CC BY
16УДК 620.197:629.563.2
А.О. Шуваева, С.Ю. Труднев
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: trudnev@mail.ru
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ СИСТЕМЫ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ МОРСКИХ БУРОВЫХ ПЛАТФОРМ
В материалах представлена компьютерная модель автономной системы питания морских буровых платформ. Разработана и описана структура работы катодной защиты морских платформ от коррозии. Разработана компьютерная модель источника питания катодной защиты от коррозии. Проведен ряд экспериментов, подтверждающих адекватность разработанной компьютерной модели. Получен положительный результат.
Ключевые слова: модель, коррозия, защита, система питания, ионистор.
A.O. Shuvaeva, S.Yu. Trudnev
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskiy, 683003 e-mail: trudnev@mail.ru
AUTONOMOUS POWER SUPPLY COMPUTER SIMULATION OF CATHODIC PROTECTION SYSTEM FOR MARINE DRILLING PLATFORMS
The computer model of an autonomous power supply system for marine drilling platforms is presented. The work structure of cathodic protection of marine platforms against corrosion has been developed and described. A computer model of a power source for cathodic corrosion protection has been developed. A series of experiments confirming the adequacy of the developed computer model has been carried out. A positive result is obtained.
Key words: model, corrosion, protection, power system, ionistor.
При разработке и внедрении в производство оборудования, изделий, сооружений и конструкций различного типа значительную роль играет их коррозийная стойкость. Коррозия на морских месторождениях ежегодно приводит к значительным убыткам. Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается в огромной стоимости изделий, которые подвергаются данному виду разрушения, и стоимости проведения восстановительных операций. Увеличение срока между восстановительными операциями за счет совершенствования технической части источника бесперебойной подачи электрической энергии для поддержания работы устройства катодной защиты является главной целью данной статьи.
Ведущими специалистами в области судостроения, а также научными школами под руководством отечественных заслуженных деятелей науки: А.А. Фатхуллина, И.Г. Гараева [1], А.А. Анашкина [2] и В.В. Чулючкина [3] - регулярно проводятся исследования по совершенствованию системы катодной защиты от коррозии морских платформ. Поэтому работы, направленные на модернизацию системы катодной защиты, остаются актуальными.
В рамках данной статьи были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать существующие системы катодной защиты, имеющие автономный источник питания и выявить недостатки.
2. На основе проведенного анализа разработать структурную усовершенствованную схему источника питания.
3. Разработать и исследовать компьютерную модель источника питания катодной защиты.
4. Провести анализ полученных результатов.
Существует катодная защита металлических сооружений с автономным питанием, структурная схема которой изображена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема устройства катодной защиты с автономным питанием и ионисторным модулем
Устройство содержит: блок автономного источника питания, состоящий из ветрогенерато-ра 1 и волновой электростанции 2, блок регулирования тока заряда 3, связанного с управляющим микроконтроллером 4, блок контроля работы генератора высокочастотных колебаний - импульсный модулятор 5, систему стабилизации напряжения 6, блок управления резервом 7, блок формирования амплитуды импульсов 8, размыкатель 9, резистор 10, протектор 11, электрод сравнения 12, анодный заземлитель 13.
Основным недостатком схемы является электрохимический источник напряжения, емкость которого зависит от температуры окружающей среды. Морская буровая платформа, как правило, эксплуатируется в жесткой агрессивной среде. От бесперебойности подачи электрической энергии будет зависеть качество работы буровой нефтяной платформы. Выход из строя основного источника питания в случае аварии обесточит систему питания защиты от коррозии, чем самым снизит срок эксплуатации морской буровой платформы. В связи с этим система питания катодной защиты должна иметь автономное питание, основным источником которого является аккумулятор. Предлагается усовершенствовать систему путем замены электрохимического источника на ионисторный модуль, состоящий из нескольких батарей.
Применение ионисторных батарей будет имеет ряд преимуществ по сравнению с аккумулятором:
1) большое количество циклов заряда и разряда;
2) отсутствие изнашиваемых химических элементов;
3) большие токи отдачи;
4) суперконденсаторы достаточно быстро заряжаются;
5) суперконденсаторы намного меньше обычных конденсаторов и в то же время имеют намного большую емкость;
6) широкий рабочий диапазон температур (от -60 до +50°С).
Для стабилизации выходного напряжения ионисторного модуля на его выход подключен импульсный стабилизатор напряжения, функциональная схема которого изображена на рис. 2. Применение импульсного стабилизатора напряжения позволит поддерживать потенциал защищаемого сооружения в пределах 0,85-1,15 В.
Электронные импульсные стабилизаторы симисторного типа на микропроцессорной схеме управления, где в качестве ключей применяются симисторы или тиристоры, характеризуются быстродействием, высокой точностью стабилизации, отсутствием шума, непрерывностью на-
пряжения, неискаженной синусоидой и длительным сроком службы [4]. В обобщенном виде стабилизатор напряжения - это регулирующий компонент, подсоединяемый параллельно нагрузке [5].
Рис. 2. Схема подключения ионисторного модуля и импульсного стабилизатора
Полевой транзистор УТ работает в двух ключевых режимах: открытом и закрытом. В момент открытия регулирующего транзистора УТ входное напряжение ивх первичного источника, которым является ионисторный модуль, поступает на вход сглаживающего фильтра. Ток протекает через первичный источник, дроссель и нагрузку, так как полупроводниковый диод УО не пропускает ток в другую сторону. В закрытом состоянии транзистора УТ напряжение на входе сглаживающего фильтра отсутствует. Через полупроводниковый диод УО проходит ток, который поддерживается за счет накопленной энергии в дросселе.
