СИСТЕМА КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам электрохимической защиты магистральных трубопроводов, а именно, к устройствам дистанционного контроля, сбора информации о параметрах катодной защиты, передачи ее на диспетчерский пункт по силовым линиям электрической сети 0,4-10,0 кВ и обнаружения несанкционированного вскрытия катодной станции, а также устройствам, обеспечивающим катодную защиту трубопроводов от коррозии.
Известна система катодной защиты магистральных трубопроводов (см. патент РФ №2202001 «Система катодной защиты магистральных трубопроводов», дата подачи заявки 13.09.1999 г., опубликовано 10.04.2003 г.), включающая катодно-поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, причем, каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию с блоком фазовой регулировки, блоком импульсной модуляции и избирательным фильтром, пункты приема и регистрации информации, источник сетевого электроснабжения, глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, датчик поляризационного потенциала, датчик скорости коррозии, датчик наводораживания, блок приема и передачи, электрод сравнения, блок логики, телеизмерения и телерегулирования, блок коммутации и измерения параметров защиты, причем первый выход катодной станции соединен с глубинным анодным заземлением, третий выход - с блоком измерения и обработки информации, четвертый выход катодной станции - со вторым входом блока измерения и обработки информации, выход которого соединен с первым входом блока логики, телеизмерения и телерегулирования, первый выход - с блоком приема и передачи, выход которого соединен со вторым входом блока логики, телеизмерения и телерегулирования, третий вход которого соединен с блоком коммутации и измерения параметров защиты, входы которого соединены с трубопроводом, с выходами электрода сравнения и с выходами всех датчиков, первый вход фильтра соединен с трубопроводом, второй вход - с выходом электрода сравнения, выход избирательного фильтра соединен со вторым входом блока приема-передачи, второй выход которого соединен с входом блока импульсной модуляции, выход которого соединен с трубопроводом, а второй вход со вторым выходом катодной станции, входы которой последовательно с блоком фазовой регулировки соединены с источником электроснабжения, вход управления блока фазовой регулировки соединен со вторым выходом блока логики, телеизмерения и телерегулирования, четвертый вход которого соединен с одним из пунктов приема и регистрации информации.
Недостатком данного устройства является низкая точность контроля и измерения защитного потенциала, связанная с тем, что напряжение и ток катодной станции измеряют относительно минусового электрода катодной станции, а защитный потенциал - относительно контрольного измерительного контакта. Для этого в составе системы катодной защиты используют схему коммутации, которая последовательно включает измеряемые сигналы на вход схемы измерения. Датчики защитного потенциала, используемые в составе данного устройства, имеют очень высокое выходное сопротивление. Для достижения точности измерения защитного потенциала порядка ±0,5% измерительный вход схемы сопротивления должен иметь входное сопротивление, превышающее выходное сопротивление датчика защитного потенциала в несколько раз.
Кроме того, для осуществления контроля за защитным потенциалом необходимо прокладывать кабельную линию, так как датчик защитного потенциала устанавливают в земле непосредственно около трубопровода, а станцию катодной защиты - не менее чем в 15 метрах от трубопровода. Известно, что на протяженную линию с высоким сопротивлением наводится помеха, что, в свою очередь, приводит к появлению дополнительных помех, в результате чего, входной сигнал на входе схемы измерения определяется согласно следующему выражению:
Uвх=Up+Uп,
(1)
где
Uвх - действующее значение входного сигнала на входе схемы измерения;
Up - действующее значение входного сигнала с датчика защитного потенциала;
Uп - действующее значение входного сигнала помехи.
Действующее значение входного сигнала помехи Uп зависит от входного сопротивления схемы измерения: чем оно больше, тем больше значение Uп. Данное обстоятельство не позволяет измерять значение защитного потенциала с достаточной точностью.
