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A fraturação elétrica está se tornando uma alternativa importante à fraturação convencional movida a diesel na extração de óleo e gás de xisto. Comparados aos equipamentos movidos a diesel, os sistemas de fraturamento elétrico oferecem controle da bomba mais preciso, alta densidade de potência e oportunidades para reduzir o consumo de combustível, o ruído e as emissões.
No entanto, operações de fraturamento impõem exigências exigentes para a fonte de energia e o sistema de acionamento. Mudanças rápidas de carga, pressão de sucção variável, operação da bomba em alta pressão e acesso limitado à rede podem afetar a confiabilidade dos equipamentos.
OVFD e sistema de armazenamento de energia para fraturamento elétricooferece uma abordagem integrada para esses desafios. Um acionamento de frequência variável (VFD) de alta tensão regula a velocidade do motor e a saída da bomba, enquanto um sistema de armazenamento de energia de alta tensão ajuda a manter o equilíbrio de potência e apoia operação estável em aplicações onde a rede não está disponível ou é suficiente.
As tecnologias de eletrônica de potência da FGI apoiam aplicações de fraturamento elétrico combinando controle de motores, conversão de energia e gerenciamento de energia para ambientes exigentes de campos petrolíferos.
A fraturação hidráulica é amplamente utilizada para melhorar a produção de petróleo e gás natural a partir de formações subterrâneas. O processo envolve a injeção de fluido de fraturação em um poço sob pressão e vazão controladas para criar fraturas na formação rochosa alvo, melhorando o fluxo de hidrocarbonetos.
Uma operação típica envolve perfuração, registro de poços, avaliação de poços, cimentação, perfuração e, finalmente, fraturação. Durante a fase de fraturação, bombas de alta pressão entregam fluido continuamente ao poço, de acordo com os requisitos do processo de tratamento.
Equipamentos tradicionais de fraturamento movidos a diesel dependem de motores diesel para alimentar essas bombas. Equipamentos de fraturamento elétrico, por sua vez, utilizam motores elétricos controlados por acionamentos de frequência variável.
A abordagem de acionamento elétrico oferece várias vantagens práticas:
Controle preciso de fluxo e pressão:A velocidade do motor pode ser ajustada para se adequar às necessidades operacionais em constante mudança.
Alta densidade de potência:Sistemas de acionamento elétrico podem suportar equipamentos de bombeamento de alta potência dentro de restrições de espaço exigentes.
Redução de emissões e ruído locais:Motores elétricos eliminam as emissões de escapamento no ponto de uso e podem reduzir o ruído de operação em comparação com equipamentos movidos a diesel.
Flexibilidade operacional aprimorada:Os parâmetros de acionamento podem ser ajustados para acomodar diferentes necessidades de bombeamento.
Integração com armazenamento de energia:O armazenamento de energia em baterias pode ajudar a equilibrar a demanda de energia e apoiar a estabilidade do fornecimento de energia.
Essas vantagens tornam a fraturação elétrica uma opção atraente para operadores de campos petrolíferos que buscam maior eficiência operacional e configurações de sistemas de energia mais flexíveis.
O sistema VFD de alta tensão é um componente chave de um skid de fraturação elétrica. Sua função principal é regular a velocidade e o torque do motor elétrico que aciona a bomba de êmbolo de alta pressão.
Na arquitetura de acionamento em cascata descrita nesta aplicação, a fonte de alimentação de entrada é conectada a um transformador de deslocamento de fase. Múltiplos enrolamentos secundários fornecem aproximadamente 690 V AC para células de energia individuais. Cada célula contém um retificador trifásico e um circuito de filtragem DC-link, seguido por um estágio inversor.
As células de energia são conectadas em série no lado de saída para formar uma unidade de alta tensão em cascata.
Esse arranjo utiliza retificação multi-pulso deslocada em fase para melhorar as características da corrente de entrada. Com n enrolamentos secundários, a contagem teórica de pulsos de retificação é 6n sob a configuração correspondente. Comparado a um retificador convencional de seis pulsos, um sistema multi-pulso bem projetado pode reduzir os harmônicos da corrente de entrada.
