МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА АВТОНОМНОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

'.I

J

ь.

i

Шуваева А. О. Shuvaeva А. О.

аспирант,

ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация

Trudnev S. Yu.

кандидат технических наук, декан мореходного факультета, ФГБОУ ВО «Камчатский государственный технический университет», г. Петропавловск-Камчатский, Российская Федерация

Труднее С. Ю.

УДК 621.311.68

DOI: 10.17122/1999-5458-2019-15-4-30-38

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА АВТОНОМНОЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

Рассмотрена структурная схема устройства, позволяющего обеспечить катодную защиту нефтяных платформ и сооружений. Усовершенствована существующая система питания устройства автономной катодной защиты, позволяющая обеспечить подачу электрической энергии в систему защищаемого сооружения и увеличить срок службы источников и всей системы в целом. Актуальность данного устройства обусловлена несовершенством эксплуатируемых систем защиты нефтяных платформ. Коррозия металлических частей морской платформы является естественным самопроизвольным процессом. Для частичного предотвращения и его замедления регулярно разрабатываются методы по совершенствованию систем катодной электрохимической защиты. Были разработаны и сконструированы различные автоматизированные системы, позволяющие регулировать скорость коррозийного процесса. Так как существующие на сегодняшний день системы защиты от коррозии металлических сооружений нуждаются в постоянном обслуживании, вопрос их совершенствования до сих пор остается открытым и актуальным. Предлагаемая система обеспечит защиту металлических сооружений от агрессивного влияния морской среды. Одной из уязвимых частей системы катодной защиты является ее источник питания, выходные параметры которого зависят от возобновляемых источников энергии. В связи с этим авторами предлагается усовершенствовать источник электрической энергии катодной защиты. Для того чтобы наглядно представить работу предлагаемой схемы, авторами статьи создана компьютерная модель в программной среде MATLAB. Для создания компьютерной модели был выполнен обзор математических уравнений синхронного генератора, которые описывают принцип работы силовой части источника тока. Рассмотрена математическая модель мостового выпрямителя тока. На основании математических моделей и уравнений была разработана и исследована имитационная модель предлагаемого устройства в программной среде MATLAB.

Ключевые слова: коррозия, ветер, скорость, модель, источник питания, синхронный генератор, мостовой выпрямитель, постоянный ток.

A block diagram of a device that allows to provide cathodic protection of oil platforms and structures is considered. The existing power supply system of the autonomous cathodic protection device has been improved, allowing to ensure the supply of electrical energy to the system of the protected

SIMULATION OF AUTONOMOUS CATHODIC PROTECTION SOURCE

structure and to increase the service life of sources and the entire system. The relevance of this device is due to the imperfection of the operated systems for the protection of oil platforms. Corrosion of metallic parts of the offshore platform is a natural spontaneous process. For partial prevention and deceleration, methods are regularly developed to improve cathodic electrochemical protection systems. Various automated systems were developed and designed to regulate the rate of the corrosive process. Since the current corrosion protection systems for metal structures need constant maintenance, the question of their perfection still remains open and relevant.The proposed system will protect metal structures from the aggressive influence of the marine environment. One of the vulnerable parts of the cathodic protection system is its power source, the output parameters of which depend on renewable energy sources. In this regard, the author proposes to improve the source of electrical energy of cathodic protection. In order to visually present the work of the proposed scheme, the authors of the article created a computer model in the MATLAB software. To create a computer model, we reviewed the mathematical equations of a synchronous generator, which describes the principle of operation of the power part of the current source. The mathematical model of a bridge rectifier is considered. On the basis of mathematical models and equations, a simulation model of the proposed device was developed and investigated in the MATLAB software.

Key words: corrosion, wind, speed, model, power supply, synchronous generator, bridge rectifier, direct current.

Введение

На сегодняшний день основную роль в увеличении добычи нефти и газа, как правило, играет освоение новых морских нефтяных месторождений. Морские шельфы изучены в среднем всего на 7 %, при этом 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 всём 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 главной целью данной статьи.

