包括具有直联式发电机的移动发电子系统的水力压裂系统
阅读说明：本技术 包括具有直联式发电机的移动发电子系统的水力压裂系统 (Hydraulic fracturing system including mobile power generation subsystem with direct-coupled generator ) 是由 达利亚·埃尔塔维 阿尔温德·斯里拉曼 林恩·惠特克拉夫特 于 2019-07-16 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于水力压裂的系统。发电机(22)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(24)。因此,发电机(22)可以以相对高的速度运行,并且可以涉及最先进的电动技术,发电机例如可以包括开关磁阻发电机(SRG)、同步磁阻发电机(SynRG)或永磁发电机(PMG)。电力电路(30)可以被布置成接收由发电机(22)生成的电力,并且可以电连接至电力总线(32)。燃气涡轮发动机(24)、发电机(22)和电力电子电路(30)可以各自分别安装到发电移动平台(34)上,并且组合地构成移动发电子系统(20),该移动发电子系统可以可操作地与移动的或其他方式的一个或更多个水力压裂子系统(50)组合布置,水力压裂子系统可以类似地利用这样的电动技术以用于马达驱动目的。(A system for hydraulic fracturing is provided. The generator (22) is directly coupled to the gas turbine engine (24) without a rotational speed reduction device. The generator (22) may thus operate at relatively high speeds and may involve state of the art electrodynamic technology, and may for example comprise a Switched Reluctance Generator (SRG), a synchronous reluctance generator (SynRG) or a Permanent Magnet Generator (PMG). The power circuit (30) may be arranged to receive power generated by the generator (22) and may be electrically connected to the power bus (32). The gas turbine engine (24), generator (22), and power electronics circuit (30) may each be mounted separately to a power generating mobile platform (34) and in combination constitute a mobile power generation subsystem (20) that may be operably arranged in combination with one or more mobile or otherwise hydraulic fracturing subsystems (50) that may similarly utilize such electrokinetic techniques for motor drive purposes.)
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水力压裂领域，并且更具体地涉及用于水力压裂的系统，并且甚至更具体地涉及包括使用直联式发电机的移动发电子系统的用于水力压裂的系统。也就是说，发电机在没有转速降低装置的情况下机械联接至燃气涡轮发动机。
2.相关技术的描述
水力压裂是用于促进油气井生产的工艺。水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，该流体使地层破裂并且产生裂缝。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。
某些已知的水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。由于这些大型柴油发动机动力泵的尺寸和重量，可能难以将其在站点之间运输，并且同样地(如果不是更多的话)难以在遥远且未开发的井场中对其进行移动或定位，该井场可能不容易获得铺砌道路和操作空间。此外，这些大型柴油发动机动力泵需要大型燃料储罐，这些大型燃料储罐还必须被运输到井场。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趋于相对低。
为了试图减少柴油发动机动力压裂泵系统所涉及的一些困难，已经提出了某些电驱动水力压裂系统。有关涉及电动液压系统的一种方法的示例，请参见国际公开WO 2018/071738 A1。