A saída em cascata também produz uma forma de onda de tensão escalonada que pode aproximar uma forma de onda sinusoidal, apoiando o funcionamento do motor em aplicações de alta potência.
Considerações de engenharia chave incluem desempenho harmônico de entrada, qualidade da forma de onda de saída, requisitos de isolamento do motor, gerenciamento térmico e a capacidade de manter operação estável sob cargas variáveis.
Operações de fraturamento elétrico podem usar múltiplos patins de bomba com diferentes requisitos de potência. Portanto, o sistema de acionamento precisa acomodar diferentes arranjos de motores sem comprometer a flexibilidade operacional.
Na configuração de fraturação elétrica da classe 8.000 descrita no estudo de engenharia original, o arranjo de acionamento suporta dois modos de operação:
Operação independente:Uma unidade de acionamento pode operar dois motores de 4.500 kW, sujeitos à configuração operacional e aos limites de carga especificados.
Operação paralela:Duas unidades de acionamento podem ser operadas em paralelo para acionar um motor de 9.000 kW, quando suportado pelo projeto do sistema.
A disposição adequada depende das potências do motor, topologia do acionamento, configuração de controle e requisitos operacionais.
Essa flexibilidade pode ajudar os operadores a configurar equipamentos de acionamento para diferentes aplicações de bombeamento e melhorar a utilização de equipamentos elétricos de alta potência.
A bomba de êmbolo é responsável por entregar o fluido de fraturação ao poço na pressão e vazão necessárias. Seu movimento reciprocante puxa fluido para dentro da câmara da bomba e depois o libera em direção à cabeça do poço.
Ao ajustar a velocidade do motor por meio de um VFD, o sistema pode regular a saída da bomba para atender aos requisitos do processo em constante mudança.
Operações reais de fraturamento raramente são constantes. A pressão no fundo do poço pode mudar durante o tratamento, o fornecimento de fluido do equipamento de mistura a montante pode oscilar, e restrições no duto de sucção podem reduzir a quantidade de fluido que entra na bomba.
Essas condições podem causar mudanças súbitas na carga do motor. Em alguns casos, o acionamento também deve iniciar ou operar sob pressão elevada do processo, dependendo do sistema de bombeamento e do procedimento operacional.
Portanto, um VFD adequado precisa de mais do que apenas regulação básica da velocidade. Também deve fornecer respostas de controle adequadas a perturbações de carga e mudanças nas condições do processo.
A redução súbita de carga pode criar risco de sobretensão em um acionamento de frequência variável.
Por exemplo, quando o fornecimento de fluido a montante se torna insuficiente, a bomba de êmbolo pode experimentar uma rápida diminuição da carga. As condições de operação do motor mudam, e a energia retornada ao link DC do acionamento pode fazer a tensão do link DC aumentar. Se a tensão exceder o limite de proteção, o drive pode desarmar e interromper as operações de fraturação.
A função de prevenção de estol de sobretensão ajuda a resolver essa condição.
O sistema de controle monitora a tensão do link DC das células de potência do acionamento. Quando a tensão se aproxima de um limiar configurado, o controlador faz um ajuste apropriado na frequência de saída para ajudar a estabilizar a tensão do link DC e evitar disparos desnecessários de sobretensão.
Essa função é particularmente relevante para aplicações de fraturação porque as condições de fornecimento de fluido e as cargas da bomba podem mudar rapidamente.
Sua eficácia depende da configuração do acionamento, configurações de parâmetros, características de carga e condições de comissionamento.
O controle vetorial fornece um método para regular o torque e a velocidade do motor de forma independente, por meio do controle coordenado dos componentes de corrente do motor.
Na arquitetura de controle descrita no estudo de engenharia, o sistema utiliza um circuito externo de controle de velocidade e um circuito interno de controle de corrente. Controladores PI regulam os erros de controle, enquanto as correntes trifásicas medidas dos motores são transformadas em um referencial rotativo usando transformações de Clarke e Park.
