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La fracturación eléctrica se está convirtiendo en una alternativa importante a la fracturación convencional accionada por diésel en la extracción de petróleo y gas de esquisto. En comparación con los equipos diésel, los sistemas de fracturación eléctrica ofrecen un control de bombas más preciso, alta densidad de potencia y oportunidades para reducir el consumo de combustible, el ruido y las emisiones.
Sin embargo, las operaciones de fractura imponen requisitos exigentes tanto para la fuente de alimentación como para el sistema de accionamiento. Los cambios rápidos de carga, la presión de succión fluctuante, el funcionamiento de la bomba a alta presión y el acceso limitado a la red pueden afectar la fiabilidad del equipo.
ElVFD y sistema de almacenamiento de energía para fracturas eléctricasofrece un enfoque integrado a estos desafíos. Un accionamiento de frecuencia variable (VFD) de alta tensión regula la velocidad del motor y la salida de la bomba, mientras que un sistema de almacenamiento de energía de alta tensión ayuda a mantener el balance de potencia y apoya un funcionamiento estable en aplicaciones donde la red no está disponible o es insuficiente.
Las tecnologías de electrónica de potencia de FGI apoyan aplicaciones de fracturación eléctrica combinando control de motores, conversión de potencia y gestión energética para entornos exigentes de campos petrolíferos.
La fracturación hidráulica se utiliza ampliamente para mejorar la producción de petróleo y gas natural a partir de formaciones subterráneas. El proceso consiste en inyectar fluido de fracturación en un pozo a presión y caudales controlados para crear fracturas en la formación rocosa objetivo, mejorando el flujo de hidrocarburos.
Una operación típica implica perforación, registro de pozos, evaluación de pozos, cementado, perforación y finalmente fracturación. Durante la fase de fracturación, las bombas de alta presión suministran fluido de forma continua al pozo según los requisitos del proceso de tratamiento.
El equipo tradicional de fractura accionado por diésel depende de motores diésel para alimentar estas bombas. El equipo de fracturación eléctrica utiliza motores eléctricos controlados por variadores de frecuencia.
El enfoque de accionamiento eléctrico ofrece varias ventajas prácticas:
Control preciso de flujo y presión:La velocidad del motor puede ajustarse para adaptarse a los requisitos operativos cambiantes.
Alta densidad de potencia:Los sistemas de accionamiento eléctrico pueden soportar equipos de bombeo de alta potencia dentro de exigentes limitaciones de espacio.
Reducción de emisiones y ruido locales:Los motores eléctricos eliminan las emisiones de escape en el punto de uso y pueden reducir el ruido de funcionamiento en comparación con los equipos accionados por diésel.
Mayor flexibilidad operativa:Los parámetros de accionamiento pueden ajustarse para adaptarse a diferentes requisitos de bombeo.
Integración con almacenamiento de energía:El almacenamiento de energía en baterías puede ayudar a equilibrar la demanda de energía y apoyar la estabilidad del suministro eléctrico.
Estas ventajas hacen que la fracturación eléctrica sea una opción atractiva para los operadores de campos petrolíferos que buscan mejorar la eficiencia operativa y configuraciones de sistemas eléctricos más flexibles.
El sistema VFD de alta tensión es un componente clave de un patín de fracturación eléctrica. Su función principal es regular la velocidad y el par del motor eléctrico que acciona la bomba de émbolo de alta presión.
En la arquitectura de accionamiento en cascada descrita en esta aplicación, la fuente de alimentación entrante está conectada a un transformador de desfase de fase. Múltiples bobinados secundarios proporcionan aproximadamente 690 V de CA a las pilas de potencia individuales. Cada celda contiene un rectificador trifásico y un circuito de filtrado de enlace DC, seguido de una etapa inversora.
Las pilas de potencia están conectadas en serie en el lado de salida para formar una unidad de alta tensión en cascada.
Este arreglo utiliza rectificación multipulso desplazada de fase para mejorar las características de la corriente de entrada. Con n bobinados secundarios, el conteo teórico de pulsos de rectificación es de 6n bajo la configuración correspondiente. En comparación con un rectificador convencional de seis pulsos, un sistema multipulso bien diseñado puede reducir los armónicos de la corriente de entrada.
