Помощь студентам в учебе
Оптимизация режимов работы станций катодной защиты магистральных трубопроводов
|
АННОТАЦИЯ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ СТАЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ 10
КОНТРОЛЯ ИХ ЗАЩИЩЕННОСТИ 10
1.1 Условия эксплуатации и коррозионное состояние магистральных
газопроводов 10
1.2 Пассивная защита труб от коррозии 11
1.3 Активная защита от коррозии 13
1.4 Электрохимическая защита магистральных газопроводов от коррозии 16
1.5 Методы контроля защищенности магистральных газопроводов от
коррозии 24
1.6 Обзор существующих методик оптимизации работы средств
электрохимической защиты 35
1.7 Выводы 42
2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ, МЕТОДЫ СТРУКТУРНОЙ
ОПТИМИЗАЦИИ 44
2.1 Введение понятия стороннего потенциала наложенного неизвестными
источниками 44
2.2 Методы структурной оптимизации 51
2.3 Выводы по главе 54
3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МОДУЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И ОСНОВНЫХ
АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ 55
3.1 Постановка задачи исследования 55
3.2 Структура модуля оптимизации 55
3.3 Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности 60
3.3.1 Назначение и характеристика 60
3.3.2 Оценка коррозионного состояния участков между СКЗ 62
3.3.3 Учет весов влияния факторов на каждом участке между СКЗ 65
3.3.4 Расчет интегрального показателя коррозионного состояния участков
между СКЗ 66
3.3.6 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности 68
3.3.7 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности на основе
интегрального показателя 69
3.4 Определение возможности отключения СКЗ 70
3.4.1 Определение режимов функционирования СКЗ 70
Найденная матрица коэффициентов влияния А используется при определении защитных потенциалов для обеспечения поддержки принятия решения об отключении СКЗ, а также для решения задачи оптимизации 71
3.4.2 Проверка граничных условий на выходные данные СКЗ 71
3.4.3 Проверка условия на наличие участка ВКО в зоне защиты СКЗ 72
3.4.4 Проверка условия на наличие блуждающих токов в зоне защиты СКЗ .. 73
3.4.5 Принятие решения о возможности отключения СКЗ 73
3.4.6 Алгоритм определения максимального защитного потенциала 73
3.4.7 Алгоритм определения минимального защитного потенциала 76
3.5 Алгоритм поддержки принятия решения об отключении СКЗ 77
3.5.1 Определение количества соседних СКЗ, существенно влияющих на зону
защиты 78
3.5.2 Расчет режимов работы соседних СКЗ для поддержания достаточного
защитного потенциала при отключении рассматриваемой СКЗ 78
3.5.3 Проверка расчетных режимов на соответствие условиям по критериям 80
3.5.4 Расчет суммарного изменения мощности после предполагаемого
отключения рассматриваемой СКЗ 80
3.5.5 Сравнение вариантов отключения СКЗ 81
3.5.6 Формирование предложения по отключению СКЗ 82
3.5.7 Алгоритм решения 82
3.6 Оптимизация параметров защиты СКЗ 83
3.6.1 Оценка необходимости оптимизации режимов СКЗ 83
3.6.2 Расчет значений напряжения на выходе СКЗ по критериям
защищенности 85
3.6.3 Алгоритм решения 87
3.7 Расчет электрических характеристик трубопровода 88
3.7.1 Назначение и характеристика 88
3.7.2 Входное сопротивление трубопровода 88
3.7.3 Переходное сопротивление трубопровода в единицу длины 88
3.7.4 Решение обратной задачи по определению постоянной распространения
тока 90
3.8 Выводы по главе 92
4 ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО НАХОЖДЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СУММАРНОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОБЪЕКТЕ МГ 93
4.1 Постановка задачи исследования 93
4.2 Описание объекта исследования, программы исследования и
оборудования 94
4.3 Выводы по главе 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А 120
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ СТАЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ И МЕТОДОВ 10
КОНТРОЛЯ ИХ ЗАЩИЩЕННОСТИ 10
1.1 Условия эксплуатации и коррозионное состояние магистральных
газопроводов 10
1.2 Пассивная защита труб от коррозии 11
1.3 Активная защита от коррозии 13
1.4 Электрохимическая защита магистральных газопроводов от коррозии 16
1.5 Методы контроля защищенности магистральных газопроводов от
коррозии 24
1.6 Обзор существующих методик оптимизации работы средств
