长输埋地油气管道阴极保护装置供能系统

2017-01-10周英钢王志超于光平

电源技术 2016年12期

关键词：太阳电池阴极保护导通

黄平，周英钢，王志超，于光平

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110870)

长输埋地油气管道阴极保护装置供能系统

黄平，周英钢，王志超，于光平

(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110870)

针对铺设在偏远地区长输埋地油气管道阴极保护装置供电难的问题，研究了太阳能对铅蓄电池的充电机制及管道保护的相关原理，设计了太阳电池板充放电控制自主供能系统。测试结果表明，该系统对太阳电池板能量利用效率高，逆变输出带载波形稳定、无失真，达220 V±6%，可自主识别管地电位以切换管道阴极保护装置(恒电位仪等)至休眠或工作状态，有效避免该区域管道承受杂散电流腐蚀风险。

油气管道；太阳电池板；管地电位；阴极保护装置

长输埋地油气管道延伸长度遥远，穿越地理环境复杂，延长管线寿命、维护管道运行安全相关措施必不可少，意义重大。特别地，当管道所处外部电磁环境干扰强烈时，土壤中杂散电流急剧增加甚至改变流向，在电流流入管道位置会导致管地电位负偏移，形成碱性环境，进而在管道表面产生防腐层剥离现象，反之，在电流流出管道位置会造成管道腐蚀，管地电位偏正，产生漏油、爆炸等严重后果[1－2]。目前，国内外针对油气管道的保护措施主要采取外加直流的阴极保护，如恒电位仪等[3－4]，可极大减缓管道发生腐蚀的速率，唯一缺点是需要带电工作，而长输油气管道大部分管线处于偏远地区，供电困难，阴极保护装置无法得到有效利用，使该处管道处于腐蚀和防腐层阴极剥离的状态[5－9]。

本文主要针对长输埋地油气管道偏远地区管线保护系统(恒电位仪、排流装置等)供电难度大等问题，设计了通过太阳电池板自主供能和识别当前管道被保护状态的监测系统，使得太阳电池板能量对蓄电池进行智能充电，无需人工干预，并将蓄电池电压逆变为市电以结合恒电位仪等阴极保护装置使用，确保偏远区域管线得到更加有效的阴极保护，避免管道承受杂散电流干扰腐蚀的风险和防腐层剥离带来的安全隐患。系统具体工作示意图如图1所示。

图1 整机系统工作示意图

由图1可见，整机系统主要由太阳电池板、充放电控制装置、铅蓄电池及逆变系统组成，通过将太阳电池板能量转换成市电以保证偏远地区管线阴极保护装置正常运行。

1 太阳能充放电控制装置

太阳电池板随着外部光照的变化会出现输出电压不稳定的现象，有效控制电池充电电压和电流的平稳性，以保护电池正常工作是至关重要的。

1.1 太阳能充放电控制装置结构组成

本系统中太阳能充放电装置采用单片机与工业级大屏幕中文液晶作为控制，功耗低，人机界面良好，所有运行参数实时在同一界面上以图形和数据形式显示，有利于工作人员对数据进行读取和分析，并添加了充电/放电安时计数以及温度测量功能。该充放电装置具体组成结构如图2所示。

图2 太阳能充放电控制系统组成框图

由图2可知，通过对过压、过流以及外界环境温度过高进行检测，可适时关闭充放电开关，断开大电流回路，并自动报警，同时在液晶屏上中文提示故障类型，报警和保护功能还可以设置成打开或关闭模式。

1.2 太阳能充放电检测与控制电路

该充放电装置检测与控制电路主要由微控制器控制充放电开关，结合采样得到的充放电电压、电流模拟量值进行相应运算处理结果，以控制充放电开关开启或闭合，达到自动充放电的目的。

如图3所示，Energy端为太阳电池板供电口，LOAD端为负载输出口。

图3 太阳能充放电控制装置检测与控制主电路

系统采用低导通内阻P沟道场效应管IRF4905作为充放电开关，通过高速三极管2N5551驱动场效应管关断和闭合。所设置最大充放电电流为6.5 A，输入电压测量范围为0～36.2 V，蓄电池电压(输出电压)测量范围为0～19.8 V，可接入28 V/80 W电池板。同时，输出端设计有防反接二极管MBR2545(压降小于0.5 V)，可以直接与其他电源输出端并联,也可避免太阳电池电压低于蓄电池电压时电流反向回流烧坏电池板。

2 太阳能逆变装置

埋地油气管道阴极保护装置恒电位仪由于供电难问题无法保障偏远地区管线运行安全，系统太阳能逆变装置以12 V铅蓄电池为供电源，经DC-AC逆变为220 V交流市电，效率大于70%，功率大于40 W，可保障偏远区域恒电位仪正常使用。

2.1 太阳能逆变装置系统组成

逆变装置主要通过协调控制可控开关关断、导通两种状态达到逆变功能，基于正弦脉宽调制SPWM信号驱动“H”桥式开关电路输出交流信号，结合环牛变压器升压为220 V交流市电，给恒电位仪供电使用。详细电路组成如图4。

图4 逆变装置系统组成框图

为精准逆变出50 Hz交流电，图4中主控电路通过自带PWM调制器，实时改变占空比，输出标准SPWM信号，摒弃以往基于定时器输出且需进行频率跟踪等复杂环节。为防止逆变系统中半桥上下两个开关器件同时导通导致过流烧坏元件，通常设置一定的死区时间，辅助电路主要包含死区控制电路，一般，死区时间需随负载功率的增大而延长。

2.2 逆变桥电路

逆变桥开关管的导通及关断时间、导通内阻、导通压降等参数影响着整体逆变效果，本装置选择一款导通和关断时间仅11 ns、39 ns的N沟道MOS管IRF540作为主要开关器件，结合一系列保护电路、驱动电路，可逆变出几近无失真的标准正弦波，供给负载。图5为逆变桥整体电路设计结构。

