СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕМ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1997 года по МПК F17D5/00 F17D3/00 

Изобретение относится к системам контроля, обнаружения и регистрации различных видов дефектов внутренней поверхности магистральных трубопроводов в процессе их эксплуатации при использовании различных датчиков, например, вихревых токов, ультразвука и др.

При контроле действующих магистральных трубопроводов для транспортирования газообразного или жидкого (например, нефть) горючего возникает задача снабжения контрольной системы электрической энергией без перерывов и со стабильными параметрами.

Известные контрольные системы [1] перемещаемые по трубопроводу транспортируемой средой, например нефтью, которая также используется для получения электрической энергии, содержит: преобразователь энергии, в частности турбину, генератор электрической энергии, аккумуляторную батарею (или конденсатор), которая электрически соединена с генератором, тормозную систему, а также контрольное (регистрирующее) устройство с датчиками. Однако низкая дифференциальная скорость между контрольной системой и транспортируемой средой, низкая скорость вращения турбины, зависимость ее от скорости транспортируемой среды, необходимость использования тормозной системы, управляемой аккумуляторной батареей, снижает надежность электроснабжения и всей системы контроля из-за сложности получения необходимой мощности электрической энергии с требуемыми параметрами, обеспечения стабильности и условий подзаряда аккумуляторов из-за низкого быстродействия и точности регулирования выходного напряжения генератора.

Наиболее близким по существу технического решения и достигаемому результату является устройство и способ управления электроснабжением в аппаратах [2, 3] для обследования внутренней поверхности магистральных трубопроводов, в которых необходимую электрическую энергию получают с помощью генератора, вал которого приводится во вращение от фрикционных дисков или колес, которые при транспортировке среды вращаются за счет трения. В указанных аппаратах выход генератора (через выпрямитель) непосредственно подключается к аккумуляторной или конденсаторной батарее, причем в расчетных пределах изменения скорости транспортировки среды и при отсутствии скольжения колес управление (стабилизация) выходного напряжения может осуществляться изменением тока в обмотке возбуждения с помощью, например, полупроводниковых регуляторов. Техническое решение [3] принято за прототип.

Недостатками указанного аппарата по устройству и управлению электроснабжением является низкая надежность электроснабжения аппарата из-за сложности, а в некоторых случаях невозможности выполнения условий необходимого полного подзаряда аккумуляторов, обеспечения требуемых параметров электрической энергии при снижении скорости транспортировки среды ниже расчетной, проскальзывания приводных колес в процессе движения по трубопроводу или в начале движения при пуске аппарата в трубопровод, а также после вынужденной остановки в трубопроводе, что имеет место в реальных условиях.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности электроснабжения, обеспечение стабилизации параметров электрической энергии и упрощение устройства за счет быстрого достижения генератором напряжения, необходимого для подзаряда аккумулятора, путем исключения проскальзывания приводных колес в начале движения, требуемого повышения напряжения генератора и стабилизации его, т.е. беспрерывного подзаряда аккумулятора, при снижении скорости среды ниже расчетной, частичных проскальзываниях, использования двух секций аккумуляторных батарей с попеременным подключением их к нагрузке и для подзаряда к генератору, совмещения элементов фильтра и повышающего импульсного преобразователя-стабилизатора.

Задача решается способом управления электроснабжением системы для контроля внутренней поверхности магистральных трубопроводов, заключающейся в том, что перед началом запуска системы в трубопровод по сигналу готовности отключают выходную цепь генератора от аккумуляторной батареи, которую подключают к блокам регистрации и управления, а с момента начала движения системы в трубопроводе контролируют выходное напряжение генератора и выделяют два заданных пороговых значения его, причем при достижении нижнего порогового значения Uг. п1 вводят задержку по времени, по истечении которого выходную цепь генератора подключают к аккумуляторной батарее, а также повышают и стабилизируют выходное напряжение генератора на заданном уровне подзаряда Uг.пд аккумуляторной батареи, если оно не достигнет к этому времени верхнего порогового значения Uг.п2.

Это позволяет исключить проскальзывание приводных колес из-за отключения нагрузки генератора в начале движения, а значит, быстро и надежно достичь верхнего порогового значения Uг.п2 напряжения генератора и подключить его для питания нагрузки и подзаряда аккумуляторной батареи. Если же скорость движения в начале пуска окажется ниже расчетной, то за счет повышения и стабилизации выходного напряжения генератора также достигается нормальный режим электроснабжения. Указанные действия позволяют повысить надежность электроснабжения, быстро и с необходимой точностью поддерживать его параметры.

