.jpg?imageView2/1/format/webp)
أصبح التكسير الكهربائي بديلا مهما للتكسير التقليدي الذي يعمل بالديزل في استخراج النفط والغاز من الصخر الزيتي. مقارنة بالمعدات التي تعمل بالديزل، توفر أنظمة التكسير الكهربائية تحكما أكثر دقة في المضخات، وكثافة طاقة عالية، وفرصا لتقليل استهلاك الوقود والضوضاء والانبعاثات.
ومع ذلك، فإن عمليات التكسير تفرض متطلبات صارمة على مصدر الطاقة ونظام القيادة. التغيرات السريعة في الأحمال، وتقلب ضغط الشفط، وتشغيل المضخة عالية الضغط، ومحدودية الوصول إلى الشبكة كلها يمكن أن تؤثر على موثوقية المعدات.
النظام VFD وتخزين الطاقة للتكسير الكهربائييوفر نهجا متكاملا لهذه التحديات. ينظم محرك التردد المتغير عالي الجهد (VFD) سرعة المحرك وخرج المضخة، بينما يساعد نظام تخزين الطاقة عالي الجهد في الحفاظ على توازن الطاقة ويدعم التشغيل المستقر في التطبيقات التي تكون فيها الشبكة غير متوفرة أو غير كافية.
تدعم تقنيات الإلكترونيات الكهربائية في FGI تطبيقات التكسير الكهربائي من خلال دمج التحكم في المحرك، وتحويل الطاقة، وإدارة الطاقة لبيئات حقول النفط المتطلبة.
يستخدم التكسير الهيدروليكي على نطاق واسع لتحسين إنتاج النفط والغاز الطبيعي من التكوينات تحت الأرض. تتضمن العملية حقن سائل التكسير في البئر عند ضغط ومعدلات تدفق محكومة لخلق شقوق في تكوين الصخور المستهدفة، مما يحسن تدفق الهيدروكربونات.
تشمل العمليات النموذجية الحفر، وتسجيل الآبار، وتقييم الآبار، والتثبيت، والتثقيب، وأخيرا التكسير. خلال مرحلة التكسير، توصل المضخات عالية الضغط السائل باستمرار إلى البئر وفقا لمتطلبات عملية المعالجة.
تعتمد معدات التكسير التقليدية التي تعمل بالديزل على محركات ديزل لتشغيل هذه المضخات. بدلا من ذلك، تستخدم معدات التكسير الكهربائية محركات كهربائية يتم التحكم بها بواسطة محركات ذات تردد متغير.
يقدم نهج القيادة الكهربائية عدة مزايا عملية:
التحكم الدقيق في التدفق والضغط:يمكن ضبط سرعة المحرك لتتناسب مع متطلبات التشغيل المتغيرة.
كثافة الطاقة العالية:يمكن لأنظمة الدفع الكهربائي دعم معدات الضخ عالية الطاقة ضمن قيود المساحة القاسية.
تقليل الانبعاثات المحلية والضوضاء:تلغي المحركات الكهربائية انبعاثات العادم عند نقطة الاستخدام ويمكن أن تقلل من ضوضاء التشغيل مقارنة بالمعدات التي تعمل بالديزل.
تحسين مرونة التشغيل:يمكن تعديل معايير الدفع لتلبية متطلبات الضخ المختلفة.
التكامل مع تخزين الطاقة:يمكن لتخزين طاقة البطارية أن يساعد في موازنة الطلب على الطاقة ودعم استقرار إمدادات الطاقة.
تجعل هذه المزايا التكسير الكهربائي خيارا جذابا لمشغلي حقول النفط الذين يسعون لتحسين كفاءة التشغيل وتكوينات أنظمة طاقة أكثر مرونة.
يعد نظام VFD عالي الجهد مكنا رئيسيا في انزلاق التكسير الكهربائي. وظيفته الأساسية هي تنظيم سرعة وعزم المحرك الكهربائي الذي يدير مضخة المكبس عالية الضغط.