发明内容
所公开的实施方式涉及一种用于水力压裂的系统。该系统可以包括：燃气涡轮发动机；发电机，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；以及电力电路，其被布置成接收由发电机生成的电力并且能够电连接至电力总线。燃气涡轮发动机、发电机和电力电子电路可以各自分别安装到发电移动平台上，并且组合地构成移动发电子系统。
附图说明
图1示出了所公开的移动发电子系统的一个非限制性实施方式的框图，所公开的移动发电子系统可以包括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的发电机。
图2示出了其中移动发电子系统中的发电机可以是开关磁阻发电机的所公开系统的一个非限制性实施方式的框图；并且还示出了可以可操作地与移动发电子系统组合布置的移动或其他方式的所公开的水力压裂子系统的一个非限制性示例。
图3示出了其中移动发电子系统可以如图2所示的所公开的系统的另一非限制性实施方式的框图；并且还示出了移动的或其他方式的所公开的水力压裂子系统的另一非限制性示例。
图4示出了其中发电子系统中的发电机可以是永磁发电机的所公开的系统的一个非限制性实施方式的框图；并且还示出了移动的或其他方式的水力压裂子系统的又一非限制性示例。
图5示出了如下所公开的系统的一个非限制性实施方式的框图，该所公开的系统可以包括包含所公开的水力压裂子系统作为构建块的可扩展的水力压裂系统并且还可以包括包含所公开的发电子系统作为构建块的可扩展的发电系统。
具体实施方式
本发明人已经认识到用于水力压裂的某些现有技术系统可以包括经机械连接以经由减速齿轮箱使同步发电机旋转的燃气涡轮发动机。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。
发明人还认识到，包括齿轮箱的这些现有技术系统可能存在某些缺点。例如，齿轮箱在它们各自的寿命期间可能需要若干次昂贵的检修，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维修。例如，在齿轮箱中可以包括的多个轮和轴承可能在经受高水平应力的情况下是可操作的，并且甚至齿轮箱中的单个部件的故障可能潜在地使发电停止，并且进而可能造成在水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。
至少鉴于这样的认识，所公开的实施方式制定了与用于水力压裂的系统结合的创新的方法。该方法有效地从所涉及的涡轮机械中去除了齿轮箱，从而消除了该系统的技术上复杂的部件，并且因此提高了系统的总体可靠性。
非限制性地，所公开的实施方式可以采用可以涉及最先进的电动技术(例如可以包括开关磁阻发电机(SRG)、同步磁阻发电机(SynRG)、永磁发电机(PMG)、由轻质材料制成的同步感应发电机以及其他技术)的高速直驱发电机，其使得与发电应用(例如约10MW的量级)中涉及的传统的标准发电机转速相比，发电机转子能够以相对较高的速度可靠地旋转，从而使发电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水力压裂应用中获得的有限占用面积。
可以在所公开的实施方式中使用的高速发电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)、以及用于多个电压电平生成的共用转子轴上的单芯或多芯。取决于给定应用的需要，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SRG)所生成的DC电力的情况下。
取决于所生成的电力的性质，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)(例如在利用开关磁阻电机(SRM)的实施方式中)。如上所述，从最先进的电动技术获得的优点可以延伸到驱动利用负载的电动马达(例如一个或更多个水力压裂泵)。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。
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，本发明的方面不限于所公开的实施方式，并且本发明的方面可以在各种替选实施方式中实践。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，除非另有说明，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，也不应当被解释为暗示这些操作时顺序相关的。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求对此类公开的实施方式的各方面进行适当地组合。
图1示出了所公开的移动发电子系统20的一个非限制性实施方式的框图，该移动发电子系统20可以包括发电机22，其例如但不限于在没有转速降低装置的情况下具有联接至燃气涡轮发动机24的主轴28的转子轴26。在没有限制的情况下，这种结构和/或操作关系在本领域中可以被称为涉及高速发电机、直联式发电机、直驱发电机或无齿轮联接发电机。