При снижении скорости движения системы контроля ниже расчетной, частичных проскальзываниях приводных колес, а также при вынужденной остановке поставленная задача решается также способом управления, заключающимся в том, что выходное напряжение генератора повышают и стабилизируют на уровне Uг.пд начиная со значения (U_г.п2-Δu₂) и до (U_г.п1-Δu₁); при дальнейшем снижении прекращают указанные действия, отключают выходную цепь генератора от аккумуляторной батареи, причем ширину петли гистерезиса Δu₁ нижнего порога устанавливают больше, чем Δu₂, а при вынужденной остановке в трубопроводе блокируют цепи управления устройств и блоков, которые не участвуют в работе в данной ситуации, а с момента начала движения снимают указанную блокировку.

Это позволяет максимально использовать энергию генератора, повысить надежность работы системы электроснабжения, стабилизировать его параметры, а также рационально использовать энергию аккумулятора.

Задача также решается способом управления, заключающимся в том, что параллельные секции аккумуляторной батареи поочередно подключают к нагрузке и выходной цепи генератора по сигналу снижения напряжения ниже заданного напряжения Uн.зд секции, которая в данный момент подключена к нагрузке, причем сначала одновременно подключают подзаряженную секцию к нагрузке и выходную цепь генератора к частично разряженной секции, после чего с некоторой задержкой по времени одновременно отключают частично разряженную секцию от нагрузки и выходную цепь генератора от подзаряженной секции.

Это позволяет питание блока регистрации и других устройств осуществлять непосредственно от аккумулятора, что исключает пульсации питающего напряжения, прохождение помех по цепи питания, связанных с работой генератора, импульсного преобразователя-стабилизатора. В то же время стабилизируется нагрузка генератора, так как работа его осуществляется только на подзаряд аккумулятора, сокращается время подзаряда секций аккумуляторных батарей из-за того, что это осуществляется при постоянном выходном напряжении генератора.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ по п. 1, 2, приведена на фиг. 1 и содержит: генераторный блок 1, блок 2 импульсного преобразователя-стабилизатора и сглаживающего фильтра 3, включенных последовательно в выходную цепь генератора, первый ключ 4, служащий для подключения выходной цепи генератора через блок 2, 3 к аккумуляторной батарее 5, например, состоящий из двух параллельных секций, второй ключ 6, служащий для подключения основного питания к блоку регистрации (микропроцессорное устройство) 7 с датчиком состояния внутренней поверхности трубопроводов 8, датчик скорости движения системы в трубопроводе (одометр) 9, выход которого подключен к блоку регистрации, блок управления импульсным преобразователем 10, датчик готовности системы к пуску 11, служащий для начального подключения электропитания перед пуском системы в трубопровод к блокам 7, 10 и управления электроснабжением 12.

Выполнение блока управления электроснабжением 12 приведено на фиг. 2. Блок 12 (фиг. 2) содержит: первый 13 и второй 14 пороговые элементы с гистерезисом соответственно с порогами срабатывания Uг.п1, Uг.п2 и отпускания (U_г.п1- Δu₁), (U_г.п2- Δu₂), которые могут быть выполнены, например, на основе интегрального таймера типа КР1006ВИ1, таймер 15 на основе КР1006ВИ1, первый 16 и второй 17 элементы ИЛИ, двухканальный оптрон 18, например, типа АОТ 101БС, входные цепи которого соединены последовательно, а выходные подключены к входам блока 10, элемент исключающее ИЛИ 19, например, типа К 555ЛП5 и элемент НЕ 20 с открытым коллектором, например, типа К 555 ЛН2. Такое выполнение блока 12 с указанными на фиг. 2 связями достаточно прост, позволяет реализовать все действия в соответствии с предлагаемым способом управления по п.1, 2 формулы изобретения.

Генераторный блок 1 содержит многофазный синхронный электромеханический бесконтактный генератор 21, электронный регулятор 22 напряжения, мостовые выпрямители 23, 24 с общей катодной группой вентилей, соответственно для питания всей системы контроля и обмотки возбуждения генератора с регулятором. Элемент фильтра 3, а именно дроссель 25 является одновременно и элементом импульсного преобразователя-стабилизатора, который может быть выполнен, например, по различным вариантам схемы широтно-импульсного преобразователя с параллельным ключом.

Известно также выполнение и различные включения блока управления 10 в интегральном наполнении (К142ЕП1).