في بنية المحرك المتسلسلة الموضحة في هذا التطبيق، يتم توصيل مصدر الطاقة الوارد بمحول تحويل الطور. توفر عدة لفائف ثانوية حوالي 690 فولت تيار متردد لخلايا الطاقة الفردية. تحتوي كل خلية على مقوم ثلاثي الطور ودائرة تصفية الربط المستمر (DC-link)، تليها مرحلة العاكس.
تتصل خلايا الطاقة على التوالي على جانب الإخراج لتشكيل محرك عالي الجهد متسلسل.
يستخدم هذا الترتيب تقويم متعدد النبضات بتحويل الطور لتحسين خصائص تيار الإدخال. مع n لفائف ثانوية، يكون عدد نبضات التصحيح النظري 6n تحت التكوين المقابل. مقارنة بالمقوم التقليدي بست نبضات، يمكن لنظام متعدد النبضات المصمم بشكل صحيح تقليل توافقيات تيار الدخول.
كما ينتج الناتج المتدرج موجة جهد متدرج يمكنها تقريب شكل موجة جيبي، مما يدعم تشغيل المحرك في التطبيقات عالية الطاقة.
تشمل الاعتبارات الهندسية الرئيسية أداء التوافقي المدخل، جودة الموجة الخارجة، متطلبات عزل المحرك، الإدارة الحرارية، والقدرة على الحفاظ على تشغيل مستقر تحت الأحمال المتغيرة.
قد تستخدم عمليات التكسير الكهربائية عدة مضخات بمتطلبات طاقة مختلفة. لذلك يحتاج نظام الدفع إلى استيعاب ترتيبات محركات مختلفة دون التأثير على مرونة التشغيل.
في تكوين التكسير الكهربائي من فئة 8,000 الموضح في الدراسة الهندسية الأصلية، يدعم ترتيب القيادة وضعين للتشغيل:
التشغيل المستقل:يمكن لوحدة قيادة واحدة تشغيل محركين بقدرة 4,500 كيلوواط، مع مراعاة التكوين التشغيلي وحدود الحمل المحددة.
التشغيل المتوازي:يمكن تشغيل وحدتي دفع بالتوازي لتشغيل محرك بقوة 9,000 كيلوواط، مع دعم تصميم النظام.
يعتمد الترتيب المناسب على تصنيفات المحرك، وطوبولوجيا القيادة، وتكوين التحكم، ومتطلبات التشغيل.
يمكن أن تساعد هذه المرونة المشغلين على تكوين معدات القيادة لتطبيقات الضخ المختلفة وتحسين استخدام المعدات الكهربائية عالية الطاقة.
مضخة المكبس مسؤولة عن توصيل سائل التكسير إلى البئر عند الضغط ومعدل التدفق المطلوبين. حركته المتحركة تسحب السائل إلى غرفة المضخة ثم تفريغه نحو رأس البئر.
عن طريق ضبط سرعة المحرك عبر VFD، يمكن للنظام تنظيم خرج المضخة لتلبية متطلبات العملية المتغيرة.
عمليات التكسير الفعلية نادرا ما تكون ثابتة. قد يتغير ضغط قاع البئر أثناء المعالجة، وقد يتقلب إمداد السوائل من معدات الخلط في المجرى الأعلى، وقد تقلل القيود في أنبوب الشفط من كمية السائل الداخلة إلى المضخة.
يمكن أن تسبب هذه الظروف تغيرات مفاجئة في حمل المحرك. في بعض الحالات، يجب أن يبدأ أو يعمل المحرك أيضا تحت ضغط عملية مرتفع، حسب نظام الضخ وإجراءات التشغيل.
لذا يحتاج VFD مناسب إلى أكثر من مجرد تنظيم السرعة الأساسي. يجب أن يوفر أيضا استجابات تحكم مناسبة لاضطرابات الحمل وظروف العمليات المتغيرة.
يمكن أن يؤدي الانخفاض المفاجئ في الحمل إلى خطر جهد زائد في محرك التردد المتغير.
