Автор: Н.Г. Кириллов (ООО «НПО «Санкт-Петербургская электротехническая компания»).
Опубликовано в журнале Химическая техника №6/2016
В настоящее время известно достаточно много способов защиты металлов от коррозии, которые условно можно разделить на две большие группы: пассивная защита, основанная на изменении свойств металла (легирование) или создании защитного покрытия, и активная электрохимическая защита, когда коррозия металла идет по электрохимическому механизму.
Больше всего коррозии электрохимического вида подвержены подземные газопроводы среднего и высокого давления. Статистика показывает, что причиной каждой третьей аварии на проложенном в грунте трубопроводе является электрохимическая коррозия. Последствия данной коррозии могут быть разнообразными: от нанесения прямого экономического ущерба, связанного с потерей добываемого или транспортируемого продукта, до крупных техногенных и экологических катастроф. В связи с этим в отраслях нефтегазового комплекса, занимающихся транспортировкой сырья, надежной антикоррозийной защите уделяется особое внимание. Как правило, места, где имеются нарушения изоляции, являются наиболее уязвимыми – именно здесь трубопроводы подвержены коррозии под действием блуждающих токов.
Для предотвращения серьезных разрушений и аварийных ситуаций в качестве электрохимической защиты магистральных трубопроводов используется катодная защита. Катодная защита широко применяется для борьбы с коррозией трубопроводов и газопроводов в грунте как дополнительное средство защиты к изоляционному покрытию путем присоединения к защищаемой металлической поверхности трубопровода отрицательного полюса источника постоянного тока; при этом положительный полюс должен присоединяться к специально устанавливаемым анодам. Этот способ защиты в последнее время становится все более актуальным, так как большая часть магистральных газопроводов уже выработали свой ресурс, вследствие чего качество их изоляционного покрытия существенно снизилось.
Безусловно, кроме газовой промышленности, проблемы защиты от коррозии актуальны и для нефтяной отрасли России. Так, по данным АК «Транснефть», скорость коррозии нефтяных трубопроводов составляет 0,2…1,6 мм/год. Исследования показывают, что скорость коррозии металла нефтяных резервуаров составляет 1…2 мм/год.
К основным требованиям катодной защиты подземных трубопроводов относятся непрерывность во времени и обеспечение катодной поляризации на всем протяжении и по всей поверхности трубопровода. Электрохимическая защита магистральных трубопроводов и других металлических поверхностей обеспечивается за счет размещения на них станций катодной защиты (СКЗ), в состав которой входят источник электроснабжения, преобразователь, анодное заземление, линии постоянного тока, неполяризующийся электрод сравнения длительного действия и контрольно-измерительный пункт.
В качестве источника электроэнергии может быть централизованная сеть или автономный источник энергии.
На рис. 1 представлена схема типовой станции катодной защиты с источником энергии от централизованной сети.
Рис.1. Катодная защита для подземных трубопроводов
В настоящее время на магистральных газопроводах эксплуатируются около 20 000 СКЗ различных модификаций, при этом более 75% СКЗ установлены в северных регионах РФ. Поскольку СКЗ располагаются вдоль магистральных газопроводов, многие из них не имеют связи с централизованной электросетью, и для постоянного обеспечения электроэнергий такие СКЗ должны иметь автономные источники энергии, от надежности работы которых зависит эффективность электрохимической защиты трубопроводов.
В настоящее время в качестве источников электроэнергии для СКЗ магистральных газопроводов используют несколько типов энергоустановок, к основным из которых относятся:
- дизель-генераторы, работающие на дизельном топливе;
- паротурбинные установки замкнутого цикла на природном газе;
- газопоршневые установки, работающие на природном газе;
- термоэлектрогенераторы (эффект Пельтье) на природном газе.
В качестве перспективных направлений развития систем автономного энергоснабжения для станций катодной защиты рассматриваются также энергоустановки на основе ветроэлектрогенераторов, фотоэлектрогенераторов, двигателей Стирлинга и электрохимических генераторов (топливные элементы).
Названные энергоустановки по принципу действия существенно отличаются друг от друга. Но мир техники при массовом производстве и внедрении того или иного образца одинакового функционального назначения не терпит многообразия. Рано или поздно в нефтегазовой отрасли в качестве основного будет выбран один из названных типов энергоустановок.
