원격 유전에서 신뢰할 수 있는 전기 파쇄를 위한 고전압 VFD 및 배터리 에너지 저장

개요

전기 파쇄는 셰일 오일 및 가스 추출에서 기존의 디젤 구동 파쇄에 대한 중요한 대안이 되고 있습니다. 디젤 동력 장비와 비교할 때, 전기 파쇄 시스템은 더 정밀한 펌프 제어, 높은 출력 밀도, 연료 소비, 소음, 배출가스 저감 가능성을 제공합니다.

하지만 파쇄 작업은 전원 공급 및 구동 시스템에 엄격한 요구를 요구합니다. 급격한 부하 변화, 변동하는 흡입력, 고압 펌프 작동, 제한된 그리드 접근이 장비 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

그전기 파쇄를 위한 VFD 및 에너지 저장 시스템이러한 도전에 대한 통합적 접근법을 제공합니다. 고전압 가변 주파수 구동기(VFD)는 모터 속도와 펌프 출력을 조절하며, 고전압 에너지 저장 시스템은 전력 균형을 유지하고 전력망이 불가능하거나 부족한 응용 분야에서 안정적인 작동을 지원합니다.

FGI의 전력 전자 기술은 모터 제어, 전력 변환, 에너지 관리를 결합하여 까다로운 유전 환경을 위한 전기 파쇄 응용을 지원합니다.

1. 전기 파쇄가 고급 모터 제어를 필요로 하는 이유

수압파쇄는 지하층에서 석유와 천연가스 생산을 개선하는 데 널리 사용됩니다. 이 과정은 압력과 유량이 제어된 파쇄유를 우물에 주입하여 목표 암석층에 균열을 만들어 탄화수소의 흐름을 개선하는 과정을 포함합니다.

일반적인 작업은 시추, 우물 로깅, 우물 평가, 시멘트 부착, 천공, 그리고 최종적으로 파쇄를 포함합니다. 파쇄 단계 동안, 고압 펌프는 처리 공정의 요구에 따라 유체를 연속적으로 유정에 공급합니다.

전통적인 디젤 구동 파쇄 장비는 이러한 펌프를 구동하기 위해 디젤 엔진에 의존합니다. 전기 파쇄 장비는 대신 가변 주파수 구동 모터를 사용합니다.

전기 구동 방식은 여러 실용적인 장점을 제공합니다:

• 정확한 유량 및 압력 제어:모터 속도는 변화하는 작동 요구에 맞춰 조절할 수 있습니다.

• 높은 전력 밀도:전기 구동 시스템은 요구가 많은 공간 제약 속에서도 고출력 펌핑 장비를 지원할 수 있습니다.

• 지역 배출 및 소음 감소:전기 모터는 사용 시 배기가스를 제거하고 디젤 구동 장비에 비해 작동 소음을 줄일 수 있습니다.

• 향상된 운영 유연성:구동 파라미터는 다양한 펌핑 요구사항에 맞게 조정할 수 있습니다.

• 에너지 저장과의 통합:배터리 에너지 저장은 전력 수요 균형을 맞추고 전력 공급 안정성을 지원하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

이러한 장점들은 유전 운영자들이 더 나은 운영 효율성과 보다 유연한 전력 시스템 구성을 원하는 유전 운영자에게 매력적인 선택지로 만듭니다.

2. 전기 파쇄 펌프용 고전압 VFD 시스템

2.1 시스템 아키텍처

고전압 VFD 시스템은 전기 파쇄 스키드의 핵심 구성 요소입니다. 주요 기능은 고압 플런저 펌프를 구동하는 전기 모터의 속도와 토크를 조절하는 것입니다.

이 응용 분야에서 설명된 계단식 구동 아키텍처에서는 들어오는 전원 공급 장치가 위상 이동 변압기에 연결되어 있습니다. 여러 개의 2차 권선이 개별 전력 셀에 약 690V AC를 공급합니다. 각 셀에는 3상 정류기와 DC 링크 필터링 회로가 있으며, 그 뒤에 인버터 스테이지가 있습니다.

전원 셀은 출력 쪽에서 직렬로 연결되어 고전압 계단식 드라이브를 형성합니다.

이 방식은 입력 전류 특성을 개선하기 위해 위상 이동 다중 펄스 정류를 사용합니다. n개의 2차 권선이 있을 때, 해당 구성에서 이론적 정류 펄스 수는 6n입니다. 기존의 6펄스 정류기와 비교할 때, 적절히 설계된 다중 펄스 시스템은 입력 전류 고조파를 줄일 수 있습니다.