электрохимической защиты 35
1.7 Выводы 42
2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛОВ, МЕТОДЫ СТРУКТУРНОЙ
ОПТИМИЗАЦИИ 44
2.1 Введение понятия стороннего потенциала наложенного неизвестными
источниками 44
2.2 Методы структурной оптимизации 51
2.3 Выводы по главе 54
3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ МОДУЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ И ОСНОВНЫХ
АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИИ 55
3.1 Постановка задачи исследования 55
3.2 Структура модуля оптимизации 55
3.3 Ранжирование участков между СКЗ по степени коррозионной опасности 60
3.3.1 Назначение и характеристика 60
3.3.2 Оценка коррозионного состояния участков между СКЗ 62
3.3.3 Учет весов влияния факторов на каждом участке между СКЗ 65
3.3.4 Расчет интегрального показателя коррозионного состояния участков
между СКЗ 66
3.3.6 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности 68
3.3.7 Алгоритм ранжирования участков по коррозионной опасности на основе
интегрального показателя 69
3.4 Определение возможности отключения СКЗ 70
3.4.1 Определение режимов функционирования СКЗ 70
Найденная матрица коэффициентов влияния А используется при определении защитных потенциалов для обеспечения поддержки принятия решения об отключении СКЗ, а также для решения задачи оптимизации 71
3.4.2 Проверка граничных условий на выходные данные СКЗ 71
3.4.3 Проверка условия на наличие участка ВКО в зоне защиты СКЗ 72
3.4.4 Проверка условия на наличие блуждающих токов в зоне защиты СКЗ .. 73
3.4.5 Принятие решения о возможности отключения СКЗ 73
3.4.6 Алгоритм определения максимального защитного потенциала 73
3.4.7 Алгоритм определения минимального защитного потенциала 76
3.5 Алгоритм поддержки принятия решения об отключении СКЗ 77
3.5.1 Определение количества соседних СКЗ, существенно влияющих на зону
защиты 78
3.5.2 Расчет режимов работы соседних СКЗ для поддержания достаточного
защитного потенциала при отключении рассматриваемой СКЗ 78
3.5.3 Проверка расчетных режимов на соответствие условиям по критериям 80
3.5.4 Расчет суммарного изменения мощности после предполагаемого
отключения рассматриваемой СКЗ 80
3.5.5 Сравнение вариантов отключения СКЗ 81
3.5.6 Формирование предложения по отключению СКЗ 82
3.5.7 Алгоритм решения 82
3.6 Оптимизация параметров защиты СКЗ 83
3.6.1 Оценка необходимости оптимизации режимов СКЗ 83
3.6.2 Расчет значений напряжения на выходе СКЗ по критериям
защищенности 85
3.6.3 Алгоритм решения 87
3.7 Расчет электрических характеристик трубопровода 88
3.7.1 Назначение и характеристика 88
3.7.2 Входное сопротивление трубопровода 88
3.7.3 Переходное сопротивление трубопровода в единицу длины 88
3.7.4 Решение обратной задачи по определению постоянной распространения
тока 90
3.8 Выводы по главе 92
4 ПРОВЕДЕНИЕ НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО НАХОЖДЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ ЗАЩИТНОГО СУММАРНОГО ПОТЕНЦИАЛА НА ДЕЙСТВУЮЩЕМ ОБЪЕКТЕ МГ 93
4.1 Постановка задачи исследования 93
4.2 Описание объекта исследования, программы исследования и
оборудования 94
4.3 Выводы по главе 101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 104
ПРИЛОЖЕНИЕ А 120
Актуальность темы
Магистральные газопроводы эксплуатируются в различных климатических условиях, грунтах различной коррозионной активности, а также в морской воде.
Для обеспечения
антикоррозионной защиты газопроводов используется комплексное сочетание пассивной (изоляционные покрытия)
и активной (электрохимической) защиты. Критерием оценки эффективности э лектрохи-мической защиты является защитный потенциал
и защитная плотность тока, которые зависят от физикохимических свойств коррозионной среды и могут меняться в широких пределах.
Защита трубопроводов осуществляется за счет поддержания минимального (отрицательного) защитного потенциала на концах зоны защиты. Завышение защитных потенциалов относительно значений, необходимых для оптимальной степени защиты магистральных газопроводов от коррозии, приводит к отрицательному эффекту «перезащиты», перерасходу электроэнергии и в целом значительно удорожает эксплуатацию системы катодной защиты. В свою очередь «недозащита» газопроводов приводит
к повышению скорости коррозионного поражения стенки трубопровода и как результат, к преждевременному выходу его из строя.