O controlador calcula os comandos de tensão necessários, que são convertidos em sinais de modulação de largura de pulso (PWM) para acionar os dispositivos de energia do inversor.
Essa estrutura de controle suporta a operação responsiva do motor sob condições de carga variáveis. Também permite que o acionamento regule a velocidade do motor com mais precisão do que uma estratégia básica de controle em malha aberta.
Para fraturamento elétrico, o objetivo prático é manter a potência de bombeamento necessária enquanto responde a variações na pressão do fluido, condições de sucção e demanda do processo.
A estratégia final de controle deve ser selecionada de acordo com as características do motor, dinâmica da bomba e o envelope operacional necessário.
Os recursos de petróleo e gás de xisto frequentemente estão localizados em bacias remotas e regiões montanhosas onde pode não haver uma conexão confiável à rede.
Nesses locais, geradores de turbinas a gás podem fornecer eletricidade no local, utilizando combustíveis como gás natural liquefeito (GNL) ou gás natural comprimido (GNV), dependendo da configuração do projeto e da infraestrutura de combustível.
Comparado aos arranjos convencionais de geradores a diesel, a geração de energia baseada em turbinas a gás pode oferecer vantagens em densidade de potência, configuração de equipamentos e emissões locais. O desempenho real depende da tecnologia do gerador, combustível, condições de operação e requisitos do local.
No entanto, cargas de fraturamento de alta potência podem impor demandas consideráveis sobre uma fonte de energia isolada. Mudanças na demanda por bombeamento podem criar um descompasso entre geração instantânea e consumo.
Um sistema de armazenamento de energia de alta tensão pode ajudar a gerenciar esse descompasso carregando quando há energia excedente disponível e descarregando quando for necessário mais energia, dentro dos limites da bateria e do equipamento de conversão de energia.
OVFD e sistema de armazenamento de energia para fraturamento elétricoportanto, atende a duas necessidades complementares: operação controlada do motor na extremidade de bombeamento e balanceamento de potência na extremidade da fonte.
Um sistema típico de armazenamento de energia de alta voltagem inclui conjuntos de baterias, um sistema de gerenciamento de baterias (BMS), um sistema de gerenciamento de energia (EMS) e um sistema de conversão de energia (PCS).
Sistema de bateria
Baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP) são comumente usadas em aplicações de armazenamento estacionário de energia. Múltiplas células são montadas em pacotes de baterias e agrupadas em clusters de baterias para alcançar a voltagem e capacidade energética necessárias.
A configuração final da bateria depende da potência nominal do projeto, capacidade energética necessária, duração de operação e projeto de segurança.
Sistema de Gerenciamento de Baterias (BMS)
O BMS monitora as condições de funcionamento da bateria, incluindo tensão, corrente e temperatura. Ele ajuda a proteger a bateria contra condições anormais de operação, como sobrecarga e descarga excessiva, além de apoiar o monitoramento do status da bateria e a segurança operacional.
Sistema de Gestão de Energia (EMS)
O EMS coordena a geração de energia, o armazenamento de energia e as cargas elétricas. Em um sistema com múltiplos geradores ou unidades de armazenamento, ele pode gerenciar comandos de carregamento e descarga de acordo com a energia disponível, demanda de carga e estratégias operacionais configuradas.
Para um sistema de energia isolado de fraturação, a estratégia de controle pode ser projetada para coordenar a saída do gerador com a energia da bateria, ajudando a manter o equilíbrio entre geração e consumo.
Sistema de Conversão de Energia (PCS)
O PCS fornece conversão bidirecional de energia entre o lado DC da bateria e o sistema de energia AC. Ele converte a energia AC em DC durante o carregamento e a energia DC em AC durante a descarga.
A classificação e as capacidades de controle do PCS devem ser ajustadas à resposta de potência requerida, tensão do sistema e características de operação do gerador.
