close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров станции катодной защиты с резонансной системой электроснабжения для сельскохозяйственных объектов

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Александров Даниил Владимирович
Обоснование параметров станции катодной защиты с
резонансной системой электроснабжения для сельскохозяйственных объектов
05.20.02 – Электротехнологии и
электрооборудование в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва, 2018
Работа выполнена в лаборатории инновационных систем эле ктроснабжения и светотехники Федерального государственного бюджетного научного учреждения Федеральное государственное бюджетное
научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный
центр ВИМ»
Научный руководитель:
Юферев Леонид Юрьевич, доктор технических
наук, доцент, ФГБНУ "Федеральный научный
агроинженерный центр ВИМ", главный
научный сотрудник отдела возобновляемой
энергетики
Официальные оппоненты:
Людин Валерий Борисович, доктор технических
наук, профессор, ФГБОУ ВО "Российский государственный аграрный заочный университет, профессор кафедры "Информационные и электротехнические системы и технологии"
Мурадов Александр Владимирович, доктор
технических наук, профессор, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина , проректор по
научной работе
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева
Защита состоится «3» июля 2018 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 006.110.02 при ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский
проезд, д. 2.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ ФНАЦ
ВИМ и на сайте: http://vim.ru.
Автореферат размещен на сайте Министерства образования и науки
Российской Федерации: http://www.vak3.ed.gov.ru «27» апреля 2018 г.
Автореферат разослан «_____»___________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук
Будников Дмитрий
Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы.
Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам, и разрешение
этой проблемы является важной задачей. Согласно статистике, потери от
коррозии в сельском хозяйстве — 15 % от общих потерь. Общая оценка
потерь в год – 2...5 % национального дохода. Таким образом потери в отрасли сельского хозяйства значительны несмотря на меньшую материалоёмкость по сравнению с топливно-энергетическим комплексом (ТЭК).
Зарубежные исследования дают иное распределение потерь, но величина
потерь в с.х. при этом велика и сопоставима по порядку величины с крупными металлопотребляющими отраслями.
Станции катодной защиты (СКЗ) позволяют эффективно бороться с
коррозией. Применение катодной защиты позволяет продлить срок безремонтной эксплуатации объекта в несколько раз, не менее чем в 4 раза. СКЗ
нашли широкое применение при защите от коррозии многих объектов в
ТЭК. Применение промышленного оборудования и известных методов
электрохимической защиты (ЭХЗ) в сельском хозяйстве в настоящее время
сталкивается со следующими трудностями: высокая цена технологии ЭХЗ,
что затрудняет её применение в сельском хозяйстве; высокая цена высоковольтных (ВВ) линии электропередач (ЛЭП) для питания СКЗ защищающих удалённые объекты.
В связи с этим возникают научные и практические задачи по разработке СКЗ для применения в целях эффективной борьбы с коррозией в
сельском хозяйстве. Улучшить характеристики СКЗ можно благодаря
применению импульсной технологии и резонансной системы электроснабжения СКЗ, за счёт снижения металлоёмкости и цены системы и выполнения нормативов по энергосбережению и по коррекции коэффициента
мощности. Эти преимущества позволяют решать актуальную задачу внедрения технологии ЭХЗ в сельском хозяйстве.
Разработка технических средств для системы СКЗ электроснабжение
которой обеспечивается посредством маломатериалоёмкой резонансной
однопроводной системы (РОС), требует научного обоснования конструктивных и технологических параметров СКЗ и РОС. Этим актуальным вопросам посвящена данная работа.
3
Степень разработанности темы исследования
Материалы, изложенные в данной работе, касающиеся проблемы
коррозии и электрохимической защиты от коррозии, опираются на фундаментальные положения теории коррозии металлов и сплавов, развитые в
работах Я.М. Колотыркина, Г.М. Флориановича, В.В. Лосева, И.К.
Маршакова, С.М. Решетникова, В.Н. Ткаченко, П.А. Акользина, Р.Г. Эренбург, И.В Стрижевский., Н.Д. Томашёв, V. Ashworth, H. Davy, L. F.Scherer,
и др., а так же на промышленные стандарты.
До сих пор попытки внедрения технолгии ЭХЗ в сельском хозяйстве
не были успешны, так как применение стандартных промышленных образцов СКЗ дорого, и требует дорогостоящей системы питания.
Научно доказано, что СКЗ могут работать от резонансной системы
электропитания. Резонансная система питания позволяет сократить сечение проводов, потерь электроэнергии, уменьшает стоимость СКЗ за счёт
снижения числа и габаритов трансформаторов СКЗ, и имеет возможность
применения заземляющих электродов двойного назначения. Резонансными системами передачи электроэнергии занимались Российские ученые
С.В. Авраменко, Д.С. Стребков, А.И. Некрасов, В.З. Трубников, О.А. Рощин и Л.Ю. Юферев.
Для разработки энергосберегающей СКЗ сельскохозяйственного
назначения необходимы новые технические решения на основе импульсных преобразователей и резонансной системы электропитания.
Цель работы. Увеличить срок службы водоводов и металлоконструкций сельскохозяйственного назначения, снизить капитальные затраты, снизить затраты на ремонт, обслуживание и расход электроэнергии за счёт
обоснования параметров и разработки станции катодной защиты совместимой с резонансной системой электроснабжения.
Объектом исследования является комплект технических средств, состоящий из станции катодной защиты с многофункциональным блоком питания
совместимым со стандартной линией электроснабжения и высокочастотной высоковольтной резонансной системой электроснабжения, позволяющий питать
станции катодной защиты при различном их расположении на площадях.
Предметом исследования являются процессы электрохимической защиты, параметры станции катодной защиты сельскохозяйственных объектов, а
также параметры резонансной системы электроснабжения.
4
Задачи исследования:
- Обосновать возможность использования станций электрохимической защиты с резонансной системой электроснабжения для защиты сельскохозяйственных объектов от коррозии;
- Разработать уточняющую методику расчёта параметров станции
катодной защиты (СКЗ);
- Разработать математическую модель и вычислить параметры системы электропередачи (токи, напряжения, КПД, резонансные частоты и
др.) на входе, выходе и вдоль линии;
- Обосновать параметры, состав и разработать блоки экспериментальной модели и провести лабораторные и производственные испытания;
- На основе экспериментальных испытаний оценить техникоэкономическую эффективность внедрения комплекса технических средств
Научную новизну работы представляют:
- Впервые предложено применение резонансной системы электроснабжения станции катодной защиты сельскохозяйственного назначения,
применение многофункциональных электродов таких как анодные заземлители и катодов - защищаемых объектов, работающих одновременно в
