Способ использования системы катодной защиты с внешним током для питания электрических устройств

(51) 23 13/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Описан способ использования системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ), которая подает электрический ток так, чтобы потенциал металлической конструкции (10) относительно грунта был отрицательным и составлял от 0,5 до 1,5 В, для того чтобы запитывать одно или более электрических устройств (5). Согласно указанному способу обеспечивают одно или несколько электрических устройств (5), каждое из которых содержит пару электрических контактов (1,2) соединяют один электрический контакт (1) каждого электрического устройства с конструкцией и соединяют другой электрический контакт (2) каждого электрического устройства с грунтом, тем самым подают электроэнергию на каждое электрическое устройство. Предпочтительно,электрические устройства (5) снабжены одним или несколькими силовыми преобразователями (6) постоянного напряжения, который выполнен с возможностью усиления входного напряжения,составляющего от 0,5 до 1,5 В, до выходного напряжения, составляющего от 3 до 5 В.(73) ШЕЛЛ ИНТЕРНЭШНЛ РИСЕРЧ МААТСХАППИЙ Б.В.(74) Шабалина Галина Ивановна Шабалин Владимир Иванович Кучаева Ирина Гафиятовна(54) СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ С ВНЕШНИМ ТОКОМ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Изобретение касается способа использования системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ) для снабжения энергией одного или нескольких электрических устройств. Катодная защита обычно применяется для защиты от коррозии морских, подземных и других подверженных коррозии металлических конструкций. Эти конструкции могут представлять собой цистерны для хранения воды, газопроводы,опоры нефтепромысловой платформы,железнодорожные пути и многие другие металлические установки,подвергающиеся воздействию коррозионной среды. Если металлические трубопроводы,нефтепроводы, цистерны или другие металлические конструкции расположены под землей и/или под водой, характеристики почвы и/или воды, такие как содержание соли, электропроводность и пористость,оказывают коррозионное воздействие на конструкцию, в результате чего металл переходит в окружающую почву или воду. Металлические конструкции могут быть защищены от коррозии или с помощью использования системы расходуемого анода,в которой более активный в электрохимическом ряду металл по сравнению с металлом конструкции, используется в качестве расходуемого анода, или с помощью использования системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ),в которой электрический ток подают на заглубленный анод , что сообщает металлической конструкции отрицательный потенциал относительно окружающей среды. Электрический ток для системы КЗВТ может подавать одно или несколько трансформаторных/выпрямительных устройств,которые могут подводить постоянный ток, силой до 100 А при напряжении менее 1,3 В. Обычно напряжение поддерживается на уровне менее 1,3 В для того, чтобы препятствовать образованию водорода в воде и/или углеводородов вне и/или внутри конструкции, так как полученный водород также будет вступать в реакцию с металлом конструкции и, тем самым будет являться причиной водородной хрупкости конструкции. В патенте 6 715 550 и европейском патенте 1252416 описано, как подавать низковольтный переменный ток или низковольтный постоянный ток по эксплуатационной насосно-компрессорной колонне или обсадной колонне в скважине к одному или нескольким скважинным электрическим устройствам. Тем не менее, до настоящего времени считалось невозможным использовать электрическую энергию с напряжением менее 1,3 В, полученным от системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ), для подачи энергии к одному или нескольким электрическим устройствам. Цель настоящего изобретения состоит в том,чтобы предложить способ отвода электрической энергии от электропроводящей конструкции,которая защищена от коррозии с помощью системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ), так чтобы одно или более электрических устройств запитывались электрической энергией, отведенной от системы КЗВТ. Это подразумевает отказ от использования (длинных) электрических кабелей