계단식 출력은 또한 사인파를 근사할 수 있는 계단식 전압 파형을 생성하여 고출력 응용 분야에서 모터 작동을 지원합니다.

주요 공학적 고려 사항에는 입력 고조파 성능, 출력 파형 품질, 모터 절연 요구사항, 열 관리, 변화하는 부하 하에서도 안정적인 작동 유지 능력이 포함됩니다.

2.2 고출력 펌프를 위한 유연한 구동 구성

전기 파쇄 작업은 다양한 전력 요구량을 가진 여러 펌프 스키드를 사용할 수 있습니다. 따라서 구동 시스템은 운용적 유연성을 해치지 않으면서 다양한 모터 배열을 수용해야 합니다.

원래 공학 연구에서 설명된 8,000급 전기 파쇄 구성에서는 구동 방식이 두 가지 작동 모드를 지원합니다:

• 독립 운영:하나의 구동 유닛은 지정된 작동 구성과 부하 제한에 따라 4,500 kW 모터 두 대를 구동할 수 있습니다.

• 병렬 운행:시스템 설계가 지원하는 경우, 두 개의 구동 장치를 병렬로 작동시켜 9,000 kW 모터를 구동할 수 있습니다.

적절한 배치는 모터 등급, 구동 토폴로지, 제어 구성, 작동 요구사항에 따라 달라집니다.

이러한 유연성은 운영자가 다양한 펌핑 용도에 맞게 구동 장비를 구성하고 고출력 전기 장비의 활용도를 높이는 데 도움을 줍니다.

2.3 플런저 펌프의 가변 주파수 제어

플런저 펌프는 필요한 압력과 유량으로 파쇄 유체를 우물에 공급하는 역할을 합니다. 그 왕복 운동으로 유체가 펌프 챔버로 유입되어 유정 헤드 쪽으로 배출됩니다.

VFD를 통해 모터 속도를 조절함으로써 시스템은 변화하는 공정 요구사항에 맞춰 펌프 출력을 조절할 수 있습니다.

실제 파쇄 작업은 거의 일정하지 않습니다. 처리 중 하부 압력이 변할 수 있고, 상류 혼합 장비의 유체 공급이 변동할 수 있으며, 흡입 파이프라인의 제한으로 인해 펌프로 유입되는 유체의 양이 줄어들 수 있습니다.

이러한 조건은 모터 부하에 갑작스러운 변화를 일으킬 수 있습니다. 경우에 따라 펌프 시스템과 작동 절차에 따라 구동 장치가 높은 공정 압력 상태에서 시동을 걸거나 작동해야 하기도 합니다.

따라서 적합한 VFD는 단순한 속도 조절 이상의 기능이 필요합니다. 또한 부하 교란과 변화하는 공정 조건에 대한 적절한 제어 반응을 제공해야 합니다.

3. 까다로운 파쇄 조건을 위한 주요 VFD 제어 기술

3.1 과전압 정지 방지

가변 주파수 드라이브에서는 갑작스러운 부하 감소가 과전압 위험을 초래할 수 있습니다.

예를 들어, 상류 유체 공급이 부족해지면 플런저 펌프의 부하가 급격히 감소할 수 있습니다. 모터의 작동 조건이 변하고, 드라이브의 DC 링크로 돌아가는 에너지가 DC 링크 전압을 상승시킬 수 있습니다. 전압이 보호 임계값을 초과하면 드라이브가 트립되어 파쇄 작업이 중단될 수 있습니다.

과전압 정지 방지 기능은 이 상태를 해결하는 데 도움을 줍니다.

제어 시스템은 드라이브 파워 셀의 DC 링크 전압을 모니터링합니다. 전압이 설정된 임계값에 가까워지면, 컨트롤러는 출력 주파수를 적절히 조정하여 DC 링크 전압을 안정화하고 불필요한 과전압 트립을 방지합니다.

이 기능은 특히 파쇄 응용에 적합한데, 유체 공급 조건과 펌프 부하가 빠르게 변할 수 있기 때문입니다.

그 효과는 구동 구성, 매개변수 설정, 부하 특성, 시운전 조건에 따라 달라집니다.

