黃 平，周英鋼，王志超，于光平

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870)

長(zhǎng)輸埋地油氣管道陰極保護(hù)裝置供能系統(tǒng)

黃 平，周英鋼，王志超，于光平

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110870)

針對(duì)鋪設(shè)在偏遠(yuǎn)地區(qū)長(zhǎng)輸埋地油氣管道陰極保護(hù)裝置供電難的問題，研究了太陽(yáng)能對(duì)鉛蓄電池的充電機(jī)制及管道保護(hù)的相關(guān)原理，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)電池板充放電控制自主供能系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)電池板能量利用效率高，逆變輸出帶載波形穩(wěn)定、無(wú)失真，達(dá)220 V±6%，可自主識(shí)別管地電位以切換管道陰極保護(hù)裝置(恒電位儀等)至休眠或工作狀態(tài)，有效避免該區(qū)域管道承受雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

油氣管道；太陽(yáng)電池板；管地電位；陰極保護(hù)裝置

長(zhǎng)輸埋地油氣管道延伸長(zhǎng)度遙遠(yuǎn)，穿越地理環(huán)境復(fù)雜，延長(zhǎng)管線壽命、維護(hù)管道運(yùn)行安全相關(guān)措施必不可少，意義重大。特別地，當(dāng)管道所處外部電磁環(huán)境干擾強(qiáng)烈時(shí)，土壤中雜散電流急劇增加甚至改變流向，在電流流入管道位置會(huì)導(dǎo)致管地電位負(fù)偏移，形成堿性環(huán)境，進(jìn)而在管道表面產(chǎn)生防腐層剝離現(xiàn)象，反之，在電流流出管道位置會(huì)造成管道腐蝕，管地電位偏正，產(chǎn)生漏油、爆炸等嚴(yán)重后果[1－2]。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)油氣管道的保護(hù)措施主要采取外加直流的陰極保護(hù)，如恒電位儀等[3－4]，可極大減緩管道發(fā)生腐蝕的速率，唯一缺點(diǎn)是需要帶電工作，而長(zhǎng)輸油氣管道大部分管線處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，供電困難，陰極保護(hù)裝置無(wú)法得到有效利用，使該處管道處于腐蝕和防腐層陰極剝離的狀態(tài)[5－9]。

本文主要針對(duì)長(zhǎng)輸埋地油氣管道偏遠(yuǎn)地區(qū)管線保護(hù)系統(tǒng)(恒電位儀、排流裝置等)供電難度大等問題，設(shè)計(jì)了通過太陽(yáng)電池板自主供能和識(shí)別當(dāng)前管道被保護(hù)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得太陽(yáng)電池板能量對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充電，無(wú)需人工干預(yù)，并將蓄電池電壓逆變?yōu)槭须娨越Y(jié)合恒電位儀等陰極保護(hù)裝置使用，確保偏遠(yuǎn)區(qū)域管線得到更加有效的陰極保護(hù)，避免管道承受雜散電流干擾腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)和防腐層剝離帶來(lái)的安全隱患。系統(tǒng)具體工作示意圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)系統(tǒng)工作示意圖

由圖1可見，整機(jī)系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池板、充放電控制裝置、鉛蓄電池及逆變系統(tǒng)組成，通過將太陽(yáng)電池板能量轉(zhuǎn)換成市電以保證偏遠(yuǎn)地區(qū)管線陰極保護(hù)裝置正常運(yùn)行。

1 太陽(yáng)能充放電控制裝置

太陽(yáng)電池板隨著外部光照的變化會(huì)出現(xiàn)輸出電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象，有效控制電池充電電壓和電流的平穩(wěn)性，以保護(hù)電池正常工作是至關(guān)重要的。

1.1 太陽(yáng)能充放電控制裝置結(jié)構(gòu)組成

本系統(tǒng)中太陽(yáng)能充放電裝置采用單片機(jī)與工業(yè)級(jí)大屏幕中文液晶作為控制，功耗低，人機(jī)界面良好，所有運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)在同一界面上以圖形和數(shù)據(jù)形式顯示，有利于工作人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析，并添加了充電/放電安時(shí)計(jì)數(shù)以及溫度測(cè)量功能。該充放電裝置具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能充放電控制系統(tǒng)組成框圖

