Содержание к диссертации
Введение
1. Современные подходы реализации электрохимической защиты подземных стальных трубопроводов 13
1.1. Классификация методов электрохимической защиты 13
1.2. Анализ современного уровня электрохимической защиты подземных сооружений 17
1.3. Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов для электрохимической защиты 22
1.4. Автоматизированные системы контроля и управления параметрами технологического процесса защиты подземных трубопроводов 29
1.5. Дистанционный контроль и управление параметрами электрохимической защиты 36
Выводы по главе 1 40
2. Электрохимическая защита подземных трубопроводов импульсным током 41
2.1. Исследования по определению воздействия импульсного тока на сталь при катодной поляризации 41
2.1.1. Постановка цели и определение задач экспериментального исследования 41
2.1.2. Методика эксперимента 42
2.1.3. Экспериментальные результаты и выводы 43
2.2. Разработка компьютерной модели станции катодной защиты на основе импульсного тока 52
2.3. Сравнение импульсной станции катодной защиты со схемой с непрерывным током 55
2.4. Разработка комбинированной модели нагрузки станции электрохимической защиты, основанной на катодной поляризации импульсным током, на базе нечетких правил 58
Выводы по главе 2 66
3. Моделирование станции катодной защиты на базе импульсного источника тока 67
3.1. Структура станции катодной защиты с режимом импульсного тока. 67
3.2. Модель СКЗ для выбора закона регулирования амплитуды 72
3.3. Модель СКЗ с двумя каналами управления при фиксированном значении длительности импульса 76
3.4. Моделирование СКЗ с двумя каналами управления 79
3.5. Модель СКЗ с инвертором в звене повышенной частоты 82
3.6. Моделирование СКЗ с инвертором в звене повышенной частоты и fuzzy-моделью нагрузки 87
Выводы по главе 3.. 91
4. Реализация электротехнических комплексов для электрохимической защиты на базе импульсного тока 92
4.1. Схемотехнические решения импульсной станции катодной защиты 92
4.2. Результаты полигонных испытаний импульсной станции катодной защиты 96
4.3. Определение критериев эффективности и ограничения действия коррозии при поляризации импульсным током 101
4.4. Построение автоматизированной системы управления импульсной станцией катодной защиты 107
4.5. Оценка эффективности внедрения станции катодной защиты подземных трубопроводов импульсным током 115
4.5.1 Особенности определения коммерческой эффективности новой техники в ОАО «Газпром» 115
4.5.2. Расчет экономической эффективности внедрения новой техники. Экономическое обоснование реконструкции станций катодной защиты ООО «Газпром трансгаз Саратов» 121
Выводы по главе 4 130
Заключение 131
Список литературы 134
- Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов для электрохимической защиты
- Постановка цели и определение задач экспериментального исследования
- Моделирование СКЗ с двумя каналами управления
- Построение автоматизированной системы управления импульсной станцией катодной защиты
Повышение энергоэффективности электротехнических комплексов для электрохимической защиты
В зависимости от характера коррозии и условий ее протекания применяются различные методы защиты. Методы защиты металлов от коррозии различаются по механизму защитного действия и по способу применения защиты [10,53]. По механизму защитного действия методы защиты металлов от электрохимической коррозии можно разделить на следующие: методы, тормозящие преимущественно катодный процесс (применение катодных ингибиторов, уменьшение концентрации катодных деполяризаторов в растворе, применение электрохимической катодной защиты, снижение катодных включений в сплаве); методы, тормозящие преимущественно анодный процесс (применение анодных ингибиторов или пассиваторов, легирование сплава с целью повышения пассивности, применение анодной электрохимической защиты); методы, увеличивающие омическое сопротивление системы (применение изоляционных прокладок между катодными и анодными участками системы); - методы, снижающие термодинамическую нестабильность коррозионной системы (покрытие активного металла сплошным слоем термодинамически устойчивого металла, легирование термодинамически нестабильного металла значительным количеством стабильного компонента, полная изоляция металла от коррозионной среды); смешанные методы, т.е. методы, тормозящие одновременно несколько стадий коррозионного процесса.
