Апробация методики энергоаудита катодных станций для защиты систем газораспределения на примере ОАО «Газ-Сервис»

Активная защита от электрохимической коррозии городских и сельских газораспределительных систем, как и магистральных газопроводов, осуществляется установками катодной защиты (УКЗ), которые включают в себя: станции катодной защиты, жертвенные аноды различных конструкций, катодные и анодные кабели и, непосредственно, участок защищаемого трубопровода с его пассивной защитой в виде изоляционного покрытия.

Общие потери мощности УКЗ состоят из «производительных» и «непроизводительных» потерь. Так называемые «производительные» потери – это естественные потери станции катодной защиты (СКЗ), равные 100% минус КПД СКЗ.

Коэффициент полезного действия СКЗ указан в паспорте заводом-изготовителем, причем, как показано в работе [9] КПД трансформаторных СКЗ снижается до 10% при нагрузке ниже 10% от номинальной (рисунок 1).

Рис. 1

Эти потери минимизируются путем рационального выбора типа и паспортной мощности СКЗ.

Непроизводительные потери включают в себя:

• потери в дренажных кабелях (цепь СКЗ - защищаемое сооружение и цепь СКЗ - анодное заземление). Эти потери минимизируются применением кабелей, удовлетворяющих требованиям нормативной документации;

• потери в контактных узлах установки катодной защиты. Эти потери минимизируются путем содержания контактных узлов УКЗ в нормативном состоянии.

• потери мощности, связанные с высоким сопротивления растеканию токов АЗ (рекомендуемое значение – не более 4 Ом для грунтов с удельным электрическим сопротивлением не более 100 ом м). Эти потери минимизируются путем ремонта или замены АЗ;

• потери от продольного сопротивления защищаемого сооружения (газопровода);

• потери мощности, связанные с увеличением выходного тока и напряжения СКЗ при ухудшении качества изоляционного покрытия газопровода. Эти потери минимизируются путем обеспечения высокого качества изоляционного покрытия защищаемого сооружения (газопровода).

Таким образом, основными причинами неэффективных потерь мощности и связанным с этим перерасходом электроэнергии являются:

• низкий фактический КПД станций катодной защиты в данных условиях эксплуатации. Причинами низкого КПД станций катодной защиты являются длительные сроки эксплуатации (устаревшая конструкция СКЗ), избыточная номинальная мощность СКЗ для данных условий эксплуатации (т.е. режим работы 10% и ниже от номинальной) [9];

• анодные заземлители, сопротивление растеканию токов которых превышает нормативную величину;

• неудовлетворительное состояние контактных соединений дренажных кабелей и контактных узлов СКЗ;

• ненормативный материал и сечение кабеля или высокое продольное сопротивление дренажных кабелей;

• потери электроэнергии, связанные с неудовлетворительным состоянием изоляционного покрытия газопроводов.

В отдельных случаях понизить расход электроэнергии можно также путем выведения отдельных установок катодной защиты в резерв без снижения эффективности электрохимической защиты объектов с последующим обследованием и дальнейшим контролем суммарных и поляризационных потенциалов по всем зонам защиты отключённых УКЗ. При отклонении потенциалов в любой точке от требований ГОСТ Р 51164-98, пп. 5.1, 5.8, [5] УКЗ, в зонах защиты которых выявлены эти участки, необходимо вернуть в работу с подбором выходных параметров СКЗ (тока и напряжения), обеспечивающих защиту объекта в соответствии с требованиями нормативной документации.

Для оценки эффективности работы установки катодной защиты в реальных условиях эксплуатации нами введено понятие условного коэффициента – «Комплексный показатель эффективности работы установки катодной защиты» (далее – Комплексный показатель эффективности). Комплексный показатель эффективности позволяет оценить, сколько процентов потребляемой активной мощности УКЗ расходуется собственно на защиту сооружения от коррозии в данных условиях эксплуатации.

Комплексный показатель эффективности рассчитывается для текущего состояния анодного заземления и текущего состояния изоляционного покрытия защищаемого сооружения, учитывая состояние дренажных кабелей, состояние контактных узлов УКЗ, продольное сопротивление защищаемого участка газопровода, режим работы СКЗ и её типа – трансформаторная или инверторная.

На сегодняшний день, при современном состоянии выпускаемых средств ЭХЗ и действующей нормативной документацией [5], удовлетворительным значением Комплексного показателя эффективности можно принять величину ≥ 60 % :

Кэ = Р полезная / Р активная х 100 %,

где:

Кэ - комплексный показатель эффективности работы установки катодной защиты в данных условиях эксплуатации, %;

Рполезная = Uвых х Iвых - полезная мощность, расходуемая по вторичной цепи УКЗ, в данных условиях эксплуатации, Вт.