在一个非限制性实施方式中，电子电路30可以被布置成接收由发电机22生成的电力。如下文更详细描述的，电力电路30可以电连接至电力总线32。在一个非限制性实施方式中，燃气涡轮发动机24、发电机22和电力电路30可以各自分别安装到相应的移动发电平台34(例如，单一移动平台)上，该移动发电平台34可以推进自身(例如，自推进移动平台)；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式移动发电系统。应当理解，该独立式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，可以将移动发电子系统20的前述部件中的每一个分别安装到移动发电平台34上，使得移动发电子系统20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34可以表示单独的自推进车辆，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。如上所述，移动发电平台34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24可以是(但不是必须是)航空衍生燃气涡轮发动机，例如可以从西门子获得的SGT-A05型航空衍生燃气涡轮发动机。航空衍生燃气轮机具有若干优点，这些优点在移动的压裂应用中可能是特别有益的。在没有限制的情况下，与同等工业燃气轮机相比，航空衍生燃气轮机重量相对更轻并且相对更紧凑，这在移动的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24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。
图2示出了用于水力压裂的、例如可以包括移动发电子系统20’和移动水力压裂子系统50的所公开的系统10的一个非限制性实施方式的框图。在一个非限制性实施方式中，移动发电子系统20’中的发电机(例如，高速直驱发电机)可以是但不限于开关磁阻发电机22’，开关磁阻发电机22’可以由控制器36使用将容易地在本领域技术人员的知识范围内的标准控制技术来控制。
在没有限制的情况下，在该非限制性实施方式中，所生成的电力可以是DC电力并且电力电路可以包括DC断路器(CB)30’，该DC断路器30’被布置成接收由开关磁阻发电机22’生成的DC电力。在该非限制性实施方式中，DC电力断路器30’可以电连接到的电力总线将是DC电力总线32’。可以使用的DC断路器30’的一个非限制性示例可以是可以从西门子获得的DC开关设备。应当理解，所公开的实施方式不限于任何特定型号的DC断路器30’。
特别是当开关磁阻机械在马达驱动模式下运行时，其吸引力在技术文献中有充分记载；当这种机械在发电模式下运行时，其吸引力在技术文献中记载较少。然而，由于开关磁阻机械的几何结构的简单性和优点(例如鲁棒性、能够在宽速度范围内运行以及转子上没有永磁体和绕组)，开关磁阻发电机(SRG)被认为为水力压裂应用提供了特别有前景的发展。
下面是SRG的有吸引力的特征的非限制性示例，申请人已经认识到这些有吸引力的特征对于通过所公开的用于水力压裂的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；
·能够在高速和高温下可靠地运行，因为例如转子可以用作定子的冷却源；
·相对高的可靠性，因为例如每个相在电和磁上彼此独立。
对于期望更多背景信息的读者，参见例如题为如下的技术论文：“Stateof theArt of Switched Reluctance Generator”,A.Arifin,I.Al-Bahadly,S.C.Mukhopadhyay，能源与动力工程出版，2012,4,447-458,2012科学研究。
现在将进行下面的描述以描述图2中所示的可以在水力压裂子系统50中使用的部件。在该非限制性实施方式中，变频驱动器(VFD)52可以被电联接以从DC电力总线32’接收电力。VFD 52可以具有可以基于给定应用的需要而适配的模块化构造。例如，由于在该实施方式中VFD 52连接至DC电力总线32’，VFD将不包括电力整流器模块。
电动马达54(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 52电驱动。一个或更多个液压泵56可以由电动马达54驱动以递送加压压裂流体(由箭头58示意性地表示)，加压压裂流体例如可以被输送至井口以通过井的井眼被输送到给定地质地层中。如上所述，VFD52的模块化构造可以使得能够基于电动马达54的额定功率并且进而基于由电动马达54驱动的一个或更多个液压泵56的额定功率来选择性地缩放VFD 52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。
在一个非限制性实施方式中，VFD 52、电动马达54和液压泵56可以布置在相应的移动平台60(例如单一移动平台)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相应的移动平台60上。移动平台60的结构和/或操作特征可以是如以上在移动发电平台34的上下文中所描述的。因此，可以将移动水力压裂子系统50从一个物理位置运输到另一物理位置。