Выбор того или иного способа определяется его эффективностью в данном конкретном случае, а также экономической целесообразностью [48]. Любой метод защиты изменяет ход коррозионного процесса, уменьшая степень термодинамической неустойчивости системы, понижая скорость коррозионного процесса [9,10, 21].
Электрохимическая защита основана на подавлении анодных токов катодными с помощью внешнего источника постоянного тока (Рисунок 1.1) или протектора, изготовленного из материала, имеющего более отрицательный потенциал, чем защищаемый объект. В зависимости от способа получения электрического тока различают три вида ЭХЗ: катодную, протекторную, электродренажную [3,11,40,47].
Установка катодной защиты: защищаемый подземный трубопровод; 2 – анодное заземление; 3 – станция катодной защиты; jзащ внешние токи при электрохимической защите. Согласно теории, если плотность тока, натекающего на участок трубопровода jзащ, больше, чем плотность тока стекающий с него, т.е. jзащ jкор, то анодный процесс сменится катодным [88]. Основным критерием катодной защиты является защитный потенциал. Защитным потенциалом называется потенциал, при котором скорость растворения металла принимает предельно низкое значение, допустимое для данных условий эксплуатации. Характеристикой катодной защиты является величина защитного эффекта Z (%): Z = (К0- Кi)/К0 -100 %, (1.1) где Ко [г/(м2-ч)] — скорость коррозии металла без защиты; Кj [г/(м2 -ч)] — скорость коррозии металла в условиях электрохимической защиты. Коэффициент защитного действия К3 [г/А] определяют по формуле: К3 = (то - ші)/іг, где т0 и mi — потери массы металла соответственно без катодной защиты и при ее применении (г/м2), ік [А/м2] — плотность катодного тока. При организации катодной защиты отрицательный полюс внешнего источника тока присоединяют к защищаемой металлической конструкции, а положительный полюс — к вспомогательному электроду, работающему как анод. В процессе защиты анод разрушается и его необходимо периодически заменять.
Источниками внешнего тока при катодной защите служат станции катодной защиты, обязательными элементами которых являются: преобразователь (выпрямитель), вырабатывающий ток; токоподвод к защищаемой конструкции, электрод сравнения, анодные заземлители, анодный кабель [82].
В соответствии с распространенной классификацией способов защиты от коррозии электрохимическую защиту относят к активным способам, в то время как защиту с помощью изоляционных (защитных) покрытий - к пассивным. Оба эти способа применяются на подземных металлических сооружениях совместно, комплексно.
При электрохимической защите возникает эффект катодной поляризации: потенциал корродирующей поверхности приобретает катодное смещение, в результате чего ее электрохимический потенциал становится электроотрицательнее своего стационарного потенциала [85,90,92].
Плотность тока катодной поляризации j и электрохимический потенциал исследуемого металла U обычно связывают графической зависимостью, называемой катодной поляризационной характеристикой U = FQ), вид которой определяется множеством физико-химических факторов, проявляющихся на поверхности поляризующегося электрода.
Следует отметить, что катодное смещение Ш есть отрицательное приращение потенциала электрода относительно своего стационарного состояния Uст .
Смещение потенциала неизолированного электрода - это падение напряжения на поляризационном сопротивлении, т.е. AU = Pj.
Особое внимание при катодной поляризации, следует обращать на так называемую точку перегиба О2-Н2 , которая соответствует предельному диффузионному току jпр, при достижении которого начинаются затруднения в доставке кислорода через толщу электролита. При небольшой плотности тока поляризации j jпр катодный процесс идет при участии кислорода, т.е. имеет место кислородная деполяризация, но при j jпр, поскольку возникают затруднения с диффузией кислорода, процесс кислородной деполяризации постепенно вытесняется водородной деполяризацией. Таким образом, при больших плотностях катодного тока на защищаемом сооружении происходит выделение газообразного водорода, который в свою очередь оказывает негативное влияние на защитное покрытие и структуру металла.