Рактивная - активная мощность, потребляемая по первичной цепи УКЗ, в данных условиях эксплуатации, ВА. Эту величину можно получить двумя способами:

1) прямое измерение приборами, замеряющими активную составляющую потребляемой мощности (например, отечественный прибор для измерения показателей качества электроэнергии РЕСУРС-UF2M);

2) методом расчёта Рактивная = Uвх.д. х Iвх.актив., где Uвх.д. – действующее среднеквадратическое напряжение на входе СКЗ, замеренное при данных условиях эксплуатации, Iвх.актив. – активная составляющая тока первичной цепи, замеренная прибором, выделяющим из полного тока активную составляющую (например, клещи токовые измерительные AR5).

Значение Комплексного показателя эффективности работы УКЗ ≥ 60 % принято удовлетворительным по следующим соображениям:

1) КПД СКЗ принят равным ≥ 70 % в соответствии с требованиями действующей НТД, таким образом «допустимые потери» в катодной станции составляют до 30% [5].

2) дополнительные 10 % потерь приняты эмпирическим путем, на основании многолетнего опыта обследования средств ЭХЗ, эксплуатирующихся в СССР, РФ и странах СНГ. Эти потери обусловлены сопротивлением растеканию токов АЗ, продольным сопротивлением дренажных кабелей и продольным сопротивлением защищаемого участка трубопровода, сопротивлением контактных узлов.

Таким образом, целью энергоаудита УКЗ является комплексная оценка полезной (производительной) мощности, расходуемой непосредственно на защиту участка трубопровода, оценка непроизводительных потерь мощности, выявление причин этих потерь и назначение мероприятий, устраняющих их.

По результатам энергоаудита разрабатываются энергосберегающие мероприятия.

Существуют три основных способа снижения энергопотребления УКЗ:

• исключение нерационального использования средств ЭХЗ – вывод УКЗ в резерв;

• устранение потерь – приведение параметров элементов УКЗ (дренажных кабелей и анодных заземлений) к нормативным;

• повышение эффективности преобразования путём использования СКЗ с более высоким КПД;

Для повышения энергетической эффективности средств электрохимической защиты рекомендуется выполнить следующие мероприятия:

Беззатратные и низкозатратные:

• произвести ревизию контактных соединений дренажных кабелей УКЗ, привести их в нормативное состояние. Выявить контактные узлы с высоким омическим сопротивлением (> 0,05 Ом), очистить их от продуктов окисления, восстановить надежный электрический контакт и предусмотреть меры, препятствующие окислению данных контактов;

• вывести в резерв УКЗ в случаях, где это возможно без потери обеспечения защитных потенциалов во всех точках защищаемого газопровода, согласно нормативным требованиям ГОСТ Р 51164-98 п. 5.1, п. 5.8 [5].

Среднезатратные мероприятия:

• дренажные кабели привести в состояние, соответствующее требованиям НТД: катодный дренаж - кабель из меди, сечением не менее 35 мм2 [5].

Высокозатратные мероприятия:

• заменить станции катодной защиты с низким КПД на станции катодной защиты с высоким КПД во всём диапазоне работы и оптимальной мощности в соответствии с условиями эксплуатации;

• произвести капитальный ремонт либо заменить анодные заземлители, сопротивление растеканию токов которых превышает 4 Ом. Тип, конструкцию и материалы анодных заземлений выбирать в соответствии с условиями эксплуатации, что позволит уменьшить значение сопротивления растеканию токов анодного заземления;

• произвести диагностику состояния изоляционного покрытия газопроводов, восстановить изоляционное покрытие газопроводов в местах обнаружения дефектов изоляционного покрытия. Выполнение данной рекомендации возможно в рамках проведения работ по комплексному обследованию коррозионного состояния газопровода.

По результатам составленного плана производится расчет экономической эффективности мероприятий по снижению энергозатрат при обслуживании установок ЭХЗ, который выполняется следующим образом:

1) Определяется количество средств ЭХЗ, рекомендуемых к оптимизации по каждому из видов затрат;

2) Определяется среднестатистическая стоимость выполнения работ:

• ревизия контактных соединений - 0 рублей (в порядке текущей эксплуатации);

• выведение УКЗ в резерв - 0 рублей (в порядке текущей эксплуатации);

• ревизия и замена дренажного кабеля – от 5 000 до 20 000 рублей за 1 дренажный кабель (Зn 1);

• замена СКЗ – от 70 000 до 200 000 рублей за 1 СКЗ (Зn 2);

• замена АЗ – от 300 000 до 500 000 рублей за 1 анодный заземлитель (Зn 3).

Все расценки приведены по ценам 2013 года.

