Патент на изобретение №2293139

(54) МОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано для защиты протяженных трубопроводов, металлических резервуаров, а также в качестве источника тока в различных областях техники. Установка содержит модуль преобразования, анодное заземление и электрод сравнения, при этом модуль преобразования содержит источник питания, усилитель мощности, положительный выход которого соединен с анодным заземлителем, а к выводам питания подключены выходы источника питания, датчик тока, первый вывод которого подключен к отрицательному выходу усилителя мощности, а второй вывод соединен с защищаемым сооружением, блок управления, содержащий модулятор, выход которого подключен к входу усилителя мощности, первый источник опорного напряжении, первый блок сравнения, первый вход которого связан с выходом первого источника опорного напряжения, причем в установку дополнительно введены датчик потенциала и, как минимум, второй модуль преобразования, идентичный первому и связанный с ним одноименными входами и выходами, при этом в блок управления каждого модуля преобразования дополнительно введены второй источник опорного напряжения, второй блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом второго источника опорного напряжения, второй вход – с выходом датчика тока, третий вход – с выходом первого блока сравнения, а выход подключен к входу модулятора, коммутатор и накопитель, первый вывод которого подключен ко второму входу первого блока сравнения и к защищаемому сооружению, второй вывод связан с третьим входом первого блока сравнения и с выходом коммутатора, первый вход которого подключен к защищаемому сооружению, а второй – к датчику потенциала. Технический результат – повышение надежности защиты сооружения от коррозии и уменьшение электроэнергии, потребляемой от сети средствами защиты. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано для защиты протяженных трубопроводов различного назначения, металлических резервуаров, а также в качестве источника тока в различных областях техники.

Известна установка катодной защиты, содержащая станцию катодной защиты, анодный выход которой соединен с анодным заземлением, катодный выход подключен к защищаемому сооружению, а управляющий вход станции соединен с выходом блока управления, входы которого соединены с выходами схемы регистрации поляризационного потенциала, включающей электрод сравнения, датчики тока и потенциала, задающий генератор и согласующий блок (А.с. СССР № 1429591, МКИ: C 23 F 13/02).

Однако данное устройство характеризуется низкой надежностью защиты сооружения, обусловленной тем, что при выходе из строя станции катодной защиты защита сооружения отсутствует в течение времени, необходимого для ремонта катодной установки. Организация структуры с параллельным подключением к основной катодной станции резервной катодной станции для повышения надежности требует применения дополнительных технических средств обладающих низкой надежностью (в первую очередь средств, коммутации сильноточных цепей).

Кроме того, данное устройство характеризуется значительным энергопотреблением от сети катодной станцией. Особенно это проявляется в начальный период эксплуатации защищаемого сооружения, так как мощность станции выбирается заведомо избыточной, с расчетом на несколько лет вперед. При этом жесткая структура катодной станции не позволяет автоматически изменять ее номинальную мощность в зависимости от изменяющихся условий эксплуатации.

Известна установка для катодной защиты многониточных подземных трубопроводов, содержащая два блока питания, основной и резервный, блок автоматического ввода резерва, два устройства для катодной защиты, основное и резервное, глубинное анодное заземление по числу трубопроводов, блок коммутации и измерения параметров защиты, датчики потенциала и электроды сравнения по числу трубопроводов (Заявка на изобретение РФ № 92120486/02, МПК: С 23 F 13/22). Однако недостатки, перечисленные выше, характерны и для данного технического решения. Кроме того, значительное энергопотребление от сети катодной станцией связано также и с наличием в составе установки резервной катодной станции такой же мощности, как и основной станции, а также блока автоматического ввода в работу резервной катодной станции, увеличивает значение мощности, потребляемой установкой от питающей сети.

Известна установка катодной защиты, содержащая электрод сравнения и параллельно включенные станции катодной защиты, каждая из которых содержит несколько параллельных идентичных каналов. При этом каждый канал выполнен в виде последовательно соединенных блока сетевого выпрямителя, блока входного фильтра, блока высокочастотного преобразователя, силового трансформатора, выходного выпрямителя, выходного фильтра. Установка имеет общий для всех каналов блок управления, который связан своими входами с выходами измерительных силовых трансформаторов всех каналов, а выходы блока управления подключены к входам управления преобразователей всех каналов. Установка снабжена также средствами для обеспечения поперечных гальванических связей между выходами одноименных блоков, составляющих каждый канал (Заявка на изобретение РФ №94029660/02, МПК: C 23 F 13/02).

