Повышение энергоэффективности станций катодной защиты резервуаров вертикальных стальных

euroasia

10 лет назад

На сегодняшний день в области энергетики особую актуальность приобретает задача принятия эффективных мер по обеспечению энергосбережения. Этот вопрос имеет высокую значимость, так как практически все предприятия любой отрасли имеют своей целью повышение производственных мощностей, что заставляет их потреблять больше электроэнергии. Чем больше электроэнергии потребляет предприятие, тем ощутимее становятся потери энергии, вследствие несовершенства электроэнергетических комплексов и оборудования, что объясняет повышенный интерес к исследованию способов снижения потерь электроэнергии и повышения энергоэффективности.

При существующей системе защиты резервуаров и трубопроводов существует острая проблема, сущность которой — перерасход электроэнергии на защиту металлоконструкций, находящихся под землей. Известно, что каждая резервуарная система имеет свою систему грозозащиты и защитного заземления, соединенного с общим контуром заземления и молниезащиты. Так как и анодное защитное заземление, и контур защитного заземления надежно крепятся к защищаемой конструкции, то между ними существует электрическая связь. При этом защитный ток от анодного заземления перетекает не только на резервуар, но и уходит в контур заземления и молниезащиты, что приводит к поляризации этого контура и как следствие к увеличению потерь тока и перерасходу электроэнергии станцией катодной защиты (СКЗ). При близко расположенных точках дренажа и мест присоединения контуров защитного заземления и молниезащиты к металлоконструкции такое влияние особенно заметно. Для уменьшения потерь тока был разработан способ минимизации перерасхода электроэнергии на защиту подземных металлоконструкций.

Предлагаемый способ основывается на том, что в контур защитного заземления вводится устройство, выполненное на основе последовательно и параллельно соединённых варисторов. Для реализации способа можно использовать нелинейный ограничитель перенапряжения (ОПН), подключаемый параллельно защищаемой конструкции соответствующим образом (см. Правила устройства электроустановок [2]). Ограничитель перенапряжения выбирается в соответствии с требованиями к величинам коммутируемых токов и напряжений [4].

На рисунке 1 показана схема устройства разделения контуров, состоящая из вывода к точке дренажа резервуара 1, вывода к контуру заземления 2, корпуса 3, набора варисторов 4, и болтового соединения 5,6.

Рисунок 1. Схема устройства разделения контуров

При нормальном режиме работы электрооборудования, т.е. при отсутствии перенапряжения, которое, в основном, появляется вследствие прямого удара молнии в резервуар, варистор имеет большое сопротивление и позволяет разорвать цепь, связывающую отрицательный вывод СКЗ и контур защитного заземления резервуара. Но как только значение тока, и напряжения, приложенного к электрооборудованию, превысит предельно – допустимое значение, варистор срабатывает. Его сопротивление мгновенно уменьшается, и большая часть аварийного тока течет через цепь варистора, не нанося ущерба электрооборудованию и предотвращая пожароопасную ситуацию на резервуаре. Вольт-амперная характеристика варистора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Вольт-амперная характеристика варистора

Устройство работает следующим образом (рисунок 3). При подаче выпрямленного постоянного напряжения с положительного вывода СКЗ 2 через дренажную анодную линию 1 ток 9 с анодных заземлителей 5 начинает через грунтовый электролит течь по направлению к защищаемой конструкции 4, то есть резервуару. Протекание тока 9 обеспечивается тем, что отрицательный вывод от станции катодной защиты подключен через соединительный кабель 3 и точку дренажа 6 к защищаемой конструкции, т.е. создается разность потенциалов между анодными заземлителями 5 и резервуаром 4. Так как при отсутствии устройства 8, резервуар соединён электрически с контуром защитного заземления и молниезащиты 10 через точку дренажа 7, то отрицательный потенциал со станции катодной защиты поляризует не только защищаемую конструкцию, но и контур защитного заземления, что снижает эффективность катодной защиты и ведёт к большим энергетическим потерям. Внедрение устройства 8 позволит избежать этих потерь.

Устройство для разделения контуров анодных заземлений катодной защиты и контуров защитного заземления и молниезащиты имеет следующие свойства:

устройство является изолирующей вставкой и не пропускает относительно малые токи от установок катодной защиты;
при попадании РВС в зону действия больших токов (таких, какие возникают при попаданиях молнии) устройство «открывается» и соединяет РВС с контуром молниезащиты, что предотвращает аварийные последствия удара молнии.

Рисунок 3. Схема ЭХЗ с устройством разделения контуров

Необходимо также понимать, что защитный ток с РВС утекает также по подводящим трубопроводам (попадая через них на заземленные задвижки). Поэтому необходимо заменить часть трубы, непосредственно прилегающей к резервуару, на изолирующую фланцевую вставку соответствующего диаметра, обладающую соответствующими диэлектрическими свойствами.

