CC BY
17ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
УДК 620.197.5+620.93
И.Г. Блинов, к.т.н., директор, ООО НПВП «Электрохимзащита»; Р.А. Кускильдин, д.т.н., заместитель генерального директора - главный инженер, ОАО «Газпром газораспределение Уфа»; А.В. Старочкин, главный инженер, ООО НПВП «Электрохимзащита»; А.В. Валюшок, к.т.н., ведущий инженер, ООО НПВП «Электрохимзащита»; А.А. Шанин, инженер по наладке и испытаниям, ООО НПВП «Электрохимзащита»
Апробация методики энергоаудита катодных станций для защиты систем газораспределения на примере оао «газ-сервис»
активная защита от электрохимической коррозии городских и сельских газораспределительных систем, как и магистральных газопроводов, осуществляется установками катодной защиты (Укз), которые включают в себя: станции катодной защиты, жертвенные аноды различных конструкций, катодные и анодные кабели и непосредственно участок защищаемого трубопровода с его пассивной защитой в виде изоляционного покрытия.
ключевые слова: электрохимзащита, установки катодной защиты (УКЗ), станции катодной защиты (СКЗ), потери мощности, энергосбережение, повышение энергетической эффективности.
Общие потери мощности УКЗ состоят из «производительных» и «непроизводительных» потерь. Так называемые производительные потери - это естественные потери станции катодной защиты (СКЗ), равные 100% минус КПД СКЗ. Коэффициент полезного действия СКЗ указан в паспорте заводом-изготовителем, причем, как показано в работе [9], КПД трансформаторных СКЗ снижается до 10% при нагрузке ниже 10% от номинальной (рис. 1). Эти потери минимизируются путем рационального выбора типа и паспортной мощности СКЗ.
непроизводительные потери включают в себя:
• потери в дренажных кабелях (цепи «СКЗ - защищаемое сооружение» и «СКЗ - анодное заземление»). Эти потери минимизируются применением кабелей, удовлетворяющих требованиям нормативной документации;
• потери в контактных узлах установки катодной защиты. Эти потери минимизируются путем содержания контактных узлов УКЗ в нормативном состоянии;
• потери мощности, связанные с высоким сопротивлением растеканию токов АЗ (рекомендуемое значение - не более 4 Ом для грунтов с удельным электрическим сопротивлением не более 100 ом.м). Эти потери минимизируются путем ремонта или замены АЗ;
• потери от продольного сопротивления защищаемого сооружения (газопровода);
• потери мощности, связанные с увеличением выходного тока и напряжения СКЗ при ухудшении качества изоляционного покрытия газопровода. Эти потери минимизируются путем обеспечения высокого качества изоляционного покрытия защищаемого сооружения (газопровода).
таким образом, основными причинами неэффективных потерь мощности и связанного с этим перерасхода электроэнергии являются:
• низкий фактический КПД станций катодной защиты в данных условиях эксплуатации. Причинами низкого КПД станций катодной защиты являются
длительные сроки эксплуатации (устаревшая конструкция СКЗ), избыточная номинальная мощность СКЗ для данных условий эксплуатации (т.е. режим работы 10% и ниже от номинальной) [9];
• анодные заземлители, сопротивление растеканию токов которых превышает нормативную величину;
• неудовлетворительное состояние контактных соединений дренажных кабелей и контактных узлов СКЗ;
• ненормативный материал и сечение кабеля или высокое продольное сопротивление дренажных кабелей;
• потери электроэнергии, связанные с неудовлетворительным состоянием изоляционного покрытия газопроводов. В отдельных случаях понизить расход электроэнергии можно также путем выведения отдельных установок катодной защиты в резерв без снижения эффективности электрохимической защиты объектов с последующим обследованием и дальнейшим контролем суммарных и поляризационных потенциалов по всем зонам защиты отключенных УКЗ. При отклонении потенциалов в любой точке от требований ГОСТ Р 51164-98,
84
№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ANTICORROSIVE PROTECTION
пп. 5.1, 5.8, [5] УКЗ, в зонах защиты которых выявлены эти участки, необходимо вернуть в работу с подбором выходных параметров СКЗ (тока и напряжения), обеспечивающих защиту объекта в соответствии с требованиями нормативной документации. Для оценки эффективности работы установки катодной защиты в реальных условиях эксплуатации нами введено понятие условного коэффициента -«комплексный показатель эффективности работы установки катодной защиты» (далее - комплексный показатель эффективности). Комплексный показатель эффективности позволяет оценить, сколько процентов потребляемой активной мощности УКЗ расходуется собственно на защиту сооружения от коррозии в данных условиях эксплуатации.