3.2 동적 부하 반응을 위한 벡터 제어

벡터 제어는 모터 전류 구성 요소의 조정된 제어를 통해 모터 토크와 속도를 독립적으로 조절하는 방법을 제공합니다.

공학 연구에서 설명된 제어 아키텍처에서는 외부 속도 제어 루프와 내부 전류 제어 루프를 사용합니다. PI 컨트롤러는 제어 오류를 조절하며, 측정된 3상 모터 전류는 클라크와 파크 변환을 통해 회전하는 기준 프레임으로 변환됩니다.

컨트롤러는 필요한 전압 명령을 계산하며, 이 명령은 인버터 전원 장치를 구동하는 펄스 폭 변조(PWM) 신호로 변환됩니다.

이 제어 구조는 변화하는 부하 조건에서 반응하는 모터 작동을 지원합니다. 또한 기본적인 개방 루프 제어 전략보다 구동 장치가 모터 속도를 더 정확하게 조절할 수 있게 합니다.

전기 파쇄의 실용적인 목표는 유체 압력, 흡입 조건, 공정 수요의 변화에 대응하면서 필요한 펌핑 출력을 유지하는 것입니다.

최종 제어 전략은 모터 특성, 펌프 역학, 필요한 작동 범위에 따라 선택되어야 합니다.

4. 오프그리드 파쇄 작업을 위한 고전압 에너지 저장

4.1 외딴 유전에서 에너지 저장이 중요한 이유

셰일 석유 및 가스 자원은 신뢰할 수 있는 그리드 연결이 어려운 외딴 분지나 산악 지역에 위치한 경우가 많습니다.

이들 지역에서는 가스 터빈 발전기가 현장에서 전력을 공급할 수 있으며, 프로젝트 구성과 연료 인프라에 따라 액화천연가스(LNG) 또는 압축천연가스(CNG) 같은 연료를 사용할 수 있습니다.

기존 디젤 발전기 방식과 비교할 때, 가스터빈 기반 발전은 전력 밀도, 장비 구성, 지역 배출량 면에서 장점이 있을 수 있습니다. 실제 성능은 발전기 기술, 연료, 운영 조건, 현장 요구 사항에 따라 달라집니다.

그럼에도 불구하고, 고출력 파쇄 부하가 절연된 전원 공급에 상당한 부담을 줄 수 있습니다. 펌핑 수요의 변화는 즉각적인 발전과 소비 간에 불일치를 초래할 수 있습니다.

고전압 에너지 저장 시스템은 배터리 및 전력 변환 장비의 한계 내에서 과잉 전력이 있을 때 충전하고, 추가 전력이 필요할 때 방전함으로써 이러한 불일치를 관리할 수 있습니다.

그전기 파쇄를 위한 VFD 및 에너지 저장 시스템따라서 펌핑 측의 제어된 모터 작동과 공급 측의 전력 밸런싱이라는 두 가지 상호 보완적인 요구를 충족합니다.

4.2 고전압 에너지 저장 시스템의 주요 구성 요소

일반적인 고전압 에너지 저장 시스템에는 배터리 조립체, 배터리 관리 시스템(BMS), 에너지 관리 시스템(EMS), 전력 변환 시스템(PCS)이 포함됩니다.

배터리 시스템

리튬 인산철(LFP) 배터리는 고정식 에너지 저장 응용 분야에서 흔히 사용됩니다. 여러 셀을 배터리 팩으로 조립하여 배터리 클러스터로 묶어 필요한 전압과 에너지 용량을 달성합니다.

최종 배터리 구성은 프로젝트 출력 정격, 필요한 에너지 용량, 작동 시간 및 안전 설계에 따라 달라집니다.

배터리 관리 시스템(BMS)

BMS는 전압, 전류, 온도 등 배터리 작동 상태를 모니터링합니다. 과충전이나 과도한 방전과 같은 비정상적인 작동 조건으로부터 배터리를 보호하고, 배터리 상태 모니터링과 작동 안전을 지원합니다.

에너지 관리 시스템(EMS)

EMS는 발전, 에너지 저장, 전기 부하를 조정합니다. 여러 발전기나 저장 장치가 있는 시스템에서는 사용 가능한 전력, 부하 수요, 구성된 운영 전략에 따라 충전 및 방전 명령을 관리할 수 있습니다.

고립된 파쇄 전력 시스템의 경우, 발전기 출력과 배터리 전력을 조율하여 발전과 소비의 균형을 유지하는 데 도움을 주는 제어 전략을 설계할 수 있습니다.