или использования генератора, фотоэлементов,динамо-машин, приводимых в действие ветром и так далее. Согласно изобретению, предложен способ использования системы катодной защиты с внешним током, которая подводит электрический ток, с тем, чтобы металлическая конструкция имела отрицательный потенциал относительно грунта,чтобы запитывать одно или несколько электрических устройств, указанный способ включает в себя следующее- обеспечивают одно или более электрических устройств, каждое из которых содержит пару электрических контактов- соединяют один электрический контакт каждого электрического устройства с конструкцией и- соединяют другой электрический контакт каждого электрического устройства с грунтом, тем самым, подавая электроэнергию на каждое электрическое устройство. Система КЗВТ может подавать постоянный электрический ток на металлическую конструкцию при напряжении от 0,5 до 1,5 В и силе тока в диапазоне от 1 до 150 А. Предпочтительно, чтобы одно или более электрических устройств содержало силовой преобразователь постоянного напряжения, который предназначен для преобразования электрической мощности в случае, когда электрический потенциал между электрическими контактами составляет от 0,5 до 1,5 В постоянного тока. Предпочтительно,чтобы силовой преобразователь постоянного напряжения являлся силовым преобразователем с коммутируемыми конденсаторами и работал в качестве усилителя напряжения, который на выходе генерирует напряжение от 3 до 5 В, если на входе разность потенциалов между электрическими контактами составляет от 0,5 до 1,5 В постоянного тока. По меньшей мере, одно электрическое устройство может быть снабжено аккумуляторной батареей,которая обеспечивает пусковое напряжение менее 500 мВ постоянного тока. Конструкция может быть использована для передачи данных в одну сторону или в две стороны,с помощью модуляции тока нагрузки электрической энергии, предаваемой через конструкцию, при этом ток нагрузки модулируют с помощью технологий модуляции постоянного тока нагрузки, частотной модуляции нагрузки, амплитудной модуляции нагрузки,импульсной модуляции нагрузки,внутриимпульсной линейной частотной модуляции нагрузки и/или сверхширокополосной модуляции нагрузки. Конструкция может образовывать часть стальной или другой металлической системы добычи нефти и/или газа, а данные включают в себя информацию от датчиков, такую как давление на устье скважины или давление в скважине, добывающей нефть и/или 24305 газ, температуру, поток флюида и/или песка,коррозионное и/или катодное защитное напряжение. Стальная конструкция или конструкция из другого металла может содержать один или более стальных трубопроводов, которые расположены у поверхности земли или рядом с ней, например,модуль из заглубленных и/или подводных трубопроводов, стальной контейнер для хранения флюида, морскую эксплуатационную платформу для добычи нефти/или газа и/или железнодорожные пути. Множество электрических устройств могут быть соединены с конструкцией и можно устанавливать очередность потребления электрической энергии устройствами и управлять этим потреблением, так,чтобы общая электрическая нагрузка для системы катодной защиты с внешним током поддерживалась на уровне, меньшем заранее заданного максимума. Эти и другие признаки, достоинства и варианты осуществления способа,соответствующего изобретению описаны в приложенной формуле изобретения, реферате и последующем подробном описании предпочтительных вариантов осуществления способа,соответствующего изобретению, со ссылками на приложенные чертежи. Фиг. 1 - схематический вид, показывающий заглубленный металлический трубопровод, который защищен от коррозии системой катодной защиты с внешним током (КЗВТ), внешний ток которой используется для снабжения энергией электрического устройства через силовой преобразователь постоянного напряжения фиг. 2 - вид, показывающий электрическую схему первого варианта осуществления силового преобразователя постоянного напряжения,показанного на фиг. 1 и фиг. 3 - вид, показывающий электрическую схему второго варианта осуществления силового преобразователя постоянного напряжения,показанного на фиг. 1. На фиг. 1 показан стальной трубопровод 10,который заглублен вдоль значительной части своей длины в грунт 11 и сторона впуска