УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ
DEVICE FOR CATHODIC PROTECTION WITH SELF-CONTAINED POWER SUPPLY

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической защиты и может быть использовано в системах катодной защиты подземных металлических сооружений от коррозии.
Известны различные устройства 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.
Известно также устройство для катодной защиты с автономным питанием [патент RU на полезную модель №92935], содержащее, 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 описанного устройства является прекращение его 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 устройство для катодной защиты трубопроводов [патент RU на изобретение №2117184], включающее 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 заявляемого изобретения является повышение надежности электрохимзащиты трубопровода.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в устройстве для катодной защиты с автономным питанием, содержащем ветрогенератор, аккумулятор, блок формирования амплитуды импульсов, анодный заземлитель, электрод сравнения, подключенный к первому входу блока формирования амплитуды импульсов, входы и выходы которого соединены следующим образом: питающие входы - с выводами аккумулятора, плюсовой выход - с анодным заземлителем, второй вход и минусовой выход подключены к защищаемому сооружению, блок формирования амплитуды импульсов имеет вход блокировки и порт обмена данными, в устройство введены протектор, размыкатель, резистор, блок управления резервом с двумя выходами и портом обмена данными, солнечная батарея, первый и второй развязывающие диоды, контроллер ограничения тока заряда аккумулятора, при этом введенные элементы соединены следующим образом: контроллер ограничения тока заряда аккумулятора установлен между плюсовым выводом аккумулятора и соединенными между собой катодами первого и второго развязывающих диодов, анод первого развязывающего диода подключен к плюсовому выходу ветрогенератора, анод второго развязывающего диода подключен к плюсовому выходу солнечной батареи, протектор соединен с первым выводом резистора и с первым выводом размыкателя, второй вывод которого соединен со вторым выводом резистора и подключен к защищаемому сооружению; блок управления резервом соединен: питающими входами - с выводами аккумулятора, первым выходом - с управляющим входом размыкателя, вторым выходом - с входом блокировки, портом обмена данными - с портом обмена данными блока формирования амплитуды импульсов.
Кроме того, заявляется также устройство с автономным питанием с вышеописанными признаками, в котором блок формирования амплитуды импульсов выполнен в виде импульсной катодной станции.
Заявляется также устройство с автономным питанием с вышеописанными признаками, в котором в блок управления резервом встроен GSM-модем с выносной антенной.
Технический результат заявляемого изобретения заключается прежде всего в одновременном применении как средства катодной защиты, так и протектора в роли средства защиты от коррозии вместе в одном устройстве. 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 блока аккумуляторов), указанных как в заявляемом, так и в наиболее близком аналоге, работа и эффективность работы сравниваемых устройств будут различными. В заявляемом в данной заявке устройстве режим защиты от коррозии непрерывается 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 заявляемого устройства. 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 заявляемом устройстве наряду с катодной станцией (совместно) срок службы протектора продлевается до 15-20 лет.
Использование импульсной катодной станции в заявляемом устройстве 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.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1, на которой показаны условные изображения составных частей заявляемого устройства, а также условные изображения защищаемого сооружения (трубопровода), подключенного к устройству, и позициями 1-13 обозначены:
1 - ветрогенератор
2 - аккумулятор
3 - блок формирования амплитуды импульсов
4 - анодный заземлитель
5 - электрод сравнения
6 - протектор
7 - размыкатель
8 - резистор
9 - блок управления резервом
10 - солнечная батарея
11 - первый развязывающий диод
12 - второй развязывающий диод
13 - контроллер ограничения тока заряда аккумулятора.
