УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ ОТ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
COMBINED CATHODE PROTECTION DEVICE WITH AUTONOMOUS POWER SUPPLY FROM RENEWABLE ENERGY SOURCES

Изобретение относится к области электрохимической защиты сооружений от коррозии. Устройство предназначено для коррозионной защиты преимущественно труднодоступных объектов, удалённых от систем централизованного электроснабжения и не имеющих собственных надёжных источников генерации.
Известна автономная установка катодной защиты и удалённого коррозионного мониторинга магистральных трубопроводов и подземных металлических сооружений (патент РФ № 120421, опубл. 20.09.2012), включающая в себя устройство коррозионного мониторинга, содержащее глубинный анодный заземлитель, протяженные анодные заземлители, расположенные вдоль каждого трубопровода, блоки измерения и сигнализации параметров электрохимической защиты по числу трубопроводов, коммутируемые через блок совместной защиты, блок управления, блок передачи данных и дистанционного управления с антенной, электрогенераторную установку, использующую природный газ магистрального трубопровода в качестве топлива, аппаратуру теплорегулирования, устройство подготовки газа, датчики контроля безопасности эксплуатации установки.
Недостатком данного устройства является то, что в качестве автономного источника питания используется электрогенераторная установка, подключенная к устройству подготовки природного газа, имеющему высокие требования к давлению, ввиду чего не может быть обеспечена катодная защита при значительном снижении давления газа в трубопроводе. Кроме того, устройство подготовки природного газа и электрогенераторная установка имеют повышенную пожаро- и взрывоопасность.
Известна информационно-управляющая система нефте-, конденсато-, продуктопровода (патент РФ № 92935, опубл. 10.04.2010), связанная каналами радиосвязи с контролируемыми пунктами, расположенными вдоль трассы нефте-, конденсато- или продуктопровода и оснащёнными автономными источниками электроснабжения, причём в качестве основного источника выступают солнечные панели, в качестве дополнительного – ветрогенератор, в качестве резервного – блок аккумуляторов.
Недостатком данной системы является блок аккумуляторов, подверженный глубокому разряду и потере ёмкости из-за длительного отсутствия выработки от ветрогенератора и солнечных панелей, что приводит к выходу резервного источника из строя и увеличению числа перерывов электроснабжения и катодной защиты, а также имеющий ограниченное суммарное количество циклов заряда и разряда, исчисляемое несколькими тысячами, и высокие требования к температурному режиму, что снижает срок службы и надёжность устройства. Другим недостатком является то, что в качестве автономного источника питания контролируемых пунктов используются, по меньшей мере, один ветрогенератор, одна солнечная панель и блок аккумуляторов, что не обеспечивает высокую степень автономности катодной защиты.
Известна ветроэлектростанция катодной защиты трубопроводов (патент РФ № 2117184, опубл. 10.08.1998), включающая ветродвигатель, генератор, блок аккумуляторов и электрическую систему преобразования тока.
Недостатком установки является блок аккумуляторов, подверженный глубокому разряду и потере ёмкости из-за длительного отсутствия выработки от ветрогенератора, что приводит к выходу резервного источника из строя и увеличению числа перебоев катодной защиты, а также имеющий ограниченное суммарное количество циклов заряда и разряда, исчисляемое несколькими тысячами, и высокие требования к температурному режиму, что снижает срок службы и надёжность устройства. Другим недостатком является то, что в качестве автономного источника питания используются, по меньшей мере, один ветрогенератор и блок аккумуляторов, что не обеспечивает высокую степень автономности катодной защиты.
Известно устройство для катодной защиты с автономным питанием (патент РФ № 2713898, опубл. 10.02.2020), содержащее солнечную батарею, электрод сравнения, электромагнитный размыкатель, импульсный преобразователь постоянного тока, нерастворимый анод, потенциометр и амперметр. При достаточной выработке электроэнергии солнечной батареей нерастворимый анод подключается к импульсному преобразователю постоянного тока, чем обеспечивается образование на поверхности защищаемого сооружения катодного осадка из карбоната кальция и гидроксида магния, а при недостаточной выработке электроэнергии солнечной батареей нерастворимый анод отключается от защищаемого сооружения, а защита от коррозии обеспечивается растворяющимся катодным осадком.
Недостатком данного устройства является то, что в качестве автономного источника питания используется, по меньшей мере, одна солнечная батарея, что не обеспечивает высокую степень автономности катодной защиты.
Известно устройство катодной защиты с автономным питанием (патент РФ № 2486289, опубл. 27.06.2013), принятый за прототип, содержащее ветрогенератор, аккумулятор, солнечную батарею, первый и второй развязывающие диоды, блок формирования амплитуды импульсов, анодный заземлитель, электрод сравнения, протектор, размыкатель, резистор, блок управления резервом с двумя выходами и портом обмена данными, контроллер ограничения тока заряда аккумулятора. В данном устройстве аккумулятор является основным источником питания для блока формирования амплитуды импульсов, ветрогенератор и солнечные батареи обеспечивают подзарядку аккумулятора. При разрядке аккумулятора до минимально допустимой величины ёмкости блок управления резервом формирует на своём выходе, соединённом с блоком формирования амплитуды импульсов, сигнал о прекращении формирования импульсов, а на своём выходе, соединённом с размыкателем, сигнал о включении размыкателя, в результате чего система переходит на режим защиты от коррозии с помощью протектора.
