Введение к работе
Актуальность проблемы.
Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение этой проблемы является важной задачей. Согласно статистике, потери от коррозии в сельском хозяйстве — 15 % от общих потерь. Общая оценка потерь в год – 2...5 % национального дохода. Таким образом потери в отрасли сельского хозяйства значительны несмотря на меньшую материалоёмкость по сравнению с топливно-энергетическим комплексом (ТЭК). Зарубежные исследования дают иное распределение потерь, но величина потерь в с.х. при этом велика и сопоставима по порядку величины с крупными металлопотребляющими отраслями.
Станции катодной защиты (СКЗ) позволяют эффективно бороться с коррозией. Применение катодной защиты позволяет продлить срок безремонтной эксплуатации объекта в несколько раз, не менее чем в 4 раза. СКЗ нашли широкое применение при защите от коррозии многих объектов в ТЭК. Применение промышленного оборудования и известных методов электрохимической защиты (ЭХЗ) в сельском хозяйстве в настоящее время сталкивается со следующими трудностями: высокая цена технологии ЭХЗ, что затрудняет её применение в сельском хозяйстве; высокая цена высоковольтных (ВВ) линии электропередач (ЛЭП) для питания СКЗ защищающих удалённые объекты.
В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке СКЗ для применения в целях эффективной борьбы с коррозией в сельском хозяйстве. Улучшить характеристики СКЗ можно благодаря применению импульсной технологии и резонансной системы электроснабжения СКЗ, за счёт снижения металлоёмкости и цены системы и выполнения нормативов по энергосбережению и по коррекции коэффициента мощности. Эти преимущества позволяют решать актуальную задачу внедрения технологии ЭХЗ в сельском хозяйстве.
Разработка технических средств для системы СКЗ электроснабжение которой обеспечивается посредством маломатериалоёмкой резонансной однопроводной системы (РОС), требует научного обоснования конструктивных и технологических параметров СКЗ и РОС. Этим актуальным вопросам посвящена данная работа.
Степень разработанности темы исследования
Материалы, изложенные в данной работе, касающиеся проблемы коррозии и электрохимической защиты от коррозии, опираются на фундаментальные положения теории коррозии металлов и сплавов, развитые в работах Я.М. Колотыркина, Г.М. Флориановича, В.В. Лосева, И.К. Маршакова, С.М. Решетникова, В.Н. Ткаченко, П.А. Акользина, Р.Г. Эрен-бург, И.В Стрижевский., Н.Д. Томашёв, V. Ashworth, H. Davy, L. F.Scherer, и др., а так же на промышленные стандарты.
До сих пор попытки внедрения технолгии ЭХЗ в сельском хозяйстве не были успешны, так как применение стандартных промышленных образцов СКЗ дорого, и требует дорогостоящей системы питания.
Научно доказано, что СКЗ могут работать от резонансной системы электропитания. Резонансная система питания позволяет сократить сечение проводов, потерь электроэнергии, уменьшает стоимость СКЗ за счёт снижения числа и габаритов трансформаторов СКЗ, и имеет возможность применения заземляющих электродов двойного назначения. Резонансными системами передачи электроэнергии занимались Российские ученые С.В. Авраменко, Д.С. Стребков, А.И. Некрасов, В.З. Трубников, О.А. Ро-щин и Л.Ю. Юферев.
Для разработки энергосберегающей СКЗ сельскохозяйственного назначения необходимы новые технические решения на основе импульсных преобразователей и резонансной системы электропитания.
Цель работы. Увеличить срок службы водоводов и металлоконструкций сельскохозяйственного назначения, снизить капитальные затраты, снизить затраты на ремонт, обслуживание и расход электроэнергии за счёт обоснования параметров и разработки станции катодной защиты совместимой с резонансной системой электроснабжения.
Объектом исследования является комплект технических средств, состоящий из станции катодной защиты с многофункциональным блоком питания совместимым со стандартной линией электроснабжения и высокочастотной высоковольтной резонансной системой электроснабжения, позволяющий питать станции катодной защиты при различном их расположении на площадях.
Предметом исследования являются процессы электрохимической защиты, параметры станции катодной защиты сельскохозяйственных объектов, а также параметры резонансной системы электроснабжения.
Задачи исследования:
Обосновать возможность использования станций электрохимической защиты с резонансной системой электроснабжения для защиты сельскохозяйственных объектов от коррозии;
Разработать уточняющую методику расчёта параметров станции катодной защиты (СКЗ);
Разработать математическую модель и вычислить параметры системы электропередачи (токи, напряжения, КПД, резонансные частоты и др.) на входе, выходе и вдоль линии;
Обосновать параметры, состав и разработать блоки экспериментальной модели и провести лабораторные и производственные испытания;
- На основе экспериментальных испытаний оценить технико-
экономическую эффективность внедрения комплекса технических средств
Научную новизну работы представляют:
Впервые предложено применение резонансной системы электроснабжения станции катодной защиты сельскохозяйственного назначения, применение многофункциональных электродов таких как анодные зазем-лители и катодов - защищаемых объектов, работающих одновременно в контуре электрохимической защиты и в системе электроснабжения СКЗ для снижения капитальных затрат.