Sistemas de armazenamento de energia de alta tensão podem ser projetados para diferentes níveis de tensão na rede, incluindo 6 kV, 10 kV e 35 kV, dependendo da aplicação.
Uma arquitetura de armazenamento de energia em alta tensão em cascata pode oferecer várias vantagens de engenharia:
Conexão direta a um barramento de alta tensão compatível:Um sistema adequado pode se conectar sem um transformador de tensão separado entre o conversor e o barramento especificado.
Conversão modular de energia:Múltiplas células de energia podem ser coordenadas para alcançar a tensão de saída e a potência nominal necessárias.
Monitoramento e controle em nível celular:Células de energia individuais podem ser monitoradas para apoiar o gerenciamento do sistema e o manejo de falhas.
Ajuste rápido de potência:O conversor pode responder a comandos de potência ativa variáveis dentro de seus limites de controle e equipamento.
Disponibilidade operacional potencialmente melhorada:Projetos redundantes ou capazes de bypass podem ajudar a manter a operação quando ocorre uma condição de falha suportada.
Despacho coordenado de energia:O EMS pode coordenar a saída de múltiplas unidades de armazenamento e geradores para suportar o balanço geral de potência.
Esses benefícios dependem da topologia real do sistema, do projeto de proteção, da estratégia de controle e das condições operacionais. Os requisitos do transformador devem ser avaliados em relação à arquitetura elétrica completa, e não inferidos apenas a partir da tensão nominal.
Para operações de fraturamento elétrico, o VFD e o sistema de armazenamento de energia desempenham funções diferentes, mas complementares.
O VFD regula a velocidade e o torque do motor em resposta às necessidades de bombeamento. O sistema de armazenamento de energia gerencia o equilíbrio entre a geração disponível e a demanda elétrica.
Quando integrado à geração de turbinas a gás, o sistema como um todo pode ser projetado com base nos seguintes princípios de operação:
O gerador fornece a energia elétrica primária para o equipamento de fraturação.
O VFD ajusta o funcionamento do motor de acordo com a velocidade, pressão e condições de fluxo necessárias da bomba.
O EMS monitora o balanço de energia e coordena o carregamento e descarga da bateria.
O PCS troca energia entre a bateria e o sistema AC de acordo com a estratégia de controle configurada.
O BMS monitora as condições das baterias e aplica os limites operacionais relevantes.
O gerador, VFD, conversor de armazenamento e sistemas de proteção coordenam suas respostas a mudanças de carga e condições operacionais anormais.
A sequência específica de controle depende do projeto do projeto. Classificações de potência, capacidade de energia da bateria, taxa de rampa do gerador, resposta transitória, coordenação de proteção e comunicação de controle devem ser consideradas durante a integração do sistema.
Uma configuração devidamente projetada pode ajudar a reduzir o impacto das flutuações de carga no sistema de energia isolado e melhorar a flexibilidade das operações de fraturamento de alta potência.
Selecionar um VFD e um sistema de armazenamento de energia para fraturação elétrica requer uma avaliação tanto do equipamento de bombeamento quanto da fonte de energia.
Considerações importantes de design incluem:
| Fator de engenharia | Consideração chave |
|---|---|
| Classificação do motor | Potência, tensão, corrente e requisitos de partida nominal |
| Faixa de operação da bomba | Condições exigidas de fluxo, pressão, velocidade e carga transitória |
| Topologia VFD | Harmônicos de entrada, forma de onda de saída, desempenho de controle e proteção |
| Capacidade do gerador | Saída contínua, resposta transitória e reserva operacional |
| Energia de armazenamento de energia | Carga máxima e potência de descarga necessária |
| Capacidade de energia da bateria | Duração necessária da descarga e reserva de energia |
| Tensão do sistema | Compatibilidade com o gerador e o barramento de distribuição de alta tensão |
| Coordenação de EMS | Despacho de geradores, comandos de energia de bateria e gerenciamento de carga |
| Proteção e segurança | Proteção elétrica, monitoramento da bateria, resposta a falhas e desligamento de emergência |
| Condições do local | Temperatura ambiente, poeira, limitações de transporte, acesso à manutenção e requisitos ambientais |
As classificações de potência e energia devem ser determinadas a partir do perfil de carga do local e dos cenários operacionais. Um sistema com capacidade energética suficiente ainda pode exigir uma potência mais alta para gerenciar picos de curta duração, enquanto uma bateria de alta potência com capacidade energética insuficiente pode não sustentar a duração de suporte necessária.