контуре электрохимической защиты и в системе электроснабжения СКЗ
для снижения капитальных затрат.
- Разработана методика расчёта параметров оборудования станций
катодной защиты сельскохозяйственных объектов
- Обосновано снижение коррозии заземляющих электродов однопроводной ЛЭП за счёт использования повышенной частоты в системе электроснабжения.
- Разработана математическая модель для определения передаточной
функции системы и КПД передачи электроэнергии, а также величины тока
и напряжения в линии электропередачи
Положения, выносимые на защиту:
- Разработанная математическая модель для расчёта параметров резонансной однопроводной системы (РОС) электроснабжения нескольких
СКЗ позволяет определять напряжение, ток, передаточную функцию и
другие характеристики, определено для комплекта оборудования передачи
электроэнергии мощностью 3кВА для линии 10км: резонансная частота
первичного контура 6,97кГц, КПД максимальный равен 0,92.
- Разработанная методика расчёта СКЗ и РОС позволила обосновать,
5
что для сельскохозяйственного применения максимальные мощность и ток
станции катодной защиты составляют 250Вт, 5А, при этом разработанные,
изготовленные и испытанные в производственных условиях комплекты
технических средств, позволяют сократить расход электроэнергии на 30%,
снизить цену оборудования до 3 раз.
- На основе технико-экономического расчёта определено, что разработанное оборудование СКЗ с резонансной системой электроснабжения
мощностью 250Вт по сравнению с минимальным по мощности промышленным образцом СКЗ, при установке на расстоянии от ЛЭП 100 м и более,
составит до 34 тыс. руб., срок окупаемости – около одного года.
Практическая и теоретическая значимость:
- Разработаны технические средства для защиты от коррозии и продления сроков службы водоводов и металлоконструкций сельскохозяйственного назначения позволяющие использовать однопроводную резонансную систему электроснабжения для уменьшения расходов на электроэнергию и стоимости системы.
- Разработана методика расчёта гармоник сигнала, которая может
быть применена как при разработке трансформаторов резонансной системы так и для оценки излучения компонентов системы.
- Разработана математическая модель резонансной системы электроснабжения станций катодной защиты сельскохозяйственных объектов для
расчета основных параметров
- Разработана уточнённая методика расчёта станции катодной защиты позволяющая определить рабочие параметры (напряжение, ток, мощность и др.)
– Дано технико-экономическое обоснование для расчета эффекта от
замены действующей системы электроснабжения СКЗ на резонансную систему электроснабжения.
Методика исследований.
При выполнении диссертационной работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследования. Использовались методы
математического моделирования с применением программного обеспечения LTspice IV, Micro-Cap 9, MS Excel, Borland Delphi 7, Mathematica 4.2,
AutoCAD, теоретические основы радиотехники, электрохимии и электротехники, методы спектрального анализа, методы прикладной экономики, а
также современная измерительная аппаратура.
6
Реализация результатов исследований.
Результаты проведенных исследований разработанной СКЗ применены в теплицах ООО "Виан" (Московская область). Промышленные испытания образца резонансной системы питания станций ЭХЗ проведены на
объектах ОАО "Газпром" (ОАО «Газпром», РГУ нефти и газа имени И.М.
Губкина). Филиал ООО «Газпром трансгаз Москва» Серпуховское ЛПУ
МГ. ФГБУ «Подольская государственная зональная машиноиспытательная станция».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и
одобрены на международных конференциях: Международная научнопрактическая конференция молодых ученых «Молодежь и инновации –
2011» Беларусь, Горки 2011; II Международная научно-практическая конференция «Молодежная наука - как взгляд в будущее» для студентов СПО,
ВПО, аспирантов и молодых ученых, 2011, г. Оренбург; Международная
научно-практическая конференция «Научно-технический прогресс в животноводстве – инновационные технологии и модернизация в отрасли», 2011,
г.Подольск; Труды 8-й международной научно-технической конференции, г.
Москва, ФГБНУ ВИЭСХ 2012, ФГБНУ ВИЭСХ 2014; 1-я Конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и
автоматизации, 2012, г. Москва, ФГБНУ ГОСНИТИ; 2-я конференция молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации, посвященной 145-летию академика ВАСХНИЛ В.П. Горячкина
и 130-летию академика ВАСХНИЛ М.Г. Евреинова, 2013 г., г. Москва, ФГБНУ ВИЭСХ; 5-я Международная научно-техническая конференция молодых
ученых и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве», 2014, г. Москва,
ФГБНУ ВИЭСХ; Ежегодные молодежные конференции ФГБНУ ВИЭСХ
2011-2016 гг.
Публикации результатов исследований. Основное содержание
диссертации опубликовано в 11 печатных работах, из них 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК, 1 патент РФ на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, общих выводов, списка сокращений, списка литературы. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста включая 6 страниц приложений, содержит 16 таблиц, 76 рисунков.
7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, цели
и задачи исследования. Изложено краткое содержание глав диссертации,
приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматриваются: статистика потерь от коррозии,
методы защиты от коррозии и их особенности. Приводятся общие сведения по истории и характеристикам систем ЭХЗ. Произведён анализ применения ЭХЗ в различных сферах. Рассмотрена возможность применения
ЭХЗ в сельском хозяйстве. Рассмотрены существующие системы электроснабжения ЭХЗ и их особенности, приведены примеры для разных стран.
Исследованы принципы построения и состава ЭХЗ. Проведён обзор систем
электроснабжения имеющих меньшее распространение по сравнению с системами на основе частоты 50/60 Гц. На основе проведённого анализа разработанности темы исследования и обзора рынка промыленного оборудования включающего СКЗ и их системы электроснабжения, подтверждено,
что проблему использования СКЗ в сельском хозяйстве решить посредством стандартного оборудования нельзя, из-за большой цены и долгой
окупаемости. В связи с этим сформулированы задачи по разработке нового
оборудования и методики расчёта к нему.
Во второй главе описаны математическое моделирование СКЗ и её
системы электроснабжения, структура и методика расчета резонансной системы питания СКЗ.
Глава содержит описание методики расчёта параметров станции катодной защиты сельскохозяйственного назначения и методики расчета
гармоник сигнала по графическому изображению.. Приведено обоснование
состава оборудования станции ЭХЗ с резонанснным электропитанием.
Описана математическая модель резонансной системы электропередачи,
включая базовые расчёты. Дано описание разработанной программы расчёта проводных обмоток трансформаторов повышенной частоты, с учётом
высших гармоник тока. Представлена модель корректора коэффициента
мощности разработанного в программном комплексе Micro-Cap.
Разработана уточнённая методика расчёта СКЗ. Полученные нами
формула расчёта Iскз, Uскз, Pскз:


