長輸埋地油氣管道陰極保護裝置供能系統

黃 平，周英鋼，王志超，于光平

(沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110870)

長輸埋地油氣管道陰極保護裝置供能系統

黃 平，周英鋼，王志超，于光平

(沈陽工業大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽110870)

針對鋪設在偏遠地區長輸埋地油氣管道陰極保護裝置供電難的問題，研究了太陽能對鉛蓄電池的充電機制及管道保護的相關原理，設計了太陽電池板充放電控制自主供能系統。測試結果表明，該系統對太陽電池板能量利用效率高，逆變輸出帶載波形穩定、無失真，達220 V±6%，可自主識別管地電位以切換管道陰極保護裝置(恒電位儀等)至休眠或工作狀態，有效避免該區域管道承受雜散電流腐蝕風險。

油氣管道；太陽電池板；管地電位；陰極保護裝置

長輸埋地油氣管道延伸長度遙遠，穿越地理環境復雜，延長管線壽命、維護管道運行安全相關措施必不可少，意義重大。特別地，當管道所處外部電磁環境干擾強烈時，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導致管地電位負偏移，形成堿性環境，進而在管道表面產生防腐層剝離現象，反之，在電流流出管道位置會造成管道腐蝕，管地電位偏正，產生漏油、爆炸等嚴重后果[1－2]。目前，國內外針對油氣管道的保護措施主要采取外加直流的陰極保護，如恒電位儀等[3－4]，可極大減緩管道發生腐蝕的速率，唯一缺點是需要帶電工作，而長輸油氣管道大部分管線處于偏遠地區，供電困難，陰極保護裝置無法得到有效利用，使該處管道處于腐蝕和防腐層陰極剝離的狀態[5－9]。

本文主要針對長輸埋地油氣管道偏遠地區管線保護系統(恒電位儀、排流裝置等)供電難度大等問題，設計了通過太陽電池板自主供能和識別當前管道被保護狀態的監測系統，使得太陽電池板能量對蓄電池進行智能充電，無需人工干預，并將蓄電池電壓逆變為市電以結合恒電位儀等陰極保護裝置使用，確保偏遠區域管線得到更加有效的陰極保護，避免管道承受雜散電流干擾腐蝕的風險和防腐層剝離帶來的安全隱患。系統具體工作示意圖如圖1所示。

圖1 整機系統工作示意圖

由圖1可見，整機系統主要由太陽電池板、充放電控制裝置、鉛蓄電池及逆變系統組成，通過將太陽電池板能量轉換成市電以保證偏遠地區管線陰極保護裝置正常運行。

1 太陽能充放電控制裝置

太陽電池板隨著外部光照的變化會出現輸出電壓不穩定的現象，有效控制電池充電電壓和電流的平穩性，以保護電池正常工作是至關重要的。

1.1 太陽能充放電控制裝置結構組成

本系統中太陽能充放電裝置采用單片機與工業級大屏幕中文液晶作為控制，功耗低，人機界面良好，所有運行參數實時在同一界面上以圖形和數據形式顯示，有利于工作人員對數據進行讀取和分析，并添加了充電/放電安時計數以及溫度測量功能。該充放電裝置具體組成結構如圖2所示。

圖2 太陽能充放電控制系統組成框圖

由圖2可知，通過對過壓、過流以及外界環境溫度過高進行檢測，可適時關閉充放電開關，斷開大電流回路，并自動報警，同時在液晶屏上中文提示故障類型，報警和保護功能還可以設置成打開或關閉模式。

1.2 太陽能充放電檢測與控制電路

該充放電裝置檢測與控制電路主要由微控制器控制充放電開關，結合采樣得到的充放電電壓、電流模擬量值進行相應運算處理結果，以控制充放電開關開啟或閉合，達到自動充放電的目的。

如圖3所示，Energy端為太陽電池板供電口，LOAD端為負載輸出口。

圖3 太陽能充放電控制裝置檢測與控制主電路

系統采用低導通內阻P溝道場效應管IRF4905作為充放電開關，通過高速三極管2N5551驅動場效應管關斷和閉合。所設置最大充放電電流為6.5 A，輸入電壓測量范圍為0～36.2 V，蓄電池電壓(輸出電壓)測量范圍為0～19.8 V，可接入28 V/80 W電池板。同時，輸出端設計有防反接二極管MBR2545(壓降小于0.5 V)，可以直接與其他電源輸出端并聯,也可避免太陽電池電壓低于蓄電池電壓時電流反向回流燒壞電池板。