Одним из оптимальных методов по увеличению эффективности защиты от коррозии является катодная электрохимическая защита нефтегазовых платформ. Это доказывают исследования, которые провели кандидаты наук А.С. Наботова и В.З. Нгуен. Научные школы под руководством А.А. Фатхуллина и С.Я. Дунаевского также регулярно разрабатывают методы по совершенствованию систем катодной электрохимической защиты [1].

В рамках данной статьи были поставлены следующие задачи:

1. Провести обзор статистических значений скорости ветра в нефте- и газодобывающих районах;

2. Провести анализ математической модели силового модуля устройства катодной защиты;

3. Разработать структурную усовершенствованную схему источника питания;

4. Разработать и исследовать компьютерную модель источника питания катодной защиты;

5. Провести апробацию результатов, полученных при исследовании компьютерной модели источника питания.

Методы и материалы

Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение в связи с простотой монтажа и эксплуатации,

Electrical facilities and systems

невысокой стоимостью и при этом высокой технологичностью. Традиционно применяют автономные катодные станции, которые содержат источники постоянного тока, такие как термоэлектрогенераторы, ветроэлектро-генераторы, 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 электрохимической защиты с потребляемой мощностью 200 Вт необходимо использовать ветрогенератор, диаметр лопастей которого составит 3 м, скорость ветра при этом должна составлять не менее 4,5 м/с.

В климатических условиях РФ в зависимости от времени года и территориального района ветровая активность отличается в разы. На рисунке 1 [2] наглядно представлены районы нефте- и газодобычи России.

Рассмотрим ветряные характеристики, в частности скорость ветра, для морей аркти-

Щ Producing Kegion - Major Pipeline

[ | Prospective Region Under Conilmdion Pipeline

• Major fieldi/Pmtlucers Planned/Proposed Pipeline

in 2000 (Bern) % SHei led grafirlrl

------- Г

¿■ring Sc. i

Рисунок 1. Основные нефтяные и газовые бассейны

ческого региона России, где добывается более 90 % всего отечественного газа и около 10 % нефти. Из рисунка 1 видно, что большая часть нефтегазовых запасов находится в Баренцевом, Карском и Охотском морях. Ниже приведены графики зависимостей средних скоростей ветра от времени года для этих морей.

Из анализа графиков (рисунок 2) 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 ветреной активности. В таких условиях

энергоэффективность оборудования является важнейшим фактором.

На сегодняшний день существующие системы электрохимической катодной защиты работают на переменном токе, значение номинального напряжения составляет 220 В. Для работы системы защиты от постоянного тока необходимо применение инвер-торных установок, что приводит к потере значительной части полезной мощности — 15-20%.

Для компенсации мощностных потерь возникает необходимость в кратном увеличении габаритных размеров ветрогенератор-ных установок, что приведет к увеличению их стоимости. Это противоречит одной из

12

о

2 Ю

ев

Р й

н 5

О)

т к

65 6

8 4 Р

§ 2 О

а)

2 10

Св &

О)

и

ь£3

н о о

Он §

и

б)

12

2 10

се & 8

<и

и к л 6

н

8 4

Рн § 2

О £

в)

■Средняя скорость ветра в Баренцевом море

■Минимальное значение скорости ветра для работы системы катодной защиты

6 7 8 Месяц

10 11 12

■Средняя скорость ветра в Карском море

■Минимальное значение скорости ветра для работы системы катодной защиты

6 7 8 Месяц

10 11 12

■Средняя скорость ветра в Охотском море

■Минимальное значение скорости ветра для работы системы катодной защиты

8

10 11 12

Рисунок 2. Зависимость средней скорости ветра от времени года в Баренцевом (а), Карском (б), Охотском (в) морях

основных задач — снижению затрат. Чтобы решить данную проблему, необходимо применять станции катодной защиты напряжением питания 12—48 В постоянного тока, основными элементами которых являются силовые модули и модули управления [3].

Силовые модули катодной защиты включают в себя модули управления, состоящие из устройств, которые обеспечивают следующие параметры и режимы работы: управление и измерение выходного напряжения, выходного тока, защитного потенциала сооружения и мониторинг датчика коррозии. Данный модуль также может быть использован для управления источниками питания

любого типа, имеющими внешний аналоговый вход управления [4].