전력 변환 시스템(PCS)

PCS는 배터리의 DC 측과 AC 전원 시스템 간에 양방향 전력 변환을 제공합니다. 충전 중에는 AC 전력을 DC로, 방전 시 DC 전력을 AC로 변환합니다.

PCS 등급 및 제어 능력은 필요한 전력 응답, 시스템 전압, 발전기 작동 특성에 맞춰져야 합니다.

4.3 고전압 계단식 에너지 저장의 장점

고전압 에너지 저장 시스템은 6 kV, 10 kV, 35 kV 등 다양한 그리드 전압 수준에 맞게 설계될 수 있습니다.

계단식 고전압 에너지 저장 아키텍처는 여러 공학적 이점을 제공할 수 있습니다:

• 호환 가능한 고전압 버스에 직접 연결:적합한 시스템은 컨버터와 지정된 버스 사이에 별도의 전압 스텝업 변압기 없이도 연결할 수 있습니다.

• 모듈식 전력 변환:여러 개의 파워셀을 조합하여 필요한 출력 전압과 출력 정격을 달성할 수 있습니다.

• 세포 단위 모니터링 및 통제:개별 파워 셀은 시스템 관리와 결함 처리를 지원하기 위해 모니터링할 수 있습니다.

• 빠른 전력 조절:변환기는 제어 및 장비 한계 내에서 활성 전원 명령 변경에 반응할 수 있습니다.

• 잠재적 향상된 운영 가용성:중복 또는 우회가 가능한 설계는 지원 장애 상태가 발생했을 때 작동을 유지하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

• 에너지 배치 조정:EMS는 여러 저장 장치와 발전기의 출력을 조정하여 전체 전력 균형을 지원할 수 있습니다.

이러한 이점은 실제 시스템 토폴로지, 보호 설계, 제어 전략 및 작동 조건에 따라 달라집니다. 변압기 요구사항은 전압 정격만으로 추론하기보다는 전체 전기 아키텍처와 비교하여 평가되어야 합니다.

5. VFD 및 에너지 저장 시스템 조정

전기 파쇄 작업에서는 VFD와 에너지 저장 시스템이 서로 다르지만 상호 보완적인 기능을 수행합니다.

VFD는 펌핑 요구에 따라 모터 속도와 토크를 조절합니다. 에너지 저장 시스템은 가용 발전과 전력 수요 간의 균형을 관리합니다.

가스터빈 발전과 통합될 경우, 전체 시스템은 다음과 같은 작동 원리를 중심으로 설계할 수 있습니다:

1. 발전기는 파쇄 장비에 1차 전력을 공급합니다.

2. VFD는 필요한 펌프 속도, 압력, 유량 조건에 따라 모터 작동을 조정합니다.

3. EMS는 전력 균형을 모니터링하고 배터리 충전 및 방전을 조정합니다.

4. PCS는 설정된 제어 전략에 따라 배터리와 AC 시스템 간에 전력을 교환합니다.

5. BMS는 배터리 상태를 모니터링하고 관련 작동 한계를 집행합니다.

6. 발전기, VFD, 저장 변환기, 보호 시스템은 부하 변화와 비정상적인 작동 조건에 대응하는 역할을 조율합니다.

구체적인 제어 순서는 프로젝트 설계에 따라 다릅니다. 전력 정격, 배터리 에너지 용량, 발전기 램프 속도, 과도 응답, 보호 조정, 제어 통신 등이 시스템 통합 시 모두 고려해야 합니다.

적절히 설계된 구성은 부하 변동이 격리 전력 시스템에 미치는 영향을 줄이고 고출력 파쇄 작업의 유연성을 향상시키는 데 도움을 줄 수 있습니다.

6. 프로젝트 선정 시 고려해야 할 공학적 고려사항

전기 파쇄를 위한 VFD 및 에너지 저장 시스템을 선택할 때는 펌핑 장비와 전원 공급 장치 모두를 평가해야 합니다.

중요한 설계 고려사항은 다음과 같습니다:

전력 및 에너지 등급은 현장의 부하 프로필과 운영 시나리오를 바탕으로 결정되어야 합니다. 충분한 에너지 용량을 가진 시스템은 단기 피크를 관리하기 위해 더 높은 출력 등급이 필요할 수 있으며, 에너지 용량이 부족한 고출력 배터리는 필요한 지원 시간을 유지하지 못할 수 있습니다.