على سبيل المثال، عندما يصبح إمداد السوائل في الخارج غير كاف، قد تشهد مضخة المكبس انخفاضا سريعا في الحمل. تتغير حالة تشغيل المحرك، وقد تؤدي الطاقة المرتادة إلى وصلة التيار المستمر للمحرك إلى ارتفاع جهد الوصلة المستمرة. إذا تجاوز الجهد عتبة الحماية، قد يتوقف المحرك ويقطع عمليات التكسير.
تساعد وظيفة منع توقف الجهد الزائد في معالجة هذه الحالة.
يراقب نظام التحكم جهد الوصل المستمر لخلايا طاقة الدفع. عندما يقترب الجهد من عتبة مهيأة، يقوم المتحكم بتعديل مناسب لتردد الإخراج للمساعدة في استقرار جهد الوصل المستمر وتجنب انقطاعات الجهد الزائد غير الضرورية.
هذه الوظيفة ذات صلة خاصة في تطبيقات التكسير لأن ظروف إمداد السوائل وأحمال المضخة يمكن أن تتغير بسرعة.
تعتمد فعاليته على تكوين المحرك، وإعدادات المعلمات، وخصائص الحمل، وظروف التشغيل.
يوفر التحكم المتجه طريقة لتنظيم عزم المحرك وسرعته بشكل مستقل من خلال التحكم المنسق في مكونات تيار المحرك.
في بنية التحكم الموصوفة في الدراسة الهندسية، يستخدم النظام حلقة تحكم في السرعة الخارجية وحلقة تحكم داخلية في التيار. تنظم وحدات التحكم PI أخطاء التحكم، بينما يتم تحويل تيارات المحرك ثلاثية الطور المقاسة إلى إطار مرجعي دوار باستخدام تحويلات كلارك وبارك.
يحسب المتحكم أوامر الجهد المطلوبة، والتي يتم تحويلها إلى إشارات تعديل عرض النبضة (PWM) لتشغيل أجهزة طاقة العاكس.
يدعم هذا الهيكل التحكم تشغيل المحرك استجابة تحت ظروف الحمل المتغيرة. كما يسمح للمحرك بتنظيم سرعة المحرك بدقة أكبر من استراتيجية التحكم المفتوحة الأساسية.
بالنسبة للتكسير الكهربائي، الهدف العملي هو الحفاظ على خرج الضخ المطلوب مع الاستجابة لتغيرات ضغط السوائل، وظروف الشفط، وطلب العملية.
يجب اختيار استراتيجية التحكم النهائية بناء على خصائص المحرك، وديناميكيات المضخة، ونطاق التشغيل المطلوب.
غالبا ما تقع موارد النفط والغاز الصخري في الأحواض النائية والمناطق الجبلية حيث قد لا تتوفر شبكة موثوقة.
في هذه المواقع، يمكن لمولدات توربينات الغاز توفير الكهرباء في الموقع باستخدام وقود مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG) أو الغاز الطبيعي المضغوط (CNG)، وذلك حسب تكوين المشروع وبنية الوقود التحتية.
مقارنة بترتيبات مولدات الديزل التقليدية، قد يوفر توليد الطاقة المعتمد على توربينات الغاز مزايا في كثافة الطاقة، وتكوين المعدات، والانبعاثات المحلية. يعتمد الأداء الفعلي على تقنية المولد، والوقود، وظروف التشغيل، ومتطلبات الموقع.
ومع ذلك، يمكن أن تفرض الأحمال التكسرية عالية القدرة متطلبات كبيرة على مصدر طاقة معزول. قد تخلق التغيرات في الطلب على الضخ عدم توافق بين التوليد الفوري والاستهلاك.
يمكن لنظام تخزين الطاقة عالي الجهد أن يساعد في إدارة هذا التفاوت من خلال الشحن عند توفر الطاقة الزائدة وتفريغه عند الحاجة إلى طاقة إضافية، ضمن حدود معدات تحويل البطارية والطاقة.
النظام VFD وتخزين الطاقة للتكسير الكهربائيلذلك يلبي حاجتان تكميليتان: تشغيل المحرك المتحكم به في طرف الضخ وتوازن الطاقة في طرف الإمداد.