Рассмотрим параметры токов молнии, которые необходимо учитывать при выборе ограничителей перенапряжения. Причем уровень защиты зависит от интенсивности грозовой деятельности для данного региона [1].

Таблица 1.

Параметры токов молнии

Параметр молнии	Уровень защиты
	I	II	III, IV
Пиковое значение тока I, кА	200	150	100
Полный заряд Q_полн., Кл	300	225	150
Заряд в импульсе Q_имп_., Кл	100	75	50
Удельная энергияW/R,кДж/Ом	10000	5600	2500
Средняя крутизнаdi/dt_30/90%,кА/мкс	200	150	100

В соответствии с вышеприведенными параметрами токов молнии, приняв максимально требуемый уровень защиты, в качестве примера выбран ограничитель перенапряжения — ОПНП-10/550/11,5 УХЛ1 со следующими основными параметрами:

Номинальное напряжение, кВ: 10
Номинальный разрядный ток, кА: 10
Выдерживаемый импульс большого тока 4/10 мкс, кА: 100
Удельная рассеиваемая энергия тока, не менее, кДж/кВ: 3,24

Ориентировочная стоимость устройства составляет 60 тысяч рублей (для одного резервуара). В эту стоимость входит:

Ограничители перенапряжения: ОПНП-10/550/11,5 УХЛ1, 16 штук (для 4 точек дренажа по 4 ограничителя), ориентировочно по 2000 рублей.
Изолирующие фланцевые соединения (для подходящих и отходящих трубопроводов): 2 штуки, ориентировочно по 9000 рублей (в зависимости от диаметра трубы).

Результаты расчета чистой прибыли от экономии эксплуатационных затрат, а также расчета коммерческой прибыли от внедрения отображены в таблицах 2 и 3, причем расчет произведен для одного резервуара.

Таблица 2.

Расчет чистой прибыли от экономии эксплуатационных затрат (стоимость устройства 60000 руб.)

Показатели	годы										Итого
Показатели	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	Итого
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Номинальная мощность, кВт*ч	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	84000
Потребляемая мощность, кВт*ч	840	840	840	840	840	840	840	840	840	840	8400
Количество часов работы в год 1 устр-вом	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	84000
Количество часов работы в год всеми	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	8400	84000
Экономия электроэнергии в год, кВт*час	7560	7560	7560	7560	7560	7560	7560	7560	7560	7560	75600
Стоимость экономии электроэнергии в год, руб.	21924	21924	21924	21924	21924	21924	21924	21924	21924	21924	219240
Затраты на амортизацию, руб.	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	60000
Затраты на техобслуживание и ремонт	1800	1800	1800	1800	1800	1800	1800	1800	1800	1800	18000
Экономия от снижения эксплуатационных затрат, руб.	14124	14124	14124	14124	14124	14124	14124	14124	14124	14124	141240
Чистая прибыль, руб.	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	112992

Таблица 3.

Расчет коммерческой эффективности (стоимость устройства 60000 руб.)

Наименование показателей	Годы										Итого
Наименование показателей	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022	Итого
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Капитальные вложения, руб.	60000										60000
Амортизационные отчисления, руб.	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	6000	60000
Чистая прибыль, руб.	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	11299,2	112992
Чистый доход, руб.	-42700,8	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	17299,2	112992
Коэффициент дисконтирования	0,9	0,83	0,76	0,68	0,62	0,56	0,51	0,47	0,42	0,37
Чистый дисконтированный доход, руб.	-42700,8	15726,5	14296,9	12997,1	11815,6	10741,4	9764,9	8877,2	8070,2	7336,5	56975,7
Индекс доходности											1,86
Срок окупаемости, годы											3,74
Внутренняя норма доходности, %											38

Литература

СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. — Сер. 17. — Вып. 27. — М.: ОАО «НТЦ «Промышленная безопасность», 2006.
Правила устройства электроустановок. 7-е изд., разд. 4. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2004.
Устройство для разделения контуров анодных заземлителей катодной защиты и контуров защитного заземления и молниезащиты: патент на полезную модель 104394: МПК H02H9/04 / З. Х. Ягубов, И. М. Забалуев, И. М. Мартынов — № 2010125417/07; заявл. 21.06.2010; опубл. 10.05.2011.
Методические указания по применению ограничителей перенапряжения нелинейных в электрических сетях 6-35 кВ [Электронный ресурс] / Портал нормативных документов «OPENGOST.ru». — : URL : https://www.opengost.ru.
О методе минимизации перерасхода электроэнергии на защиту металлоконструкций находящихся под землей: Трубопроводный транспорт – 2013 : материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции/ П.С. Шичев, З.Х. Ягубов / редкол.: А. М. Шаммазов и др. – Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. – С. 375-376.[schema type=»book» name=»Повышение энергоэффективности станций катодной защиты резервуаров вертикальных стальных» author=»Ягубов Зафар Хангусейн оглы, Шичёв Павел Сергеевич, Филиппов Дмитрий Дмитриевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-15″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]