Для разработки и построения принципиальной схемы системы катодной защиты необходимо рассмотреть математическую модель синхронной машины, учет её насыщения и структурную схему синхронного генератора, которые входят в состав силового модуля систем катодной защиты [5].

Уравнения якорной цепи в системе координат а,

ий = -ад + рфа -

ич = -яа1ч + - х1>ап\ ■

Уравнение цепи обмотки возбуждения:

= (2)

(1)

Electrical facilities and systems

Уравнения для потокосцеплений: Фа = (-Ladld + MafdIf + MakdIkd) - Losla,(3) Vq = (Makdkq - Laqlq) ~ Las¡qi (4) Фг = \-\Mafdid + MfkdIkd +

+ (Lf-Lfs)lf]+LJsIf] (5)

4>kd = \~\Makdid + Mfkdif +

+ (.Lkd — Lfcs)/fcd] + LksIfd, (6) Vkq = \~\MakqIq + (Lkq -

~ Lks)hq\

+ Lkshq■ (7) Уравнение цепи нагрузки:

" (8)

^ = (9)

где П0 = 2я/0 синхронная угловая частота. Уравнения связи записи по двум систе-

Хн il

ud = RKId + Jj^pld ~ -^HIq ^ ;

a

мам:

Ui = ul + Щ-.

(10)

^а.б. — 1ао>

— базисное напряжение статора, равное амплитуде номинального фазного напряжения

иа.б. = иао-,

— базисное потокосцепление статора, наводящее в обмотке статора при базисной угловой частоте базисное напряжение

иа о

Фа. б. = ФгО =

а

аО

— базисная частота, равная синхронной угловой частоте

^б = ^о = 2я/0;

— базисное сопротивление статора, равное

иа о

^а.б. — ^а0 —

аО

11 = 11 + 4 (11)

Уравнение активной мощности:

Р = иа1а + Щ1Я. (12)

Уравнение реактивной мощности:

0 = -и^ + ич1й. (13)

Уравнение движения электропривода:

(13)

где 3 — суммарный момент инерции ротора и нагрузки.

Уравнения (1)—(13) содержат переменные с физической размерностью. В теории синхронных машин уравнения записывают в относительных единицах, а не в абсолютных [6, 7].

Запись уравнений в относительных единицах позволяет принять уравнениям более простой вид, а это дает возможность для сравнения различных синхронных машин.

Для перехода от физических величин к относительным необходимо задаться базисными значениями переменных, в долях от которых определяются относительные величины.

К основным базисным величинам относятся следующие:

— базисный ток статора, равный максимальному значению (амплитуде) номинального фазного тока

— базисная мощность статора, равная номинальной мощности синхронной машины

з

= Ро = 3 X и„1н = - иа01а0;

— базисный момент

Мб = м0 = -V, "0

где р* — число пар полюсов синхронной машины;

1 -т -2а0 ■ "а.б. — ьа0 ~ п > ¿'О

— базисная индуктивность статора 1 1

6 iî0 2я/0 '

— базисное время, соответствующее повороту ротора синхронной машины на 1 эл. град при базисной угловой частоте 1 1

6 П0 27Г/0 Вышеизложенные уравнения синхронной машины лежат в основе построения обобщенной структурной схемы синхронного двигателя, которая представлена на рисунке 3.

Структурная схема содержит: 1 — генератор; 2 — выпрямительное устройство; 3 — регулирующее устройство; 4 — выключатель зажигания; 5 — амперметр; Ш — вывод обмотки возбуждения; «+» — плюсовой вывод выпрямителя [8].

Поскольку синхронный ветрогенератор вырабатывает переменный ток, а для работы системы катодной защиты необходим постоянный, то устройство преобразования

Рисунок 3. Математическая модель схемы синхронного генератора переменного тока

переменного тока в постоянный — выпрямитель — является ключевым элементом, входящим в систему катодной защиты [9].

Рассмотрим математическую модель, которая описывает работу выпрямителя тока. При описании работы электрических схем основными динамическими переменными на отдельных участках схемы являются токи I и напряжения U. Математическое описание элементов электрических цепей базируется на выражениях, представленных ниже, которые определяют математические связи между токами и напряжениями.