Постановка цели и определение задач экспериментального исследования
Для оценки адекватности результатов математического моделирования был построен стенд, включающий в себя емкость с грунтом, имеющим среднею коррозионную агрессивность, в который была уложена труба без защитного покрытия, длиной 499 мм, диаметром 43 мм, с толщиной стенки трубы 3 мм. Роль измерительной системы (системы сравнения) выполнял медно-сульфатный электрод сравнения. В качестве источников тока использовались, источник питания постоянного тока Б5-71-ПРО для реализации режима постоянного тока, и генератор сигналов специальной формы GFG-3075 для реализации импульсного режима. Экспериментально, на стенде были отработаны режимы постоянного и импульсного тока с различными выходными параметрами источников.
Результатом данных исследований стала реализация катодной поляризации до значений поляризационных потенциалов, установленных нормативными документами (НД) как постоянным, так и импульсным током. Конечно, постоянный ток и его применение при катодной поляризации, это уже известный факт, поэтому все внимание было уделено импульсному току и его применению в катодной защите. Проводя исследования удалось отметить и затем подтвердить то, что с целью ускорения выхода потенциала на величину защиты отмеченную в НД, начинать поляризацию можно на постоянном токе при повышенных выходных значениях преобразователя, но при достижении значения переходить в режим импульсного тока варьируя период (скважность), тем самым повышая эффективность защиты, так как экономия электроэнергии определяется отношением временного промежутка между импульсами (Т-) к периоду Т следования импульсов, где – длительность импульсов. Хочется подчеркнуть, что исследования проводились на образце без защитного покрытия полностью контактирующего с окружающей средой (грунтом), совпадение результатов моделирования с экспериментальными не хуже 7%. \
Разработка комбинированной модели нагрузки станции электрохимической защиты, основанной на катодной поляризации импульсным током, на базе нечетких правил
В целях проверки и уточнения алгоритмов управления импульсной станции катодной защиты и в целом электрохимической защитой воспользуемся аппаратом нечеткого вывода [51,52]. Воспользуемся программным продуктом MATLAB [51], на базе которого созданы многочисленные прикладные пакеты. Одним из них является Fuzzy Logic Toolbox, предназначенный для проектирования и исследования систем нечеткого вывода [51,52]. Он поддерживает все фазы разработки нечетких систем, включая синтез, исследование, проектирование, моделирование и внедрение в режиме реального времени.
Дополним электрическую схему замещения трубопровода, представленную на Рисунке 2.9 моделью на основе нечетких правил, связывающих значение защитного потенциала с состоянием изоляционных покрытий подземного сооружения, а также параметров воздействия на него коррозионной среды.
В общем случае потенциал сооружения относительно земли является функцией тока, выходного тока установки электрохимической защиты, а также расстояния между анодам и данной точкой сооружения и состоянием защитного покрытия.
С возрастанием выходного тока I, увеличивается потенциал всех точек сооружения, в том числе вблизи дренажной точки, точки подключения. Увеличение же потенциала строго ограниченно не только нормативными документами, но и физическими свойствами стали и покрытия, поскольку при возрастании его сверх «минус» 1,2 В относительно медносульфатного электрода облегчается выделение водорода, который ускоряет отслаивание от металла защитного покрытия и проникает в кристаллическую решетку металла[97]. Тем самым ограничивается потенциал и, как следствие, зона действия защиты. Для того, чтобы обойти отрицательное действие форсированных режимов работы катодной установки на участке, наиболее близком к анодному заземлителю, обеспечить увеличение потенциалов на наиболее удаленных от катодной станции участках и тем самым увеличить зону действия защиты на протяженных сооружениях, необходимо было бы перераспределить токи утечки, снизив потенциал сооружения на участках, где он недопустимо велик, и повысив его на участках, где он недопустимо мал.
Все это достаточно сложно учесть в аналитической модели нагрузки, но представляется возможным оценить защитный потенциал, создаваемый импульсной станции катодной защиты, на основе нечетких правил.
Введем входные лингвистические переменные (ЛП): коррозионная агрессивность грунта «Grunt», состояние защитного покрытия «Izol», ток нагрузки «Ток». Соответственно выходной ЛП будет величина защитного потенциала «Potencial».