La salida en cascada también produce una forma de onda de voltaje escalonada que puede aproximarse a una forma de onda sinusoidal, apoyando el funcionamiento del motor en aplicaciones de alta potencia.
Las consideraciones clave de ingeniería incluyen el rendimiento armónico de entrada, la calidad de la forma de onda de salida, los requisitos de aislamiento del motor, la gestión térmica y la capacidad de mantener un funcionamiento estable bajo cargas variables.
Las operaciones de fracturación eléctrica pueden utilizar múltiples patines de bomba con diferentes necesidades de potencia. Por tanto, el sistema de transmisión debe adaptarse a diferentes disposiciones de motores sin comprometer la flexibilidad operativa.
En la configuración de fracturación eléctrica de la clase 8.000 descrita en el estudio de ingeniería original, la disposición de accionamiento soporta dos modos de funcionamiento:
Operación independiente:Una unidad de accionamiento puede operar dos motores de 4.500 kW, sujetos a la configuración de funcionamiento y los límites de carga especificados.
Operación paralela:Se pueden operar dos unidades de accionamiento en paralelo para accionar un motor de 9.000 kW, siempre que el diseño del sistema lo respalde.
La disposición adecuada depende de las capacidades del motor, la topología del accionamiento, la configuración de control y los requisitos operativos.
Esta flexibilidad puede ayudar a los operadores a configurar equipos de accionamiento para diferentes aplicaciones de bombeo y mejorar la utilización de equipos eléctricos de alta potencia.
La bomba de émbolo es responsable de suministrar el fluido de fracturación al pozo a la presión y caudal requeridos. Su movimiento alternativo atrae fluido hacia la cámara de la bomba y luego lo descarga hacia la cabeza del pozo.
Ajustando la velocidad del motor mediante un VFD, el sistema puede regular la salida de la bomba para satisfacer los requisitos cambiantes del proceso.
Las operaciones reales de fracturación rara vez son constantes. La presión en el fondo del pozo puede cambiar durante el tratamiento, el suministro de fluido del equipo de mezcla aguas arriba puede fluctuar y las restricciones en la tubería de succión pueden reducir la cantidad de fluido que entra en la bomba.
Estas condiciones pueden provocar cambios bruscos en la carga del motor. En algunos casos, el accionamiento también debe arrancar o operar bajo presión elevada del proceso, dependiendo del sistema de bombeo y del procedimiento operativo.
Por tanto, un VFD adecuado necesita algo más que una regulación básica de velocidad. También debe proporcionar respuestas de control adecuadas ante perturbaciones de carga y condiciones cambiantes del proceso.
La reducción repentina de carga puede crear un riesgo de sobretensión en un variador de frecuencia.
Por ejemplo, cuando el suministro de fluido aguas arriba se vuelve insuficiente, la bomba de émbolo puede experimentar una rápida disminución de la carga. El estado de funcionamiento del motor cambia y la energía que devuelve al enlace DC del accionamiento puede hacer que el voltaje del enlace DC aumente. Si el voltaje supera el umbral de protección, el disco puede dispararse e interrumpir las operaciones de fracturación.
La función de prevención de sobretensión ayuda a abordar esta condición.
El sistema de control monitoriza el voltaje de enlace DC de las pilas de potencia de la transmisión. Cuando la tensión se acerca a un umbral configurado, el controlador realiza un ajuste apropiado a la frecuencia de salida para ayudar a estabilizar la tensión del enlace DC y evitar disparos de sobretensión innecesarios.
Esta función es especialmente relevante para aplicaciones de fracturación porque las condiciones de suministro de fluido y las cargas de la bomba pueden cambiar rápidamente.
Su efectividad depende de la configuración del accionamiento, la configuración de los parámetros, las características de carga y las condiciones de puesta en marcha.
El control vectorial proporciona un método para regular el par y la velocidad del motor de forma independiente mediante el control coordinado de los componentes de corriente del motor.
En la arquitectura de control descrita en el estudio de ingeniería, el sistema utiliza un bucle exterior de control de velocidad y un bucle interno de control de corriente. Los controladores PI regulan los errores de control, mientras que las corrientes trifásicas medidas del motor se transforman en un sistema de referencia giratorio mediante transformaciones de Clarke y Park.