Существующие системы управления станциями катодной защиты работают по одному заданному параметру без адаптации к изменяющимся условиям нагрузки, что в целом снижает эффективность применения устройств электрохимической защиты. Основными параметрами работы станций катодной за щиты являются напряжение «труба-земля» и поляризационный потенциал. При этом контроль защитного потенциала ведется только в точке дренажа, что не позволяет системе реагировать на изменения параметров нагрузки по трас-
се трубопровода. Кроме того, на ряде объектов, степень защищенности которых составляет 100%, тем не менее обнаруживаются коррозионные дефекты.
5 В условиях отсутствия информации по всем факторам, влияющим на коррозию, в том числе и изменяющихся во времени (блуждающие токи, в т.ч.
и индуцированные, плотность постоянного и переменного токов, режимы работы смежных станций
катодной защиты (СКЗ) либо смежных объектов, включенных в совместную защиту
или имеющих электрическую связь между собой, удельное сопротивление гру нта, температура и т.д.) практически не
возможно специалистам служб защиты от коррозии принять решение об оптимальных выходных режимах работы СКЗ, обеспечивающих 100% защищенность по протяженности и во времени на всех сооружениях одновременно с минимальными энергозатратами.
Цель работы
Усовершенствование методик оптимизации режимов
работы станций катодной защиты, решение проблемы развития автоматизиров анных средств управления
и оптимального регулирования станциями катодной защиты
Основные задачи исследований:
• обобщить и проанализировать критерии, влияющие на показатели защищенности магистральных газопроводов;
• разработать методику проведения расчетов оптимальных режимов работы СКЗ в зависимости от распределения суммарных и поляризационных потенциалов по всей протяженности линейного участка магистрального газо-провода;
• синтез динамической модели
на основе идентификации модели «труба-земля»;
• разработать алгоритмы
оптимизации режимов управления СКЗ; нахождение методов реш ения многокритериальной задачи опти-
мизации;
• провести апробацию полученных результатов на объекте МГ.
Научная новизна
Выделены критерии, влияющие на состояние защищенности магистральных газопроводов, выделены связи между влияющими критериями. Определены критерии эффективности работы системы.
Разработана методика проведения измерений потенциалов по трассе МГ для идентификации модели изменения параметров «труба-земля».
Разработана динамическая модель изменения параметров защищенности в зависимости от управляющего воздействия, позволяющая в отличие от известных моделей использовать в качестве U 0i величины собственного (стацио-нарного) суммарного
и поляризационного потенциала металла трубопровода в данных условиях U стор в совокупности с неизвестным влиянием смежных СКЗ и неопределенных источников тока, что способствует сокращению времени на измерения и повышению точности дальнейшего расчета.
Разработаны алгоритмы управления системой ЭХЗ, включающей в себя ряд СКЗ.
Применены методы структурно-параметрической оптимизации для решения многокритериальной задачи нахождения оптимальных параметров СКЗ.
Защищаемые положения
1. Разработана иерархия критериев влияющих на состояние защищенности и определены связи смежных критериев.
2. Усовершенствована существующая модель изменения параметров защищенности в зависимости от режимов работы СКЗ.
3. Многокритериальный подход решения задачи оптимизации, применение методов структурной оптимизации.
Практическая значимость
Полученные результаты были использованы для проведения работ по оптимизации режимов работы средств
ЭХЗ магистрального газопровода «Са-ратов-Горький» на участке между 92 и 147 километрами.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов. Материал изложен на 148 страницах, содержащих 53 рисунка и 23 таблицы. Список цитируемой литературы включает 146 наименований работ.
Магистральные газопроводы эксплуатируются в различных климатических условиях, грунтах различной коррозионной активности, а также в морской воде.
Для обеспечения
антикоррозионной защиты газопроводов используется комплексное сочетание пассивной (изоляционные покрытия)
и активной (электрохимической) защиты. Критерием оценки эффективности э лектрохи-мической защиты является защитный потенциал
и защитная плотность тока, которые зависят от физикохимических свойств коррозионной среды и могут меняться в широких пределах.
Защита трубопроводов осуществляется за счет поддержания минимального (отрицательного) защитного потенциала на концах зоны защиты. Завышение защитных потенциалов относительно значений, необходимых для оптимальной степени защиты магистральных газопроводов от коррозии, приводит к отрицательному эффекту «перезащиты», перерасходу электроэнергии и в целом значительно удорожает эксплуатацию системы катодной защиты. В свою очередь «недозащита» газопроводов приводит
к повышению скорости коррозионного поражения стенки трубопровода и как результат, к преждевременному выходу его из строя.