I CK3  1,3  20K 1  (gK 2  K 3 d  K 4  Г )  10 -3  10 -3  St ,
(1)
U CK3  ICK3  ZBX (t )  Rл  Rз ,
(2)
8


U СК3  1,3  20K 1  (gK 2  K 3 d  K 4  Г ) 10 -3 10 -3  St
1 
  
0,4    R ИЗ
R
(t) 
m
*
ln
 ИЗS



D m 
 2    (D m   m )   m   2 D m  H m  R m

   2  l  1 4h  l   
l

 ln
 ln
 ,
S 2   l  
d  2 4h  l  
(3)
PCK3  U CK3  I CK3  I CK3  Z BX ( t )  Rл  Кз 
2
 

 1,3  20K 1  (gK 2  K 3 d  K 4  Г ) 10 -3 10 -3  St

2
1 
  
0,4    R ИЗ
R ИЗS (t) 
m
*

ln


 

D m 
 2    (D m   m )   m   2 D m  H m  R m

   2  l  1 4h  l   
l

 ln
 ln
 ,
S 2    l   d  2 4h  l  
(4)
где Iскз – ток СКЗ, А; Uскз – напряжение СКЗ, В; Pскз – мощность СКЗ,
Вт; St - площадь поверхности защищаемого объекта, м2; d=К=St/Sтер плотность поверхности объекта приходящаяся на единицу поверхности
территории, безразм.; ρГ - сопротивление грунта удельное, Ом∙м; g - удельный вес поверхности объекта, %; эмпирические коэффициенты: K1=1 А/м2,
K2=1 А/(%∙м2), K3=34 А/м2, K4=5 А/(Ом∙м3); lэ - длина электрода заземлителя, м; dэ - диаметр электрода заземлителя, м; h - глубина (до середины
заземлителя) заложения электрода заземлителя, м; ρm- удельное электрическое сопротивление материала трубы, Ом∙м; Dm - диаметр трубы, м;
δm - толщина стенки трубы, м; ρ – удельное сопротивление проводников
кабелей, Ом∙м; l – длина кабелей, м; S – сечение кабелей, м2;
RИЗ –погонное сопротивление изоляции трубопровода, Ом·м; Rл - сопротивление дренажной линии, соединяющей установку катодной защиты с
объектом и анодным заземлением, Ом; Rз - сопротивление растеканию
анодного заземления, Ом; ZBX(t) - сопротивление растекания катода (трубопровода); Нm - глубина залегания трубопровода, м; RИЗS(t) коэффициент
сопротивления полимерных покрытий через t лет службы, Ом·м2;
Rm - продольное сопротивление трубопровода, Ом/м.
На рисунке 1 приведена схема замещения резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии (РОС). Схема включает передающий и приёмный трансформаторы, линию электропередачи (ЛЭП) с распределёнными параметрами (ЛРП), дополнительные импедансы, нагрузку.
9
2
2
M1 =k1 *L1* L2
Вход
n1=N2/N1
L12= L21=M1
A
Z3
Iin
Zin
N1
N2
L1
L2
a.
Uin
R1
Z2
B
R2
Zpr2
XL1=iwL1, XL2=iwL2,
XM=iwM
б.
I+(dI/dx)dx
I
Lodx
Rodx
Rodx
A
Lodx
dI
A
C
U
Godx
U+(du/dx)dx
Godx
Codx
Codx
B
D
2
C
2
M2 =k2 *L3* L4 n2=N4/N3
L34= L43=M2
Z7
N3
N4
L3
L4
R3
D
Zksi2
Z8
R4
Выход
Uout
Iout
в.
Zn
(нагрузка)
Zn=Rn+iXn
(нагрузка)
XL3=iwL3, XL4=iwL4, Zpr1
XM2=iwM2
Рисунок 1 - Схема замещения РОС: а – передающий блок, б – линия
электропередачи, в – принимающий блок с нагрузкой
Обозначения: l – длина линии, м; w - частота циклическая, рад/с;
i-мнимая единица, s=iw, i·рад/с; Uin,Uout – напряжение входное и выходное, В; Iin,out – ток входной и выходной, А; Uout(i )/Uin(i  )  Uout(s)/Uin(s)
- передаточная функция схемы по напряжению, безразм.; Z - дополнитель-
ные импедансы, Ом; L1-L4 –индуктивности обмоток трансформаторов, Гн;
XL1-XL4 – индуктивный импеданс 1-4 обмотки трансформаторов, Ом;
10
XM1,XM2 – импеданс взаимной индуктивности обмоток, Ом; R1-R4 – активные сопротивления обмоток 1-4, Ом; M1,M2 – взаимная индуктивность
обмоток трансформаторов, Гн; k1=M1/√(L1∙L2), k2=M2/√(L3∙L4) – коэффициент связи обмоток, безразм.; N1-N4 - число витков обмоток, безразм.;
параметры линии с распределёнными параметрами (ЛРП): Со - ёмкость
поперечная погонная, Фарад/м; Ro - сопротивление активное продольное
погонное, Ом/м; Lo - индуктивность продольная погонная, Генри/м;
Go - проводимость поперечная погонная, Сименс/м; Zo=Ro+iwLo продольный импеданс погонный, Ом/м; Yo=Go+iwCo – поперечный
адмиттанс погонный, См/м; γ=√(Zo∙Yo) – постоянная распространения,
