СИСТЕМА ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ

Полезная модель относится к оборудованию для электрохимической защиты и может быть использована в системах катодной защиты подземных металлических сооружений от коррозии.
Известны различные системы для катодной защиты от коррозии [патент US на изобретение №5324405, патент DE на изобретение №2007347, патенты RU на изобретения №1823524, №2086703, №2202001].
Известно устройство для катодной защиты от коррозии с автономными источниками питания [http://www.multiwood.ru/download/Cathodic_protection.pdf] включающее: опорные структуры, контроллер заряда и напряжения, регулятор катодной защиты, кабельную систему и крепежные приспособления, промышленные аккумуляторные батареи и солнечные батареи, используемые в качестве источников питания.
Известна также система для катодной защиты с автономным питанием [патент RU на полезную модель №92935], содержащая, по меньшей мере, один контроллер, приемопередающее устройство и антенно-фидерное устройство для обеспечения радиосвязи с диспетчерским пунктом, систему энергоснабжения и систему катодной защиты. Система энергоснабжения включает автономные источники электропитания.
Недостатком описанной системы является прекращение ее работы в случае исчерпания ресурса всех трех автономных источников энергии, что приводит к снижению уровня электрохимической защиты трубопровода.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является система для катодной защиты трубопроводов [патент RU на изобретение №2117184], включающая ветрогенератор, блок аккумуляторов и импульсную катодную станцию, принцип работы которой заключается в формировании на трубопроводе относительно анодных заземлителей импульсного напряжения с релейным регулированием защитного потенциала, текущее значение которого контролируется электродом сравнения. Питание импульсной катодной станции осуществляется либо от ветрогенератора, либо от блока аккумуляторов при отсутствии ветра.
Основным недостатком наиболее близкого аналога является низкая надежность защиты сооружения, обусловленная нерегулярным поступлением электроэнергии от ветрогенератора. При этом емкость блока аккумуляторов не может обеспечить при отсутствии ветра продолжительного режима работы катодной станции.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности электрохимзащиты трубопровода.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в системе для катодной защиты с автономным питанием, содержащей источник автономного питания, блок формирования амплитуды импульсов, анодный заземлитель, электрод сравнения, подключенный к первому входу блока формирования амплитуды импульсов, входы и выходы которого подключены следующим образом: питающие входы - к выводам автономного источника питания, второй вход и минусовой выход - к защищаемому сооружению, плюсовой выход - к анодному заземлителю, блок формирования амплитуды импульсов имеет вход блокировки и порт обмена данными, в систему введены протектор, размыкатель, резистор, блок управления резервом, первый выход и порт обмена данными которого подключены соответственно к входу блокировки и порту обмена данными блока формирования амплитуды импульсов, второй выход соединен с управляющим входом размыкателя, первый вывод которого соединен с первым выводом резистора и с протектором, а второй вывод соединен со вторым выводом резистора и подключен к защищаемому сооружению.
Заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой блок формирования амплитуды импульсов выполнен в виде импульсной катодной станции.
Кроме того заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой в блок управления резервом встроен GSM-модем с выносной антенной.
Заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой в источник автономного питания введен контроллер ограничения тока заряда аккумулятора.
Другим усовершенствованием системы с автономным питанием с вышеописанными признаками является выполнение в ней в качестве источников автономного питания ветрогенератора и аккумулятора.
Заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой в качестве источников автономного питания установлены солнечная батарея и аккумулятор.
Заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой в качестве источников автономного питания установлены ветрогенератор, солнечная батарея и аккумулятор.
Кроме того заявляется также система с автономным питанием с вышеописанными признаками, в которой в качестве источников автономного питания установлены газогенератор и аккумулятор.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается прежде всего в одновременном применении как средства катодной защиты, так и протектора в роли средства защиты от коррозии вместе в одной системе. Авторами в процессе работы с аналогами подобного объединения двух таких разных элементов защиты и соединенных таким образом в одну схему не обнаружено. При условии исчерпания ресурса всех трех источников заявленных видов энергии (ветрогенератора, солнечной батареи и аккумулятора), указанных как в заявляемом, так и в наиболее близком аналоге, работа и эффективность работы сравниваемых устройств будут различными. В заявляемой в данной заявке системе режим защиты от коррозии не прерывается за счет подключения протектора. По каналу связи при необходимости формируется сообщение о переключении на пассивную защиту - на протекторную защиту от коррозии.
В наиболее близком аналоге возникает прекращение работ и оно длится до момента ремонтного восстановления схемы.
Автоматическое подключение протектора в описанной ситуации при исчерпании ресурсов энергопитания является резервным вариантом работы заявляемой системы. При работе катодной станции - основного режима защиты от коррозии - протектор не расходуется в отличие от общепринятого режима использования протектора в целях защиты от коррозии. Если в традиционных применениях протекторов срок их службы от 1,5 лет до 5 лет, то в данном его применении в заявляемой системе наряду с катодной станцией (совместно) срок службы протектора продлевается до 15-20 лет.
Использование импульсной катодной станции в заявляемой системе в отличие от непрерывного режима в наиболее близком аналоге позволяет снизить потребляемые энергозатраты в 8-10 раз и примерно во столько же раз увеличить срок службы анодного заземлителя, что существенно из-за высокой стоимости как заземлителя, так и трудоемкости его замены.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1, на которой показаны условные изображения составных частей заявляемой системы, а также условные изображения защищаемого сооружения (трубопровода), подключенного к системе, и позициями 1-8 обозначены:
1 - источник автономного питания;
2 - блок формирования амплитуды импульсов;
3 - анодный заземлитель;
4 - электрод сравнения;
5 - протектор;
6 - размыкатель;
7 - резистор;
8 - блок управления резервом.