يشمل نظام تخزين الطاقة عالي الجهد النموذجي تجميعات البطاريات، ونظام إدارة البطاريات (BMS)، ونظام إدارة الطاقة (EMS)، ونظام تحويل الطاقة (PCS).
نظام البطارية
تستخدم بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFP) بشكل شائع في تطبيقات تخزين الطاقة الثابتة. يتم تجميع عدة خلايا في حزم بطاريات وتجميعها في مجموعات بطاريات لتحقيق الجهد والطاقة المطلوبة.
يعتمد التكوين النهائي للبطارية على تصنيف طاقة المشروع، وسعة الطاقة المطلوبة، ومدة التشغيل، وتصميم السلامة.
نظام إدارة البطاريات (BMS)
يراقب نظام BMS ظروف تشغيل البطارية، بما في ذلك الجهد الكهربائي والتيار ودرجة الحرارة. يساعد في حماية البطارية من ظروف التشغيل غير الطبيعية، مثل الشحن الزائد والتفريغ المفرط، ويدعم مراقبة حالة البطارية وسلامة التشغيل.
نظام إدارة الطاقة (EMS)
تنسق خدمات الطوارئ الكهربائية توليد الطاقة، وتخزين الطاقة، والأحمال الكهربائية. في نظام يحتوي على عدة مولدات أو وحدات تخزين، يمكنه إدارة أوامر الشحن والتفريغ وفقا للطاقة المتاحة، وطلب الحمل، واستراتيجيات التشغيل المكونة.
بالنسبة لنظام طاقة تكسير معزول، قد تصمم استراتيجية التحكم لتنسيق خرج المولد مع طاقة البطارية، مما يساعد في الحفاظ على التوازن بين التوليد والاستهلاك.
نظام تحويل الطاقة (PCS)
يوفر نظام PCS تحويل الطاقة ثنائي الاتجاه بين جانب التيار المستمر للبطارية ونظام الطاقة المتردد. يقوم بتحويل الطاقة التيار المتردد إلى تيار مستمر أثناء الشحن وطاقة التيار المستمر إلى تيار متردد أثناء التفريغ.
يجب مطابقة قدرات تصنيف وتحكم PCS مع استجابة الطاقة المطلوبة، وجهد النظام، وخصائص تشغيل المولد.
يمكن تصميم أنظمة تخزين الطاقة عالية الجهد لمستويات جهد شبكة مختلفة، بما في ذلك 6 كيلوفولت، 10 كيلوفولت، و35 كيلوفولت، حسب التطبيق.
يمكن أن تقدم بنية تخزين الطاقة عالية الجهد المتسلسلة عدة مزايا هندسية:
الاتصال المباشر بناقل عالي الجهد متوافق:يمكن للنظام المناسب الاتصال بدون وجود محول جهد إضافي منفصل بين المحول والناقل المحدد.
تحويل الطاقة المعيارية:يمكن تنسيق خلايا طاقة متعددة لتحقيق جهد خرج وتصنيف الطاقة المطلوبة.
المراقبة والسيطرة على مستوى الخلية:يمكن مراقبة خلايا الطاقة الفردية لدعم إدارة النظام والتعامل مع الأخطاء.
تعديل سريع للقوة:يمكن للمحول الاستجابة لأوامر الطاقة النشطة المتغيرة ضمن حدود التحكم والمعدات.
إمكانية تحسين توفر العمليات:يمكن للتصاميم الاحتياطية أو القادرة على التجاوز أن تساعد في الحفاظ على التشغيل عند حدوث حالة عطل مدعومة.
توزيع الطاقة المنسق:يمكن لجهاز EMS تنسيق مخرجات وحدات تخزين ومولدات متعددة لدعم توازن الطاقة العام.
تعتمد هذه الفوائد على طوبولوجيا النظام الفعلية، وتصميم الحماية، واستراتيجية التحكم، وظروف التشغيل. يجب تقييم متطلبات المحول مقابل البنية الكهربائية الكاملة بدلا من استنتاجها من تصنيف الجهد فقط.