которого соединена с выпускной трубой 12 устьевого оборудования 13 скважины 14, добывающей нефть и/или газ, с помощью первого электрического изолятора 15, а сторона выпуска которого соединена с установкой 16 обработки и/или распределения нефти и/или газа с помощью второго электрического изолятора 17. И скважина 14 и производственная установка 16 соединены с грунтом 11, как показано линиями 18,и, следовательно, электрически соединены друг с другом через грунт 11, что показано пунктирной линией 19. Силовой преобразователь 20 для системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ) содержит пару входных контактов 21 и 22, которые соединены с источником 23 электрической энергии,который может представлять собой сеть подачи электрической энергии, и пару выходных контактов 24 и 25, из которых один контакт 24 соединен с установкой 16, а другой контакт 25 соединен с трубопроводом 10. Контакт 24 может быть соединен не с указанной установкой, а непосредственно с грунтом 18. Силовой преобразователь 20 КЗВТ предназначен для подачи постоянного электрического тока на электрические выходные контакты 24 и 25, при этом сила тока может превосходить 100 А, но напряжение между контактами не должно превышать 1,3 В, с тем,чтобы избежать образования водорода внутри и вне трубопровода 10, что может привести к водородной хрупкости. Электрическое устройство 5, содержит силовой преобразователь 6 постоянного напряжения,который присоединен к впускному концу трубопровода 10 и выпускной трубе 32 устьевого оборудования 13 с помощью пары электрических входных контактов 1 и 2. Силовой преобразователь 6 постоянного напряжения предназначен для повышения электрического напряжения между контактами 1 и 2 так, чтобы если напряжение между электрическими входными контактами 1 и 2 находится в диапазоне от 0,5 до 1,5 В, то напряжение между электрическими выходными контактами 3 и 4 силового преобразователя 6 постоянного напряжения находится в диапазоне от 3 до 5 В. Этого выходного напряжения, находящегося в диапазоне от 3 до 5 В, достаточно для питания аккумуляторной батареи и/или датчика давления,датчика температуры и/или другого датчика устьевого оборудования 13 и питания передающего радиосигнал устройства 7, которое передает данные,собранные датчиками, в центр управления (не показан). Электрическое устройство 5 может содержать вольтметр,который отслеживает напряжение между электрическими входными контактами 1 и 2 силового преобразователя 6 постоянного напряжения и передает полученное значение напряжения в центр управления, где можно регулировать электрический ток и/или напряжение, подаваемые силовым преобразователем 20 КЗВТ с целью поддержания значения электрического напряжения между входными контактами 1 и 2 в нужном диапазоне от 0,5 до 1,5 В, более предпочтительно от 0,7 до 1,1 В. На фиг. 2 показана электрическая схема первого варианта осуществления силового преобразователя 6 постоянного напряжения. Электрические входные контакты 1 и 2 преобразователя 6 присоединены к трубопроводу 10 и выпускной трубе 12 устьевого оборудования 13, которые соединены друг с другом первым электрическим изолятором 15. Электрические входные контакты 1 и 2 присоединены к паре коммутируемых конденсаторов 30 и 31 с множеством Н-мостов,которые управляются микроконтроллером 38, таким как микропроцессор 181320. Коммутируемые конденсаторы 30 и 31 с множеством Н-мостов показаны на электрической схеме, которая дополнительно содержит набор диодов 33,переключатель 34 режима работы, пошагово понижающий преобразователь 35 постоянного напряжения и аккумуляторную батарею 36,включающую в себя литийполимерную ячейку,2 24305 емкостью 1-10 Ач, которая обеспечивает пусковое напряжение менее 500 мВ постоянного тока. Микроконтроллер 38 и другие компоненты силового преобразователя постоянного напряжения управляют коммутируемыми конденсаторами 30 и 31 с множеством Н-мостов таким образом, чтобы между выходными контактами 3 и 4 силового преобразователя 6 постоянного напряжения создавалось напряжение, составляющее от 3 до 5 В. На фиг. 3 показан альтернативный вариант осуществления силового преобразователя 6 постоянного напряжения, при этом преобразователь 6 содержит ряд изкоммутируемых конденсаторов 1, Н 2, Н 3, Н 4, Н 5, Н в схемах