Введение к работе
Актуальность работы. Электротехнические комплексы для защиты
от коррозии подземных металлических сооружений (ПМС), включая
металлические трубопроводы широкого назначения, являются неотъемлемой
частью оборудования действующих производств по добыче, транспортировке
и хранению энергоносителей. Эффективности применения
противокоррозийной защиты трубопроводов и предотвращению аварийных ситуаций при их эксплуатации в настоящее время придается большое значение. Поиск путей решения существующей проблемы по продлению срока безопасной эксплуатации магистральных трубопроводов ведется в направлениях:
- развития пассивной защиты, характеризуемой применением новых
полимерных изоляционных материалов для покрытия трубопроводов;
- разработки и применения схемотехнических решений
преобразовательных устройств электрохимической защиты (УЭХЗ)
катодного типа и систем управления ими, реализуемых с использованием
новых принципов и режимов работы таких устройств, отвечающих
требованиям государственного стандарта (ГОСТ Р51164-98).
Существующие УЭХЗ работают на принципе натекания постоянного тока защиты на трубопровод без учета: «эффекта поляризации-деполяризации» трубопровода, влияния собственных (погонных) параметров трубопровода на естественное перераспределение заряда по длине трубопровода за время деполяризации, фактического состояния преобразовательного устройства, контура «трубопровод-грунт» и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты. В действительности параметры контура «трубопровод-грунт» в процессе эксплуатации изменяются из-за нарушения изоляции трубопровода, сезонных колебаний электропроводности грунта и переходных сопротивлений между трубопроводом и грунтом, а взаимное влияние смежных УЭХЗ при жестких схемах управления не учитывается. Указанные факторы определяют нестабильность потенциала защиты и ведут к снижению эффективности противокоррозийной защиты трубопровода, уменьшению срока его эксплуатации. Поэтому разработка и применение эффективного преобразовательного устройства с новыми принципами управления группой УЭХЗ электротехнического комплекса противокоррозийной защиты является важной и актуальной задачей.
Тема диссертационной работы соответствует научному направлению кафедры «Робототехника и Мехатроника» (ГОУ ВПО «Донской государственный технический университет») - «Преобразователи устройств электрохимической защиты ПМС от коррозии блуждающими токами» и выполнена в рамках тематики НИР (по подпрограмме 206 «Топливо и энергетика» НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», 2006 г.).
Объектом исследования является электротехнический комплекс противокоррозионной защиты металлических трубопроводов, имеющий преобразовательные устройства электроэнергии для формирования защитного электрического потенциала.
Предметом исследования являются преобразовательные устройства и системы управления электротехническим комплексом противокоррозийной защиты, осуществляющие формирование защитного потенциала на трубопроводе в импульсно-непрерывном режиме с учетом поляризационных, деполяризационных характеристик трубопровода и окружающей среды.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных показателей работы электротехнического комплекса противокоррозийной защиты металлического трубопровода благодаря применению преобразовательных устройств импульсно-непрерывного режима, обеспечивающих повышенную эффективность преобразования электроэнергии и естественное перераспределение защитного потенциала по длине трубопровода.
Задачи диссертационной работы:
- осуществить анализ состояния проблемы и определить задачи
совершенствования преобразовательных устройств и системы управления
противокоррозийной защитой металлического трубопровода;
- обосновать целесообразность применения импульсно-непрерывного
режима работы УЭХЗ и требования к форме импульсов выходного
напряжения преобразователя;
- разработать математическую модель трубопровода с учетом
погонных параметров и выполнить моделирование импульсно-непрерывного
режима работы УЭХЗ;
разработать и предложить метод, систему управления преобразовательным устройством по формированию напряжения требуемой формы, обеспечивающие его энергоэффективную работу;
разработать и предложить систему управления УЭХЗ, обеспечивающие поддержание защитного потенциала трубопровода на расчетном уровне;
- выполнить экспериментальные испытания преобразовательного
устройства импульсно-непрерывного режима и реализаций предлагаемых
технических решений по его управлению.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы: методы математического моделирования, дифференциальные уравнения в частных производных, разложение в ряд Фурье, методы управления сложными объектами в условиях неопределенности с использованием алгоритмов нечеткой логики; прикладное программирование и компьютерное моделирование; экспериментальные испытания предлагаемых технических разработок.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью поставленных в ней задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемых математических моделей и
методов, а также подтверждена экспериментальными исследованиями. Новые научные результаты:
- предложен импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ
трубопровода от коррозии, отличающийся использованием импульсов
трапецеидальной формы и позволяющий поддерживать защитный потенциал
трубопровода (за счет эффекта катодной поляризации - деполяризации
трубопровода) на заданном уровне;
- разработана обобщенная математическая модель трубопровода в виде
RLC - контура, позволяющая исследовать влияние погонных параметров
трубопровода и изменений грунта на выбор параметров импульса
напряжения трапецеидальной формы: его длительность, крутизну переднего
и заднего фронтов;
- разработан новый зонный метод формирования изменяемых
импульсов напряжения трапецеидальной формы на выходе УЭХЗ,
отличающийся совмещением работы устройства переключения секций
вторичной обмотки силового трансформатора и фазового управления
силовыми полупроводниковыми приборами (СПП);
- предложено применение алгоритмов нечеткой логики для создания
системы автоматизированного управления УЭХЗ, как сложным объектом в
условиях неопределенности.