Однако данная установка также характеризуется низкой надежностью защиты сооружения, при этом выход из строя общего для всех каналов блока управления, даже при исправном состоянии всех каналов, приводит к потере работоспособности всей станции. Кроме того, данная установка требует дорогостоящего технического обслуживания, которое обусловлено тем, что при параллельном соединении нескольких блоков, например блоков выпрямителей, накладываются очень жесткие ограничения на подбор параметров электронных компонентов, составляющих указанные блоки. В противном случае возникает перераспределение потенциалов и один из блоков, соединенных параллельно, оказывается более нагруженным и выходит из строя. Причем указанное перераспределение потенциалов может возникнуть не сразу, а в процессе эксплуатации, в результате изменения условий эксплуатации.

Кроме того, регулирование выходной мощности станции по сигналу, снимаемому с электрода сравнения, то есть регулирование по суммарному потенциалу, не может обеспечить надежную защиту сооружения при существенном изменении условий эксплуатации в связи с отсутствием датчика потенциала.

Кроме того, данное устройство, как и предыдущие аналоги, характеризуется значительным потреблением электроэнергии, которое также связано и с наличием параллельных каналов, постоянно подключенных к сети, значительно увеличивает потребляемую от сети мощность.

Наиболее близкой к заявляемому является установка для катодной защиты, содержащая модуль преобразования, анодное заземление, электрод сравнения, при этом модуль преобразования содержит источник питания, усилитель мощности, положительный выход которого соединен с анодным заземлителем, а к выводам питания подключены выходы источника питания, датчик тока, первый вывод которого подключен к отрицательному выходу усилителя мощности, а второй вывод соединен с защищаемым сооружением, блок управления, содержащий модулятор, выход которого подключен к входу усилителя мощности, первый источник опорного напряжении, первый блок сравнения, первый вход которого связан с выходом первого источника опорного напряжения (Заявка на изобретение РФ №95103331/02, МПК: C 23 F 13/04).

Однако данному устройству присущи все перечисленные выше недостатки, а именно низкая надежность защиты сооружения и большое значение электроэнергии, потребляемой от сети установкой. Кроме того, выходная мощность установки ограничена жестко заданным значением, соответствующим ее номинальной выходной мощности. Это предохраняет установку от перегрузки, но после превышения мощности, необходимой для защиты сооружения, значения, соответствующего номинальной выходной мощности установки, защищаемое сооружение получает недостаточную защиту.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении качества защиты сооружения от коррозии.

Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче, заключается в повышении надежности защиты сооружения и уменьшении электроэнергии, потребляемой от сети средствами защиты.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в установку для катодной защиты, содержащую модуль преобразования, анодное заземление и электрод сравнения, при этом модуль преобразования содержит источник питания, усилитель мощности, положительный выход которого соединен с анодным заземлителем, а к выводам питания подключены выходы источника питания, датчик тока, первый вывод которого подключен к отрицательному выходу усилителя мощности, а второй вывод соединен с защищаемым сооружением, блок управления, содержащий модулятор, выход которого подключен к входу усилителя мощности, первый источник опорного напряжении, первый блок сравнения, первый вход которого связан с выходом первого источника опорного напряжения, согласно изобретению, введены датчик потенциала и, как минимум, второй модуль преобразования, идентичный первому и связанный с ним одноименными входами и выходами, при этом в блок управления каждого модуля преобразования дополнительно введены второй источник опорного напряжения, второй блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом второго источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу датчика тока, третий вход связан с выходом первого блока сравнения, а выход подключен к входу модулятора, коммутатор и накопитель, первый вывод которого подключен к второму входу первого блока сравнения и к защищаемому сооружению, второй вывод связан с третьим входом первого блока сравнения и с выходом коммутатора, первый вход которого подключен к защищаемому сооружению, а второй вход подключен к датчику потенциала.

При этом усилитель мощности выполнен по схеме двухтактного мостового преобразователя, а модулятор выполнен по схеме широтно-импульсного модулятора.