Основные технические характеристики различных стационарных энергоустановок мощностью до 10 кВт
|
Показатель |
Источник энергии | ||||
| Двигатель Стирлинга | Бензиновый двигатель | Дизельный двигатель | Газотурбинный двигатель | Топливные элементы | |
| Стоимость 1 кВт установленной мощности, тыс. дол. США/кВт | 1,5…3,5 | 0,4…1,5 | 0,6…2,5 | 3…3,5 | 8…12 |
| Эффективный КПД, % | 25…35 | 15…18 | 15…26 | 20…30 | 22…40 |
| Снижение КПД при нагрузке 50% | Практически отсутствует | На 20-25% | На 20-25% | В 3 раза | (?) |
| Вид топлива | Многотопливный | Бензин АИ-92 | Дизельное топливо | Природный газ | Водород |
| Замена масла | Отсутствует | Через 100 ч | Через 100 ч | Отсутствует | Отсутствует |
| Уровень шума, дБ | 60…65 (1 м) | 70…77 (7…15 м) | 80…94 (7…15 м) | Свыше 90…100 | 60 (1 м) |
| Моторесурс, тыс. ч | До 80 | До 5 | До 25 | До 30 | 2…6 |
| Падение мощности при истечении моторесурса, % | До 5 | 5-10 | 5-10 | До 15 | До 80 |
Требования к перспективным источникам автономного энергоснабжения для станций катодной защиты
Климатические условия Севера характеризуется низкими отрицательными температурами, шквальными ветрами, снежными заносами, обледенением. После длительной (до 9 месяцев) полярной ночи наступает короткое лето, которое характеризуется сильными туманами (п/о Ямал и другие регионы). Полярные ночи, туманы, высокая обводненность и заболоченность, сильное обледенение и снежные заносы затрудняют эксплуатацию СКЗ.
Специфические особенности эксплуатации СКЗ, к которым можно отнести затруднение (а иногда и невозможность) периодического контроля, обслуживания и выполнения ремонтных работ, особенно в северных регионах РФ, определяют требования, которые следует выполнять при разработке и проектировании систем автономного энергоснабжения СКЗ магистральных трубопроводов, способных надежно работать в жестких погодных условиях без обслуживания.
Исходя из указанных условий эксплуатации, к источникам автономного энергоснабжения для СКЗ предъявляются следующие требования:
- высокий ресурс энергоустановки. Чем больше жизненный цикл (срок до капитального ремонта), тем требуется меньшее число замен энергоустановок;
- обеспечение высоких энергетических показателей (эффективный КПД). Чем выше КПД, тем меньше расход топлива;
- невысокая стоимость энергоустановки и эксплуатации.
Капитальные затраты на приобретение энергоустановки должны обеспечивать конкурентоспособность относительно альтернативных вариантов;
- возможность работы на энергоносителях, транспортируемых по трубопроводам. Это – одно из важнейших требований, поскольку оно позволяет значительно снизить расходы на доставку топлива для энергоустановки;
- обеспечение работы в диапазоне мощности 1…10 кВт. Энергоустановка должна обеспечивать возможность регулировать выдаваемую мощность при незначительном изменении КПД;
- незначительные массогабаритные характеристики (размеры и масса). Чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.
В таблице приведены основные технические, энергетические и экономические показатели различных типов энергоустановок, которые могут быть использованы в качестве источников энергии для СКЗ магистральных газопроводов. Анализ данных показателей свидетельствует, что в настоящее время всем требованиям, предъявляемым к источникам энергии для СКЗ, в полной мере удовлетворяют только энергоустановки на основе двигателей Стирлинга.
Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм уже начато серийное производство двигателей Стирлинга мощностью 1…100 кВт, технические характеристики которых уже сейчас значительно превосходят аналогичные параметры двигателей других типов (двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные установки и др.).
Достигнутые в настоящее время КПД лучших зарубежных образцов двигателей Стирлинга в рассматриваемом диапазоне мощности (даже при умеренных температурах нагрева 600…700°С) представляются весьма внушительными (до 45%), ресурс составляет около 80 000 ч, уровень шума 60…65 дБ на расстоянии 1 м, а стоимость соответствует стоимости современных дизелей.
В связи с этим можно с уверенностью сказать, что создание СКЗ на основе энергоустановок с двигателями Стирлинга уже в ближайшее время станет одним из прорывных, инновационных проектов в области эксплуатации и электрохимической защиты магистральных трубопроводов.
Двигатель Стирлинга
В настоящее время двигатель Стирлинга рассматривается как «двигатель XXI века», обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на разных топливах, большой ресурс, сравнимые с двигателями внутреннего сгорания размеры и масса – все эти характеристики определяют современный уровень двигателей Стирлинга.