— Резистивный элемент U = / • R или I = G -U,

где G =-,R — сопротивление, G — проводимость.

— Емкостной элемент (C= const)

I = W = ±(C-U) = C--, dt dtK J dt

или U = I • dt, где Q = С -U,

где Q — заряд и C — емкость конденсатора, t — время.

— Индуктивный элемент (L=const)

U = - = —(L-I~)=L- — или I = - f и ■ dt,

dt dt dt' L '

где Ф — магнитный поток, L — индуктивность катушки, входящая в состав выпрямителя тока [9].

Для полупроводникового выпрямительного диода математическая модель имеет аналитическое выражение, связывающее ток диода 1В и ток насыщения полупроводникового диода 15:

/о = 4 • (е® - 1),

где I — ток насыщения полупроводникового диода;

q — модуль заряда электрона;

к — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

Уравнения тока диода необходимо применить для математической модели схемы выпрямителя, содержащей £-С-фильтр.

Даная схема изображена на рисунке 4, где Ь — индуктивность.

С точки зрения практического использования целесообразно реализовать модель источника питания в программной среде Ма^аЬ R2007b Simulink. Его компьютерная модель представлена на рисунке 5.

Рисунок 4. Математическая модель схемы выпрямителя, содержащего L-C-фильтр

i>i

Ramp

Math Function

h Tm-

A ■

r:<0

Permanent Magnet Synchronous Machine

Continuous

-ЦАНЖНЬ-

Series RLC Branch

—JWHiHH

Scope-!

Voltage Measurement Scope

Series RLC Branchl Universal Bridge

Рисунок 5. Компьютерная модель источника питания катодной защиты в программе Matlab

Скорость ветра и электромагнитный момент генератора являются входными переменными модели.

Отрицательный момент, определяющийся скоростью ветра, прилагается к блоку Permanent Magnet Synchronous Machine. Воздействие момента, приложенного к ротору генератора, определяется с помощью блоков Gain, Math Function и Ramp.

Источником переменного тока и напряжения, которые сложно использовать для нужд потребителя, является генератор. Для получения постоянных характеристик необходим выпрямительный мост Universal Bridge. Для

сглаживания пульсации в схему был включен RLC-фильтр.

Результаты

На рисунке 6 представлена зависимость крутящего момента ветротурбины, которая разгоняется при увеличении скорости ветра от 6 до 10 м/с на холостом ходу. При этом осуществляется наброс момента нагрузки Мн=50 Нм.

Измерение выходного напряжения с выпрямителя, представленное на рисунке 7, осуществляется при помощи вольтметра Voltage Measurement.

и

Рисунок 6. Зависимость момента нагрузки на холостом ходу от времени

Обсуждение результатов Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что представленная модель демонстрирует адекватный переходный процесс. С помощью внедрения в систему питания катодной защиты таких устройств, как генератор постоянного тока, обеспечивающий питанием всю систему в целом, и выпрямительного моста, который

Рисунок 7. Значение выходного напряжения выпрямителя

позволяет получить постоянный ток, был выявлен факт адекватности переходного процесса [10].

В режиме холостого хода предложенная модель источника питания достаточно точно отражает работу установки. Она может быть использована при разработке и исследовании системы управления и питания катодной защиты.

Выводы

Полученный источник электрической энергии позволяет исследовать динамические процессы, зависящие от входных параметров и величин. Оптимальная настройка системы управления повышает энергоэффективность работы систем катодной защиты.

Список литературы

1. Труднев С.Ю., Шуваева АО. Исследование работы импульсного стабилизатора напряжения для питания катодной защиты морских платформ // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2018. № 4 (50). C. 818-827.

2. Полезные ископаемые России. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki.

3. Dar M., Yusuf A. Experimental Study on Innovative Sections for Cold Formed Steel Beams: Steel and Composite Structures // An Int'l Journal, South Korea. 2015. Vol. 19, No. 6, P. 545-554.

4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB SimPowerSystems и Simulink. СПб.: Питер, 2008. 288 с.