بالنسبة لعمليات التكسير الكهربائي، يؤدي نظام VFD ونظام تخزين الطاقة وظائف مختلفة لكنها مكملة.
ينظم VFD سرعة المحرك وعزم الدوران استجابة لمتطلبات الضخ. يدير نظام تخزين الطاقة التوازن بين التوليد المتاح والطلب على الكهرباء.
عند دمجه مع توليد التوربينات الغازية، يمكن تصميم النظام ككل حول المبادئ التشغيلية التالية:
يزود المولد الطاقة الكهربائية الأساسية لمعدات التكسير.
يقوم جهاز VFD بضبط تشغيل المحرك وفقا لسرعة المضخة المطلوبة، والضغط، وظروف التدفق.
يراقب جهاز EMS توازن الطاقة وينسق شحن وتفريغ البطارية.
يقوم جهاز PCS بتبادل الطاقة بين البطارية ونظام التيار المتردد وفقا لاستراتيجية التحكم المكونة.
تراقب BMS حالة البطاريات وتفرض حدود التشغيل ذات الصلة.
تنسق أنظمة المولد، وVFD، ومحول التخزين، وأنظمة الحماية استجاباتها لتغيرات الحمل وظروف التشغيل غير الطبيعية.
يعتمد تسلسل التحكم المحدد على تصميم المشروع. يجب أخذ تصنيفات الطاقة، سعة طاقة البطارية، معدل المولد، الاستجابة المؤقتة، تنسيق الحماية، والاتصال بالتحكم كلها في الاعتبار أثناء تكامل النظام.
يمكن أن يساعد التكوين المصمم بشكل صحيح في تقليل تأثير تقلبات الأحمال على نظام الطاقة المعزول وتحسين مرونة عمليات التكسير عالية الطاقة.
اختيار نظام VFD وتخزين الطاقة للتكسير الكهربائي يتطلب تقييما لكل من معدات الضخ ومصدر الطاقة.
تشمل الاعتبارات التصميمية المهمة:
| عامل هندسي | الاعتبار الرئيسي |
|---|---|
| تصنيف المحرك | متطلبات الطاقة والجهد والتيار والتشغيل المصنفة |
| نطاق تشغيل المضخة | التدفق والضغط والسرعة وظروف الحمل المؤقت المطلوبة |
| طوبولوجيا VFD | توافقيات الإدخال، الموجة الخارجة، أداء التحكم، والحماية |
| سعة المولد | الإخراج المستمر، الاستجابة المؤقتة، والاحتياطي التشغيلي |
| طاقة تخزين الطاقة | أقصى شحنة وطاقة تفريغ مطلوبة |
| سعة طاقة البطارية | مدة التفريغ المطلوبة واحتياطي الطاقة |
| جهد النظام | التوافق مع المولد وحافلة التوزيع عالية الجهد |
| تنسيق خدمات الطوارئ الطبية | توزيع المولد، أوامر طاقة البطارية، وإدارة الأحمال |
| الحماية والسلامة | الحماية الكهربائية، مراقبة البطارية، الاستجابة للأخطاء، وإيقاف الطوارئ |
| ظروف الموقع | درجة الحرارة المحيطة، الغبار، قيود النقل، الوصول إلى الصيانة، والمتطلبات البيئية |
يجب تحديد تصنيفات الطاقة والطاقة من خلال ملف تحميل الموقع وسيناريوهات التشغيل. قد يحتاج النظام ذو السعة الطاقية الكافية إلى تصنيف طاقة أعلى لإدارة الذروات قصيرة المدة، بينما قد لا تحافظ البطارية عالية القدرة ذات الطاقة غير الكافية على مدة الدعم المطلوبة.
لهذا السبب، يجب أن يقيم التصميم كل من الكيلوواط (kW) أو الميغاواط (MW) والكيلوواط ساعة (kWh) أو الميغاواط ساعة (MWh).