безразм.; Zв=Zv=√(Zo/Yo) –волновое сопротивление ЛРП, Ом;
Zn, Rn, Xn – импеданс, активное, реактивное сопротивления нагрузки
Zn=Rn+Xn, Ом; Zpr2, Zksi2, Zpr1 – импеданс участка цепи, расположенного справа от соответственной вертикальной черты на схеме, Ом;
Z3,Z7,Z8 – дополнительные импедансы, Ом.
Вычисленная нами передаточная функция цепи по напряжению:


2
2
1


(
Z
7

sL
3

s
M
2

(
sL
4

Z
8

Zn
)
)

ch
(

l
)

Zv

sh
(

l
)
sh
(

l
)
s 2 M 2  M 1 Zn  ch(l ) 


1
Zv 
2
2
1

( Z 7  sL3  s M 2  ( sL 4  Z 8  Zn) )  sh(l )  ch(l )


Uout(iw) Uout(s)
Zv



Uin(iw)
Uin(s)



( Z 7  sL3  s 2 M 2 2  ( sL 4  Z 8  Zn) 1 )  ch(l )  Zv  sh (l ) 
( sL 4  Z 8  Zn)   sL 2  Z 3 

1
2
2
1

( Z 7  sL3  s M 2  ( sL 4  Z 8  Zn) )  sh(l )  ch(l ) 


Zv
1


2
2
1


(
Z
7

sL
3

s
M
2

(
sL
4

Z
8

Zn
)
)

ch
(

l
)

Zv

sh
(

l
)
  Z 2  sL1  s 2 M 12  [ sL 2  Z 3 
]1  , (5)
1

( Z 7  sL3  s 2 M 2 2  ( sL 4  Z 8  Zn) 1 )  sh(l )  ch(l ) 


Zv
Искомые амплитудо-частотная и фазо-частотная характеристики
(АЧХ и ФЧХ) находятся как модуль и аргумент данного комплексного выражения: функция АЧХ: F1(w)=Abs(Uout/Uin); функция ФЧХ:
F2(w)=Arg(Uout/Uin). КПД и мощности находятся на основе известных соотношений: S=U∙Conjugate(I) - полная мощность, ВА; P=Re(U∙Conjugate(I))
–активная мощность, Вт; Q=Im(U∙Conjugate(I)) – реактивная мощность,
ВАр; Pin=Re(Uin∙Conjugate(Iin)) – активная мощность на входе, Вт;
Pout=Re(Uout∙Conjugate(Iout)) – активная мощность на выходе, Вт;
КПД=Pout/Pin, безразм. В формулах приняты обозначения: Abs(Z) и Arg(Z)
– модуль и аргумент (фаза) комплексного числа Z, Сonjugate – функция
11
сопряжения для комплексных чисел, Re(Z) и Im(Z) – реальная и мнимая
части комплексного числа Z.
Разработанная программа находит входные и выходные параметры,
параметры в любой точке ЛРП. Модель позволяет вычислить любые из
вышеприведённых параметров, с помощью 2х и 3х мерных графиков изучать влияние этих параметров, включая влияние частоты, сопротивления
нагрузки, сопротивления кабеля линии и т.п. Токи, напряжения, мощности
так же могут быть представлены в виде временных графиков и векторных
диаграмм.
Результаты применения математической модели подтвердили экспериментальные данные. Модель может применяться для разработки РОС.
На рисунке 2 приведена АЧХ при отключенной обратной связи в передатчике, для РОС длиной 10 км, с несогласованной нагрузкой 5 кОм; АЧХ
позволяет определять частоты возбуждения резонансного контура и линии.
Рисунок 2 - АЧХ РОС 10км
На рисунке 3 приведены результаты расчёта КПД для условий соответствующих полевым испытаниям - зависимость КПД от частоты и сопротивления нагрузки для линии 10 км. Вычисление экстремума (максимума) КПД для этого графика при изменяющихся частоте и сопротивлении
нагрузки дал результат: максимум КПД 0,92 при частоте 24,7 кГц и
нагрузке 66,8 Ом.
12
Рисунок 3 - Зависимость КПД от частоты и сопротивления нагрузки
Так же в главе описываются методики: 1) методика расчёта трансформаторов для несинусоидального тока учитывающую влияние высших
гармоник тока на нагрев обмоток (программа); 2) методика расчёта амплитуд гармоник сигнала по графическому изображению сигнала (программа);
3) методика выбора эффективных систем коррекции коэффициента мощности. Методика расчёта трансформаторов с учётом высокочастотных эффектов (эффект близости, скин-эффект) содержит программу, вычисляющую потери мощности на базе метода Доуэлла.
Rt2DC=ρ(l/S)(1+ά(t2-20)), Ом,
Rt2AC=Fr∙ρ(l/S)(1+ά(t2-20)), Ом,
n
P  (I   Ii2 Fri ) 
2
0
i 1
l
1   (t 2  20) ,
S
(6)
(7)
(8)
n
 2
m 2  1 sinh( X i )  sin( X i ) 
2 X i sinh( 2X i )  sin( 2X i ) 
P  I 0   I i (
 2X i
) 
cosh(
2
X
)