Система для катодной защиты с автономным питанием содержит источник автономного питания 1, блок формирования амплитуды импульсов 2, анодный заземлитель 3, электрод сравнения 4, протектор 5, размыкатель 6, резистор 7, блок управления резервом 8. Электрод сравнения 4 подключен к первому входу блока формирования амплитуды импульсов 2. Входы и выходы блока формирования амплитуды импульсов 2 подключены следующим образом: питающие входы - к выводам источника автономного питания 1, второй вход и минусовой выход - к защищаемому сооружению, плюсовой выход - к анодному заземлителю 3. Блок формирования амплитуды импульсов 2 имеет вход блокировки и порт обмена данными. Первый выход блока управления резервом 8 и порт обмена данными подключены соответственно к входу блокировки и порту обмена данными блока формирования амплитуды импульсов 2. Второй выход блока управления резервом 8 соединен с управляющим входом размыкателя 6. Первый вывод размыкателя 6 соединен с первым выводом резистора 7 и с протектором 5. Второй вывод размыкателя 6 соединен со вторым выводом резистора 7 и подключен к защищаемому сооружению.
На этапе проектных работ определяются требования к средствам катодной защиты как основного источника защитного тока и требования к средствам протекторной защиты как резервного источника защитного тока, обеспечивающего защиту сооружения на время восстановления работоспособности основного источника защитного тока.
Определяются наиболее оптимальные временные и амплитудные параметры выходного импульсного сигнала катодной станции, исходя из которых определяется средняя мощность потребления электроэнергии катодной станции от источника питания, и, как следствие этого, требования к источнику автономного питания 1.
После пуска в эксплуатацию источник автономного питания 1 является источником питания для блока формирования амплитуды импульсов 2, в качестве которого используется импульсная катодная станция, и GSM-модема, входящего в блок управления резервом 8. При нормальном напряжении питания блок управления резервом 8 формирует на своем втором выходе сигнал блокировки работы блока формирования амплитуды импульсов 2. В то же время на первом выходе блока управления резервом 8 формируется сигнал на отключение размыкателя 6. Это приводит к тому, что протектор 5 отключен от защищаемого сооружения и не расходуется так активно, как он расходуется в своем нормальном режиме эксплуатации. Это обеспечивает многократное увеличение срока его службы. Блок управления резервом 8, получая по порту обмена данными информацию от блока формирования амплитуды импульсов 2, передает через GSM-модем полученные данные на удаленный пункт диспетчера.
При снижении напряжения питания ниже нормы (отсутствие ветра, солнца, и разряженных аккумуляторах) блок управления резервом 8 переходит на питание от встроенного аккумулятора малой мощности, отключает блок формирования амплитуды импульсов 2, подключает размыкателем 6 протектор 5 к защищаемому сооружению и посылает через GSM-модем сообщение, что сооружение переключено на пассивную защиту от протектора 5. При повышении напряжения на источнике автономного питания 1 до нормального состояния система переключается в режим защиты сооружения от блока формирования амплитуды импульсов 2.
В заявляемой системе катодной защиты с автономным питанием источник автономного питания 1 может быть выполнен различными вариантами:
- в виде ветрогенератора и аккумулятора;
- в виде солнечной батареи и аккумулятора;
- в виде ветрогенератора, солнечной батареи и аккумулятора;
- в виде газогенератора и аккумулятора.
В случае необходимости в систему может быть введен контроллер ограничения тока заряда аккумулятора.
Пример реализации. Система для катодной защиты с автономным питанием содержит в качестве блока формирования амплитуды импульсов 3 импульсную катодную станцию с максимальной амплитудой выходного напряжения 48 В, длительностью импульса 2 млсек, периодом 20 млсек, максимальной амплитудой выходного тока 60А, максимальной мощностью потребления от источника питания 300 Вт.
В качестве ветрогенератора может быть использован вертикальный инерционный ветрогенератор модели DPV 400 с номинальной выходной мощностью 400 Вт.
Аккумулятор должен выдерживать глубокий разряд, большой температурный диапазон эксплуатации (от -50 до +50°C). Для этой цели может быть использована батарея из четырех аккумуляторов GL 12-200. При этом для получения емкости 400а/ч включают по два аккумулятора параллельно, а для получения напряжения 24 В полученные батареи включают последовательно.
Солнечная батарея должна вырабатывать выходное напряжение 24 В и выходной ток не менее 10 А. В качестве такой батареи могут быть использованы включенные последовательно две панели ФСМ-180.
В качестве анодного заземлителя 3 может быть использован оксидный железо-титановый заземлитель ОЖТЗ-1.
В качестве электрода сравнения 4 может быть применен медносульфатный электрод сравнения ЭНЕС-3М.
В качестве протектора 5 может быть использован магниевый протектор ПМ20У либо цинковый протектор ЦП-1 массой не менее 20 кг.
Блок управления резервом 8 должен функционировать при отключении основного питания, поэтому в его составе присутствует дополнительный автономный элемент питания (может быть реализован на PIC -контроллере типа PIC24FJ256GA106-I/PT и микросхемах ADM3485 для организации обмена данными с внешними устройствами - GSM-модемом и катодной станцией. В качествен резервного источника питания может быть использован необслуживаемый аккумулятор типа ТР 1,3-6 TOP Power).
GSM-модем может быть реализован на модуле типа WISM0228. В качестве антенны может быть применена антенна GSMJCTP9018(3mRG174) SMA.
Заявляемое техническое решение изготовлено в виде опытного образца, успешно прошедшего апробацию в одной из организаций в г.Саратове.