El controlador calcula los comandos de voltaje necesarios, que se convierten en señales de modulación de ancho de pulso (PWM) para accionar los dispositivos de potencia inversores.
Esta estructura de control soporta el funcionamiento de motores responsivos bajo condiciones de carga cambiantes. También permite que el accionamiento regule la velocidad del motor con mayor precisión que una estrategia básica de control en lazo abierto.
Para la fracturación eléctrica, el objetivo práctico es mantener la potencia de bombeo requerida mientras se responde a las variaciones en la presión del fluido, las condiciones de succión y la demanda del proceso.
La estrategia final de control debe seleccionarse según las características del motor, la dinámica de la bomba y el envolvente operativo requerido.
Los recursos de petróleo y gas de lutita suelen encontrarse en cuencas remotas y regiones montañosas donde puede no haber una conexión a la red fiable.
En estas ubicaciones, los generadores de turbinas de gas pueden suministrar electricidad in situ, utilizando combustibles como gas natural licuado (GNL) o gas natural comprimido (GNC), dependiendo de la configuración del proyecto y la infraestructura de combustible.
En comparación con los sistemas convencionales de generadores diésel, la generación de energía basada en turbinas de gas puede ofrecer ventajas en densidad de potencia, configuración de equipos y emisiones locales. El rendimiento real depende de la tecnología del generador, el combustible, las condiciones de funcionamiento y los requisitos del lugar.
No obstante, las cargas de fracturación de alta potencia pueden exigir considerablemente una fuente de alimentación aislada. Los cambios en la demanda de bombeo pueden crear un desajuste entre la generación instantánea y el consumo.
Un sistema de almacenamiento de energía de alta tensión puede ayudar a gestionar este desajuste cargando cuando hay excedente de energía disponible y descargando cuando se requiere energía adicional, dentro de los límites de la batería y del equipo de conversión de energía.
ElVFD y sistema de almacenamiento de energía para fracturas eléctricasPor tanto, cubre dos necesidades complementarias: operación controlada del motor en el extremo de bombeo y balanceo de potencia en el extremo de alimentación.
Un sistema típico de almacenamiento de energía de alta tensión incluye conjuntos de baterías, un sistema de gestión de baterías (BMS), un sistema de gestión de energía (EMS) y un sistema de conversión de energía (PCS).
Sistema de baterías
Las baterías de fosfato de hierro litio (LFP) se utilizan comúnmente en aplicaciones de almacenamiento de energía estacionaria. Varias celdas se ensamblan en paquetes de baterías y se agrupan en grupos de baterías para alcanzar el voltaje y la capacidad energética requeridos.
La configuración final de la batería depende de la potencia nominal del proyecto, la capacidad energética requerida, la duración de funcionamiento y el diseño de seguridad.
Sistema de Gestión de Baterías (BMS)
El BMS monitoriza las condiciones de funcionamiento de la batería, incluyendo voltaje, corriente y temperatura. Ayuda a proteger la batería contra condiciones de funcionamiento anormales, como sobrecarga y descarga excesiva, y apoya el monitoreo del estado de la batería y la seguridad operativa.
Sistema de Gestión Energética (EMS)
El EMS coordina la generación de energía, el almacenamiento de energía y las cargas eléctricas. En un sistema con múltiples generadores o unidades de almacenamiento, puede gestionar los comandos de carga y descarga según la energía disponible, la demanda de carga y las estrategias operativas configuradas.
Para un sistema de energía aislado de fracturación, la estrategia de control puede diseñarse para coordinar la salida del generador con la energía de la batería, ayudando a mantener el equilibrio entre generación y consumo.
Sistema de Conversión de Potencia (PCS)
El PCS proporciona una conversión de energía bidireccional entre el lado DC de la batería y el sistema de alimentación AC. Convierte la corriente alterna en corriente continua durante la carga y la corriente continua en corriente alterna durante la descarga.
La clasificación y las capacidades de control del PCS deben adaptarse a la respuesta de potencia, el voltaje del sistema y las características de funcionamiento del generador requeridas.