cos(
2
X
)
3
cosh(
X
)

cos(
X
)
i 1
i
i
i
i


l
 1   ( t 2  20) ,
(9)
S
где t2 – температура проводника, оС; Rt2DC – сопротивление обмотки (при
постоянном токе), Ом; Rt2AC - сопротивление обмотки (при переменном токе), Ом; P – мощность рассеиваемая на проводнике обмотки, Вт;
Fr=Rwv /Rw0 - отношение сопротивления обмотки при переменном токе к
13
сопротивлению при постоянном токе (если указан индекс i - то для гармоники i), безразм.; Rwv - сопротивление обмотки при переменном токе (AC),
Ом; Rw0 - сопротивление обмотки при постоянном токе (DC), Ом;
h –толщина одного слоя обмотки, м; δi -толщина скин-слоя, м; m -число
слоёв в обмотке; i=1,2,3...n -номера гармоник, I0 – постоянная составляющая тока, А; Xi=h/δi - относительная высота слоя обмотки, безразм.;
о
2 - температура нагрева проводника, С;  – температурный коэффициент
проводника, оС-1; ρ – удельное сопротивление проводника, Ом∙м; l – длина
проводника, м; S - площадь сечения проводника, м2.
В третьей главе на основании литературного обзора подтверждено,
что наилучшими массогабаритными показателями среди систем электроснабжения для СКЗ сельскохозяйственного назначения, обладают системы
электроснабжения, содержащие высоковольтные ЛПЧ (РОС) и импульсные преобразователи.
Нами разработаны образцы резонансных и ВЧ ШИМ передающих
блоков для малозатратных ЛПЧ линий электропередач, и сравнение этих
разных схем, выявление преимуществ и недостатков каждой из схем, измерение параметров в т.ч. КПД.
Эксперимент подтвердил что, в отличие от линий постоянного тока,
повышенная частота не приводит к усилению коррозионных процессов и
следовательно для уменьшения материалоёмкости СКЗ и системы электроснабжения СКЗ возможно использовать заземляющие электроды как электроды СКЗ и как заземления РСЭ одновременно. Так же возможно использование контуров заземлений зданий и других объектов в качестве заземлителей в системах РСЭ без увеличения коррозионных потерь.
Одним из преимуществ разработанной СКЗ является снижение количества блоков преобразования. На рисунке 4 приведён пример сравнения
эквивалентных по мощности систем питания СКЗ. В импульсной системе
СКЗ - один трансформатор, вместо двух трансформаторов в стандартной
50Гц системе питания СКЗ.
При использовании РОС становится возможным использование кроме стандартных глубинных, также поверхностных площадных заземлений
и передача энергии к РОС через плохопроводящие грунты и через объекты
которые защищаются РОС. Проблема коррозии заземляющих электродов
уменьшается или вообще устраняется благодаря высокой частоте напряжения линии.
14
а
б
Рисунок 4 - Блок схемы СКЗ: а - Традиционная схема (состав: трансформаторная подстанция 35-10/0,4; трансформатор понижающий 0,4/0,1;
выпрямитель, блок управления и автоматики), б - Усовершенствованная
схема станции катодной защиты с резонансной однопроводной системой
электропитания
(состав:
резонансный
понижающий
трансформатор
1-10/0,1; выпрямитель; блок управления и автоматики)
Произведён расчёт разработанной нами СКЗ мощностью 250 Вт, для
подземного водопровода, для почв со средним сопротивлением 10...45
Ом∙м. Расчётный защищаемый объект - магистральный стальной трубопровод. На рисунке 5 представлены общий вид и схема подключения электродов разработанной СКЗ. В таблице 1 приведены наилучшие реализуемые параметры ИСКЗ с РОС:
Таблица 1 - Параметры ИСКЗ с РОС
Водовод
Площадь поверхности объекта на
км длины.
Мощность ЭХЗ на площадь объекта.
Мощность ЭХЗ на длину объекта
Мощность ЭХЗ на км.
Площадь поверхности объекта
максимальная (1 СКЗ 250Вт)
Длина объекта максимальная
(1 СКЗ 250Вт)
325x10 мм
1000 м2/1 км
219x7 мм
1000 м2/1,4 км
127x4 мм
1000 м2/2,5 км
10 Вт /100 м2
10Вт /100 м2
10 Вт /100 м2
10 Вт /100 м
до 100 Вт/км
<2,5 тыс. м2.
10 Вт /140 м
до 100 Вт/1,4км
<2,5 тыс. м2.
10 Вт /250 м
до 100 Вт/2,5км
<2,5 тыс. м2.
<2,5 км
<3,5 км
<6,2 км
15
1
2
а
б
Рисунок 5: а - Сравнение разработанной СКЗ (1) с промышленной (2)
СКЗ (Парсек-ИПЕ), б - Схема подключения электродов СКЗ
В четвёртой главе приведены результаты разработки и испытаний
СКЗ с резонансной системой электропитания и обоснование режимов работы, анализ результатов экспериментальных исследований системы, расчёт технико-экономических показателей использования СКЗ сельскохозяйственного назначения с резонансной системой электропитания.
Лабораторные испытания были проведены на территории Федерального научного агроинженерного центра ВИМ (лаборатория светотехники и
электроники в сельском хозяйстве). Цель испытаний – определение технических характеристик СКЗ и совместимости с различными системами
электроснабжения – со стандартной системой электроснабжения и с резонансной системой электроснабжения. В результате установлены основные
параметры импульсной СКЗ с РОС: номинальная мощность 250 Вт, выходное напряжение 5…50 В, КПД 85-92 % при загрузке 70-100%, диапазон