В качестве силовых ключей 4, 6, а также ключа преобразователя-стабилизатора 2 могут быть использованы полевые транзисторы с индуцированным каналом. Датчик готовности системы к пуску 11 может быть выполнен как выключатель или штепсельный разъем, включаемый (соединяемый) перед самым началом пуска системы контроля в трубопровод, тем самым обеспечивается подача управляющего сигнала и питания к блокам 7, 10, 12.

На фиг. 3 приведена схема устройства, позволяющего реализовать способ по п. 3, который содержит генераторный блок 1, блок импульсного преобразователя-стабилизатора 2, фильтр 3, первые ключи 4, 5, первую и вторую секции аккумулятора 6, 7, вторые ключи 8, 9, блок регистрации 10 с датчиками регистрации состояния внутренней поверхности трубопровода 11, одометр 12, блок управления преобразователем 13, датчик готовности системы к пуску 14, блок управления электроснабжением 15, пороговый элемент с гистерезисом (датчик напряжения питания блока регистрации) 16 и блок управления первыми и вторыми ключами 17, выходы которого подключены к входам указанных ключей, а вход к выходу порогового элемента. По сигналу готовности питание через датчик 14 подается к блокам 10, 13, 15, 16, 17.

Выполнение блока управления 17 первыми и вторыми ключами приведено на фиг. 4.

Блок управления ключами 17 содержит (фиг. 4) асинхронный Т-триггер 18, два элемента ИЛИ-НЕ с открытым коллектором 19 и два двухканальных оптрона 20, входные цепи каждого из них соединены последовательно и подключены к источнику питания и к выходам элементов ИЛИ-НЕ, а выходы к управляющим входам соответствующих ключей 5, 9 и 4, 8 (фиг. 3), причем первые входы элементов ИЛИ-НЕ подключены к соответствующим выходам Т-триггера, а вторые входы к выходу порогового устройства 16, который одновременно присоединен к входу Т-триггера. Использование асинхронного Т-триггера, двух элементов ИЛИ-НЕ с открытым коллектором, двух двухканальных оптронов с указанными связями позволяет реализовать все действия в соответствии с предлагаемым способом управления по п.3, упростить и повысить надежность за счет исключения элементов задержки по времени сигналов отключения очередных ключей, элементов формирования сигналов одновременного включения всех ключей при снижении выходного напряжения обеих секций аккумулятора ниже заданного значения путем введения соответствующих связей между пороговым устройством, асинхронным Т-триггером и элементами ИЛИ-НЕ.

Способ управления электроснабжением по п.1 и работа устройства, реализующего этот способ (фиг. 1, 2) осуществляется следующим образом. Перед началом запуска системы контроля в трубопровод с помощью датчика 11 подключается необходимое управляющее напряжение и электропитание к блокам 10, 12, а также к блоку регистрации 7 для подготовки его к работе. После подготовки блок 7 выдает сигнал, разрешения на работу датчиков 8 и на подключение основного (силового) питания с помощью второго ключа 6, отключение которого также задается блоком 7 при снижении напряжения ниже установленного допустимого Uн. доп значения (U_н.доп < U_г.п1 - Δu₁). После подачи питания на выходе таймера 15 блока 12 (фиг. 2) будет сигнал "0", так как выходное напряжение генераторного блока равно нулю, а значит, ключ 4 будет выключен. Так как Uг=0, то выходные сигналы пороговых устройств 13, 14 будут равны "1". В результате будет выключен оптрон 18, а значит, и блок 10. Далее после начала движения системы в трубопроводе по сигналу одометра включается ключ 6, подавая основное питание на блок регистрации 7 с датчиками 8. По мере движения системы выходное напряжение генератора будет быстро нарастать, проскальзывание приводных колес исключается, так как нагрузка генератора мала и составляет питание цепи обмотки возбуждения и начальный заряд конденсаторов фильтра 3. По достижении выходного напряжения генератора Uг до значения Uг.п1 включается пороговое устройство 13 и запускается таймер 15, причем время задержки устанавливается несколько больше, чем расчетное время повышения Uг с Uг.п1 до Uг. п2 при движении системы контроля в трубопроводе с минимальной расчетной скоростью. По истечении времени задержки включается ключ 4, при этом если Uг≥Uг. п2, на выходе элемента 20 устанавливается сигнал "1" и блоки 2, 10 не включаются, а напряжение генератора поддерживается регулятором 22 в диапазоне напряжений от Uг.п2, при котором ток подзаряда аккумулятора 5 минимальный, до Uг.пд, когда ток подзаряда равен расчетному значению. В этом режиме элемент 25 выполняет функцию сглаживающего фильтра. Если же по истечении времени задержки Uг<Uг. п2, то на выходе элемента 20 устанавливается "0", значит, включается оптрон 18, который подключает напряжение с выхода генератора, управляющее напряжение и питание с датчика 11 к входам блока 10, который запускает импульсный преобразователь-стабилизатор 2, одним из элементов которого является индуктивность 3. В результате выходное напряжение генератора повышается и стабилизируется на уровне Uг.пд, тем самым обеспечивается питание нагрузки и подзаряд аккумулятора.