Устройство для катодной защиты с автономным питанием содержит ветрогенератор 1, аккумулятор 2, блок формирования амплитуды импульсов 3, анодный заземлитель 4, электрод сравнения 5, протектор 6, размыкатель 7, резистор 8, блок управления резервом 9, солнечную батарею 10, первый 11 и второй 12 развязывающие диоды, контроллер 13 ограничения тока заряда аккумулятора 2. Электрод сравнения 5 подключен к первому входу блока формирования амплитуды импульсов 3, входы и выходы которого соединены следующим образом: питающие входы - с выводами аккумулятора 2, плюсовой выход - с анодным заземлителем 4, второй вход и минусовой выход подключены к защищаемому сооружению. Блок формирования амплитуды импульсов 3 имеет вход блокировки и порт обмена данными. Контроллер 13 ограничения тока заряда аккумулятора 2 установлен между плюсовым выводом аккумулятора 2 и соединенными между собой катодами первого 11 и второго 12 развязывающих диодов. Анод первого развязывающего диода 11 подключен к плюсовому выходу ветрогенератора 1. Анод второго развязывающего диода 12 подключен к плюсовому выходу солнечной батареи 9. Протектор 6 соединен с первым выводом резистора 8 и с первым выводом размыкателя 7. Второй вывод размыкателя 7 соединен со вторым выводом резистора 8 и подключен к защищаемому сооружению. Блок управления резервом 9 соединен: питающими входами - с выводами аккумулятора 2, первым выходом - с управляющим входом размыкателя 7, вторым выходом - с входом блокировки, портом обмена данными - с портом обмена данными блока формирования амплитуды импульсов 3.
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 ветрогенератору 1, к аккумулятору 2, к солнечной батарее 10.
После пуска в эксплуатацию аккумулятор 2 является основным источником питания для блока формирования амплитуды импульсов 3, в качестве которого используется импульсная катодная станция, и GSM-модема, входящего в блок управления резервом 9. Ветрогенератор 1 и солнечная батарея 10 обеспечивают, при наличии соответствующего источника энергии (энергия ветра, световая энергия), подзарядку аккумулятора 2. Контроллер 13 тока заряда непрерывно контролирует выходной ток ветрогенератора 1 и солнечной батареи 10. При превышении тока заряда аккумулятора 2 критического значения контроллер 13 отключает ветрогенератор 1 и солнечную батарею 10, предотвращая перезаряд аккумулятора 2. Блок управления резервом 9 контролирует напряжение на клеммах аккумулятора 2, то есть напряжение питания всей системы. При нормальном напряжении питания блок управления резервом 9 формирует на своем втором выходе сигнал блокировки работы блока формирования амплитуды импульсов 3. В то же время на первом выходе блока управления резервом 9 формируется сигнал на отключение размыкателя 7. Это приводит к тому, что протектор 6 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 9, получая по порту обмена данными информацию от блока формирования амплитуды импульсов 3, 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 9 переходит на питание от встроенного аккумулятора малой мощности, отключает блок формирования амплитуды импульсов 3, подключает размыкателем 7 протектор 6 к защищаемому сооружению и посылает через GSM-модем сообщение, что сооружение переключено на пассивную защиту от протектора 6. При повышении напряжения на аккумуляторе 2 до нормального состояния система переключается в режим защиты сооружения от блока формирования амплитуды импульсов 3.
Пример реализации. Устройство 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 мсек, периодом 20 млсек, максимальной амплитудой выходного тока 60 А, максимальной мощностью потребления от источника питания 300 Вт.
В качестве ветрогенератора 1 может быть использован вертикальный инерционный ветрогенератор модели DPV 400 с номинальной выходной мощностью 400 Вт.
Аккумулятор 2 должен выдерживать глубокий разряд, большой температурный диапазон эксплуатации (от -50 до +50°С). Для этой цели может быть использована батарея из четырех аккумуляторов GL12-200. При этом для получения емкости 400 А/ч включают по два аккумулятора параллельно, а для получения напряжения 24 В полученные батареи включают последовательно.
В качестве анодного заземлителя 4 может быть использован оксидный железо-титановый заземлитель ОЖТ3-1.
В качестве электрода сравнения 5 может быть применен медносульфатный электрод сравнения ЭНЕС-3М.
В качестве протектора 6 может быть использован магниевый протектор ПМ20У либо цинковый протектор ЦП-1 массой не менее 20 кг.
Блок управления резервом 9 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. Блок управления резервом 9 должен функционировать при отключении основного питания, поэтому в его составе присутствует дополнительный автономный элемент питания, в качестве которого может быть использован необслуживаемый аккумулятор типа TP 1,3-6 TOP Power.
Солнечная батарея 10 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.
Первый 11 и второй 12 развязывающие диоды могут быть выполнены на сборке из диодов Шоттки МВ20100СТ.
GSM-модем может быть реализован на модуле типа WISMO228. 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.