Por esse motivo, o projeto deve avaliar tanto quilowatts (kW) quanto megawatts (MW) e quilowatt-hora (kWh) ou megawatt-hora (MWh).
A fraturação elétrica impõe exigências exigentes quanto ao controle do motor, estabilidade da fonte de alimentação e confiabilidade do equipamento. VFDs de alta tensão fornecem controle ajustável de velocidade do motor e torque para bombas de êmbolo de alta pressão, enquanto armazenamento de energia de alta tensão pode suportar o balanceamento de energia em locais remotos onde o acesso à rede é limitado.
A integração de um VFD e um sistema de armazenamento de energia para fraturamento elétrico oferece uma estrutura prática para coordenar equipamentos de bombeamento, geração no local e armazenamento em baterias. A tecnologia de acionamento em cascata, controle vetorial, prevenção de estol de sobretensão, gerenciamento de baterias e despacho de energia contribuem para o design geral do sistema.
Para operadores de campos petrolíferos e empreiteiros de engenharia, a solução mais adequada depende das características da bomba, capacidade do gerador, demanda transitória de energia, duração de armazenamento e condições de operação do local.
A FGI desenvolve soluções de eletrônica de potência para acionamentos industriais de motores e aplicações de armazenamento de energia. Ao combinar as tecnologias de acionamento e armazenamento aos requisitos do projeto, os sistemas de energia dos campos petrolíferos podem ser projetados para suportar uma operação mais flexível, gestão eficaz de energia e as necessidades em evolução da fraturação elétrica.
Um acionamento de frequência variável regula a velocidade e o torque do motor elétrico que aciona uma bomba de êmbolo de alta pressão. Isso permite que o sistema de bombeamento ajuste sua saída aos requisitos do processo em constante mudança e responda a perturbações de carga.
O armazenamento de energia pode ajudar a equilibrar a geração e a demanda de eletricidade, especialmente em locais remotos sem uma conexão confiável à rede. Quando dimensionada e controlada adequadamente, pode fornecer energia adicional durante períodos de maior demanda e absorver energia excedente quando disponível.
Sim, certas arquiteturas de armazenamento de energia de alta tensão em cascata podem se conectar diretamente a um barramento de alta tensão compatível sem um transformador elevador adicional na interface do conversor. A viabilidade depende da topologia do conversor, classificação de tensão, projeto de isolamento e configuração geral do sistema elétrico.
O BMS monitora a condição da bateria e os limites de proteção. O EMS coordena a geração de energia, armazenamento e demanda de carga. O PCS converte a energia elétrica entre o lado DC da bateria e o sistema de energia AC.
Os principais fatores incluem demanda de pico de energia, flutuações de carga, resposta do gerador, duração necessária de descarga, potência de carregamento disponível, limites de funcionamento da bateria e o nível desejado de suporte de fornecimento de energia.
A fraturação elétrica pode oferecer controle de motor mais preciso, alta densidade de potência, redução das emissões locais de escape e menor ruído de operação. Os benefícios econômicos e ambientais gerais dependem de eletricidade ou fontes de combustível, eficiência dos equipamentos, utilização e condições do local.
Este artigo é baseado no estudo de engenharia de variações de frequência e sistemas de armazenamento de energia de alta tensão para aplicações de fraturamento elétrico, realizado por engenheiros da WindSun Science & Technology Co., Ltd. As configurações técnicas descritas refletem o estudo original e devem ser validadas com base em projetos específicos de projeto antes da implementação da engenharia.