Помимо этого, на кабельные линии, в частности, проложенные на земле, воздействуют различного рода импульсные помехи, причем, амплитуда этих помех тем больше, чем больше входное сопротивление схемы измерения. Это, в свою очередь, приводит к выходу из строя входных цепей схемы измерения. Для устранения данного недостатка параллельно с измерительным входом подключают элементы защиты, такие как, варисторы и специальные защитные диоды, имеющие, как правило, невысокое сопротивление, что также приводит к снижению точности измерения защитного потенциала.
Техническим результатом, на решение которого направлена заявляемая полезная модель (варианты), является повышение точности контроля и измерения параметров катодной защиты, в том числе, защитного потенциала, оперативное обнаружение несанкционированного вскрытия катодной, а также получение расширенной информации о контролируемых параметрах.
Указанный результат достигается тем, что система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая катодно-поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, при этом, каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию, источник сетевого электроснабжения, глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, электрод сравнения, причем, первый выход катодной станции соединен с глубинным анодным заземлением, согласно полезной модели, система катодной защиты дополнительно содержит измерительный шунт, фильтр питания, а в каждую установку катодной защиты дополнительно введены источник питания, микроконтроллер измерения и передачи сигналов, силовая часть, блок контроля, датчик охраны, трансформаторы тока, устройство подключения, блок фильтров, усилитель, детектор и блок приема информации, причем отрицательный полюс катодной станции посредством измерительного шунта соединен с катодно-поляризуемым трубопроводом, при этом, выводы измерительного шунта соединены со вторым и третьим входами блока измерения и обработки информации, первый вход которого соединен с положительным полюсом катодной станции и глубинным анодным заземлением, а четвертый вход - с электродом сравнения, четыре выхода блока измерения и обработки информации, один из которых - общий провод, соединены с четырьмя входами микроконтроллера измерения и передачи сигналов, пятый вход которого соединен с блоком питания, подключенного к выходу датчика охраны, а питающий вход катодной станции соединен с выходом фильтра питания, вход которого соединен с выходом источника сетевого электроснабжения, при этом, вход источника сетевого электроснабжения соединен с трансформаторами тока, питающий вход микроконтроллера измерения и передачи сигналов соединен с одним из выходов источника питания, второй выход которого и первый выход микроконтроллера измерения и передачи соединены с двумя входами силовой части, выходы трансформаторов тока соединены с входами устройства подключения, последовательно соединенного с блоком фильтров, усилителем, детектором и блоком приема информации.
Приведенная выше совокупность существенных признаков характеризует 1-й вариант заявляемой полезной модели.
Для получения более подробной и расширенной информации о контролируемых параметрах электрохимической защиты магистральных трубопроводов и/или одновременной защиты нескольких ниток трубопровода, в состав катодной станции вводят, от одного до четырех последовательно соединенных дополнительных модулей, причем, питающие входы модулей соединены с выходом источника питания, а выходы - с шестым входом микроконтроллера измерения и передачи информации.
Полезная модель по 2-ому варианту характеризуется тем, что, система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая катодно-поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, при этом, каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию, источник сетевого электроснабжения, глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, электрод сравнения, причем, первый выход катодной станции соединен с глубинным анодным заземлением, согласно полезной модели, система катодной защиты дополнительно содержит измерительный шунт, фильтр питания, а в каждую установку катодной защиты дополнительно введены источник питания, микроконтроллер измерения и передачи сигналов, силовая часть, блок контроля, датчик охраны, трансформаторы тока, устройство подключения, блок фильтров, усилитель, детектор, блок приема информации и от одного до четырех дополнительных модулей, причем отрицательный полюс катодной станции посредством измерительного шунта соединен с катодно-поляризуемым трубопроводом, при этом, выводы измерительного шунта соединены со вторым и третьим входами блока измерения и обработки информации, первый вход которого соединен с положительным полюсом катодной станции и глубинным анодным заземлением, а четвертый вход - с электродом сравнения, четыре выхода блока измерения и обработки информации, один из которых - общий провод, соединены с четырьмя входами микроконтроллера измерения и передачи сигналов, пятый вход которого соединен с блоком питания, подключенного к выходу датчика охраны, а питающий вход катодной станции соединен с выходом фильтра питания, вход которого соединен с выходом источника сетевого электроснабжения, при этом, вход источника сетевого электроснабжения соединен с трансформаторами тока, питающий вход микроконтроллера измерения и передачи сигналов и питающий вход дополнительного модуля соединены с одним из выходов источника питания, второй выход которого и первый выход микроконтроллера измерения и передачи соединены с двумя входами силовой части, выход дополнительного модуля соединен с шестым входом микроконтроллера измерения и передачи информации, выходы трансформаторов тока соединены с входами устройства подключения, последовательно соединенного с блоком фильтров, усилителем, детектором и блоком приема информации.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели такому условию патентоспособности как «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждено на примере конкретного осуществления заявляемого устройства.