Комплексный показатель эффективности рассчитывается для текущего состояния анодного заземления и текущего состояния изоляционного покрытия защищаемого сооружения, учитывая состояние дренажных кабелей, состояние контактных узлов УКЗ, продольное сопротивление защищаемого участка газопровода, режим работы СКЗ и ее типа - трансформаторная или инвер-торная.
На сегодняшний день при современном состоянии выпускаемых средств ЭХЗ и действующей нормативной документации [5] удовлетворительным значением комплексного показателя эффективности можно принять величину » 60%:
К =Р
э полезная активная
/Р
|Я а
100%,
отечественный прибор для измерения показателей качества электроэнергии PECYPC-UF2M);
2) методом расчета Р =U .I ,
' п г активная вх.д. вх.актив.
где ивхд - действующее среднеква-дратическое напряжение на входе СКЗ, замеренное при данных условиях эксплуатации;
I - активная составляющая тока
вх.актив. ^
первичной цепи, замеренная прибором, выделяющим из полного тока активную составляющую (например, клещи токовые измерительные AR5). Значение комплексного показателя эффективности работы УКЗ > 60% принято удовлетворительным по следующим соображениям:
1) КПД СКЗ принят равным » 70% в соответствии с требованиями действующей НТД,таким образом, допустимые потери в катодной станции составляют до 30% [5];
2) дополнительные 10% потерь приняты эмпирическим путем, на основании многолетнего опыта обследования средств ЭХЗ, эксплуатирующихся в СССР, РФ и странах СНГ. Эти потери обусловлены сопротивлением растеканию токов АЗ, продольным сопротивлением дренажных кабелей и продольным сопротивлением защищаемого участка трубопровода,сопротивлением контактных узлов.
Таким образом, целью энергоаудита УКЗ является комплексная оценка полезной (производительной) мощно-
сти, расходуемой непосредственно на защиту участка трубопровода, оценка непроизводительных потерь мощности, выявление причин этих потерь и назначение мероприятий, устраняющих их. По результатам энергоаудита разрабатываются энергосберегающие мероприятия.
существуют три основных способа снижения энергопотребления Укз:
• исключение нерационального использования средств ЭХЗ - вывод УКЗ в резерв;
• устранение потерь - приведение параметров элементов УКЗ (дренажных кабелей и анодных заземлений) к нормативным;
• повышение эффективности преобразования путем использования СКЗ с более высоким КПД.
Для повышения энергетической эффективности средств электрохимической защиты рекомендуется выполнить следующие мероприятия:
Беззатратные и низкозатратные:
• произвести ревизию контактных соединений дренажных кабелей УКЗ, привести их в нормативное состояние. Выявить контактные узлы с высоким омическим сопротивлением (> 0,05 Ом), очистить их от продуктов окисления, восстановить надежный электрический контакт и предусмотреть меры,
где Кэ - комплексный показатель эффективности работы установки катодной защиты в данных условиях эксплуатации, %;
Р =и .I - полезная мощность,
полезная вых вых ^
расходуемая по вторичной цепи УКЗ, в данных условиях эксплуатации, Вт; Рактивная - активная мощность, потребляемая по первичной цепи УКЗ, в данных условиях эксплуатации, ВА. Эту величину можно получить двумя способами:
1) прямое измерение приборами, замеряющими активную составляющую потребляемой мощности (например,
Рис. 1. Общий вид изменения КПД для СКЗ разного исполнения
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014
85
ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
Рис. 2. Структура СКЗ случайной выборки, эксплуатируемых в системе ОАО «Газ-Сервис», обследованных в 2013 г. по мощности
препятствующие окислению данных контактов;
• вывести в резерв УКЗ в случаях, где это возможно без потери обеспечения защитных потенциалов во всех точках защищаемого газопровода, согласно нормативным требованиям ГОСТ Р 51164-98 пп. 5.1, 5.8 [5].
среднезатратные мероприятия:
• дренажные кабели привести в состояние, соответствующее требованиям НТД: катодный дренаж - кабель из меди, сечением не менее 35 мм2 [5].
высокозатратные мероприятия:
• заменить станции катодной защиты с низким КПД на станции катодной защиты с высоким КПД во всем диапазоне работы и оптимальной мощности в соответствии с условиями эксплуатации;
• произвести капитальный ремонт либо заменить анодные заземлители, сопротивление растеканию токов которых превышает 4 Ом. Тип, конструкцию и материалы анодных заземлений выбирать в соответствии с условиями эксплуатации, что позволит уменьшить значение сопротивления растеканию токов анодного заземления;
• произвести диагностику состояния изоляционного покрытия газопроводов, восстановить изоляционное покрытие газопроводов в местах обнаружения дефектов изоляционного покрытия. Выполнение данной рекомендации возможно в рамках проведения работ по комплексному обследованию коррозионного состояния газопровода.