따라서 설계는 킬로와트(kW) 또는 메가와트(MW)와 킬로와트시(kWh) 또는 메가와트시(MWh) 모두를 평가해야 합니다.

7. 결론

전기 파쇄는 모터 제어, 전원 공급 안정성, 장비 신뢰성에 엄격한 요구를 부과합니다. 고전압 VFD는 고압 플런저 펌프에 모터 속도와 토크 제어 기능을 제공하며, 고전압 에너지 저장은 그리드 접근이 제한된 외딴 지역에서 전력 밸런싱을 지원할 수 있습니다.

전기 파쇄를 위한 VFD와 에너지 저장 시스템의 통합은 펌핑 장비, 현장 발전, 배터리 저장을 조정하는 실질적인 틀을 제공합니다. 계단 구동 기술, 벡터 제어, 과전압 정지 방지, 배터리 관리, 에너지 분배 등이 전체 시스템 설계에 기여합니다.

유전 운영자와 엔지니어링 계약자에게 가장 적합한 해결책은 펌프 특성, 발전기 용량, 일시적 전력 수요, 저장 기간, 현장 운영 조건에 따라 달라집니다.

FGI는 산업용 모터 구동 및 에너지 저장 응용 분야를 위한 전력 전자 솔루션을 개발합니다. 구동 및 저장 기술을 프로젝트 요구사항에 맞추어, 유전 전력 시스템은 보다 유연한 운영, 효과적인 전력 관리, 그리고 변화하는 전기 파쇄 수요를 지원하도록 설계할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

전기 파쇄에서 VFD의 역할은 무엇인가요?

가변 주파수 구동 장치는 고압 플런저 펌프를 구동하는 전기 모터의 속도와 토크를 조절합니다. 이를 통해 펌핑 시스템은 변화하는 공정 요구사항에 맞게 출력을 조절하고 부하 교란에 대응할 수 있습니다.

왜 에너지 저장이 전기 파쇄에 사용되나요?

에너지 저장은 특히 안정적인 전력망 연결이 없는 외딴 지역에서 전력 생산과 수요의 균형을 맞추는 데 도움을 줄 수 있습니다. 적절한 크기와 제어를 통해 수요가 증가하는 시기에 추가 전력을 공급하고, 사용 가능한 경우 초과 전력을 흡수할 수 있습니다.

고전압 에너지 저장장치를 고압 버스에 직접 연결할 수 있나요?

네, 특정 계단식 고전압 에너지 저장 아키텍처는 변환기 인터페이스에 추가 스텝업 변압기 없이도 호환 가능한 고전압 버스에 직접 연결할 수 있습니다. 실현 가능성은 변환기 토폴로지, 전압 정격, 절연 설계, 전체 전기 시스템 구성에 따라 달라집니다.

BMS, EMS, PCS의 차이점은 무엇인가요?

BMS는 배터리 상태와 보호 한계를 모니터링합니다. EMS는 발전, 저장, 부하 수요를 조정합니다. PCS는 배터리의 DC 측과 AC 전원 시스템 간의 전력을 변환합니다.

파쇄용 에너지 저장 시스템 크기를 결정할 때 무엇을 고려해야 할까요?

주요 요소로는 최대 전력 수요, 부하 변동, 발전기 반응, 필요한 방전 시간, 사용 가능한 충전 전력, 배터리 작동 한계, 그리고 원하는 전력 공급 지원 수준이 포함됩니다.

전기 파쇄가 디젤 구동 파쇄와 비교했을 때 가장 큰 장점은 무엇인가요?

전기 파쇄는 더 정밀한 모터 제어, 높은 출력 밀도, 지역 배기 배출 감소, 낮은 작동 소음을 제공할 수 있습니다. 전반적인 경제적·환경적 이익은 전기 또는 연료원, 장비 효율성, 활용도, 부지 조건에 따라 달라집니다.

기술 참고 자료

이 글은 WindSun Science & Technology Co., Ltd. 엔지니어들이 전기 파쇄 응용을 위한 가변 주파수 구동 및 고전압 에너지 저장 시스템에 대한 공학 연구를 기반으로 합니다. 기술적 구성은 원래 연구를 반영하며, 엔지니어링 구현 전에 프로젝트별 설계와 비교해 검증되어야 합니다.