Влияние отличительных признаков на достижение технического результата выражается в следующем. Причинно-следственная связь между техническим результатом и дополнительно введенными вторым источником опорного напряжения, вторым блоком сравнения заключается в том, что их введение позволило наделить модуль преобразования свойствами источника тока. В результате этого повысилась надежность самого модуля преобразования, так как источник тока выдерживает короткое замыкание в цепи нагрузки без нарушения работоспособности.

Кроме того, при возникновении обрыва в цепи электрода сравнения обеспечивается автоматический переход станции из режима поддержания потенциала в режим поддержания тока. Поскольку значение тока, которое поддерживается в данном случае, соответствует значению потенциала до возникновения обрыва, то сооружение остается под защитой. После ликвидации обрыва установка автоматически переходит в режим поддержания потенциала. Указанная возможность также повышает надежность защиты сооружения, так как сооружение остается под защитой даже при выходе из строя электрода сравнения.

Помимо этого появилась возможность параллельного подключения нескольких модулей преобразования. Это позволило организовать гибкую структуру катодной установки с возможностью автоматического изменения ее номинальной мощности в зависимости от изменения условий эксплуатации сооружения. В результате этого мощность, потребляемая от сети катодной установкой, всегда остается на минимальном уровне.

Например, в начальный период эксплуатации сооружения требуется незначительная мощность для его защиты, поэтому в рабочем состоянии будет находиться только один модуль преобразования. При увеличении мощности, требуемой для надежной защиты сооружения, в рабочее состояние автоматически вводится второй модуль преобразования. Организованная таким образом структура катодной станции, автоматически перестраиваемая адаптивно к изменяющейся потребности в подводимой к сооружению мощности, позволяет до минимума снизить значение избыточной электроэнергии, потребляемой установкой от сети. Кроме того, появилась возможность использовать часть модулей преобразования в качестве “горячего” резерва, что повысило надежность работы катодной установки.

Причинно-следственная связь между техническим результатом и дополнительно введенными в установку датчиком потенциала, а также введенными в блок управления накопителем и коммутатором заключается в том, что их введение позволило обеспечить режим поддержания на заданном уровне поляризационного потенциала. В отличие от поддержания суммарного потенциала, которое реализовано в прототипе, данный режим обеспечивает значительно более надежную и эффективную защиту сооружения.

На чертеже приведена функциональная схема модульной установки.

Модульная установка для катодной защиты содержит набор идентичных модулей преобразования 1, одноименные входы и выходы которых связаны между собой, анодное заземление 2, электрод сравнения 3, датчик потенциала 4. Модуль преобразования 1 содержит источник питания 5, усилитель мощности 6, положительный выход подключен к анодному заземлителю 2, а к выводам питания подключены выходы источника питания 5, датчик тока 7, первый вывод которого подключен к отрицательному выходу усилителя мощности 6, а второй вывод соединен с защищаемым сооружением. Блок управления 8 содержит модулятор 9, выход которого подключен к входу усилителя мощности 6, первый источник опорного напряжения 10, первый блок сравнения 11, первый вход которого связан с выходом первого источника опорного напряжения 10, второй источник опорного напряжения 12, второй блок сравнения 13, выход которого связан с входом модулятора 9, первый вход подключен к выходу второго источника опорного напряжения 12, второй вход подключен к выходу датчика тока 7, а третий вход соединен с выходом первого блока сравнения 11, накопитель 14, первый вывод которого связан с вторым входом первого блока сравнения 11 и с электродом сравнения 3, коммутатор 15, выход которого связан с третьим входом первого блока сравнения 11 и с вторым выводом накопителя 14, а первый и второй входы связаны соответственно с защищаемым сооружением и с датчиком потенциала 4.

