Использование системы катодной защиты с внешним током для питания электрических устройств
Изобретение относится к использованию системы катодной защиты с внешним током для снабжения энергией одного или нескольких электрических устройств. Способ включает подачу электрического тока таким образом, что металлическая конструкция имеет отрицательный потенциал относительно грунта, а также соединение одного электрического контакта каждого электрического устройства с конструкцией; и соединение другого - с грунтом. Электропитание подают на каждое электрическое устройство, при этом конструкцию используют для передачи данных посредством модуляции электрического тока нагрузки, указанного электропитания, предаваемого по конструкции. 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, при этом предпочтительно передача данных является двунаправленной. Конструкция образует часть системы добычи нефти и/или газа. Технический результат: отказ от использования электрических кабелей или использования генератора, фотоэлементов, динамо-машин, приводимых в действие ветром. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.
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 КЭВТ 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 US 6715550 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 (КЭВТ), 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 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 12 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 PIC18F1320. 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 литий полимерную ячейку, емкостью 1-10 А·ч, 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 из n коммутируемых конденсаторов H1, H2, H3, H4, H5, Hn в схемах H-мостов, и обычно параметр n равен 10. Каждый коммутируемый конденсатор H1-Hn содержит конденсатор 40, который расположен между верхним переключателем 41 и нижним переключателем 42. Один контакт верхнего переключателя 41 каждого конденсатора Hn соединен с верхним электрическим проводом 43, а другой контакт соединен с контактом нижнего переключателя 42 следующего конденсатора Hn+1, так что конденсаторы H1-Hn 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.
1. Способ отвода электрической энергии от конструкции, защищаемой системой катодной защиты с внешним током (КЗВТ), подающей электрический ток так, что металлическая конструкция имеет отрицательный потенциал относительно грунта, для запитки одного 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,
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, при этом предпочтительно передача данных является двунаправленной, а
конструкция образует часть системы добычи нефти и/или газа, при этом данные включают в себя информацию от датчиков, такую как давление на устье скважины или в скважине, добывающей нефть и/или газ, температуру, поток флюида и/или песка, коррозию и/или напряжения 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.