Недостатком данного устройства является аккумулятор, подверженный глубокому разряду и потере ёмкости из-за длительного отсутствия выработки от ветрогенератора и солнечных панелей, что приводит выходу резервного источника из строя и, соответственно, увеличению количества перерывов электроснабжения и катодной защиты, а также имеющий ограниченное суммарное количество циклов заряда и разряда, исчисляемое несколькими тысячами, а также высокие требования к температурному режиму, что снижает срок службы и надёжность устройства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надёжности устройства в условиях питания от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Технический результат достигается тем, что дополнительно установлен блок стабилизации и согласования энергии, входы которого подключены к выходам ветрогенератора и фотоэлектрических панелей, а выходы подключены к входам блока интеллектуального управления и входам блока формирования амплитуды импульсов, анодный размыкатель, вход которого подключен к выходу блока формирования амплитуды импульсов, а выход подключен к анодному заземлителю, блок интеллектуального управления, в котором установлен двусторонний порт обмена данными, который соединён с двусторонним портом обмена данными блока формирования амплитуды импульсов, причём первый выход блока интеллектуального управления соединён с входом размыкателя, а второй выход соединён с управляющим входом анодного размыкателя.
Устройство комбинированной катодной защиты с автономным питанием от возобновляемых источников энергии поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 – Структурная схема устройства комбинированной катодной защиты с автономным питанием от возобновляемых источников энергии ВИЭ, где
1 – ветрогенератор;
2 – фотоэлектрические панели;
3 – блок стабилизации и согласования энергии;
4 – блок интеллектуального управления;
5 – блок формирования амплитуды импульсов;
6 – анодный заземлитель;
7 – электрод сравнения;
8 – размыкатель;
9 – протектор;
10 – анодный размыкатель.
Устройство комбинированной катодной защиты с автономным питанием от ВИЭ содержит ветрогенератор 1 и фотоэлектрические панели 2, выходы которых соединены с входами блока стабилизации и согласования энергии 3 (фиг. 1). Выходы блока стабилизации и согласования энергии 3 подключены к входам блока интеллектуального управления 4 и первому и второму входам блока формирования амплитуды импульсов 5. Третий вход блока формирования амплитуды импульсов соединён с электродом сравнения 7, четвёртый вход соединён с защищаемым сооружением, а выход соединён с входом анодного размыкателя 10. Управляющий вход анодного размыкателя 10 подключен к первому выходу блока интеллектуального управления 4, а выход соединён с анодным заземлителем 6. Защищаемое сооружение подключено к входу размыкателя 8, управляющий вход которого соединён с вторым выходом блока интеллектуального управления 4, а выход соединён с протектором 9. В блоке интеллектуального управления 4 установлен двусторонний порт обмена данными, который соединён с аналогичным двусторонним портом в блоке формирования амплитуды импульсов 5.
Устройство комбинированной катодной защиты с автономным питанием от ВИЭ работает следующим образом. Ветрогенератор 1 и фотоэлектрические панели 2 являются основными источниками питания для блока формирования амплитуды импульсов 5, в качестве которого используется импульсная катодная станция, и GSM-модема, входящего в состав блока интеллектуального управления 4. Вырабатываемая ветрогенератором 1 и фотоэлектрическими панелями 2 электроэнергия поступает на блок стабилизации и согласования энергии 3, включающий развязывающие диоды и преобразователи напряжения, где объединяется на шине постоянного тока и стабилизируется по напряжению, выбранному на этапе проектирования устройства катодной защиты в качестве номинального. Электроэнергия с блока стабилизации и согласования энергии 3 поступает на питающие входы блока интеллектуального управления 4 и блока формирования амплитуды импульсов 5.
Измерение потенциала защищаемого сооружения осуществляется с помощью электрода сравнения 7, информация от которого поступает на блок формирования амплитуды импульсов 5, а затем передаётся на блок интеллектуального управления 4 для отправки на удалённый диспетчерский пункт.
Блок интеллектуального управления 4 определяет режим работы устройства. Предусмотрено два режима работы. В нормальном режиме, основном при достаточной выработке электроэнергии ВИЭ, блок интеллектуального управления 4 подаёт на анодный размыкатель 10 сигнал о включении, а также сигнал на блок формирования амплитуды импульсов 5 о начале формирования импульсов. Если выработка электроэнергии ВИЭ меньше минимального значения, определённого на этапе проектирования или пуско-наладочных работ, то устройство переходит в протекторный режим работы. В этом случае блок интеллектуального управления 4 подаёт команду на блок формирования амплитуды импульсов 5 о прекращении формирования импульсов, а также сигнал на анодный размыкатель 10 о выключении анодного размыкателя 10 с целью недопущения протекания обратного гальванического тока в цепи «защищаемой сооружение – анодный заземлитель». После этого блок интеллектуального управления 4 подаёт сигнал на размыкатель 8 о включении размыкателя 8, в результате чего протектор 9 подключается к защищаемому сооружению. Осуществляется периодическое подключение протектора 9, при этом оптимальная длительность включений и пауз определяется на этапе проектирования системы или пуско-наладочных работ. При увеличении выработки электроэнергии ВИЭ до минимального значения протектор 9 отключается, и устройство переходит в нормальный режим работы.
Блок интеллектуального управления 4 с помощью GSM-связи передаёт на удалённый диспетчерский пункт информацию о режиме работы устройства и состоянии защищаемого объекта. Информацией о состоянии защищаемого объекта являются данные об изменении во времени величины защитного потенциала сооружения. В случае продолжительного существенного отклонения величины защитного потенциала от номинального значения при работающем блоке формирования амплитуды импульсов 5 или при подключаемом протекторе 9 на удалённый диспетчерский пункт передаётся сигнал о неисправности. Для работы встроенного GSM-модуля, а также для питания цепей управления блок интеллектуального управления 4 оснащён встроенной резервной аккумуляторной батареей.
Преимущество использования устройства комбинированной катодной защиты состоит в том, что оно позволяет повысить надёжность катодной защиты.