يضع التكسير الكهربائي متطلبات صارمة في التحكم في المحرك، وثبات مصدر الطاقة، وموثوقية المعدات. توفر وحدات VFD عالية الجهد سرعة المحرك والتحكم في عزم الدوران لمضخات المكبس عالية الضغط، بينما يمكن لتخزين الطاقة عالي الجهد أن يدعم توازن الطاقة في المناطق النائية حيث يكون الوصول إلى الشبكة محدودا.
يوفر دمج نظام VFD ونظام تخزين الطاقة للتكسير الكهربائي إطارا عمليا لتنسيق معدات الضخ، والتوليد في الموقع، وتخزين البطاريات. تساهم تقنيات الدفع المتسلسل، والتحكم في المتجهات، ومنع توقف الجهد الزائد، وإدارة البطاريات، وتوزيع الطاقة في تصميم النظام بشكل عام.
بالنسبة لمشغلي حقول النفط ومقاولي الهندسة، يعتمد الحل الأنسب على خصائص المضخة، سعة المولد، الطلب على الطاقة المؤقتة، مدة التخزين، وظروف تشغيل الموقع.
تطور FGI حلول إلكترونيات الطاقة لمحركات المحرك الصناعية وتطبيقات تخزين الطاقة. من خلال مطابقة تقنيات الدفع والتخزين مع متطلبات المشروع، يمكن تصميم أنظمة الطاقة في حقول النفط لدعم التشغيل الأكثر مرونة، وإدارة الطاقة بشكل فعال، والاحتياجات المتطورة للتكسير الكهربائي.
ينظم محرك التردد المتغير سرعة وعزم دوران المحرك الكهربائي الذي يشغل مضخة المكبس عالية الضغط. وهذا يسمح لنظام الضخ بضبط خروجه لتلبية متطلبات العمليات المتغيرة والاستجابة لاضطرابات الأحمال.
يمكن لتخزين الطاقة أن يساعد في تحقيق التوازن بين توليد الكهرباء والطلب، خاصة في المواقع النائية التي لا تتوفر فيها شبكة موثوقة. عند حجمه والتحكم فيه بشكل مناسب، يمكنه توفير طاقة إضافية خلال فترات زيادة الطلب وامتصاص الطاقة الزائدة عند توفرها.
نعم، يمكن لبعض بنى تخزين الطاقة عالية الجهد المتسلسلة الاتصال مباشرة بناقل عالي الجهد متوافق دون الحاجة إلى محول إضافي عند واجهة المحول. تعتمد الجدوى على طوبولوجيا المحول، وتصنيف الجهد، وتصميم العزل، وتكوين النظام الكهربائي بشكل عام.
يراقب نظام BMS حالة البطارية وحدود الحماية. تنسق خدمات الطوارئ الكهربائية توليد الطاقة وتخزينها والطلب على الأحمال. يقوم جهاز PCS بتحويل الطاقة الكهربائية بين جانب التيار المستمر للبطارية ونظام الطاقة المتردد.
تشمل العوامل الرئيسية ذروة الطلب على الطاقة، تقلبات الأحمال، استجابة المولد، مدة التفريغ المطلوبة، الطاقة المتاحة للشحن، حدود تشغيل البطارية، ومستوى الدعم المطلوب من مصدر الطاقة.
يمكن أن يوفر التكسير الكهربائي تحكما أكثر دقة في المحرك، وكثافة طاقة عالية، وتقليل الانبعاثات المحلية للعادم، وتقليل ضوضاء التشغيل. تعتمد الفوائد الاقتصادية والبيئية العامة على الكهرباء أو مصادر الوقود، وكفاءة المعدات، واستخدامها، وظروف الموقع.
تستند هذه المقالة إلى دراسة هندسية لمحركات التردد المتغير وأنظمة تخزين الطاقة عالية الجهد لتطبيقات التكسير الكهربائي بواسطة مهندسين من شركة WindSun Science & Technology Co., Ltd. تعكس التكوينات التقنية الموصوفة الدراسة الأصلية ويجب التحقق منها مقابل تصاميم خاصة بالمشروع قبل التنفيذ الهندسي.