Если Uг повышается до Uг.п2, то происходит отключение блоков 10 и 2. Ключ 4 может быть заменен диодом, при этом отпирание его будет происходить при Uп>UАБ напряжения аккумулятора.

Способ управления электроснабжением по п.2 и работа устройства, реализующего этот способа (фиг. 1, 2), осуществляется следующим образом. При снижении скорости транспортировки среды ниже расчетного значения или проскальзываниях приводных колес напряжение генератора начинает снижаться и при достижении U_г ≅ U_г.п2 - Δu₂ на выходе элемента 14 устанавливается сигнал "1". В результате включается оптрон 18, так как сигнал на выходе элемента 20 равен "0", запускается схема управления 10 и преобразователь-стабилизатор 2, на выходе которого напряжение будет равно Uг.пд. Это значение напряжения будет поддерживаться при дальнейшем снижении напряжения генератора вплоть доя значения U_г = (U_г.п1 - Δu₁). Дальнейшее снижение напряжения генератора ниже, чем U_г.п1 - Δu₁, приводит к тому, что на выходе элементов 13, 14, 20 сигналы будут равны "1", значит, выключается оптрон 18, схема управления 10, преобразователь 2, таймер 15 и ключ 4. Если же напряжение генератора начнет опять возрастать, то повторится порядок управления электроснабжением, описанный выше для способа по п.1. При вынужденной остановке системы в трубопроводе по сигналу одометра 9 блокируется работа тех устройств блока регистрации, которые в данной ситуации не должны участвовать в работе, например датчиков регистрации 7, устройств записи данных и др. В случае начала движения системы в трубопроводе одометр выдает сигнал на снятие блокировки. Это позволяет экономно использовать энергию аккумулятора, повысить надежность электроснабжения. Использование пороговых элементов с гистерезисом позволяет повысить устойчивость и надежность работы как блока управления электроснабжением, так и всей системы.

Способ управления электроснабжением по п.3 и работа устройства, реализующего этот способ (фиг. 3, 4) осуществляется следующим образом.

Перед запуском системы в трубопровод с помощью датчика готовности 14 подключается управляющее напряжение и электропитание к блокам 10, 13, 15, 16, 17. После подготовки блока 10 к работе он выдает сигнал разрешения на работу датчиков 11 и других узлов, которые вступают в работу по сигналу одометра 12 после начала движения. Так как входной сигнал порогового элемента 16 равен нулю, то на его выходе устанавливается сигнал "1", который подается на вход блока 17 управления ключами, а значит, на вход Т-триггера 18 и двух элементов ИЛИ-НЕ 19, что приводит к выключению обоих оптронов 20, а значит, и включение ключей 4, 8 и 5, 9. В результате на блок 10 подается основное питание, а так как аккумуляторы полностью заряжены, то напряжение их больше, чем заданный порог срабатывания (Uн.зд) элемента 16. В результате на выходе 16 устанавливается сигнал "0" и выключается один из элементов ИЛИ-НЕ, подключенный к его выходу оптрон 20, а значит, и соответствующие ключи, например 5, 9. Питание системы будет осуществляться от аккумулятора 7, а аккумулятор 6 будет подключен к выходу генераторного блока 1 через блоки 2, 3 с помощью ключа 4 на подзаряд. При снижении напряжения аккумулятора 7 до Uн.зд на выходе 16 устанавливается сигнал "1", выключаются ключи 5, 9, а ключи 4, 8 также остаются включенными до момента, когда подключится подзаряженный аккумулятор 6 и на выходе 16 устанавливается сигнал "0". После этого ключи 4, 8 отключаются и работа системы повторяется. При снижении напряжения аккумуляторов 6, 7 ниже Uн.зд на выходе 16 устанавливается "1" и все ключи 4, 5, 8, 9 остаются включенными до подзаряда аккумуляторов. Если же напряжение генератора Uг и аккумуляторов станет ниже Uн.доп. блок 10 выдает сигнал на отключение ключей 8, 9.