由圖2可知，通過對(duì)過壓、過流以及外界環(huán)境溫度過高進(jìn)行檢測(cè)，可適時(shí)關(guān)閉充放電開關(guān)，斷開大電流回路，并自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)在液晶屏上中文提示故障類型，報(bào)警和保護(hù)功能還可以設(shè)置成打開或關(guān)閉模式。

1.2 太陽(yáng)能充放電檢測(cè)與控制電路

該充放電裝置檢測(cè)與控制電路主要由微控制器控制充放電開關(guān)，結(jié)合采樣得到的充放電電壓、電流模擬量值進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算處理結(jié)果，以控制充放電開關(guān)開啟或閉合，達(dá)到自動(dòng)充放電的目的。

如圖3所示，Energy端為太陽(yáng)電池板供電口，LOAD端為負(fù)載輸出口。

圖3 太陽(yáng)能充放電控制裝置檢測(cè)與控制主電路

系統(tǒng)采用低導(dǎo)通內(nèi)阻P溝道場(chǎng)效應(yīng)管IRF4905作為充放電開關(guān)，通過高速三極管2N5551驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷和閉合。所設(shè)置最大充放電電流為6.5 A，輸入電壓測(cè)量范圍為0～36.2 V，蓄電池電壓(輸出電壓)測(cè)量范圍為0～19.8 V，可接入28 V/80 W電池板。同時(shí)，輸出端設(shè)計(jì)有防反接二極管MBR2545(壓降小于0.5 V)，可以直接與其他電源輸出端并聯(lián),也可避免太陽(yáng)電池電壓低于蓄電池電壓時(shí)電流反向回流燒壞電池板。

2 太陽(yáng)能逆變裝置

埋地油氣管道陰極保護(hù)裝置恒電位儀由于供電難問題無(wú)法保障偏遠(yuǎn)地區(qū)管線運(yùn)行安全，系統(tǒng)太陽(yáng)能逆變裝置以12 V鉛蓄電池為供電源，經(jīng)DC-AC逆變?yōu)?20 V交流市電，效率大于70%，功率大于40 W，可保障偏遠(yuǎn)區(qū)域恒電位儀正常使用。

2.1 太陽(yáng)能逆變裝置系統(tǒng)組成

逆變裝置主要通過協(xié)調(diào)控制可控開關(guān)關(guān)斷、導(dǎo)通兩種狀態(tài)達(dá)到逆變功能，基于正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)“H”橋式開關(guān)電路輸出交流信號(hào)，結(jié)合環(huán)牛變壓器升壓為220 V交流市電，給恒電位儀供電使用。詳細(xì)電路組成如圖4。

圖4 逆變裝置系統(tǒng)組成框圖

為精準(zhǔn)逆變出50 Hz交流電，圖4中主控電路通過自帶PWM調(diào)制器，實(shí)時(shí)改變占空比，輸出標(biāo)準(zhǔn)SPWM信號(hào)，摒棄以往基于定時(shí)器輸出且需進(jìn)行頻率跟蹤等復(fù)雜環(huán)節(jié)。為防止逆變系統(tǒng)中半橋上下兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致過流燒壞元件，通常設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間，輔助電路主要包含死區(qū)控制電路，一般，死區(qū)時(shí)間需隨負(fù)載功率的增大而延長(zhǎng)。

2.2 逆變橋電路

逆變橋開關(guān)管的導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通內(nèi)阻、導(dǎo)通壓降等參數(shù)影響著整體逆變效果，本裝置選擇一款導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間僅11 ns、39 ns的N溝道MOS管IRF540作為主要開關(guān)器件，結(jié)合一系列保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路，可逆變出幾近無(wú)失真的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，供給負(fù)載。圖5為逆變橋整體電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

圖5 逆變橋整體設(shè)計(jì)電路

圖5中，IN1、IN2、IN3、IN4為死區(qū)時(shí)間控制電路輸出，逆變橋驅(qū)動(dòng)電路基于IR2110高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)功能，可有效隔離數(shù)字量與模擬量，最高工作頻率達(dá)500 kHz，而逆變器最高開關(guān)頻率(載波頻率)僅5 kHz。