Полезная модель поясняется чертежами, где
фигура 1 - структурная схема системы катодной защиты магистральных трубопроводов, вариант 1;
фигура 2 - структурная схема системы катодной защиты магистральных трубопроводов, вариант 2;
Система катодной защиты магистральных трубопроводов включает катодно-поляризуемый трубопровод 1, установки катодной защиты, причем каждая установка катодной защиты содержит измерительный шунт 2, источник сетевого электроснабжения 3, фильтр питания 4, катодную станцию 5, глубинное анодное заземление 6, блок измерения и обработки информации 7, электрод сравнения 8, микроконтроллер измерения и передачи сигналов 9, блок контроля 10, датчик охраны 11, источник питания 12, силовую часть 13, трансформаторы тока 14.1, 14.2, 14.2, устройство подключения 15, блок фильтров, состоящий из входного фильтра 16, активного фильтра 17 и цифрового фильтра 18, усилитель 19, детектор 20, блок приема информации, включающий микроконтроллер приема информации 21, пункт приема и регистрации информации 22, на котором установлена ЭВМ.
Первый выход катодной станции 5 соединен с глубинным анодным заземлением 6, отрицательный полюс катодной станции 5 посредством измерительного шунта 2 соединен с катодно-поляризуемым трубопроводом 1. Выводы измерительного шунта 2 соединены со вторым и третьим входами блока измерения и обработки информации 7, первый вход которого соединен с положительным полюсом катодной станции 5 и глубинным анодным заземлением 6, а четвертый вход - с электродом сравнения 8. Четыре выхода блока измерения и обработки информации 7, один из которых является общим проводом, соединены с четырьмя входами микроконтроллера измерения и передачи сигналов 9, пятый вход которого соединен с блоком питания 10, подключенного к выходу датчика охраны 11. Питающий вход катодной станции 5 соединен с выходом фильтра питания 3, вход которого соединен с выходом источника сетевого электроснабжения 4, при этом, вход источника сетевого электроснабжения 4 соединен с трансформаторами тока 14.1, 14.2, 14.3. Питающий вход микроконтроллера измерения и передачи сигналов 9 соединены с одним из выходов источника питания 12, второй выход которого и первый выход микроконтроллера измерения и передачи сигналов 9 соединены с двумя входами силовой части 13. Выходы трансформаторов тока 14.1, 14.2, 14.3 соединены с тремя входами устройства подключения 15, соединенного с блоком фильтров, состоящего из последовательно подключенных входного фильтра 16, активного фильтра 17, цифрового фильтра 18, усилителем 19, детектором 20 и блоком приема информации, состоящим из микроконтроллера 21 и пункта приема информации 22, на котором установлена ЭВМ.
Кроме того, в случае увеличения количества контролируемых параметров электрохимической защиты магистральных трубопроводов и/или одновременной защиты нескольких ниток трубопровода, в состав катодной станции вводят, от одного до четырех дополнительных модулей 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, причем, питающие входы модулей соединены с выходом источника питания 3, а выходы - с шестым входом микроконтроллера измерения и передачи информации 9.