Условимся, что расстояние между анодным заземлением и сооружение равно 200 м. Расстояние между точкой дренажа и точкой измерения равно 10 000 м. Коррозионную агрессивность грунта примем в соответствии с ГОСТ 9.602 - 2005 «Сооружения подземные». Общие требования к защите от коррозии согласно требований данного стандарта определяют значение удельного электрического сопротивления до 20 Ом-м как ВЫСОКУЮ коррозионную агрессивность, значение от 20 до 50 Ом-м - СРЕДНЮЮ коррозионную агрессивность и значение свыше 50 Ом-м - НИЗКУЮ коррозионную агрессивность.
Моделирование СКЗ с двумя каналами управления
Проблема создания высокоэффективного импульсного источника для катодной поляризации подземных сооружений наиболее успешно может быть решена тогда, когда совместно с теоретическими следованиями будут широко развернуты экспериментальные работы, совместно с которыми могут быть получены достоверные выводы и рекомендации.
Целью полигонных испытаний являлось описание импульсной станции катодной защиты на основе экспериментальных данных об особенностях работы станции в различных режимах, в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным.
В ходе полигонных испытаний были поставлены следующие задачи: 1) определить количественные значения выходных параметров, характеризующих работу импульсной станции; 2) определить значения скважности, определяющей заданные значения защитного потенциала; 3) определить влияние импульса на значение омической составляющей защитного потенциала; 4) охарактеризовать значимость различных выходных параметров во влиянии на энергетический баланс установки; 5) установить наличие и границы области максимального КПД импульсной станции при защите подземного сооружения; 6) провести сравнения режимов работы и функциональности с традиционными схемами станций; 7) определить особенности режимов электромеханической системы. Реализованная программа испытаний представлена в Приложении 1.
В настоящее время опыт применения импульсных источников в качестве станций для катодной защиты недостаточно изучен. Это связано с тем, что коррозионные процессы, рассматриваются при значительных допущениях, касающихся состояния защитного покрытия, агрессивности окружающей среды и ряда других факторов.
Установлено, что существенное влияние на переходной процесс спада поляризации оказывают физико-химические свойства пары «металл-электролит». Поэтому одной из важнейших задач является проведение таких теоретических и экспериментальных исследований, которые сокращали бы количество и продолжительность опытов без ущерба качества исследований и позволили бы прояснить физику процесса непосредственного протекания процесса, и, как следствие, выбор схемы источника тока.
В реальных условиях процесс защиты сложно предугадать из-за возникающих разнообразных условий и явлений. Главные из которых: состояние защитного покрытия, агрессивность среды и площадь защищаемого сооружения, определяющая ток защиты и соответственно выходной ток станции. В нашем случае выходной ток и его дозирование будет определяться такими параметрами, как амплитуда, период и коэффициент заполнения импульсов, от которых и будет определяться КПД установки.
Импульсная станция катодной защиты представляет собой преобразователь с контроллером, на входы которого поступает информация о потенциале сооружения и сигнал с выхода датчика тока. Выходы контролера, как описано в главе 2, управляют двумя контурами регулирования. Первый необходим для стабилизации амплитуды импульсов, второй контур реализует изменение длительности импульсов катодного тока до уровня, обеспечивающего необходимый защитный потенциал (в случае, когда первый контур не в состоянии обеспечить защиту сооружения).
Основными величинами, которые необходимо измерять в приводимой здесь методике полигонных испытаний являются выходной ток, выходное напряжение станции и главное, защитный потенциал защищаемого сооружения.
На Рисунке 4.4 приведена схема полигона, на котором были выполнены испытания. Рис. 4.4 Схема полигона
Полигон представляет собой участок трубопровода (г/п) из труб диаметром 159 мм длиной 650 м с различными типами изоляционного покрытия весьма усиленного типа (экструдированный полиэтилен, изоляция на основе битумных мастик, пленочная и стеклоэмаль). Типы изоляции чередуются через каждые 100 м. Участки с различными типами изоляции электрически разделены изолирующими соединениями (электроизолирующими вставками). Также на полигоне размещен экспериментальный подземный газопровод диаметром 219 мм длиной 80 м с пленочной изоляцией усиленного типа.