Los sistemas de almacenamiento de energía de alta tensión pueden diseñarse para diferentes niveles de tensión de red, incluyendo 6 kV, 10 kV y 35 kV, dependiendo de la aplicación.
Una arquitectura de almacenamiento de energía de alta tensión en cascada puede ofrecer varias ventajas de ingeniería:
Conexión directa a un bus de alta tensión compatible:Un sistema adecuado puede conectarse sin un transformador elevador de tensión separado entre el convertidor y el bus especificado.
Conversión modular de energía:Se pueden coordinar múltiples celdas de potencia para alcanzar la tensión de salida y la potencia nominal requeridas.
Monitorización y control a nivel celular:Se pueden monitorizar las celdas de energía individuales para apoyar la gestión del sistema y el manejo de fallos.
Ajuste rápido de potencia:El convertidor puede responder a comandos de potencia activa cambiantes dentro de sus límites de control y equipo.
Disponibilidad operativa potencialmente mejorada:Los diseños redundantes o capaces de bypass pueden ayudar a mantener el funcionamiento cuando ocurre una falla soportada.
Despacho energético coordinado:El EMS puede coordinar la salida de múltiples unidades de almacenamiento y generadores para apoyar el balance energético global.
Estos beneficios dependen de la topología real del sistema, el diseño de protección, la estrategia de control y las condiciones operativas. Los requisitos del transformador deben evaluarse en función de la arquitectura eléctrica completa en lugar de inferirse solo a partir de la tensión nominal.
Para operaciones de fracturación eléctrica, el VFD y el sistema de almacenamiento de energía desempeñan funciones diferentes pero complementarias.
El VFD regula la velocidad y el par motor en respuesta a los requisitos de bombeo. El sistema de almacenamiento de energía gestiona el equilibrio entre la generación disponible y la demanda eléctrica.
Cuando se integra con la generación de turbinas de gas, el sistema general puede diseñarse en torno a los siguientes principios de funcionamiento:
El generador suministra la energía eléctrica primaria para el equipo de fracturación.
El VFD ajusta el funcionamiento del motor según la velocidad, presión y condiciones de flujo requeridas de la bomba.
El EMS monitoriza el balance de energía y coordina la carga y descarga de la batería.
El PCS intercambia energía entre la batería y el sistema de CA según la estrategia de control configurada.
El BMS supervisa las condiciones de las baterías y hace cumplir los límites operativos correspondientes.
El generador, el VFD, el convertidor de almacenamiento y los sistemas de protección coordinan sus respuestas a cambios de carga y condiciones de funcionamiento anormales.
La secuencia específica de controles depende del diseño del proyecto. Durante la integración del sistema deben considerarse las capacidades de potencia, la capacidad energética de la batería, la velocidad de rampa del generador, la respuesta transitoria, la coordinación de la protección y la comunicación de control.
Una configuración debidamente diseñada puede ayudar a reducir el impacto de las fluctuaciones de carga en el sistema eléctrico aislado y mejorar la flexibilidad de las operaciones de fracturación de alta potencia.
Seleccionar un sistema de VFD y almacenamiento de energía para fracturación eléctrica requiere una evaluación tanto del equipo de bombeo como del suministro eléctrico.
Consideraciones importantes de diseño incluyen:
| Factor de ingeniería | Consideración clave |
|---|---|
| Clasificación motora | Potencia nominal, voltaje, corriente y requisitos de arranque |
| Rango de funcionamiento de la bomba | Condiciones requeridas de flujo, presión, velocidad y carga transitoria |
| Topología VFD | Armónicos de entrada, forma de onda de salida, rendimiento de control y protección |
| Capacidad del generador | Salida continua, respuesta transitoria y reserva operativa |
| Energía de almacenamiento de energía | Potencia máxima de carga y descarga requerida |
| Capacidad energética de la batería | Duración requerida de la descarga y reserva de energía |
| Tensión del sistema | Compatibilidad con el generador y el bus de distribución de alta tensión |
| Coordinación EMS | Despacho de generadores, comandos de energía de la batería y gestión de carga |
| Protección y seguridad | Protección eléctrica, monitorización de baterías, respuesta ante fallos y apagado de emergencia |
| Condiciones del emplazamiento | Temperatura ambiente, polvo, limitaciones de transporte, acceso al mantenimiento y requisitos medioambientales |
Las calificaciones de potencia y energía deben determinarse a partir del perfil de carga del emplazamiento y sus escenarios operativos. Un sistema con suficiente capacidad energética puede requerir aún una potencia superior para gestionar picos de corta duración, mientras que una batería de alta potencia con capacidad energética insuficiente puede no sostener la duración de soporte requerida.