逆變電路輸出負(fù)載為升壓變壓器初級(jí)，感性負(fù)載電壓超前電流變化，交變的電壓與供電電壓疊加可能會(huì)超過開關(guān)管耐壓值而被損壞，系統(tǒng)采用瞬態(tài)抑制二極管1.5KE75CA接入開關(guān)管兩端，其反向擊穿電壓為71.3～78.8 V，最大可承受電流達(dá)14.6 A，可有效避免開關(guān)管由于過壓而損壞。

另外，開關(guān)管頻繁通斷會(huì)產(chǎn)生較高熱量，影響系統(tǒng)逆變效率，當(dāng)熱量無(wú)法及時(shí)散出，也有可能會(huì)燒壞開關(guān)管，因此在開關(guān)管兩端有必要加入RC泄放回路，將開關(guān)管結(jié)電容電壓吸收，維持開關(guān)管工作溫度。

2.3 采樣電路

為有效穩(wěn)定逆變輸出交流信號(hào)，形成閉環(huán)系統(tǒng)，需對(duì)輸出220 V交流信號(hào)進(jìn)行采樣。本系統(tǒng)采樣電路基于運(yùn)放將交流信號(hào)全波整流為直流信號(hào)，避免基于整流橋帶來(lái)的交越失真。具體采樣電路如圖6所示。

圖6 全波整流采樣電路

如圖6所示，逆變輸出220 V交流信號(hào)經(jīng)R4、R9分壓后傳輸至后級(jí)電路，U1作為電壓跟隨器提高信號(hào)帶載能力。設(shè)U1、U3輸出信號(hào)分別為，當(dāng)處于正半周時(shí)，D1截止、D2導(dǎo)通，U2輸出信號(hào)大小為－2，此時(shí)；當(dāng)處于負(fù)半周時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止，反饋電阻R1無(wú)反饋電流，故U2無(wú)信號(hào)輸出，因此。綜上，交流正弦信號(hào)輸入至采樣電路后，輸出為全波整流信號(hào)，且無(wú)失真。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 充放電控制裝置實(shí)驗(yàn)

以可調(diào)恒壓源模擬太陽(yáng)電池板作為充放電裝置的輸入，鉛蓄電池初始電壓為12.15 V，設(shè)置初始充電電壓為12 V，以1 V為步長(zhǎng)逐漸增加輸入電壓至20 V，得到充放電電流數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 充放電控制裝置充電數(shù)據(jù)

從表1中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)設(shè)定太陽(yáng)能對(duì)鉛蓄電池充電過程中不允許放電，且充電電流限制在6.5 A以內(nèi)，為方便有效供能，采用雙電池切換充放電措施，有效延長(zhǎng)電池工作壽命。

3.2 逆變裝置實(shí)驗(yàn)

逆變裝置輸出接入負(fù)載后波形穩(wěn)定無(wú)失真可衡量該裝置的可靠性與實(shí)用性，通過調(diào)節(jié)電感、電容等濾波參數(shù)，得到帶載25 W日光燈下的輸出波形，如圖7所示。

圖7 逆變裝置帶載輸出波形

由圖7知，逆變裝置帶載后輸出波形穩(wěn)定，基本無(wú)失真，實(shí)測(cè)輸出電壓有效值為214 V，符合誤差允許范圍。

4 結(jié)論

(1)基于低功耗大屏幕液晶的太陽(yáng)能控制裝置可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前充放電狀態(tài)，有效保護(hù)了太陽(yáng)電池板及負(fù)載電路，保障供能系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；(2)逆變裝置可輸出220 V±6%、50 Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波，帶載之后輸出波形穩(wěn)定、無(wú)失真，方便與陰極保護(hù)裝置(恒電位儀等)連接供電；(3)整機(jī)供電控制系統(tǒng)具有體積小、方便攜帶、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可延偏遠(yuǎn)區(qū)域長(zhǎng)輸埋地油氣管道多點(diǎn)獨(dú)立放置，無(wú)需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)管道自主保護(hù)，可推廣應(yīng)用。

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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

A

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

2015-05-12

黃平(1991—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向?yàn)榫軠y(cè)量與控制、電力電子技術(shù)、油氣管道無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。