图3示出了所公开的系统10的另一非限制性实施方式的框图，其中移动发电子系统20’(如以上在图2的上下文中所描述的)可操作地与所公开的移动水力压裂子系统50’的另一非限制性示例组合布置。
现在将进行下面的描述以描述可以在移动水力压裂子系统50’中使用的部件。在该非限制性实施方式中，开关磁阻驱动器(SRD)52’可以被电联接以从DC总线32’接收电力。开关磁阻马达(SRM)54’可以由SRD52’电驱动。如上所述，液压泵56可以由SRM 54’驱动以递送加压压裂流体58。在一个非限制性实施方式中，SRD 52’、SRM 54’和液压泵56可以布置在单一移动平台60上。也就是说，这些子系统部件中的每一个可以分别安装到移动平台60上以形成移动水力压裂子系统50’。
图4示出了用于水力压裂的、例如可以包括移动发电子系统20”和移动水力压裂子系统50”的所公开的系统10的又一非限制性实施方式的框图。在一个非限制性实施方式中，移动发电子系统20”中的发电机(例如，高速直驱发电机)可以是但不限于永磁(PM)发电机22”。
在没有限制的情况下，在该非限制性实施方式中，由P.M.发电机22”生成的电力可以是交流(AC)电力，并且电力电路可以包括被布置成接收由PM发电机22生成的AC电力的AC开关设备30”。在该非限制性实施方式中，开关设备30”可以电连接到的电力总线将是AC电力总线32”。
在该非限制性实施方式中，变频驱动器(VFD)52”可以被电联接以从AC电力总线32”接收电力。在该实施方式中，连接至AC电力总线32”的VFD 52”将包括电力整流器模块。在一个非限制性实施方式中，VFD 52”可以包括六脉冲VFD。也就是说，VFD 52”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。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水力压裂应用的需要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在水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4所示，谐波减轻电路62(例如可以包括线路电抗器)可以用于例如减少从发电机22”汲取的谐波波形。
电动马达54——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VFD 52”电驱动，并且进而电动马达54将驱动液压泵56以递送加压压裂流体。
图5示出了可以包括可扩展的移动水力压裂系统80的所公开的系统的一个非限制性实施方式的框图，该移动水力压裂系统80使用两个或更多个移动水力压裂子系统(例如501至50n)作为构建块。出于说明的目的，假定移动水力压裂系统80由移动水力压裂子系统50(图2)组成，则另一移动水力压裂子系统501将包括布置在另一移动平台601上的另一VFD52、另一电动马达54和另一液压泵56。
替选地，假定移动水力压裂系统80由移动水力压裂子系统50’(图3)组成，则另一移动水力压裂子系统501将包括布置在另一移动平台601上的另一SRD 52’、另一SRM 54’和另一液压泵56。应当理解，可以基于给定应用的需要来定制可以被布置成形成移动水力压裂系统80的移动水力压裂子系统的总数。
如图5中进一步示出的，该非限制性实施方式还可以包括可扩展的微电网发电系统90，该可扩展的微电网发电系统90使用两个或更多个移动发电子系统(201至20n)作为构建块。出于说明的目的，假定可扩展的微电网发电系统90由移动发电子系统20’(图2)组成，则另一发电子系统201将包括布置在另一移动发电平台341上的另一燃气涡轮发动机24、另一开关磁阻发电机22’和控制器、以及另一DC断路器30’。
替选地，假定微电网发电系统90由移动发电子系统20”(图4)组成；那么另一发电子系统将包括布置在另一移动发电平台341上的另一燃气涡轮发动机24、另一PM发电机22”和另一开关设备30”。在该示例中，电力总线32将是AC电力总线，并且可扩展的移动水力压裂系统80将由适合于这样的AC电力总线的水力压裂子系统组成。不管具体实现方式如何，可以基于给定应用的需要来定制可以被布置成形成微电网发电系统90的移动发电子系统的总数。
能量管理子系统70可以被配置成执行电力控制策略，该电力控制策略被配置成对通过移动发电子系统201至20n生成的电力的利用进行优化，以满足连接至电力总线32的移动水力压裂子系统的可变电力需求。
在操作中，所公开的实施方式被认为是成本有效的并且可靠地提供了有效地去除现有技术实现方式中通常涉及的齿轮箱的技术方案，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来实现。
在操作中，所公开的实施方式还可以提供紧凑且独立的移动发电系统，该系统可以配置有优先考虑和确定电源分配以进行优化的智能算法，从而有助于最大化所涉及的电源的可靠性和耐久性同时满足水力压裂过程中可能涉及的负载的可变电力需求。
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。