регулирования защитного потенциала СКЗ – 0,75...2,00 В, напряжение в
линии – 220 В (линия 50 Гц) /1000 В (линия РОС), резонансная частота составляет – 6…9 кГц, диапазон изменения частоты - 6…20 кГц, СКЗ обеспечивает сохранение работоспособности после короткого замыкания цепей
защищаемого объекта и восстановление рабочего режима после устранения короткого замыкания.
1. Полученные результаты экспериментальной апробации разработанной станции катодной защиты (СКЗ) свидетельствует о высоком КПД
электрооборудования СКЗ с резонансной системой питания.
2. СКЗ обладает компактностью, совместима с резонансной системой
электроснабжения.
16
Производственное испытание №1. Проведены опытно-промышленные испытания импульсной станций катодной защиты разработанной в
ГНУ ВИЭСХ по защите от коррозии металлического основания теплицы
(июль 2014г. ООО «Виан»). Расположение оборудования при испытаниях
и результаты испытаний приведены на рисунке 6.
а
б
Рисунок 6: а - Испытания СКЗ в теплице, б - Полученные зависимость параметров СКЗ от потенциала электрода сравнения
Станция катодной защиты (СКЗ) предназначена для катодной электрохимической защиты от коррозии теплиц, подземных металлических
объектов систем водоснабжения сельского хозяйства.
В опытах проверялись характеристики СКЗ в зависимости от величины потенциала электрода сравнения. В результате испытаний СКЗ в
условиях защищённого грунта, установлено:
1. Для защиты заземлённых металлических частей теплиц от коррозии возможно применение СКЗ. Основные преимущества импульсной
станции катодной защиты по сравнению со стандартными системами на
основе 50 Гц преобразователей - малые габариты, совместимость с РОС и
ЛПТ малой мощности;
2. Имеющейся расчётной мощности оборудования достаточно для
обеспечения антикоррозионной защиты 2-3 с.х. зданий или теплиц
80м∙10 м.
Производственное испытание №2. Промышленные испытания образца резонансной системы питания станций СКЗ проведены на объектах
17
ООО «Газпром Трансгаз Москва» Серпуховское ЛПУ МГ. Испытания проводились совместно с представителями «Газпром», РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина в течение лета 2012г. Объектом испытаний является экспериментальный образец комплекса оборудования для резонансной однопроводной системы передачи электроэнергии, предназначенный для энергоснабжения установок электрохимической защиты трубопроводов. Резонансная однопроводная система передачи электроэнергии (РОС) включает
передающий преобразователь, один или два приемных блока и один провод существующей воздушной линии электропередачи.
Схема энергоснабжения станций катодной защиты с помощью РОС
для случая подключения 2х нагрузок (СКЗ) показана на рисунке 7. Протяженность однопроводной линии (провод АС-50) составляет 10 км. Данные
испытаний приведены в таблице 2.
Рисунок 7 - Схема энергоснабжения СКЗ: Инв., ПП, ПрП – инвертор, передающий и приёмный преобразователь, ОН –ограничительная нагрузка,
ПрБ – приёмный блок (другие обозначения даны в таблице 2)
В результате проведённых испытаний была подтверждена техническая возможность электроснабжения СКЗ с помощью резонансной однопроводной системы. Подтверждено что комплекс оборудования позволяет
обеспечивать электроснабжение как одной СКЗ, так и двух и более станций, находящихся на разном удалении от передающего преобразователя.
Производственное испытание №3. Испытания проводились на объектах водоснабжения сельского хозяйства. Защищаемый объект - скважина. Место проведения испытаний - ФГБУ «Подольская государственная
зональная машиноиспытательная станция» Испытания проводились с
2014г. по 2015г.
18
Таблица 2 - Данные при подключенных СКЗ д.Левашово, д.Нефёдово.
Наименование контролируемого параметра
Мощность потребляемая передающего
преобразователя, Вт
Напряжение входное передающего преобразователя,
В
Напряжение выходное передающего
преобразователя, В
Ток входной передающего преобразователя, А
Резонансная частота, кГц
Напряженность электрического поля (макс), В м
Напряженность магнитного поля, (макс.), нТл
Номер Значение параметра
на рис.7
1
1340... 1356
2
401-402-403
4
950
3
6
7
8
3,0; 2,8
6,7
53
100
Левашово Нефедово
Напряжение входное прпемн. преобразователя, В
9
1040
1150
Напряжение выходное прпемн. преобразователя, В
11
25,2
298
Напряжение выходное инвертора, В
16
230
230
Ток выходной прпемн. преобразователя. А
12
10,5
2,4
Ток выходной инвертора, А
15
3,1
2,8
Напряжение выходное СКЗ, В
17
26
52
Ток выходной СКЗ, А
18
5
8
Сопротивление нагрузки, кОм
Zn рис.1
0,184
0,074
Мощность выходная приемного преобразователя, Вт
265
715
КПД
73
Потери в проводах, %
1,7
Технические показатели при лабораторных испытаниях:
Мощность потребляемая – до 55 Вт, напряжение анод-катод –до 60
В, напряжение катод-электрод сравнения – 0,85 В, в схеме предусмотрена
стабилизация выходных тока и защитного потенциала.
