CC BY
15УДК 620.91
А.О. Шуваева 1,С.Ю. Труднев2, Н.Н. Портнягин3
12Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683980;
3Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина,
Москва, 119991 e-mail: alena. kozyrkova@gmail.com
АНАЛИЗ СТАТИСТИЧЕСКИХ ЗНАЧЕНИЙ СКОРОСТИ ВЕТРА В ШЕЛЬФОВЫХ МОРЯХ РОССИИ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СИСТЕМАХ АВТОНОМНОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
В статье рассматриваются альтернативные источники энергии для питания систем катодной защиты для нефте- и газопроводов. В частности, рассматривается источник альтернативной энергии - ветер. Показано, что этот вид возобновляемой энергии более перспективный и экономически выгодный, чем традиционные. Возможно его применение для катодной защиты с внешним источником тока.
Ключевые слова: коррозия, источник питания, ветроэнергетическая установка, катодная защита, силовой модуль.
A.O. Shuvaeva1, S.Yu. Trudnev2, N.N. Portnyagin3
12Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003;
3National University of Oil and Gas (National Research University) named after I.M. Gubkin,
Moscow, 119991 e-mail: alena. kozyrkova@gmail.com
ANALYSIS OF STATISTICAL VALUES OF WIND SPEED IN THE SHELF SEAS
OF RUSSIA AND ITS USE IN AUTONOMOUS CATHODIC PROTECTION SYSTEMS
The article discusses alternative energy sources for supplying cathodic protection systems for oil and gas pipelines. In particular, the source of alternative energy is considered the wind. It is shown that this type of renewable energy is more promising and economically profitable than traditional ones. It can be used for cathodic protection with an external current source.
Key words: corrosion, power source, wind power installation, cathodic protection, power module.
На сегодняшний день основную роль в увеличении добычи нефти и газа, как правило, играет освоение новых морских нефтяных месторождений. Шельфы морей в среднем изучены всего на 7%, в то время как основные сухопутные нефтегазоносные регионы - более чем на 50%. Поэтому потенциал шельфовых запасов огромен. Также следует отметить, что в настоящее время больше трети добытой нефти и газа во всем мире поступает из морских источников.
При освоении и разработке новых морских нефтяных месторождений необходимо строительство эстакад, индивидуальных оснований, площадок под буровые установки и других сооружений. Металлические конструкции в морских условиях подвергаются постоянной интенсивной коррозии, что приводит к их разрушению, а это снижает как промышленную, так и пожарную безопасность платформы в целом. Применение возобновляемых источников энергии совместно с системой катодной защиты способно дать значительный экономический и экологический эффект. Увеличение срока между восстановительными мероприятиями путем совершенствования технической части автономного источника электрической энергии с внешним источником тока и самостоятельного контроля бесперебойной подачи для обеспечения работы устройства катодной защиты является актуальной проблемой.
Одним из оптимальных методов по увеличению эффективности защиты от коррозии является катодная электрохимическая защита нефтегазовых платформ. Это доказывают исследования, которые проводили такие деятели науки, как к. т. н. А.С. Наботова и к. т. н. В.З. Нгуен. Также научные школы под руководством А.А. Фатхуллина и С.Я. Дунаевского регулярно разрабатывают методы по совершенствованию систем катодной электрохимической защиты [1].
В рамках данной статьи были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать статистические значения скорости ветра в нефте- и газодобывающих районах.
2. Провести обзор существующих ветроэнергетических установок (ВЭУ), применяемых для питания систем катодной защиты с автономным источником питания, выявить достоинства и недостатки.
Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока, такие как термоэлектрогенераторы, ветроэлектрогенераторы, турбоальтернаторы и фотоэлектрогенераторы.
Однако при использовании альтернативных источников электрической энергии в системах катодной защиты, в частности на морских нефтяных установках, существует значительный недостаток - ограниченная выходная мощность. Так, для обеспечения работы оборудования катодной защиты с минимальным значением потребляемой мощности 200 Вт необходим ветроге-нератор с диаметром лопастей 3 м, при этом скорость ветра должна составлять не менее 4,5 м/с.
В климатических условиях территории Российской Федерации в зависимости от времени года и районов ветровая активность отличается в разы. На рис. 1 наглядно представлены районы нефте- и газодобычи России.
Рис. 1. Основные нефтяные и газовые бассейны
Рассмотрим ветряные характеристики, в частности скорость ветра для морей арктического региона России, где добывается более чем 90% всего отечественного газа и около 10% нефти. На рис. 1 видно, что большая часть нефтегазовых запасов находится в Баренцевом, Карском и Охотском морях. Ниже приведены графики зависимости средней скорости ветра от времени года для этих морей.
Рис. 2. Зависимость средней скорости ветра от времени года: а - в Баренцевом море; б - Карском море; в - Охотском море
Из этих графиков можно сделать вывод, что за наблюдаемый период времени средняя скорость ветра во всех морях не опускается ниже отметки минимального значения для эффективной работы системы катодной защиты. Но в весенне-летний период происходит достаточное снижение активности ветра. В таких условиях наиважнейшим фактором является энергоэффективность оборудования, работающего с альтернативным источником энергии.
На сегодняшний день все существующие системы катодной защиты работают на переменном токе 220 В. Для работы от постоянного тока необходимо применение дополнительных инверторных установок, что приводит к потере 15-20% мощности. С учетом КПД среднестатистических используемых станций катодной защиты порядка 80-85% общие потери могут составить до 40%.
Чтобы компенсировать эти потери необходимо кратно увеличивать габаритные размеры ветрогенераторных установок, что соответственно приводит к увеличению их стоимости. Это противоречит одной из основных задач - снижению затрат. Для решения этой проблемы необходимо применять станции катодной защиты напряжением питания 12-48 В постоянного тока, основными элементами которых являются силовые модули и модули управления [2].
а
б
в
Силовые модули катодной защиты включают в себя полупроводниковые устройства, применяемые для построения элементов электротехнических систем различного назначения: выпрямители, инверторы, преобразователи напряжения или преобразователи частоты. В свою очередь модули управления состоят из устройств, которые обеспечивают следующие параметры и режимы работы: управление и измерение выходного напряжения, выходного тока, защитного потенциала сооружения и мониторинг датчика коррозии [3]. Также данный модуль может быть использован для управления источниками питания любого типа, имеющими внешний аналоговый вход управления.
Итак, ветроэнергетические установки целесообразно применять для питания систем катодной защиты, расположенных в шельфовых морях России. Данный вывод можно сделать, исходя из данных анализа скорости ветра и его интенсивности в течение года.
Литература
1. Труднее С.Ю. Исследование работы импульсного стабилизатора напряжения для питания катодной защиты морских платформ / С.Ю. Труднев, А.О. Шуваева // Вестн. Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. - 2018. - № 4 (50). - C. 818-827.
2. Dar M., Yusuf A. Experimental study on innovative sections for cold formed steel beams // Steel and Composite Structures: AnInt'l Journal. - South Korea, 2015. - Vol. 19, № 6. - P. 545-554.
3. Труднев С.Ю. Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питания / С Ю. Труднев // Вестник Гос. ун-та морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова. - 2015. - Вып. 2 (30). - С. 191-198.
