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解读大功率油气管道防腐蚀电源系统的应用和影响

2020-03-16 360 上传者：管理员

摘要：为了解决油气管道的腐蚀问题，文章提出了一种可实现自动跟踪管道电流的大功率油气管道防腐蚀电源系统，此系统的应用可以实现油气管道的阴极保护。但源于油气管道腐蚀现象大多较为严重，因此，采用强制电流阴极保护成为了一种非常有效的防治方法，那么大功率油气管道防腐蚀电源系统的出现也就成为了必然。首先，对防腐蚀电源的应用环境进行分析；随后，设计直流电压前馈控制的电源系统电路；最后，对设计的电路进行仿真实验，最终实验结果表明了大功率油气管道防腐蚀电源的应用能实现参比电流的实时跟踪，可以有效实现油气管道的阴极保护。

关键词：
恒电位仪
油气管道防腐蚀
电源
阴极保护
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石油与天然气目前是我国的主要能源之一，由于开采地远离城市等需求地，所以油气的运输也是一个重要的问题。采用管道运输是目前实现油气长距离的最好方式，但一般油气管道会发生很严重的腐蚀问题。管道在无效保护的情况下，电流的通过会带来管道穿孔的风险，导致管道的消耗与维护大大增加^[1]。

在油气管道的保护中，强制阴极保护法的范围可达十几公里，并且排流量是可调的^[2]。阴极保护中的控制核心是恒电位仪，其本质上是一种直流稳压电源，常常应用于管道防腐蚀，也被应用于化工、海洋开发等方面，恒电位仪系统的优势在于可以实时地跟踪输出电流并维持被保护油气管道的电位^[3]。

目前，恒电位系统是油气管道阴极保护中重要的负反馈控制系统。但随着输电电压的升高、油田土壤变化等因素，恒电位系统对油气管道的保护中将面临处理很大的电流的工作情况，就要求设计的恒电位系统需要具有很大的功率。一般的恒电位仪在高压电场中的使用会受强电磁、温度等因素的影响从而产生参数丢失等问题，并且功率一般较小，可调节的输出电流较小。

针对这些问题，本文提出一种适应高压情况的大功率油气管道防腐蚀电源系统，并进行了仿真实验验证。

1、油气管道的阴极保护

目前应用的油气管道大部分采用金属材料，在长时间的使用中会产生不同程度的腐蚀，特别是埋地油气管道的腐蚀最为严重，情况严重时会导致油气管道在局部上的穿孔从而影响油气的运输。阴极保护是一种电化学防腐蚀方法，具体实施的方案分为牺牲阳极的阴极保护与强制电流(外加电源)阴极保护，根据实际的应用的结果发现强制电流阴极保护在方案的实施和防腐蚀的效果等方面都更好。埋地油气管道的阴极保护结构原理如图1所示，接电源正极的辅助阳极与接电源负极的被保护埋地管道构成一个保护回路，通过参比电极的电位反馈对电流输出进行调整进而达到保护埋地管道的目的。大部分埋地油气管道采取阴极保护都可以有效地解决埋地管道的腐蚀问题。

图1 埋地管道阴极保护结构示意图

2、大功率油气管道防腐蚀电源的设计

大功率油气管道防腐蚀电源的设计需要实现实时监控输出电流并将其与设定的参比电流进行比较从而得出反馈信号对输入电流进行控制，最终使得被保护的油气管道电位维持不变以实现管道防腐蚀的效果。电路的设计如图2所示，主要包括整流模块、H6桥逆变模块和控制模块，交流电压Ui输入经过桥式整流得到直流电压U1，U1再经过逆变桥后得到逆变输出电压U2，U2再经过RC滤波电路后得到输出电压U0，逆变桥通过直流电压前馈和电感电流双闭环SPWM控制^[4]。电路可以实现根据管道电流的大小进行负载电流快速自动跟踪。同时电路具有双向流通性，可以将管道电流反馈入电网中，以减少能源的消耗。

图2 大功率防腐蚀电源电路图

电流单闭环H6逆变电路，其控制方式为分组控制，S1、S2、S3、S4为一组，S5、S6为第二组，该电路通过桥式整流电路将输入的交流电压整流成为直流电，然后通过H6逆变电路将直流电逆变成为频率和幅值可调的交流电。图中D1和D2为高性能的电力二极管，主要是为逆变电路工作时提供续流回路，以保证交流电压输出。驱动逻辑图如图3所示。

图3 驱动逻辑

H6逆变电路采用SPWM调制，其实现方式为：将电路输出的电感电流il与参考电流信号iref比较后的误差信号进行PI调制得到外环电流信号iw，将外环电流iw和前馈采集电压u1进行调制得到内环误差信号，再将内环误差信号输送到比例控制器中得到调制信号ug。将调制信号ug同三角载波进行比较，以得到SPWM驱动信号。通过比较，得到的正半周的信号为开关管S1和S4的控制信号，负半周的信号则为开关管S2和S3的控制信号。将参考电流正弦信号和零信号相比得到开关管S5和S6的控制信号。

3、仿真结果及分析

利用Matlab/Simulink对本设计的大功率油气管道防腐蚀电源进行电路仿真实验，测试电源在不同参比电流下的工作情况，仿真结果如下：当设定参比等效电流为1A时，对电源电路进行仿真实验，得到的输出电流波形如图4所示，将输出电流波形放大如图5所示。

图4 输出电流波形

图5 输出电流放大波形

从图3和图4可以看出当参比等效电流为1A时，闭环控制系统输出电流约为0.98A，由此可见电源系统实现了自动跟踪管道感应电流，纹波峰峰值约为0.03A，稳态误差约为2%，动态响应时间约为0.001秒，因此具有较高的稳态精度和较快的动态响应。

当负载电阻设定为2Ω时，负载电阻电压如图5所示，输出电压波形放大后如图6所示。从图中可以看出负载电压稳定在1.95V左右，输出电压误差约为2%，输出电压动态响应较快。

图6 负载电压波形

图7 负载电压放大波形

当设定参比等效电流为50A时，对电源电路进行仿真实验，得到的输出电流波形如图8所示。当负载电阻设定为2Ω时，输出电压波形如图9所示。

图8 输出电流波形

图9 负载电压波形

对上列仿真波形图分析可知，输出电流在0-50A范围内电源系统都可以实现自动跟踪参比电流，且稳态误差和动态响应都很小，具有较快的动态响应和较高的稳态精度。

4、结语

通过仿真实验结果可看出，在设定不同的参比等效电流时，输出电流数值都可以达到与参比等效电流几乎相等，误差很小。证明本文设计的大功率油气管道防腐蚀系统能够对参比电流实现自动跟踪，使输出的负载电压维持在要求的数值上。电源的双向流动使管道中的杂散电流可以在高电压情况下通过电源进入电网中，从而达到电能消耗减少的目的。将设计的电源系统应用在油气管道的阴极保护中可以有效地防止管道的腐蚀并节约更多能源。

参考文献：

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[3]崔震.长输管道阴极保护装置的研究[D].西安石油大学,2019.

[4]于海坤,张斐,许建平.一种基于直流电压前馈控制的逆变电源设计[J].电气应用,2011,30(01):42-45.

赵铭洋.高压下大功率油气管道防腐蚀电源[J].化工管理,2019,(34):174-176.