母线过压跳闸；振荡抑制。优化V/F 振荡抑制算法，实现V/F 稳定运行；瞬停不停。瞬时停电时通过电机自动减速补偿电压降落，维持变频器短时间内继续运行。

总体保护：整个变频房具有欠压保护、过压保护、短路保护、缺相保护、瞬时断电保护、接地故障保护、过载保护、堵转保护、电机过温保护、通信故障保护、功率器件的过热保护、操作程序互锁、防雷保护、接地保护等，保护性能符合产品标准的规定。

综上，现场使用结果证明本电驱压裂设备拥有更高的稳定性，并拥有更好的节能性。电驱动压裂系统采用高压变频调速电动机，降低了常规压裂车换挡冲击，流量调节平稳、能降低对压裂泵传动部件的冲击、延长压裂泵使用寿命，智能化作业水平高。与柴油驱动、液压驱动压裂装备相比，电驱压裂装备在设备采购投资、能源消耗费用、污染物排放等方面具有明显优势。本设备移运性强、压裂井场布置灵活方便的优势，因此具有良好市场推广前景。