Устройство работает следующим образом.
Выходные сигналы катодной станции 3, а именно, сигналы с измерительного шунта 2, глубинного анодного заземления 6 и электрода сравнения 8, поступают на четыре входа блока измерения и обработки информации 7, в котором происходит их преобразование, после которого сигналы поступают на четыре входа микроконтроллера измерения и передачи сигналов 9, где осуществляется последовательная аналого-цифровая обработка полученных сигналов, при этом, микроконтроллер выполняет для каждого сигнала преобразование в действующее значение.
Измерение защитного потенциала осуществляется следующим образом.
Действующее значение защитного потенциала измеряют с электрода сравнения 8, при этом сигнал имеет следующий вид:
U1p=Up+Ud+Uп
(2),
где
U1p - действующее значение защитного потенциала относительно провода общий;
Up - действующее значение защитного потенциала на выходе электрода сравнения;
Ud - действующее значение падения напряжения на проводе измерительный шунт - катодно-поляризуемый трубопровод;
Uп - действующее значение напряжения помехи, которая наводится на провод электрод сравнения - микроконтроллер измерения и передачи информации;
Затем измеряют действующее значение напряжения на проводе катодно-поляризуемый трубопровод - микроконтроллер измерения и передачи информации. Получают сигнал следующего вида:
U=Ud+Uп
(3),
где
U - измеренное значение напряжения на проводе катодно-поляризуемый трубопровод - микроконтроллер измерения и передачи информации;
Искомое значение защитного потенциала определяют согласно выражению
Up=U1p-U
(4).
В результате математических действий выражение преобразуется следующим образом:
Up=U1p
(5).
Как видно из полученного выражения, конечное значение защитного потенциала не зависит от действия помехи и, следовательно, имеет более высокую точность измерения.
После аналого-цифровой обработки сигналов микроконтроллер измерения и передачи информации 9 формирует посылку из сигналов, полученных с четырех входов, и передает ее в силовую часть 13, благодаря которой полученная посылка вводится в электрическую сеть посредством устройства подключения 15, выполняющего роль резонансного контура, настроенного на рабочую частоту и обеспечивающего согласование входного сопротивления, и выделяется с трансформаторов тока 14.1, 14.2, 14.3. Далее сигнал последовательно проходит блок фильтров, а именно, входной фильтр 16, активный 17 и цифровой 18, усиливается в усилителе 19, преобразуется в детекторе 20 и поступает в микроконтроллер приема информации 21, который осуществляет декодирование сигнала. Расшифрованный сигнал поступает на экран ЭВМ пункта приема информации 22, на котором происходит представление полученной информации в цифровом виде.
В случае несанкционированного вскрытия катодной станции 5 сигнал с датчика охраны 11 посредством блок контроля 10 поступает в микроконтроллер измерения и передачи информации 9, который, в свою очередь, немедленно формирует сигнал и передает посылку о несанкционированном вскрытии катодной станции 5.
С целью получения более подробной и расширенной информации о контролируемых параметрах электрохимической защиты магистральных трубопроводов сигналы, полученные с дополнительных модулей 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, поступают в микроконтроллер измерения и передачи информации 9, который формирует и передает посылку из этих сигналов на пункт приема информации 22 по вышеописанной схеме.
В настоящее время на базе нефтеперекачивающей станции «Бердяуш» осуществлены пуско-наладочные работы заявляемой системы катодной защиты магистральных трубопроводов. Результаты проведенных работ подтвердили высокую точность контроля и измерения параметров электрохимической защиты и позволяют принять данное устройство в эксплуатацию.
Преимуществами заявляемой полезной модели является высокая точность контроля и измерения параметров электрохимической защиты магистральных трубопроводов, оперативное обнаружение несанкционированного вскрытия катодной станции, возможность подключения к существующим высоковольтным линиям, а также обеспечение одновременного контроля нескольких ниток трубопровода и/или дополнительного количества контролируемых параметров электрохимической защиты.