Согласно схеме подключения была разработана математическая модель работы стабилизатора:
Уравнения силовой части импульсного стабилизатора напряжения в переменных состояния в этом случае имеют вид [4, 5]:
ёгь г . 1 1 г
—- = — г,--и +—и
ь с ь п
ж ь ёи
1
и
ж
с ь яс
(1)
(2)
Для интервалов времени, когда транзистор УТ закрыт, схемы замещения представлены на рис. 3, б и в, соответственно, для гь > 0 и гь = 0. При гь > 0 уравнения силовой части стабилизатор в переменных состоянии принимают вид:
ёгь = _ т_ г _ 1 и
ёи 1
и
с'ь яс
& ь ь с ж
В стабилизаторе процесс описывается уравнением, представленным для случая, если гь =0
ёи и
_с __с
Ж ~ яс
(3)
(4)
Исключив из уравнений (3) и (4) ток дросселя гь, можно получить уравнения типа «вход -выход» силовой части стабилизатора:
при открытом транзисторе
ё 2и
_с
ёи
_с
ё1
+ аои = Ьои ;
0 с 0 п ?
(5)
при закрытом транзисторе
ё и ёи —т~ + а,—- + а0и = 0. ё1г 1 ё1 0 с
ьс я+ь 1 1
Здесь а. =-— ;а0 =-;Ь0 =-.
1 яьс яьс ьс
Объединив уравнения (5) и (6), заменив входное напряжение в виде импульсов со средним значением, получим
и = уип, (7)
где ип - относительная длительность открытого состояния транзистора. Получим
ё2и ёи
■ + а. —- + аои = и .
Ж1 1 Л 0 -
По уравнению (8) найдем передаточную функцию силовой части стабилизатора:
ЖС (?) = и- Ъ°
U
s + a1s + a0
(8)
(9)
Для верификации в программе МаЛаЪ Л2014а была разработана имитационная модель (рис. 3), позволяющая исследовать выходные характеристики импульсного стабилизатора постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Рис. 3. Компьютерная модель стабилизатора в программе Matlab
Был проведен следующий эксперимент: на вход импульсного стабилизатора был подключен ионистор емкостью С = 3 000 Ф и номинальным напряжением U = 27 В, имитирующий десять последовательно подключенных ионисторных батарей. Для этой цели может быть использован ионистор Maxwell BCAP3000P210K04. Устройство для катодной защиты с автономным питанием содержит в качестве блока формирования амплитуды импульсов импульсную катодную станцию с максимальной амплитудой выходного напряжения 24 В.
В результате эксперимента был получен ряд зависимостей на входе и на выходе стабилизатора (рис. 4, 5).
Рис. 4. Зависимость выходного тока с транзистора: а - значение тока ¡(1); б - значение выходного напряжения стабилизатора ип (начало)
ад
15-
б
Рис. 4. Зависимость выходного тока с транзистора: а - значение тока ¡(1); б - значение выходного напряжения стабилизатора ип (ф) (окончание)
По выходным характеристикам ионистора (рис. 5) видно, что с течением времени напряжение снижается на 0,1 В, так как ионистор разряжается и отдает энергию для поддержания работы ИСН. Значение выходного напряжения стабилизатора остается на заданном уровне и = 24 В (см. рис. 4). Поддержание напряжения стабилизатором напряжения на заданном уровне осуществляется за счет снижения выходного тока транзистора.
у 1 1 1
а» а»
733 аю
1 1 1 1 1 ;
Рис. 5. График зависимости выходного напряжения разряда ионистора от времени и (ф)
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что ионисторный модуль в комплексе со стабилизатором напряжения способен обеспечить станцию катодной защиты напряжением 24 В. С помощью внедрения в систему катодной защиты таких устройств, как иони-стор, который позволяет обеспечить основным и резервным питанием всю систему в целом, и стабилизатора напряжения, который позволяет получить необходимое выходное напряжение, был выявлен факт снижения выходного тока транзистора, и, как следствие, поддержания напряжения на заданном уровне.
Полученный источник электрической энергии будет иметь стабильный выходной электрический сигнал и по сравнению с существующими аналогами имеет следующий ряд преимуществ:
- высокий температурный диапазон;
- большой срок эксплуатации;
- небольшие массогабаритные показатели;
- отсутствие постоянного обслуживания.
Литература
1. ГОСТ Р 51164-98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии / Госстандарт России. - М.,1998.
2. ГОСТ 9.602-2005. Единая система защиты от коррозии и старения: Сооружения подземные: Общие требования к защите от коррозии. - М.: Стандартинформ, 2006.
3. Устройство для импульсной катодной защиты: Патент России № 2486228 / Анашкин А.А., Чулючкин В.В. - 2011. - Бюл. № 18.
4. Устройство для катодной защиты с автономным питанием: Патент России № 2486229 / Анашкин А.А., Чулючкин В.В. - 2011. - Бюл. № 5.
5. Румянцев А.А. Все о стабилизаторах напряжения // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - Т. 2, № 4 (89).- С. 109.
6. Вадутов О.С. Импульсный стабилизатор напряжения с пропорционально-интегральным регулятором. - Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та. - 2014. - С. 9.