Практическая ценность работы:
- предложено рациональное схемотехническое построение силовой
части преобразователя и системы управления УЭХЗ, позволяющее
формировать трапецеидальное выходное напряжение и осуществлять
регулирование защитного потенциала трубопровода при повышенной
энергетической эффективности преобразования электроэнергии в силовом
контуре;
- разработаны рекомендации по созданию системы управления
цифрового блока и устройства переключения секций силового
трансформатора (ТС), обеспечивающих реализацию импульсно-
непрерывного режима по формированию выходного напряжения УЭХЗ при
минимизации содержания гармонических составляющих в сети питания и
нагрузке;
предложены структурная схема построения аппаратно-программной части системы управления УЭХЗ для приема, обработки и передачи информации, а также алгоритмы, программные продукты нижнего и верхнего уровней управления электротехническим комплексом УЭХЗ;
разработан регулятор управления УЭХЗ на базе нечёткой логики, позволяющий поддерживать защитный потенциал на заданном уровне;
создан учебный стенд, позволяющий экспериментально исследовать работу преобразовательного устройства, систему управления, влияние формы импульса напряжения, параметров контура «трубопровод-грунт» на процессы формирования защитного потенциала в контрольных точках трубопровода.
Основные положения, выносимые на защиту:
импульсно-непрерывный режим работы УЭХЗ трубопровода от коррозии;
математическая модель металлического трубопровода для исследования влияния погонных параметров трубопровода, характеристик изоляционного покрытия и параметров трапецеидального импульса выходного напряжения при управлении группой УЭХЗ;
зонный метод формирования трапецеидального импульса напряжения и управление УЭХЗ при минимуме потерь электроэнергии от гармоник;
- система автоматизированного управления электротехническим
комплексом из группы УЭХЗ трубопровода от коррозии.
Внедрение результатов диссертационного исследования.
УЭХЗ с реализацией импульсно-непрерывного режима работы по защите трубопровода от почвенной коррозии (коррозии блуждающими токами) внедрен в эксплуатацию на действующем трубопроводе в г. Ростов-на-Дону. Результатом внедрения выполненного исследования в учебный процесс ГОУ ВПО ДГТУ является стенд для проведения лабораторных работ, который создан на базе однофазного преобразователя переменного тока в постоянный с плавным и ступенчатым регулированием выходного напряжения изменяемой формы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и обсуждены на седьмом международном симпозиуме
«Интеллектуальные системы» (INTELS' 2006), (г. Краснодар, НОУ КИИЗ, 26-
30 июня, 2006г.); на VIII международной научно-технической конференции
по динамике технологических систем (10-12 октября 2007г., ДГТУ); на
научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей
ДГТУ в 2007- 2009 г.г.; на «Научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава, сотрудников и студентов, посвященной 80-
летию университета ДГТУ» (13-14 мая 2010 г., г. Ростов-на-Дону); на
расширенном заседании кафедры «Электропривод и автоматика» ГОУ ВПО
«Южно-Российский государственный технический университет» ЮРГТУ
(НПИ, протокол № 4 от 15.11.2010 г., г. Новочеркасск); на расширенном
заседании профессорско-преподавательского состава кафедры
«Робототехника и мехатроника» ГОУ ВПО «ДГТУ» (протокол № 4 от 25.11.2010 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ: из них - две статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, шесть - в трудах вузов и материалах конференций.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, пяти разделов и заключения, списка литературы из 75 наименований и трех приложений. Объём работы составляет 168 страниц текста, 76 рисунков и 8 таблиц.