5. Arcangelo M. Local Diagnoses in Modal Analysis through Additional Poles: Mechanic of Advanced Materials and Structures. UK, 2017. Vol. 24, No. 6. P. 271-286.

6. Федюк Р.С., Ильинский Ю.Ю., Ибрагимов Д.И. Разработка источника питания устройства ограничения замыкания на корпус судна // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2015. № 4 (32). C. 177-185.

7. Фатхуллин А.А., Гараев И.Г. Новые перспективные материалы для анодов катодной защиты от коррозии // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 8. С. 296-299.

8. Никулин С.А., Карнавский Е.Л. Оптимизация режимов установок электрохимической защиты // Системы управления и информационные технологии. 2014. Т. 57. № 3. С. 64-68.

9. Дунаевский С.Я. Моделирование элементов электромеханических систем. 2 изд. М.: Энергия, 1971. 288 с.

Для верификации полученных результатов в дальнейшем необходимо разработать испытательный макет предлагаемого устройства, исследование которого позволит в полной мере объективно оценить его работоспособность.

10. Труднев С.Ю. Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питания // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2015. Вып. 2 (30). С. 191-198.

References

1. Trudnev S.Yu., Shuvaeva A.O. Issledovanie raboty impul'snogo stabilizatora napryazheniya dlya pitaniya katodnoi zashchity morskikh platform [Study of the operation of a pulsed voltage regulator forcathodic protection of offshore platforms]. Vestnik Gosudar-stvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova — Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov, 2018, No 4 (50), pp. 818-827. [in Russian].

2. Poleznye iskopaemye Rossii [Minerals of Russia]. Rezhim dostupa: https://ru.wikipedia. org/wiki. [in Russian].

3. Dar M., Yusuf A. Experimental Study on Innovative Sections for Cold Formed Steel Beams: Steel and Composite Structures. An Int'l Journal, South Korea, 2015, Vol. 19, No. 6, pp. 545-554.

4. Chernykh I.V. Modelirovanie elektro-tekhnicheskikh ustroistv vMATLAB SimPowerSystems i Simulink [Simulation of Electrical Devices in MATLAB SimPowerSystems and Simulink]. Saint-Petersburg, Piter Publ., 2008. 288 p. [in Russian].

5. Arcangelo M. Local Diagnoses in Modal Analysis through Additional Poles: Mechanic of Advanced Materials and Structures. UK, 2017. Vol. 24, No. 6. P. 271-286.

6. Fedyuk R.S., Il'inskii Yu.Yu., Ibragi-mov D.I. Razrabotka istochnika pitaniya ustroistva ogranicheniya zamykaniya na korpus sudna [Development of a Power Source for a Device for Limiting a Short Circuit to a Ship's Hull]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta

morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova — Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov, 2015, No. 4 (32), pp. 177-185. [in Russian].

7. Fatkhullin A.A., Garaev I.G. Novye perspektivnye materialy dlya anodov katodnoi zashchity ot korrozii [New Perspective Materials for Anodes of Cathodic Corrosion Protection]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo uni-versiteta — Bulletin of Kazan Technological University, 2014, Vol. 17, No. 8, pp. 296-299. [in Russian].

8. Nikulin S.A., Karnavskii E.L. Opti-mizatsiya rezhimov ustanovok elektrokhimi-cheskoi zashchity [Electrochemical Protection Installations Modes Optimization]. Sistemy upravleniya i informatsionnye tekhnologii — Control Systems and Information Technologies, 2014, Vol. 57, No. 3, pp. 64-68. [in Russian].

9. Dunaevskii S.Ya. Modelirovanie ele-mentov elektromekhanicheskikh system [Electromechanical Systems Elements Modeling]. 2 izd. Moscow, Energiya Publ., 1971. 288 p. [in Russian].

10. Trudnev S.Yu. Razrabotka komp'yu-ternoi modeli parallel'noi raboty generatornogo agregata i trekhfaznogo bezynertsionnogo istochnika pitaniya [Development of a Computer Model of Parallel Operation of a Generator Unit and a Three-Phase Inertia-Free Power Source]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova — Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S.O. Makarov, 2015, Issue 2 (30), pp. 191-198. [in Russian].