Блок 16 (фиг. 3) может быть выполнен, например, на основе таймера КР1006ВИ1, порог срабатывания которого Uн.зд выбирается практически из условия снижения напряжения полностью заряженного аккумулятора на 6-8% Величина напряжения Uн. доп выбирается из условия использования 75 85% энергии аккумулятора.

Использование: для снабжения системы для контроля внутренней поверхности магистральных трубопроводов электрической энергией без перерывов и со стабильными параметрами. Сущность изобретения: перед началом запуска системы в трубопровод по сигналу блока 11 готовности к пуску отключают с помощью ключа 4 блок генератора 1, фильтр 3 и преобразователь 2 от аккумулятора 5, который подключают к блокам управления 10, 12 и с помощью ключа 6 к блоку регистрации 7, а с момента начала движения системы в трубопроводе контролируют напряжение генератора и выделяют два пороговых значения его, причем при достижении нижнего значения Vг.п1 вводят задержку по времени, по окончании которого выход блока генератора 1 через фильтр 3 подключают к аккумулятору 5 и если напряжение генератора не достигнет верхнего порогового значения Vг. п2, то его повышают и стабилизируют с помощью блока 2 на заданном уровне подзаряда Vг. пд аккумулятора 5. При снижении напряжения генератора ниже, чем Vг. п2 его повышают и стабилизируют на уровне Vг.пд, начиная с значения (U_г.п2-Δu₂) и до (U_г.п1-Δu₁), а при дальнейшем снижении прекращают указанные действия и отключают ключ 4, причем ширину петли гестерезиза Δu₁ нижнего порога устанавливают больше, чем верхнего порога Δu₂, а при вынужденной остановке системы контроля в трубопроводе снижают потребление электроэнергии путем блокирования цепей управления устройств и блоков, например, 8, которые не участвуют в работе в данной ситуации, а с момента начала движения снимают указанную блокировку. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления электроснабжением системы для контроля внутренней поверхности магистральных трубопроводов, в частности, для перекачки нефти во время их эксплуатации, заключающийся в том, что электрическую энергию получают с помощью электромеханического генератора и аккумуляторной батареи, соединенных параллельно, и при изменении скорости транспортировки среды в расчетных пределах выходное напряжение генератора поддерживают на заданном уровне U_г.пд подзаряда аккумулятора путем регулирования тока в обмотке возбуждения генератора, отличающийся тем, что перед началом запуска системы в трубопровод по сигналу готовности к пуску отключают выходную цепь генератора от аккумулятора, выход которого подключают к блокам регистрации и управления, а с момента начала движения системы в трубопроводе контролируют выходное напряжение генератора и выделяют два заданных пороговых значения его, причем при достижении нижнего порогового значения U_г.п1 вводят задержку по времени, по истечении которого выходную цепь генератора подключают к аккумулятору и, если после этого выходное напряжение генератора не достигнет верхнего порогового значения U_г.п2, то его повышают и стабилизируют на заданном уровне подзаряда U_г.пд аккумулятора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при снижении выходного напряжения генератора ниже, чем U_г.п2, например, в результате снижения скорости транспортировки среды ниже расчетного значения или частичных проскальзываниях приводных колес его повышают и стабилизируют на уровне U_г.пд, начиная со значения (U_г.п2-Δu₂) и до (U_г.п1-Δu₁);, а при дальнейшем снижении прекращают указанные действия и отключают выходную цепь генератора от аккумулятора, причем ширину петли гистерезиса Δu₁ нижнего порога устанавливают больше, чем Δu₂ верхнего порога срабатывания, а при вынужденной остановке системы контроля в трубопроводе снижают потребление электроэнергии путем блокирования цепей управления устройств и блоков, которые не участвуют в работе в данной ситуации, а с момента начала движения снимают указанную блокировку. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параллельные секции аккумулятора поочередно подключают к блоку регистрации (нагрузка) и выходной цепи генератора по сигналу снижения напряжения ниже заданного значения U_н.зд секции, которая в данный момент подключена к нагрузке, причем сначала одновременно подключают заряженную секцию к нагрузке и выходную цепь генератора к частично разряженной секции, после чего с некоторой задержкой по времени одновременно отключают частично разряженную секцию от нагрузки и выходную цепь генератора от заряженной секции, а при снижении выходного напряжения обеих секций ниже заданного значения подключают обе секции аккумулятора к нагрузке и выходной цепи генератора.