Н-мостов, и обычно параметрравен 10. Каждый коммутируемый конденсатор Н 1-Н содержит конденсатор 40,который расположен между верхним переключателем 41 и нижним переключателем 42. Один контакт верхнего переключателя 41 каждого конденсатора Н соединен с верхним электрическим проводом 43, а другой контакт соединен с контактом нижнего переключателя 42 следующего конденсатора Н 1, так что конденсаторы Н 1-Н могут быть соединены последовательно, тем самым увеличивается электрическое напряжение. так что если электрическое напряжение между электрическими входными контактами 1 и 2 составляет от 0,5 до 1,5 В, то напряжение между выходными контактами силового преобразователя постоянного напряжения составляет от 3 до 5 В. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ использования системы катодной защиты с внешним током (КЗВТ), которая подает электрический ток так, что металлическая конструкция имеет отрицательный потенциал относительно грунта, для того чтобы запитывать одно или более электрических устройств,характеризующийся тем, что обеспечивают одно или более электрических устройств, каждое из которых содержит пару электрических контактов соединяют один электрический контакт каждого электрического устройства с конструкцией и соединяют другой электрический контакт каждого электрического устройства с грунтом, тем самым подают электропитание на каждое электрическое устройство, при этом конструкцию используют для передачи данных посредством модуляции электрического тока нагрузки указанного электропитания, передаваемого по конструкции,при этом ток нагрузки модулируют с помощью технологии модуляции на нагрузке постоянного тока,частотной модуляции,амплитудной модуляции,импульсной модуляции,внутриимпульсной линейной частотной модуляции и/или сверхширокополосной модуляции, причем предпочтительно передача данных является двунаправленной,при этом конструкция образует часть системы добычи нефти и/или газа, а данные включают в себя информацию от датчиков, такую как давление в нефте- и/или газодобывающей скважине, на устье скважины или в скважине, температуру, поток флюида и/или песка, коррозию и/или напряжение катодной защиты и/или информацию по управлению оборудованием, такую как информация,требуемая для управления одним или более газлифтом и/или другими клапанами. 2. Способ по п.1, в котором одно или более электрических устройств содержат силовой преобразователь постоянного напряжения, который выполнен с возможностью преобразования электрической мощности, если напряжение между электрическими контактами составляет от 0,5 до 1,5 В постоянного тока. 3. Способ по п.2, в котором силовой преобразователь постоянного напряжения содержит усилитель электрического напряжения, который генерирует выходное напряжение от 3 до 5 В. в ответ на напряжение от 0,5 до 1,5 В постоянного тока между электрическими контактами, при этом предпочтительно силовой преобразователь постоянного напряжения является силовым преобразователем с коммутируемыми конденсаторами. 4. Способ по п.1, в котором напряжение постоянного тока, подаваемого на металлическую конструкцию, составляет от 0,5 до 1,5 В, а сила тока составляет от 1 до 150 А. 5. Способ по п. 1, в котором, по меньшей мере,одно электрическое устройство снабжено аккумуляторной батареей, которая выполнена с возможностью обеспечивать пусковое напряжение менее 500 мВ постоянного тока. 6. Способ по п.1, в котором конструкция является стальной конструкцией, при этом,предпочтительно, стальная конструкция содержит один или более стальных трубопроводов, которые расположены у поверхности земли или рядом с ней,например модуль из заглубленных и/или подводных трубопроводов, стальной контейнер для хранения флюида, морскую эксплуатационную платформу для добычи нефти/или газа и/или железнодорожные пути,более предпочтительно,конструкция содержит модуль из заглубленных и/или подводных трубопроводов, присоединенных к магистрали. 7. Способ по п.1, в котором множество электрических устройств соединяют с указанной конструкцией и устанавливают очередность потребления электрической энергии устройствами,и управляют этим потреблением так, чтобы общая электрическая нагрузка на систему катодной защиты с внешним током поддерживалась на уровне, меньше заданного максимума.