В связи с тем, что двигатели Стирлинга относятся к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), процесс горения топлива в них осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно.
Это исключительное свойство позволяет применять в двигателях Стирлинга любые виды топлива, как традиционные (нефтепродукты, природный газ и др.), так и нетрадиционные (например, древесину, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства). Возможно также использование солнечной и любых других видов энергии.
Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередующихся циклах нагрева и охлаждения газа в закрытом цилиндре. Рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя и плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.
Конструктивно машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств (нагреватель, регенератор, холодильник), образующих внутренний контур с рабочим газом, который перемещается между «холодной» частью (обычно находящейся при температуре окружающей среды) и «горячей» частью. На рис. 2 представлена компоновочная схема двигателя Стирлинга.
Отечественный опыт создания контейнерных энергоустановок на основе двигателей Стирлинга и перспективы их применения для СКЗ
Необходимо отметить, что в настоящее время в РФ уже имеется первый опыт создания энергетических установок на основе двигателей Стирлинга, работающих на газовых видах топлива. Так, под руководством автора была разработана оригинальная конструкция контейнерной электростанция с двигателем Стирлинга (рис. 3).
В процессе выполнения и реализации проекта пришлось впервые решать сложные научно-технические вопросы, связанные с проектированием многих узлов контейнерной электростанция с двигателем Стирлинга.
Это связано с тем, что энергоустановки с двигателем Стирлинга для работы на угольном метане использовались впервые не только в России, но и в мире.
В качестве двигателя Стирлинга использовалась зарубежная модель энергетической установки SOLO Stirling 161 CHP (рис. 4)
Электронная система управления энергоустановки позволяет постоянно контролировать несколько параметров двигателя, по которым можно отслеживать изменения теплотворной способности топлива. В соответствии с этими изменениями происходит корректировка работы двигателя Стирлинга так, чтобы обеспечить его устойчивую работу на газе любого состава. Мощность двигателя может варьироваться от номинальной (10 кВт) до 2 кВт, т.е. мощность может быть уменьшена в 5 раз, при этом КПД падает только на 2%. В связи с этим энергоустановки с двигателем Стирлинга идеально соответствуют требованиям к источникам автономного энергоснабжения катодных станций, поскольку применение этих установок позволяет использовать напрямую как транспортируемый трубопроводный природный газ, так и метан из скважины.
Контейнерная электростанция была выполнена как система высокой заводской готовности. Изготовленная в Санкт-Петербурге контейнерная электростанция с двигателем Стирлинга была доставлена на место ее эксплуатации – опытный полигон по добыче угольного метана (рис. 5).
Положительные результаты проведенных натурных испытаний энергетической установки с двигателем Стирлинга контейнерного типа уже сегодня позволяют приступить к созданию станций катодной защиты с автономным источником энергии на основе двигателей Стирлинга.
В настоящее время под руководством автора осуществляется разработка концепции создания автономного источника энергии для СКЗ на основе когенерационной установки (КГУ) малой мощности (до 10 кВт) с двигателем Стирлинга, в том числе и с двигателем отечественного производства. Концепция когенерационной установки с двигателем Стирлинга позволит добиться высокой эффективности использования топлива – до 90% потенциальной энергии топлива – за счет комбинированного производства электроэнергии и тепловой энергии для обогрева станции катодной защиты в условиях эксплуатации в северных регионах РФ.
Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга эти потери составляют соответственно 10% и 40%, соответственно, что с учетом более высокого КПД самого двигателя позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки. КПД современных зарубежных когенерационных установок на основе двигателей Стирлинга с учетом использования теплоты системы охлаждения двигателя может достигать 95%.
Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью 1…50 кВт, производство высокоэффективных двигателей Стирлинга является наиболее перспективным направлением в развитии отечественного машиностроения. Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем 40-летнего опыта серийного производства криогенных машин Стирлинга, высокого научно-технического потенциала отечественной науки в области проектирования машин Стирлинга, Российская
Федерация может занять лидирующее положение в мире по производству новой, конкурентоспособной и востребованной на внешнем рынке машиностроительной продукции.
В настоящее время ведется разработка энергетической установки на основе отечественного двигателя Стирлинга мощностью 5 кВт, эскизный проект которого представлен на рис. 6. В данном проекте для уменьшения массогабаритных показателей предполагается использовать электрогенератор на постоянных магнитах.
Успешное завершение данного проекта позволит оснащать современные станции катодной защиты автономными источниками на основе высокоэффективных отечественных двигателей Стирлинга, работающих на перекачиваемом магистральном природном газе (рис. 7).