По результатам составленного плана производится расчет экономической эффективности мероприятий по сни-
жению энергозатрат при обслуживании установок ЭХЗ, который выполняется следующим образом:
1) определяется количество средств ЭХЗ, рекомендуемых к оптимизации по каждому из видов затрат;
2) определяется среднестатистическая стоимость выполнения работ:
• ревизия контактных соединений -0 руб. (в порядке текущей эксплуатации);
• выведение УКЗ в резерв - 0 руб. (в порядке текущей эксплуатации);
• ревизия и замена дренажного кабеля - от 5 тыс. до 20 тыс. руб. за 1 дренажный кабель (Зп1);
• замена СКЗ - от 70 тыс. до 200 тыс. руб. за 1 СКЗ (Зп 2);
• замена АЗ - от 300 тыс. до 500 тыс. руб. за 1 анодный заземлитель (Зп 3). Все расценки приведены по ценам 2013 г.;
3) определяется примерное снижение затрат на электроэнергию за определенный период (рекомендуемый - год) при выполнении мероприятий:
• для мероприятия «Ревизия контактных соединений» экономия Э1 определяется из расчета снижения потребляемой за год мощности - от 0 до 5%;
• для мероприятия «Ревизия дренажного кабеля» экономия Э3 определяется из расчета снижения потребляемой за год мощности - от 0 до 10%;
• для мероприятия «Вывести в резерв УКЗ» экономия Э =Р .С .Т, где
2 актив эл.эн. "
Р - потребляемая по первичной цепи
актив г г ^
активная мощность выводимой в резерв СКЗ, С - стоимость электроэнергии,
эл.эн. г г
Т - период расчета экономии, часов;
• для мероприятия «Замена СКЗ» экономия Э4 определяется как разница в
потребляемой за год мощности работающей и рассчитанная на основании паспортных характеристик потребляемая за год мощность устанавливаемой СКЗ:
Э4=(Р
б-Р
актив.раб. актив.нов.
).с .т,
' эл.эн.
гдеР , - потребляемая по первич-
" актив.раб. г г
ной цепи активная мощность подлежащей замене работающей СКЗ; Р - потребляемая по первичной
актив.нов.
цепи активная мощность новой СКЗ. Расчет выполняется для текущего режима работы УКЗ.
Срок окупаемости мероприятия определяется путем деления затрат на выполнение мероприятия на годовую экономию электроэнергии по мероприятию в денежном выражении:
С
срок окупаемости
=З /Э
пп
годовая'
где Зп - затраты на выполнение п-го мероприятия;
Э - годовая экономия электро-
п.годовая " г
энергии (в денежном выражении) после выполнения п-го мероприятия.
Э =Э+Э,+Э,+Э/.
годовая 12 3 4
З =З +З 2+З ,.
п годовая п1 п2 п3
С использованием вышеприведенной методики нами в 2013 г. был проведен энергоаудит 2% СКЗ случайной выборки, эксплуатируемых в системе ОАО «Газ-Сервис».
На рисунке 2 приведена структура обследованных СКЗ по мощности.
по результатам проведенного обследования были сделаны следующие выводы:
1. Все обследованные 193 УКЗ находятся в рабочем состоянии и обеспечивают защиту газопроводов в соответствии с требованиями нормативной документации.
2. Блуждающие токи на всех обследованных УКЗ не выявлены.
3. Из числа обследованных станций катодной защиты, обеспечивающих электрохимическую защиту прилегающих участков газопроводов, 144 СКЗ (74,61%) работают в режимах неэконо-
86
№ 12 декабрь 2014 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
ANTICORROSIVE PROTECTION
мичного и нерационального использования электрической энергии.
4. Из числа обследованных анодных заземлителей 88 АЗ (45,6%) не соответствуют требованиям нормативной документации по сопротивлению растеканию токов [5]. Ненормативное сопротивление растеканию токов анодного заземлителя приводит к увеличению расхода электрической энергии при электрохимической защите газопроводов.