3) Определяется примерное снижение затрат на электроэнергию за определённый период (рекомендуемый – год) при выполнении мероприятий:

• для мероприятия «Ревизия контактных соединений» экономия Э1 определяется из расчета снижения потребляемой за год мощности – от 0 до 5 %;

• для мероприятия «Ревизия дренажного кабеля» экономия Э3 определяется из расчета снижения потребляемой за год мощности – от 0 до 10 %;

• для мероприятия «Вывести в резерв УКЗ» экономия Э2 = Pактив х Сэл.эн. х Т, где Pактив – потребляемая по первичной цепи активная мощность выводимой в резерв СКЗ, Сэл.эн. – стоимость электроэнергии, Т – период расчёта экономии, часов;

• для мероприятия «Замена СКЗ» экономия Э4 определяется как разница в потребляемой за год мощности работающей и рассчитанная на основании паспортных характеристик потребляемая за год мощность устанавливаемой СКЗ:

Э4 = (Pактив.раб. – Pактив.нов.) х Сэл.эн. х Т, где Pактив.раб. – потребляемая по первичной цепи активная мощность подлежащей замене работающей СКЗ, Pактив.нов. – потребляемая по первичной цепи активная мощность новой СКЗ. Расчет выполняется для текущего режима работы УКЗ.

Срок окупаемости мероприятия определяется путем деления затрат на выполнение мероприятия на годовую экономию электроэнергии по мероприятию в денежном выражении:

Ссрок окупаемости = Зn / Эn.годовая ,где

Зn – затраты на выполнение n-го мероприятия;

Эn.годовая – годовая экономия электроэнергии (в денежном выражении) после выполнения n-го мероприятия.

Эгодовая = Э1 + Э2 + Э3 + Э4.

Зn годовая = Зn1 + Зn2 + Зn3.

Используя вышеприведенную методику, нами в 2013 году был проведен энергоаудит 2 % СКЗ случайной выборки, эксплуатируемых в системе ОАО «Газ-Сервис».

На рисунке 2 приведена структура обследованных СКЗ по мощности.

Рис. 2

По результатам проведенного обследования были сделаны следующие выводы:

1. Все обследованные УКЗ (193 шт.) находятся в рабочем состоянии и обеспечивают защиту газопроводов в соответствии с требованиями нормативной документации.

2. Блуждающие токи на всех обследованных УКЗ не выявлены.

3. Из числа обследованных станций катодной защиты, обеспечивающих электрохимическую защиту прилегающих участков газопроводов, 144 СКЗ (или 74,61 %) работают в режимах неэкономичного и нерационального использования электрической энергии.

4. Из числа обследованных анодных заземлителей 88 АЗ (или 45,6 %) не соответствуют требованиям нормативной документации по сопротивлению растеканию токов [5]. Ненормативное сопротивление растеканию токов анодного заземлителя приводит к увеличению расхода электрической энергии при электрохимической защите газопроводов.

5. Из числа обследованных установок катодной защиты на 17 УКЗ (или 8,8 %) в порядке текущей эксплуатации необходимо произвести ревизию контактных узлов СКЗ и произвести замеры сопротивления кабельных линий УКЗ.

6. Из числа обследованных установок катодной защиты 40 УКЗ (или 20,7 %) возможно вывести в резерв без снижения уровня защищенности газопроводов от подземной коррозии. После вывода установок катодной защиты в резерв необходимо произвести замеры суммарных и поляризационных потенциалов по всем зонам защиты этих УКЗ. В случае обнаружения участков газопроводов с потенциалами, не удовлетворяющими требованиям ГОСТ Р 51164-98, п. 5.1, 5.8, [5] УКЗ, в зонах защиты которых выявлены эти участки, вернуть в работу.

7. Из 23 СКЗ с самым высоким комплексным показателем эффективности УКЗ более половины (14 шт.) – типа СКЗ-УПГ. Таким образом, можно судить об СКЗ-УПГ как о наиболее приемлемом оборудовании для решения задач максимальной экономии электроэнергии и эффективности защиты объектов.

Самые высокие комплексные показатели эффективности УКЗ – на установках, в которых СКЗ работает в режиме, выше 40% от номинальной мощности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный закон от 21.07.97 г. № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов»

2. Федеральный закон от 27.12.2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании»

3. Федеральный закон Российской Федерации «Об энергосбережении» № 28-ФЗ от 3 апреля 1996 г.

4. Федеральная целевая программа «Повышение эффективности энергопотребления в Российской Федерации на 2008-2010 гг. и на перспективу до 2015 года»

5. ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии»

6. ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС «Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии»

7. РД 153.39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии»

8. СТО Газпром 2-1.20-114-2007 «Методика энергоаудита газотранспортной системы»

9. А. Г. Семенов, Л. П. Сыса, «Что такое электрохимическая защита и как выбрать катодную станцию», «Новости теплоснабжения» № 10, 2004 г.

Наверх