В начале основного трубопровода (точка А на схеме) и в местах установки электроизолирующих вставок обустроены шурфы, выполненные в виде газовых колодцев из железобетонных колец диаметром 1500 мм. Рядом с шурфами установлены стационарные контрольно-измерительные пункты (СКИП), оснащенные электродами сравнения длительного действия с внешними электродами (датчиками потенциала). На концах изолирующих соединений установлены контактные устройства для обеспечения электрической связи между секционированными участками трубопровода.
В местах пересечения трубопровода с дорогой установлены футляры, выполненные из стальных труб диаметром 325 мм с битумной изоляцией. Защита футляров от коррозии осуществляется с помощью протекторов типа ПМ-10У и блока совместной защиты типа БДЗ-10. Рядом с футлярами установлены СКИП, оснащенные электродами сравнения длительного действия с внешними электродами (датчиками потенциала). Блок совместной защиты установлен на СКИП у футляра, установленного на газопроводе со стеклоэмалевой изоляцией.
Для катодной защиты трубопровода установлены анодные заземлители (АЗ) типа ЭГТ-2500. Место установки показано на схеме. Для коммутации анодных заземлителей установлен СКИП. Для осуществления ЭХЗ и испытаний станций катодной защиты у учебно-лабораторного корпуса установлена эстакада с возможностью размещения на ней до пяти станций катодной защиты (СКЗ).
На участке трубопровода с битумной изоляцией обустроен участок имитаторов дефектов защитного покрытия. «Точечные» имитаторы с площадью дефекта S1=0,1 см2, S2=1,0 см2, S3=10 см2, S4=100 см2 и «протяженный» дефект, выполненный из стальной проволоки диаметром 6 мм длиной 11 м, уложенной вдоль трубы, подключаются к трубе с помощью коммутаторов, установленных в непосредственной близости от дефектов. Управление коммутаторами осуществляется с пульта, подключаемого к разъемам коммутаторов, выведенных в СКИП. На пульте предусмотрена возможность контроля тока, стекающего с дефекта (в режиме «Контроль»). На установке для оценки эффективности ЭХЗ предусмотрена возможность дистанционного контроля и регулирования СКЗ по GSM каналам. Диспетчерский пункт располагается в учебном классе, расположенном в учебно-лабораторном корпусе.
Построение автоматизированной системы управления импульсной станцией катодной защиты
Величина годовых амортизационных отчислений на строительно-монтажные работы определена из уровня затрат на СМР и нормы амортизационных отчислений в размере 2,4% (в соответствии с постановлением Совмина СССР от 22.10.1990 г. № 1072 и Письмом РАО «Газпром» от 13.01.1995 г. № ББ - 13) [17].
Оценка экономической эффективности инновационного проекта проводится на основе связанных с этим проектом денежных потоков по годам расчетного периода и определена путем сопоставления инвестиций ООО «Газпром трансгаз Саратов» на реконструкцию и прибыли, получаемой в результате переоснащения системы электрохимической защиты.
Денежный поток определяется как разность между прибылью от реализации проекта реконструкции (притоком) и инвестициями (оттоком) денежных средств за расчетный период.