5. Из числа обследованных установок катодной защиты на 17 УКЗ (8,8%) в порядке текущей эксплуатации необ-
ходимо произвести ревизию контактных узлов СКЗ и произвести замеры сопротивления кабельных линий УКЗ. 6. Из числа обследованных установок катодной защиты 40 УКЗ (20,7%) возможно вывести в резерв без снижения уровня защищенности газопроводов от подземной коррозии. После вывода установок катодной защиты в резерв необходимо произвести замеры суммарных и поляризационных потенциалов по всем зонам защиты этих УКЗ. В случае обнаружения участков газопроводов с потенциалами, не удовлетворяющими требованиям ГОСТ Р 51164-98, п. 5.1,
5.8, [5] УКЗ, в зонах защиты которых выявлены эти участки, вернуть в работу. 7. Из 23 СКЗ с самым высоким комплексным показателем эффективности УКЗ более половины (14 шт.) относятся к типу СКЗ-УПГ. Таким образом, можно судить об СКЗ-УПГ как о наиболее приемлемом оборудовании для решения задач максимальной экономии электроэнергии и эффективности защиты объектов.
Самые высокие комплексные показатели эффективности УКЗ - на установках, в которых СКЗ работает в режиме выше 40% от номинальной мощности.
UDC 620.197.5+620.93
I.G. Blinov, Candidate of Science (Engineering), Director of Elektrokhimzashchita Research, Production and Implementation Enterprise LLC; R.A. Kuskildin, Doctor of Engineering Science, Deputy General Director - Chief Engineer, Gazprom Gasoraspredeleniye Ufa JSC; A.V. Starochkin, Chief Engineer of Elektrokhimzashchita Research, Production and Implementation Enterprise LLC; A.V. Valyushok, Candidate of Science (Engineering), Lead Engineer of Elektrokhimzashchita Research, Production and Implementation Enterprise LLC; A.A. Shanin, Adjustment and Testing Engineer, Elektrokhimzashchita Research, Production and Implementation Enterprise LLC
Testing the methods of cathodic stations energy audit for protection of gas distribution systems as exemplified by Gaz Service JSC
Active protection of urban and rural gas distribution systems against electrochemical corrosion, similar to main gas pipelines, is arranged by means of cathodic protection plants (CPP) which comprise: cathodic protection stations, sacrificial anodes of various design, cathode and anode cables and the protected pipeline section with its passive protection in the form of insulation coating.
Keywords: electrochemical protection, cathodic protection plants (CPP), cathodic protection stations (CPS), power losses, energy saving, energy efficiency enhancement.
References:
1. Federal Law No. 116-FZ «0 promyshlennoi bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh ob'ektov» («On industrial safety of hazardous production facilities»), dated 21.07.1997.
2. Federal Law No. 184-FZ «0 tekhnicheskom regulirovanii» («On Technical Regulation»), dated 27.12.2002.
3. Federal Law No. 28-FZ «0b energosberezhenii» («On Energy Saving»), dated 03.04.1996.
4. Federal special purpose program «Povyshenie effektivnosti energopotrebleniya v Rossiiskoi Federatsii na 2008-2010 gg. i na perspektivu do 2015 g.» («Enhancing efficiency of energy consumption in the Russian Federation for 2008-2010 and for a long-term period till 2015»).
5. G0ST R 51164-98 «Truboprovody stal'nye magistral'nye. Obtshie trebovaniya k zatshite ot korrozii» («Steel main pipelines. General requirements for corrosion protection»).
6. GOST 9.602-2005 Unified System of Protection against Corrosion and Ageing «Sooruzheniya podzemnye. Obtshie trebovaniya k zatshite ot korrozii» («Underground structures. General requirements for corrosion protection»).
7. RD 153.39.4-091-01 «Instruktsiya po zatshite gorodskikh podzemnykh truboprovodov ot korrozii» («Instruction for protection of urban underground pipelines against corrosion»).
8. STO Gazprom 2-1.20-114-2007 «Metodika energoaudita gazotransportnoi sistemy» («Methods of gas transportation system energy audit»).
9. Semenov A.G., Sysa L.P. Chto takoe elektrokhimicheskaya zatshita i kak vybrat' katodnuyu stantsiyu (What electrochemical protection is and how to choose a cathodic station) // Heat supply news. - 2004. - No. 10.
Литература:
1. Федеральный закон № 116-ФЗ от 21.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов».
2. Федеральный закон № 184-ФЗ от 27.12.2002 «О техническом регулировании».
3. Федеральный закон № 28-ФЗ от 03.04.1996 «Об энергосбережении».
4. Федеральная целевая программа «Повышение эффективности энергопотребления в Российской Федерации на 2008-2010 гг. и на перспективу до 2015 г.».
5. ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии».
6. ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС «Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии».
7. РД 153.39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии».
8. СТО Газпром 2-1.20-114-2007 «Методика энергоаудита газотранспортной системы».
9. Семенов А.Г., Сыса Л.П. Что такое электрохимическая защита и как выбрать катодную станцию // Новости теплоснабжения. - 2004. - № 10.
ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ № 12 декабрь 2014
87