Согласно протоколу испытаний №09-08-15 получены результаты:
Проверка соответствия состава и комплектности машины
технической документации и оценка полноты ее содержания
Система катодной защиты объектов представлена на испытания в
смонтированном виде, комплектной. Качество изготовления хорошее. Из
технической документации представлены ТЗ, паспорт с инструкцией по
монтажу и эксплуатации.
Недостатки по качеству изготовления и отказы машины и
оборудования, не выявлены при обкатке. Полученные результаты
экспериментальной апробации разработанной
импульсной системы
катодной защиты свидетельствуют об эффективности применения данной
системы с целью защиты от коррозии с.х. объектов.
19
В разделе «Расчет экономической эффективности внедрения СКЗ с
резонансной системой электроснабжения» приведён расчёт экономической
эффективности применения разработанной импульсной системы электрохимической защиты с резонансной однопроводной системой электроснабжения на примере защиты водовода- стального трубопровода 219x7 мм,
длиной 6км, при сопротивлении грунта 40 Ом∙м. Показано что из-за низкой
цены, предложенный вариант импульсной СКЗ становится доступен для
широкого применения ЭХЗ в сельском хозяйстве; применение технологии
ЭХЗ приводит к экономии металла для всех вариантов до 0,1 млн. руб./год
что соответствует до 1-2 тонн металла в год.
На рисунке 8 приведён график расчёта эффекта от внедрения новой
СКЗ (защищаемый объект - стальной трубопровод Dтр=219 мм, длиной
2 км, сопротивление грунта 40 Ом∙м, потенциал сравнения -0,85....-1,1 В,
рабочий ток СКЗ до 5 А, рабочее напряжение СКЗ до 50В).
Рисунок 8 - Годовой экономический эффект применения СКЗ с резонансной однопроводной системой электроснабжения (ИСКЗ с РОС) по
сравнению с сетевым преобразователем (СКЗ) ОПС
Формула и график расчёта годового эффекта Эн , тыс. руб. :
Эн   Кн  Эг
t
.
(1  Ed ) t
(10)
Ставка дисконтирования - Еd=0,05.
Стоимость системы ИСКЗ и РОС (кап. вложения) - Кн≈42,2 тыс. руб.
Общая экономия за год (годовой эффект) - Эг≈34,2 тыс. руб./г.
Установлено, что годовой экономический эффект составляет до 34,2
тыс. руб. при сравнении импульсной СКЗ с вариантами СКЗ на базе станции ОПС с сетевым питанием (ЛЭП 100м и более) и на базе локальной автономной микро-ГЭС работающей на избыточном напоре. Сроки окупае20
мости для обоих случаев составляют (Кн/Эг) 3,3г и 1,2г. Небольшие сроки
окупаемости подтверждают высокую экономическую эффективность капиталовложений. Для случая сравнения с неавтономными источниками,
при увеличении длины ЛЭП до 500 м экономический эффект увеличивается в 2 раза, сроки окупаемости снижаются; использование корректоров коэффициента мощности и импульсных преобразователей с повышенным
КПД (до 85-97 %) позволяет снизить расход в потреблении электроэнергии
и выполнять современные нормативы по параметрам тока и мощности потребляемых оборудованием из сети.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Проведенный анализ существующих систем СКЗ и их систем электроснабжения позволил обосновать актуальность и техническую возможность применения станций катодной электрохимической защиты и резонансной системы их электропитания для уменьшения капитальных затрат
и увеличения срока службы сельскохозяйственных объектов, при этом
возможно дополнительное снижение капитальных затрат за счёт применения многофункциональных электродов таких как анодные заземлители и
катодов - защищаемых объектов, работающих одновременно в контуре
электрохимической защиты и в системе электропередачи.
2. Разработана уточнённая методика расчёта СКЗ, получены новые
формулы расчёта мощности, тока, напряжения в зависимости от удельного
сопротивления грунта, площади поверхности защищаемого объекта и других локальных параметров.
3. Разработана математическая модель, с помощью которой рассчитана конструкция оборудования РОС, а также улучшенного блока питания
СКЗ. На основе модели произведён расчёт для испытанного комплекта
оборудования 3 кВА для линии 10км: АЧХ, резонансов АЧХ (6,97 кГц
10,08 кГц 25,58 кГц 42,02 кГц, КПД (0,92 при f=24,7 кГц, Rнагр 66,8 Ом),
выходных напряжений в линии (получено максимальное значение до 2,27
кВ). Значение соответствует экспериментальным данным, таким образом
обоснована необходимость обратной связи (ОС) по выходу.
4. Обоснован состав оборудования СКЗ – передающий блок, линия
электропередачи, станция катодной защиты и показано, что для защиты
сельскохозяйственных объектов максимальные мощность и ток станции
катодной защиты составляют 250 Вт, 5 А (при напряжении анод-катод –до
21
50 В, и напряжении катод-электрод сравнения – 0,85 В).
Производственные испытания показали, что разработанная система
СКЗ с резонансной системой электроснабжения пригодна для эксплуатации в сельском хозяйстве для защиты объектов водного цикла. Оборудование позволяет осуществлять защиту участка водовода, трубы 127-325 мм