Существующие системы управления станциями катодной защиты работают по одному заданному параметру без адаптации к изменяющимся условиям нагрузки, что в целом снижает эффективность применения устройств электрохимической защиты. Основными параметрами работы станций катодной за щиты являются напряжение «труба-земля» и поляризационный потенциал. При этом контроль защитного потенциала ведется только в точке дренажа, что не позволяет системе реагировать на изменения параметров нагрузки по трас-
се трубопровода. Кроме того, на ряде объектов, степень защищенности которых составляет 100%, тем не менее обнаруживаются коррозионные дефекты.
5 В условиях отсутствия информации по всем факторам, влияющим на коррозию, в том числе и изменяющихся во времени (блуждающие токи, в т.ч.
и индуцированные, плотность постоянного и переменного токов, режимы работы смежных станций
катодной защиты (СКЗ) либо смежных объектов, включенных в совместную защиту
или имеющих электрическую связь между собой, удельное сопротивление гру нта, температура и т.д.) практически не
возможно специалистам служб защиты от коррозии принять решение об оптимальных выходных режимах работы СКЗ, обеспечивающих 100% защищенность по протяженности и во времени на всех сооружениях одновременно с минимальными энергозатратами.
Цель работы
Усовершенствование методик оптимизации режимов
работы станций катодной защиты, решение проблемы развития автоматизиров анных средств управления
и оптимального регулирования станциями катодной защиты
Основные задачи исследований:
• обобщить и проанализировать критерии, влияющие на показатели защищенности магистральных газопроводов;
• разработать методику проведения расчетов оптимальных режимов работы СКЗ в зависимости от распределения суммарных и поляризационных потенциалов по всей протяженности линейного участка магистрального газо-провода;
• синтез динамической модели
на основе идентификации модели «труба-земля»;
• разработать алгоритмы
оптимизации режимов управления СКЗ; нахождение методов реш ения многокритериальной задачи опти-
мизации;
• провести апробацию полученных результатов на объекте МГ.
Научная новизна
Выделены критерии, влияющие на состояние защищенности магистральных газопроводов, выделены связи между влияющими критериями. Определены критерии эффективности работы системы.
Разработана методика проведения измерений потенциалов по трассе МГ для идентификации модели изменения параметров «труба-земля».
Разработана динамическая модель изменения параметров защищенности в зависимости от управляющего воздействия, позволяющая в отличие от известных моделей использовать в качестве U 0i величины собственного (стацио-нарного) суммарного
и поляризационного потенциала металла трубопровода в данных условиях U стор в совокупности с неизвестным влиянием смежных СКЗ и неопределенных источников тока, что способствует сокращению времени на измерения и повышению точности дальнейшего расчета.
Разработаны алгоритмы управления системой ЭХЗ, включающей в себя ряд СКЗ.
Применены методы структурно-параметрической оптимизации для решения многокритериальной задачи нахождения оптимальных параметров СКЗ.
Защищаемые положения
1. Разработана иерархия критериев влияющих на состояние защищенности и определены связи смежных критериев.
2. Усовершенствована существующая модель изменения параметров защищенности в зависимости от режимов работы СКЗ.
3. Многокритериальный подход решения задачи оптимизации, применение методов структурной оптимизации.
Практическая значимость
Полученные результаты были использованы для проведения работ по оптимизации режимов работы средств
ЭХЗ магистрального газопровода «Са-ратов-Горький» на участке между 92 и 147 километрами.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав и выводов. Материал изложен на 148 страницах, содержащих 53 рисунка и 23 таблицы. Список цитируемой литературы включает 146 наименований работ.
В результате данной работы по созданию основных алгоритмов для решения задачи оптимизации режимов работы станций катодной защиты магистральных трубопроводов были получены следующие результаты:
1. Введено понятие
стороннего потенциала наложенного неизвестными источниками, определяюще го стационарный потенциал в совокупности с наложенным неизвестными источниками. Введение данного параметра в модель распределения трубопровода привело
к возможности нахождения оптимальных параметров
действующего трубопровода без отключения СКЗ на продолжи-тельный срок, что способствует облегчению проведения процедуры оптимиза-ции.
2. Экспериментально проверена методика нахождения наложенного не
определенными источниками потенциала в точке измерения. Полученные данные показывают, что найденный данным методом потенциал, совпадает с действительно измеряемым потенциалом с достаточной
для инженерных нужд точностью;
3. Применение метода структурной оптимизации дало возможность решать задачу оптимизации для совокупности СКЗ
с возможность минимизации выходной мощности, увеличения КПД, и при этом поддержания защитных по-тенциалов
в границах определяемых ГОСТ.