图5 逆变桥整体设计电路

图5中，IN1、IN2、IN3、IN4为死区时间控制电路输出，逆变桥驱动电路基于IR2110高压侧悬浮驱动功能，可有效隔离数字量与模拟量，最高工作频率达500 kHz，而逆变器最高开关频率(载波频率)仅5 kHz。

逆变电路输出负载为升压变压器初级，感性负载电压超前电流变化，交变的电压与供电电压叠加可能会超过开关管耐压值而被损坏，系统采用瞬态抑制二极管1.5KE75CA接入开关管两端，其反向击穿电压为71.3～78.8 V，最大可承受电流达14.6 A，可有效避免开关管由于过压而损坏。

另外，开关管频繁通断会产生较高热量，影响系统逆变效率，当热量无法及时散出，也有可能会烧坏开关管，因此在开关管两端有必要加入RC泄放回路，将开关管结电容电压吸收，维持开关管工作温度。

2.3 采样电路

为有效稳定逆变输出交流信号，形成闭环系统，需对输出220 V交流信号进行采样。本系统采样电路基于运放将交流信号全波整流为直流信号，避免基于整流桥带来的交越失真。具体采样电路如图6所示。

图6 全波整流采样电路

如图6所示，逆变输出220 V交流信号经R4、R9分压后传输至后级电路，U1作为电压跟随器提高信号带载能力。设U1、U3输出信号分别为，当处于正半周时，D1截止、D2导通，U2输出信号大小为－2，此时；当处于负半周时，D1导通、D2截止，反馈电阻R1无反馈电流，故U2无信号输出，因此。综上，交流正弦信号输入至采样电路后，输出为全波整流信号，且无失真。

3 实验与数据分析

3.1 充放电控制装置实验

以可调恒压源模拟太阳电池板作为充放电装置的输入，铅蓄电池初始电压为12.15 V，设置初始充电电压为12 V，以1 V为步长逐渐增加输入电压至20 V，得到充放电电流数据如表1所示。

表1 充放电控制装置充电数据

从表1中数据可知，系统设定太阳能对铅蓄电池充电过程中不允许放电，且充电电流限制在6.5 A以内，为方便有效供能，采用双电池切换充放电措施，有效延长电池工作寿命。

3.2 逆变装置实验

逆变装置输出接入负载后波形稳定无失真可衡量该装置的可靠性与实用性，通过调节电感、电容等滤波参数，得到带载25 W日光灯下的输出波形，如图7所示。

图7 逆变装置带载输出波形

由图7知，逆变装置带载后输出波形稳定，基本无失真，实测输出电压有效值为214 V，符合误差允许范围。

4 结论

(1)基于低功耗大屏幕液晶的太阳能控制装置可实时监测系统当前充放电状态，有效保护了太阳电池板及负载电路，保障供能系统稳定运行；(2)逆变装置可输出220 V±6%、50 Hz标准正弦波，带载之后输出波形稳定、无失真，方便与阴极保护装置(恒电位仪等)连接供电；(3)整机供电控制系统具有体积小、方便携带、功耗低等优点，可延偏远区域长输埋地油气管道多点独立放置，无需人工干预，实现管道自主保护，可推广应用。

[1]EVANS U F，OKIWELU A A，UDE I A，et al.Estimation of corrosion induced flaw sizes on buried gas pipeline in the nigerian sector of niger delta[J].Research Journal of Environmental and Earth Sciences，2012，4(3)：264-269.

[2]CHEN Z G，QIN C K，TANG J X，et al.Analyzing of stray current interference on buried gas pipeline from shanghai urban rail transit [J].Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2013，17(5)：4421-4426.

[3]高宏飙，刘碧燕.外加直流阴极保护系统(ICCP)在海上风电的应用[J].腐蚀与防护，2013，34(12)：1108-1110.

[4]薛致远，毕武喜，陈振华，等.油气管道阴极保护技术现状与展望[J].油气储运，2014，33(9)：938-944.

[5]刘晓军，白荣国，费克勋，等.输水管道内防护层与阴极保护联合防护系统失效分析与改进措施[J].材料保护，2013，46(11)：65-66.

[6]张万友，郭博闻，高作学，等.电力系统接地网的腐蚀现状及对策[J].材料保护，2014，47(11)：56-68.

[7]赵增元，王佳.有机涂层阴极剥离作用研究进展[J].中国腐蚀与防护学报，2008，28(2)：116-120.

[8]熊娟，张婷，许红川，等.埋地管道防腐蚀层阴极剥离影响因素[J].腐蚀与防护，2013，34(1)：60-63.

[9]CHEN X，LI X G.Effect of cathodic protection on corrosion of pipeline steel under disbonded coating[J].Corrosion Science，2009，51(9)：2242-2245.

Reserch of power supply system of cathodic protection device for long-distence buried oil and gas pipelines

Aiming at the problem that the power supply for cathodic protection device of Long-Distence buried oil and gas pipelines laid in remote areas,the charging mechanism of solar system for lead acid batteries and the related principle of pipeline protection were studied.The independent power supply system based on solar panels charge and discharge controlling was designed.The measuring results indicate that the whole system has high utilization efficiency for the power of solar panels and the output waveform of inverter is stable and has no distortion with load which can reach 220V±6%.Meanwhile,the system could identify the pipe-to-soil potential independently to switch the status of sleeping or working of the pipeline cathodic protection device(the potentiostat,etc.)to avoid the risk of stray current corrosion for the pipelines in the region effectively.

oil and gas pipeline;solar panel;pipe-to-soil potential;cathodic protection device

TM914.4

1002-087X(2016)12-2394-03