Объем инвестиций для реализации проекта реконструкции определен исходя из затрат на капитальные вложения - 158,00 тыс. руб в том числе: закупка оборудования - 60,00 тыс. руб; строительно-монтажные работы (СМР) - 70,00 тыс.руб; пуско-наладочные работы (ПНР) - 28,00 тыс. руб. Прибыль определена как экономия затрат на текущие издержки эксплуатации, и рассчитывается по формуле: П = Эиэ, где Эиэ - экономия затрат на текущие издержки эксплуатации, тыс. руб. Экономия текущих издержек эксплуатации получена за счет уменьшения затрат на электроэнергию и уменьшение затрат на ремонтно-техническое обслуживание и рассчитывается по формуле: Эиэ = АЗЭЛ + АЗрто, где АЗэл - уменьшение затрат на электроэнергию, тыс. руб; АЗрто - уменьшение затрат на ремонтно-техническое обслуживание, тыс. руб. 126 Уменьшение затрат на электроэнергию Уменьшение затрат на электроэнергию при реконструкции происходит за счет уменьшения потребления электроэнергии новой СКЗ и рассчитывается по формуле З.эл. = (Рвх.б - Рвх.н ) -Тэ -Тр П, где Рвх - активная потребляемая мощность СКЗ (кВт); Тр - годовой фонд времени работы СКЗ; Тэ - действующий тариф на электроэнергию в регионе (2,58 руб./кВт) согласно Постановления от 25 ноября 2012г. №14/42 об установлении тарифов на электрическую энергию, отпускаемую потребителем (кроме населения) ООО «Промэнергосбыт» по точкам поставки энергии (мощности) на розничном рынке. Годовой фонд времени определяем по формуле: Тр= Тг - Тп , где Тг - годовой фонд времени ( 24 365= 8760ч); Тп - максимальный допустим перерыв в работе, согласно ГОСТ 51164-98 не более 10 суток в год, (1024= 240ч). Имеем Тр= 8760-240=8520 ч. Ряд значений отдельных показателей, таких как затраты на техническое обслуживание, затраты на капитальный ремонт идентичны аналогичным показателям базового варианта. Затраты на ремонтно-техническое обслуживание Система технического обслуживания и ремонта (РТО) СКЗ - комплекс работ, выполняемых для поддержания и восстановления исправности и работоспособности СКЗ в процессе ее использования по назначению. Затраты на РТО - стоимостное выражение комплекса работ РТО, включая затраты на запасные части и узлы и их обменный фонд, на работы проводимые на ЛЧ, и исключая работы, выполняемые оперативным персоналом ЛЭС.
Годовые затраты на РТО одной станции катодной защиты В-ОПЕ за 2012 год составили 30 тыс. рублей без НДС, следовательно, затраты на РТО на триста сорок пять заменяемых станций составят 30,0-345 = 10,350 млн. руб. При расчете затрат на РТО могут быть использованы несколько методов: расчет по данным проекта сервисного контракта с изготовителем; поэлементный расчет стоимости программы (графика) РТО; оценка по удельным показателям. В данном расчете использован второй метод. Расчетный метод предусматривает оценку затрат на РТО по данным, включающим в себя график техобслуживания и ремонта, объемы работ и стоимости РТО на каждом уровне этой программы.
Среднегодовые затраты считают по формуле Зрто =( (Кскз Ка )/Т) Цскз [(Рскз/Ррем-Рскз/Руст) Срем+(РГПа/Рдв-1 )]+Цскз/Т1 Т, где Кскз - коэффициент, учитывающий объемы ремонтных работ, осуществляемых на ЛЧ; Ка - коэффициент, учитывающий внеплановые ремонты; Т - расчетный срок службы СКЗ, лет; Цскз - стоимость СКЗ, тыс. руб; Рскз - назначенный ресурс СКЗ, тыс. ч; Ррем - назначенный ресурс до капитального ремонта, тыс. ч; Руст - назначенный ресурс установки катодной защиты, тыс. ч; Срем - относительная стоимость ремонта станции (по отношению к стоимости новой станции); - количество СКЗ, шт. Имеем Зрто =(1Л 1,05)/15 60,0 [(131,4/43,8 -131,4/131,4) 0,325+(131,4/131,4 - 1)] + 60,0/(345 15) = 3015 тыс.руб. Чистая прибыль - прибыль за вычетом суммы налога на прибыль (24% от величины прибыли) и суммы налога на имущество (1% от стоимости оборудования). Чистый денежный поток определен как разность между прибылью и инвестиционными вложениями и определяет экономический эффект проекта в целом. Чистый дисконтированный денежный поток рассчитан при норме дисконта 12% и представляет экономический эффект проекта с учетом фактора времени. Рассматриваемый вариант реконструкции системы электрохимической защиты ООО «Газпром трансгаз Саратов» характеризуется следующими основными показателями эффективности, приведенными в таблицах 4.4 и 4.5.
Результаты расчета свидетельствуют об эффективности внедрения автоматизированной импульсной станции катодной защиты, т.к. величина интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) – положительна. Кроме того, индекс эффективности превышает 1, что также свидетельствует об эффективности данного проекта. Срок окупаемости составит шесть лет