4. Разработанные алгоритмы оптимизации дают возможность выбора режимов работы СКЗ, позволяющих учесть как внешние влияющие факторы, так и параметры системы «труба-земля»
для определения оптимального режима работы.
5. Экспериментально проверена возможность применения модели распределения защитных суммарных потенциалов от выходных параметров СКЗ для линейного участка трубопровода;
6. Произведен расчет оптимальных режимов работы
СКЗ методами структурной оптимизации. Расчет оптимальных параметров
СКЗ показал, что на данном участке МГ можно вывести в резерв 5 СКЗ на 92,
99, 107 137 и 147
102
км, при этом будет обеспечиваться защищенность, что подтверждается экспериментальными данными.
Следующими решаемыми задачами
в данном направлении исследований будут:
1. Слежение за медленным (сезонным) изменением характеристик системы «труба-земля».
2. Корректировка (адаптация критериев по данным наблюдения).
3. Адаптация (коррекция и самообучение) модели (функциональных зависимостей) системы «труба-земля» по эксплуатационным данным.
4. Фильтрация и многофакторный анализ данных измерений для оценки электрических характеристик системы «труба-земля».
5. Оценка зависимостей совокупного влияния внешних факторов на коррозию.
6. Решение обратных задач
по определению электрических характеристик системы «труба-земля».
7. Мониторинг (автоматическое обнаружение тенденций) изменения характеристик системы «труба-земля».
8. Прогноз изменения (во времени):
8.1. параметров ЭХЗ и трубопровода;
8.2. коррозионного состояния трубопровода.
9. Прогнозирование состояния участков трубопровода и оборудования ЭХЗ для проведения ТОиР.
10. Поддержка принятия и контроль диспетчерских решений.
11. Определение остаточного ресурса (СКЗ, АЗ, изоляции и др.).
1. Введено понятие
стороннего потенциала наложенного неизвестными источниками, определяюще го стационарный потенциал в совокупности с наложенным неизвестными источниками. Введение данного параметра в модель распределения трубопровода привело
к возможности нахождения оптимальных параметров
действующего трубопровода без отключения СКЗ на продолжи-тельный срок, что способствует облегчению проведения процедуры оптимиза-ции.
2. Экспериментально проверена методика нахождения наложенного не
определенными источниками потенциала в точке измерения. Полученные данные показывают, что найденный данным методом потенциал, совпадает с действительно измеряемым потенциалом с достаточной
для инженерных нужд точностью;
3. Применение метода структурной оптимизации дало возможность решать задачу оптимизации для совокупности СКЗ
с возможность минимизации выходной мощности, увеличения КПД, и при этом поддержания защитных по-тенциалов
в границах определяемых ГОСТ.
4. Разработанные алгоритмы оптимизации дают возможность выбора режимов работы СКЗ, позволяющих учесть как внешние влияющие факторы, так и параметры системы «труба-земля»
для определения оптимального режима работы.
5. Экспериментально проверена возможность применения модели распределения защитных суммарных потенциалов от выходных параметров СКЗ для линейного участка трубопровода;
6. Произведен расчет оптимальных режимов работы
СКЗ методами структурной оптимизации. Расчет оптимальных параметров
СКЗ показал, что на данном участке МГ можно вывести в резерв 5 СКЗ на 92,
99, 107 137 и 147
102
км, при этом будет обеспечиваться защищенность, что подтверждается экспериментальными данными.
Следующими решаемыми задачами
в данном направлении исследований будут:
1. Слежение за медленным (сезонным) изменением характеристик системы «труба-земля».
2. Корректировка (адаптация критериев по данным наблюдения).
3. Адаптация (коррекция и самообучение) модели (функциональных зависимостей) системы «труба-земля» по эксплуатационным данным.
4. Фильтрация и многофакторный анализ данных измерений для оценки электрических характеристик системы «труба-земля».
5. Оценка зависимостей совокупного влияния внешних факторов на коррозию.
6. Решение обратных задач
по определению электрических характеристик системы «труба-земля».
7. Мониторинг (автоматическое обнаружение тенденций) изменения характеристик системы «труба-земля».
8. Прогноз изменения (во времени):
8.1. параметров ЭХЗ и трубопровода;
8.2. коррозионного состояния трубопровода.
9. Прогнозирование состояния участков трубопровода и оборудования ЭХЗ для проведения ТОиР.
10. Поддержка принятия и контроль диспетчерских решений.
11. Определение остаточного ресурса (СКЗ, АЗ, изоляции и др.).