Por esta razón, el diseño debería evaluar tanto los kilovatios (kW) como los megavatios (MW) y los kilovatios-hora (kWh) o los megavatios-hora (MWh).
La fracturación eléctrica exige exigencias exigentes en el control del motor, la estabilidad de la fuente de alimentación y la fiabilidad del equipo. Los VFD de alta tensión proporcionan control ajustable de la velocidad del motor y el par para bombas de émbolo de alta presión, mientras que el almacenamiento de energía de alta tensión puede apoyar el equilibrio de potencia en ubicaciones remotas donde el acceso a la red es limitado.
La integración de un VFD y un sistema de almacenamiento de energía para fracturación eléctrica ofrece un marco práctico para coordinar equipos de bombeo, generación in situ y almacenamiento en baterías. La tecnología de accionamiento en cascada, el control vectorial, la prevención de sobretensión, la gestión de baterías y el despacho de energía contribuyen cada uno al diseño global del sistema.
Para los operadores de campos petrolíferos y contratistas de ingeniería, la solución más adecuada depende de las características de la bomba, la capacidad del generador, la demanda transitoria de energía, la duración del almacenamiento y las condiciones de funcionamiento del sitio.
FGI desarrolla soluciones de electrónica de potencia para accionamientos de motores industriales y aplicaciones de almacenamiento de energía. Adaptando las tecnologías de propulsión y almacenamiento a los requisitos del proyecto, los sistemas de energía de campos petrolíferos pueden diseñarse para soportar una operación más flexible, una gestión eficaz de la energía y las necesidades cambiantes de la fracturación eléctrica.
Un accionamiento de frecuencia variable regula la velocidad y el par del motor eléctrico que acciona una bomba de émbolo de alta presión. Esto permite al sistema de bombeo ajustar su salida a los requisitos cambiantes del proceso y responder a las perturbaciones de la carga.
El almacenamiento de energía puede ayudar a equilibrar la generación y la demanda de electricidad, especialmente en lugares remotos sin una conexión fiable a la red. Cuando se dimensiona y controla adecuadamente, puede proporcionar potencia adicional durante periodos de mayor demanda y absorber el exceso de energía cuando está disponible.
Sí, ciertas arquitecturas de almacenamiento de energía de alto voltaje en cascada pueden conectarse directamente a un bus de alta tensión compatible sin necesidad de un transformador elevador adicional en la interfaz del convertidor. La viabilidad depende de la topología del convertidor, la clasificación de voltaje, el diseño del aislamiento y la configuración general del sistema eléctrico.
El BMS monitoriza el estado de la batería y los límites de protección. El EMS coordina la generación de energía, el almacenamiento y la demanda de carga. El PCS convierte la energía eléctrica entre el lado de corriente continua de la batería y el sistema de alimentación de corriente alterna.
Los factores clave incluyen la demanda de potencia pico, las fluctuaciones de carga, la respuesta del generador, la duración requerida de descarga, la potencia de carga disponible, los límites de funcionamiento de la batería y el nivel deseado de soporte de suministro eléctrico.
La fracturación eléctrica puede ofrecer un control motor más preciso, alta densidad de potencia, reducción de emisiones locales de escape y menor ruido de funcionamiento. Los beneficios económicos y medioambientales generales dependen de la electricidad o las fuentes de combustible, la eficiencia del equipo, la utilización y las condiciones del emplazamiento.
Este artículo se basa en el estudio de ingeniería de variadores de frecuencia y sistemas de almacenamiento de energía de alta tensión para aplicaciones de fracturación eléctrica, realizado por ingenieros de WindSun Science & Technology Co., Ltd. Las configuraciones técnicas descritas reflejan el estudio original y deben validarse en función de diseños específicos del proyecto antes de la implementación de la ingeniería.