Один из возможных вариантов реализации приведенных на чертеже функциональных элементов состоит в следующем. Источник питания 5 выполнен в виде диодного моста типа КВРС-1006 и набора конденсаторов типа К50-35 220 мкФ×450 В. Усилитель мощности 6 выполнен по схеме мостового высокочастотного преобразователя напряжения. Ключевые элементы реализованы на полевых транзисторах типа IRF460. Силовой трансформатор выполнен на ферритовых кольцах М2000НМ1 К45×28×12. Высокочастотный выпрямитель построен на диодах типа BWV72. Сглаживающий фильтр выполнен на кольце К44×28×10,3 из материала МП140 и конденсаторе типа К50-35 100 мкФ×160 В. В качестве датчика тока 7 использован отрезок провода из манганина. Блок управления 8 реализован на следующих элементах. Модулятор 9 построен на специализированном контроллере для управления импульсными источниками питания типа К1156ЕУ2. Первый и второй источники опорного напряжения 10 и 12 построены на прецизионном стабилизаторе типа Д818 и переменном резисторе типа СП4-1. Первый и второй блоки сравнения 11 и 13 выполнены на операционных усилителях типа 140УД12. В качестве накопителя 14 применен термостабильный конденсатор типа К71-7. Коммутатор 15 выполнен на базе аналогового коммутатора К590КН2 и микропроцессора типа PIC 18F675. В качестве электрода сравнения 3 использован медносульфатный электрод типа ЭНЕС-1, укомплектованный датчиком потенциала. В качестве анодного заземлителя применен оксидный железо-титановый анодный заземлитель типа ОЖТЗ-1.

Описание работы модульной установки.

Перед вводом в эксплуатацию модульной установки необходимо присвоить входящим в нее модулям порядковые номера и выполнить следующие действия.

1. Настроить первый модуль.

1.1. Установить органы управления источников опорного напряжения 10 и 12 в положение, соответствующее минимальному уровню задаваемого значения.

1.2. Включить питание.

1.3. Установить орган управления источника опорного напряжения 12 в положение, соответствующее максимальному уровню задаваемого значения.

1.4. Установить орган управления источника опорного напряжения 10 в положение, соответствующее потенциалу, достаточному для надежной защиты сооружения.

1.5. Записать показания индикатора выходного тока, соответствующего установленному значению потенциала.

1.6. Установить орган управления источника опорного напряжения 12 в положение, соответствующее минимальному уровню задаваемого значения.

1.7. Отключить провод, соединяющий первый модуль с электродом сравнения. При этом установка переходит в режим поддержания выходного тока.

1.8. Установить орган управления источника опорного напряжения 12 в положение, при котором выходной ток на 20% превышает значение, необходимое для защиты сооружения и измеренное в п.1.5.

1.9. Восстановить связь между модулем и электродом сравнения.

В результате данной настройки орган управления источника опорного напряжения 10 установлен в положение, соответствующее потенциалу, достаточному для надежной защиты сооружения, а орган управления источника опорного напряжения 12 установлен в положение, соответствующее току, превышающему на 20% значение, необходимое для надежной защиты сооружения.

2. Настроить остальные модули

Выполнить п.п.1.1-1.9. Отличие настройки заключается в том, что значение уровня потенциала (п.1.4) каждого последующего модуля выбирается ниже, чем для предыдущего модуля на величину, полученную в результате деления допустимого отклонения фактического значения потенциала от заданного значения на число N-1, где N – число модулей, входящих в установку.

Например, службой электрохимзащиты (ЭХЗ) установлено, что для данного сооружения необходимо поддерживать потенциал, равный минус 1.2 В, а допустимое отклонение не должно превышать значение 0.1 В. При этом, число модулей равно 5. Исходя из этого уровень уставки первого модуля выбирают равным минус 1.21 В. Уровень уставки второго модуля – 1.205 В. Уровень уставки третьего модуля – 1.2 В. Уровень уставки четвертого модуля – 1.15 В. Уровень уставки пятого модуля – 1.1 В.

Работа установки происходит следующим образом.

После включения питания число участвующих в работе модулей устанавливается автоматически. Например, в начальный период эксплуатации мощность, достаточная для эффективной защиты сооружения, не превышает номинальную мощность одного модуля. В этом случае фактическое значение потенциала, считываемое с датчика потенциала 4, может превысить значение уставки первого модуля. Это приводит к уменьшению мощности первого модуля. После этого фактическое значение потенциала начинает уменьшаться и в определенный момент становится меньше значения уставки первого модуля. Мощность первого модуля вновь увеличивается. Фактическое значение потенциала поддерживается на уровне, заданном в первом модуле. При этом все остальные модули выключены, так как фактическое значение потенциала превышает значение уставки любого из этих модулей. Если в процессе эксплуатации сооружения мощность, требуемая для защиты сооружения, увеличилась до значения, превышающего мощность одного модуля, то фактическое значение потенциала не сможет превысить значение уставки первого модуля, который остается постоянно включенным. Поддержание потенциала в данном случае будет обеспечено на уровне уставки второго модуля. Если же по какой-либо причине мощность, требуемая для защиты сооружения, уменьшится, то вновь будет работать только один первый модуль. Аналогичным образом осуществляется подключение/отключение остальных модулей в зависимости от изменения условий эксплуатации. Таким образом, мощность, потребляемая от сети всей установкой, поддерживается на минимальном уровне. В случае отказа одного из модулей происходит автоматическое перераспределение требуемой для защиты сооружения мощности между работоспособными модулями, чем обеспечивается высокая надежность работы установки.