Разработана методика расчёта параметров оборудования станций катодной защиты сельскохозяйственных объектов
Обосновано снижение коррозии заземляющих электродов однопро-водной ЛЭП за счёт использования повышенной частоты в системе электроснабжения.
Разработана математическая модель для определения передаточной функции системы и КПД передачи электроэнергии, а также величины тока и напряжения в линии электропередачи
Положения, выносимые на защиту:
Разработанная математическая модель для расчёта параметров резонансной однопроводной системы (РОС) электроснабжения нескольких СКЗ позволяет определять напряжение, ток, передаточную функцию и другие характеристики, определено для комплекта оборудования передачи электроэнергии мощностью 3кВА для линии 10км: резонансная частота первичного контура 6,97кГц, КПД максимальный равен 0,92.
Разработанная методика расчёта СКЗ и РОС позволила обосновать,
что для сельскохозяйственного применения максимальные мощность и ток станции катодной защиты составляют 250Вт, 5А, при этом разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты технических средств, позволяют сократить расход электроэнергии на 30%, снизить цену оборудования до 3 раз.
- На основе технико-экономического расчёта определено, что разра
ботанное оборудование СКЗ с резонансной системой электроснабжения
мощностью 250Вт по сравнению с минимальным по мощности промыш
ленным образцом СКЗ, при установке на расстоянии от ЛЭП 100 м и более,
составит до 34 тыс. руб., срок окупаемости – около одного года.
Практическая и теоретическая значимость:
- Разработаны технические средства для защиты от коррозии и про
дления сроков службы водоводов и металлоконструкций сельскохозяй
ственного назначения позволяющие использовать однопроводную резо
нансную систему электроснабжения для уменьшения расходов на электро
энергию и стоимости системы.
- Разработана методика расчёта гармоник сигнала, которая может
быть применена как при разработке трансформаторов резонансной систе
мы так и для оценки излучения компонентов системы.
Разработана математическая модель резонансной системы электроснабжения станций катодной защиты сельскохозяйственных объектов для расчета основных параметров
Разработана уточнённая методика расчёта станции катодной защиты позволяющая определить рабочие параметры (напряжение, ток, мощность и др.)
– Дано технико-экономическое обоснование для расчета эффекта от замены действующей системы электроснабжения СКЗ на резонансную систему электроснабжения.
Методика исследований.
При выполнении диссертационной работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследования. Использовались методы математического моделирования с применением программного обеспечения LTspice IV, Micro-Cap 9, MS Excel, Borland Delphi 7, Mathematica 4.2, AutoCAD, теоретические основы радиотехники, электрохимии и электротехники, методы спектрального анализа, методы прикладной экономики, а
также современная измерительная аппаратура.
Реализация результатов исследований.
Результаты проведенных исследований разработанной СКЗ применены в теплицах ООО "Виан" (Московская область). Промышленные испытания образца резонансной системы питания станций ЭХЗ проведены на объектах ОАО "Газпром" (ОАО «Газпром», РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина). Филиал ООО «Газпром трансгаз Москва» Серпуховское ЛПУ МГ. ФГБУ «Подольская государственная зональная машиноиспытательная станция».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и
одобрены на международных конференциях: Международная научно-
практическая конференция молодых ученых «Молодежь и инновации – 2011» Беларусь, Горки 2011; II Международная научно-практическая конференция «Молодежная наука - как взгляд в будущее» для студентов СПО, ВПО, аспирантов и молодых ученых, 2011, г. Оренбург; Международная научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в животноводстве – инновационные технологии и модернизация в отрасли», 2011, г.Подольск; Труды 8-й международной научно-технической конференции, г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ 2012, ФГБНУ ВИЭСХ 2014; 1-я Конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, 2012, г. Москва, ФГБНУ ГОСНИТИ; 2-я конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, посвященной 145-летию академика ВАСХНИЛ В.П. Горячкина и 130-летию академика ВАСХНИЛ М.Г. Евреинова, 2013 г., г. Москва, ФГБ-НУ ВИЭСХ; 5-я Международная научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве», 2014, г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ; Ежегодные молодежные конференции ФГБНУ ВИЭСХ 2011-2016 гг.
Публикации результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, из них 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка сокращений, списка литературы. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста включая 6 страниц приложений, содержит 16 таблиц, 76 рисунков.