2 太陽能逆變裝置

埋地油氣管道陰極保護裝置恒電位儀由于供電難問題無法保障偏遠地區管線運行安全，系統太陽能逆變裝置以12 V鉛蓄電池為供電源，經DC-AC逆變為220 V交流市電，效率大于70%，功率大于40 W，可保障偏遠區域恒電位儀正常使用。

2.1 太陽能逆變裝置系統組成

逆變裝置主要通過協調控制可控開關關斷、導通兩種狀態達到逆變功能，基于正弦脈寬調制SPWM信號驅動“H”橋式開關電路輸出交流信號，結合環牛變壓器升壓為220 V交流市電，給恒電位儀供電使用。詳細電路組成如圖4。

圖4 逆變裝置系統組成框圖

為精準逆變出50 Hz交流電，圖4中主控電路通過自帶PWM調制器，實時改變占空比，輸出標準SPWM信號，摒棄以往基于定時器輸出且需進行頻率跟蹤等復雜環節。為防止逆變系統中半橋上下兩個開關器件同時導通導致過流燒壞元件，通常設置一定的死區時間，輔助電路主要包含死區控制電路，一般，死區時間需隨負載功率的增大而延長。

2.2 逆變橋電路

逆變橋開關管的導通及關斷時間、導通內阻、導通壓降等參數影響著整體逆變效果，本裝置選擇一款導通和關斷時間僅11 ns、39 ns的N溝道MOS管IRF540作為主要開關器件，結合一系列保護電路、驅動電路，可逆變出幾近無失真的標準正弦波，供給負載。圖5為逆變橋整體電路設計結構。

圖5 逆變橋整體設計電路

圖5中，IN1、IN2、IN3、IN4為死區時間控制電路輸出，逆變橋驅動電路基于IR2110高壓側懸浮驅動功能，可有效隔離數字量與模擬量，最高工作頻率達500 kHz，而逆變器最高開關頻率(載波頻率)僅5 kHz。

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

另外，開關管頻繁通斷會產生較高熱量，影響系統逆變效率，當熱量無法及時散出，也有可能會燒壞開關管，因此在開關管兩端有必要加入RC泄放回路，將開關管結電容電壓吸收，維持開關管工作溫度。

2.3 采樣電路

為有效穩定逆變輸出交流信號，形成閉環系統，需對輸出220 V交流信號進行采樣。本系統采樣電路基于運放將交流信號全波整流為直流信號，避免基于整流橋帶來的交越失真。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交流信號經R4、R9分壓后傳輸至后級電路，U1作為電壓跟隨器提高信號帶載能力。設U1、U3輸出信號分別為，當處于正半周時，D1截止、D2導通，U2輸出信號大小為－2，此時；當處于負半周時，D1導通、D2截止，反饋電阻R1無反饋電流，故U2無信號輸出，因此。綜上，交流正弦信號輸入至采樣電路后，輸出為全波整流信號，且無失真。

3 實驗與數據分析

3.1 充放電控制裝置實驗

以可調恒壓源模擬太陽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，設置初始充電電壓為12 V，以1 V為步長逐漸增加輸入電壓至20 V，得到充放電電流數據如表1所示。

表1 充放電控制裝置充電數據

從表1中數據可知，系統設定太陽能對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，為方便有效供能，采用雙電池切換充放電措施，有效延長電池工作壽命。

3.2 逆變裝置實驗

逆變裝置輸出接入負載后波形穩定無失真可衡量該裝置的可靠性與實用性，通過調節電感、電容等濾波參數，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定，基本無失真，實測輸出電壓有效值為214 V，符合誤差允許范圍。

4 結論

(1)基于低功耗大屏幕液晶的太陽能控制裝置可實時監測系統當前充放電狀態，有效保護了太陽電池板及負載電路，保障供能系統穩定運行；(2)逆變裝置可輸出220 V±6%、50 Hz標準正弦波，帶載之后輸出波形穩定、無失真，方便與陰極保護裝置(恒電位儀等)連接供電；(3)整機供電控制系統具有體積小、方便攜帶、功耗低等優點，可延偏遠區域長輸埋地油氣管道多點獨立放置，無需人工干預，實現管道自主保護，可推廣應用。

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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，主要研究方向為精密測量與控制、電力電子技術、油氣管道無損檢測技術。