При возникновении обрыва в цепи электрода сравнения 3 или датчика потенциала 4 установка автоматически переходит в режим поддержания тока и сооружение остается под защитой даже во время аварийной ситуации.

Принцип работы модуля преобразования заключается в следующем.

Постоянное напряжение, формируемое на выводах источника питания 5, преобразуется в высокочастотный периодический импульсный сигнал. Амплитуда данного сигнала равна максимальному значению, необходимому для защиты сооружения, а коэффициент заполнения является функцией сигнала, получаемого в результате сравнения фактического значения поддерживаемого параметра (тока или потенциала) с значением, достаточным для эффективной защиты сооружения. Указанный импульсный сигнал преобразуется с помощью фильтра в постоянное напряжение, уровень которого пропорционален коэффициенту заполнения импульсного сигнала. В результате этого постоянное напряжение на входе усилителя мощности 6 преобразуется в регулируемое постоянное напряжение на его выходе.

Усилитель мощности 6 выполнен по мостовой схеме, в диагональ которой включена первичная обмотка высокочастотного силового трансформатора. Вторичная обмотка данного трансформатора подключена к упомянутому выше сглаживающему фильтру. Импульсы управления ключами усилителя мощности 6 формируются модулятором 9. На вход модулятора 9 поступает сигнал с выхода второго блока сравнения 13. Данный блок сравнивает сигнал, поступающий с выхода датчика тока 7, сигнал, поступающий с выхода первого блока сравнения 11, сигнал, поступающий с выхода второго источника опорного напряжения 12. При этом сигнал, поступающий с выхода второго источника опорного напряжения 12, является приорететным.

Это позволяет обеспечить защиту сооружения при обрыве в цепи электрода сравнения 3 или в цепи датчика потенциала 4, когда сигнал с выхода первого блока сравнения 11 отсутствует. Первый блок сравнения 11 сравнивает сигнал, формируемый на датчике потенциала 4 относительно электрода сравнения 3, с выходным сигналом первого источника опорного напряжения 10. Для формирования поляризационного потенциала используется накопитель 14 и коммутатор 15. Внутренний генератор импульсов коммутатора 15 обеспечивает периодическое подключение датчика потенциала 4 к защищаемому сооружению и перенос накопленного на нем потенциала на накопитель 14.

Формула изобретения

1. Модульная установка для катодной защиты, содержащая модуль преобразования, анодное заземление, электрод сравнения, при этом модуль преобразования содержит источник питания, усилитель мощности, положительный выход которого соединен с анодным заземлителем, а к выводам питания подключены выходы источника питания, датчик тока, первый вывод которого подключен к отрицательному выходу усилителя мощности, а второй вывод соединен с защищаемым сооружением, блок управления, содержащий модулятор, выход которого подключен к входу усилителя мощности, первый источник опорного напряжения, первый блок сравнения, первый вход которого связан с выходом первого источника опорного напряжения, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введены датчик потенциала и как минимум второй модуль преобразования, идентичный первому и связанный с ним одноименными входами и выходами, при этом в блок управления каждого модуля преобразования дополнительно введены второй источник опорного напряжения, второй блок сравнения, первый вход которого соединен с выходом второго источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу датчика тока, третий вход связан с выходом первого блока сравнения, а выход подключен к входу модулятора, коммутатор и накопитель, первый вывод которого подключен ко второму входу первого блока сравнения и к защищаемому сооружению, второй вывод связан с третьим входом первого блока сравнения и с выходом коммутатора, первый вход которого подключен к защищаемому сооружению, а второй вход подключен к датчику потенциала.

2. Модульная установка по п.1, отличающаяся тем, что усилитель мощности выполнен по схеме двухтактного мостового преобразователя, а модулятор выполнен по схеме широтно-импульсного модулятора.

РИСУНКИ