длиной до 2-6 км в грунтах с сопротивлением 10-45 Ом∙м. Применение
энергоресурсосберегающей СКЗ позволяет расширить использование технологии электрохимической защиты в сельском хозяйстве и в результате
этого снизить ущерб от коррозионных потерь металла, а также сократить
расход электроэнергии на 30 %.
5. Разработанные, изготовленные и испытанные в производственных
условиях комплекты технических средств, позволяют снизить цену оборудования до 3 раз. Ожидаемый годовой экономический эффект применения
нового варианта импульсной системы электрохимической защиты на базе
резонансной однопроводной системы электроснабжения мощностью 250
Вт по сравнению с преобразователем ОПС (электроснабжение от ЛЭП 100
м и более) составит 34 тыс. руб., срок окупаемости – около одного года.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
В изданиях из перечня ВАК и приравненные к ним:
1. Александров, Д.В. Исследование резонансной системы передачи
электроэнергии на повышенной частоте. / Л. Ю. Юферев, О. А. Рощин, Д. В.
Александров, А. В. Соколов // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2014. № 8 (148). - С. 89-93.
2. Александров, Д.В. Повышение эффективности систем освещения и
облучения. / Д. С. Стребков, Л. Ю. Юферев, Д. В. Александров, А. В. Соколов
// Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. № 1. - С. 13-16.
3. Александров, Д.В. Применение станций катодной защиты в сельском
хозяйстве. / Д. В. Александров, А. В. Соколов // Вестник ВИЭСХ. 2017. № 4
(29). - С. 41-46.
4. Александров, Д. В. Результаты испытании резонансной однопроводниковой системы передачи электроэнергии. / Л. Ю. Юферев, О. А. Рощин, Д.
В. Александров // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2013. № 7 (129). - С. 60-64.
5. Александров, Д.В. Возможности высокочастотных систем передачи
электроэнергии для электрификации сельскохозяйственных объектов. / Л. Ю.
Юферев, Д. В. Александров // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 111. № 1. - С. 149152.
22
6. Александров, Д.В. Энергосберегающая система защиты от коррозии
металлоконструкций сельскохозяйственных объектов. / Д. В. Александров, Л.
Ю. Юферев // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 1 (22). - С. 25-29.
В изданиях:
7. Александров, Д. В. Повышение эффективности резонансных систем
передачи электроэнергии для удаленных станций катодной защиты. / Л. Ю.
Юферев, Д. В. Александров // Труды международной конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. 2014. Т. 1. - С. 271278.
8. Полезная модель к патенту РФ № 140224, 10.05.2014. Источник электроснабжения удалённой станции катодной защиты // Полезная модель к патенту РФ № 140224. 2014. Бюл. № 13. / Александров Д. В., Юферев Л. Ю.,
Стребков Д. С., Рощин О. А.
9. Александров, Д. В. Сравнительный анализ устройства катодной защиты ЛЗГ-01с с серийными аналогами. / Д. В. Александров // Инновации в
сельском хозяйстве. 2014. № 4 (9). - С. 82-85.
10. Александров, Д. В. Применение современных шимпреобразователей для электрификации сельскохозяйственных объектов. / Д.
В. Александров, Л. Ю. Юферев // Труды международной научно-технической
конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». 2012. Т. 1. - С. 146-151.
11. Александров, Д. В. Применение систем электрохимической защиты
в сельском хозяйстве. / Д. В. Александров, Л. Ю. Юферев // Инновации в
сельском хозяйстве. 2012. № 1 (1). - С. 15-20.
12. Александров, Д. В. Возможность применения резонансной системы
электропитания для катодной защиты. / Д. В. Александров, Л. Ю. Юферев //
Инновации в сельском хозяйстве. 2012. № 2 (2). - С. 46-53.
13. Александров, Д. В. Основные проблемы и их устранение при проектировании РОС. / Л. Ю. Юферев, О. А. Рощин, Д. В. Александров // Инновации в сельском хозяйстве. 2013. № 1 (3).- С. 18-24.
14. Александров, Д. В. Система питания подводного электропотребителя. / Д. В. Александров, Л. Ю. Юферев // Инновации в сельском хозяйстве.
2015. № 1 (11).С.13-17.
15. Александров, Д. В. Расчёт параметров и экономическая эффективность системы катодной защиты сельскохозяйственных объектов. / Д. В.
Александров, Л. Ю. Юферев // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 3
(13). - С. 44-52.
16. Александров, Д. В. Исследование резонансной системы передачи
электроэнергии на повышенной частоте. / Л. Ю. Юферев, О. А. Рощин, Д. В.
Александров, А. В. Соколов // International Scientific Journal Life and Ecology.
2014. № 1. - С. 80.
23
_________________________________
Подписано к печати 27.04.2018г. Объём 1 печ. л. Тираж 100 экз. Зак №
_________________________________________________________________
Отпечатано в типографии Типография «11-й ФОРМАТ»
ИНН 7726330900
115230, Москва, Варшавское ш., 36
(499) 788-78-56
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа