Так ли однозначны преимущества инверторных станций катодной защиты над трансформаторными?

Будучи по роду деятельности, весьма плотно знакомым с производством и эксплуатацией СКЗ трансформаторного типа, решил выступить в качестве адвоката данного типа оборудования. Ни в коем случае не умаляя достоинств современной высокочастотной преобразовательной техники, считаю, что достоинства и востребованность трансформаторных СКЗ незаслуженно принижены и обоснования необходимости применения исключительно преобразователей инверторного типа далеко не так однозначны.

Всем известная аксиома, что у каждой медали есть две стороны, а также собственные наблюдения послужили поводом написать данную статью. Скорее, это даже не статья, а некоторые выкладки из имеющихся у меня статистических данных для публичного обсуждения и дискуссии. В Сети попадается много обзоров и сравнений инверторных станций катодной защиты (СКЗ), в которых декларируются неоспоримые преимущества данного типа СКЗ над станциями трансформаторного типа. Однако при чтении данных материалов меня постоянно преследовало ощущение неполной объективности, а иногда и некоторой некорректности сопоставлений характеристик сравниваемых типов оборудования, например, когда сравниваются характеристики/показатели инверторной СКЗ номинальной мощности 1,0 кВт с характеристиками трансформаторной – 3,0 кВт; как минимум, показатели массы данных СКЗ точно сравнивать не стоит. В связи с этим постараюсь максимально коррелировать имеющиеся в моем распоряжении данные и избегать использования неподтвержденных данных.

Сразу оговорюсь, я не сторонник однозначных утверждений и считаю, что для решения каждой конкретной задачи должен применяться принцип вариативности, т.е. допустимости различных подходов, методов и способов ее решения. Мир – не черно-белый и, как минимум, существуют оттенки серого. В данной статье я не пытаюсь утверждать, что только то или иное мнение/утверждение является  единственно правильным и бесспорным, а призываю всех специалистов, интересующихся и связанных  с этой темой, обсудить представленные выкладки и высказать свое мнение. Вы сможете сделать это в комментариях к статье. Обещаю, ни один Ваш вопрос, уточнение или замечание не останутся без ответа.

В части автоматики, электроники управления и функциональных возможностей, оба типа СКЗ вполне даже сопоставимы, и широта набора свойств и функций оборудования, как правило, определяется компанией-изготовителем, за исключением тех, которые регламентируются нормативными документами. В части характеристик и функций обязательных требований нормативной документации оба типа СКЗ абсолютно аналогичны. Таким образом, в большей степени основные вопросы будут связаны с силовой преобразовательной частью СКЗ.

Итак, начнем с наиболее распространенных утверждений и доводов в пользу СКЗ инверторного типа, учитывая сопоставимые технические и функциональные возможности СКЗ обоих типов, декларируемых в различных печатных и сетевых материалах:

Утверждение 1:
Инверторные СКЗ имеют меньшие массу и габариты по сравнению с трансформаторными.

Отчасти верное утверждение. Силовой блок высокочастотного преобразователя имеет малые габариты и вес на 1 кВт выходной мощности, однако для него, как и для трансформаторного источника, необходимы блок электроники управления, аппаратура телемеханики, коммутационные электрические жгуты и др. К тому же для всего этого требуется внешний корпус для монтажа и реализации возможности защиты оборудования от несанкционированного доступа и воздействия окружающей среды при установке СКЗ на открытой площадке в городских или полевых условиях. Таким образом, на выходе мы получаем, что габариты инверторной СКЗ обретают вполне осязаемый вид  (500х550х700 мм, 600х450х900 мм и т.д.), сопоставимый с СКЗ трансформаторного типа, да и масса законченного устройства становится вполне ощутимой; в зависимости от мощности инверторные СКЗ имеют массу от 50 до 125 кг. Для сопоставления, трансформаторные СКЗ, с которыми я непосредственно работаю, с интегрированным или внешним емкостно-индуктивным фильтром имеют габаритные размеры 440х400х850 мм (440х400х1160 мм при поставке с внешним блоком фильтра) и массу от 65 до 135 кг.

Утверждение 2:
Блочно-модульная конструкция инверторных станций позволяет наращивать выходную мощность СКЗ без демонтажа шкафа, путем доустановки необходимого количества силовых модулей.

Справедливое утверждение, действительно удобное техническое решение. Тут скорее больше времени и ресурсов отнимет бюрократическое согласование изменения проектной мощности СКЗ. В трансформаторных станциях добиться такой унификации сложно, но не невозможно. В частности, станции серии УКЗТ имеют универсальную конструкцию внешнего корпуса, несущих узлов и единый, для линейки мощностей от 0,3 до 3,0 кВт, выходной каскад выпрямителя, что позволяет увеличить мощность до 3,0 кВт путем простой замены силового трансформатора, имеющего сопоставимую стоимость с силовым модулем инвертора. При этом остается запасной трансформатор, который возможно использовать для уменьшения/увеличения мощности другой СКЗ. Также возможно увеличение мощности и до 5,0 кВт, но технически это будет реально сложнее, чем в случае с СКЗ инверторного типа и, возможно, несколько дороже. Не берусь однозначно утверждать, но скорее всего то же самое возможно реализовать и в трансформаторных СКЗ других типов. Справедливости ради отмечу, что наиболее привлекательным свойством модульной конструкции инверторных СКЗ является возможность резервирования силовых модулей, но это к вопросу о немного другом классе оборудования. Если же вести речь о ремонтопригодности силовой части СКЗ, то да, силовые модули меняются просто и быстро, но и силовую часть трансформаторной СКЗ можно отремонтировать в полевых условиях в течение пары часов, т.к. схемотехника очень простая, а элементная база – доступная. Пожалуй, имеет смысл сопоставление стоимости запасного силового блока инверторной СКЗ и ремонта вышедшего из строя, со стоимостью запасных частей для ремонта трансформаторной.

Утверждение 3:
У СКЗ инверторного типа более высокое, по сравнению с трансформаторными СКЗ, качество защиты сооружения, обусловленное низким коэффициентом пульсаций выходного напряжения, широким диапазоном допустимого изменения напряжения сети и сопротивления нагрузки.

Не могу безоговорочно с этим согласиться, т.к. трансформаторные СКЗ, оснащенные емкостно-индуктивным фильтром, обеспечивают сопоставимую с инверторными величину коэффициента пульсаций не более 3%, а в некоторых случаях и 1-2%. Диапазон изменения напряжения питающей сети, при котором трансформаторные СКЗ сохраняют работоспособность, не меньше, чем у инверторных (от 150 до 264 В). Еще неформальный вопрос: что понимать под качеством защиты сооружения? Качество защиты сооружения определяется величиной и стабильностью обеспеченного защитного (суммарного или поляризационного) потенциала. Насколько мне известно, пульсация напряжения постоянного тока не оказывает отрицательного влияния на величину и стабильность защитного потенциала, т.к. данная пульсация не переходит в зону отрицательной полярности.

Что касается диапазона сопротивления нагрузки, то у меня будет вопрос к представителям эксплуатирующих компаний. В своей практике при работе на объектах с инверторными СКЗ я сталкивался с проблемой, что при работе на цепи нагрузки менее 1 Ом, при необходимости установки низкого значения выходного тока (от 1 до 3 А), инверторные СКЗ вели себя нестабильно. Если позволите, я не буду конкретизировать модель СКЗ. При работе с трансформаторными СКЗ с такими проблемами сталкиваться не доводилось, они вели себя устойчиво на низкоомных нагрузках 0,3 – 0,5 Ом с величиной защитного тока от 1 А. Вопрос заключается в следующем: это действительно так или просто мне так повезло?

Ну а теперь перехожу к самому интересному и, пожалуй, ключевому вопросу – о существенно более высокой энергетической эффективности и, как следствие, экономической целесообразности станций катодной защиты инверторного типа в сравнении с трансформаторными СКЗ.

Утверждение 4:
Инверторные СКЗ имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с трансформаторными, к тому же КПД трансформаторных СКЗ резко падает при уменьшении нагрузки.

У трансформаторных СКЗ КПД объективно несколько ниже, хотя, на мой взгляд, не настолько, чтобы считать разницу существенной. Насколько же справедливо утверждение о резком падении КПД трансформаторной СКЗ при уменьшении нагрузки и какие потери экономического характера это за собой влечет, давайте посмотрим дальше. Сейчас придется привести довольно много цифр и выкладок из имеющейся в моем распоряжении статистической информации о режимах работы СКЗ на реальных объектах для возможности аналитического взгляда на данный вопрос. Призываю всех читателей, связанных с этой тематикой и владеющих собственной статистической информацией, а также опытом эксплуатации или производства обсуждаемого оборудования, не оставаться в стороне, а вступить в обсуждение темы, высказать свое мнение, согласиться или не согласиться с мнением Вашего покорного слуги. Забегая вперед, скажу, что характеристики и показатели СКЗ инверторного типа, производства не моих компаний-партнеров (ООО «Донская корона» и ООО НПП «Дон») я буду использовать только те, что представленны в официальных источниках компаний-изготовителей.

Моделирование и сопоставление показателей в различных режимах работы.

Для начала посмотрим теоретическую раскладку сил на примере виртуальных СКЗ инверторного и трансформаторного типов какой-то единой номинальной мощности, пусть это будет 2,0 кВт. Сопоставим суммарные расходы на электроэнергию за год и за регламентированный срок службы (15 лет).

Потребление электроэнергии инверторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт, работающей в номинальном режиме, при показателе КПД=90%, составит:

за сутки – 2,0 кВт / 0,9 х 24 ч. = 53,3 кВт*ч,

за год – 53,3 кВт*ч х 365 = 19 454,5 кВт*ч,

за срок службы 15 лет – 19 454,5 кВт*ч х 15 = 291 817,5 кВт*ч.

Потребление электроэнергии трансформаторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт с емкостно-индуктивным фильтром, работающей в номинальном режиме, при показателе КПД=85%, составит:

за сутки – 2,0 кВт / 0,85 х 24 ч. = 56,5 кВт*ч,

за год – 56,5 кВт*ч х 365 = 20 622,5 кВт*ч

за срок службы 15 лет – 20 622,5 кВт*ч х 15 = 309 337,5 кВт*ч

При применении среднего тарифа на электроэнергию 9 руб. за 1 кВт*ч (для РО, август 2022) получим, что экономия по расходам на электроэнергию в случае с применением инверторной СКЗ составит (20 622,5 - 19 454,5) х 9 руб. = 10 512 руб. в год или за 15-тилетний срок службы – (309 337,5 - 291 817,5) * 9 = 157 680 руб.

Пока очень красиво. Но мы сейчас рассматривали случай полной нагрузки с максимальным показателем КПД. Вы прекрасно знаете, что станции катодной защиты в реальной жизни практически не эксплуатируются в режиме номинальной мощности, но детально об этом несколько позже. Мы же начнем понемногу приземляться.

Значение КПД станций катодной защиты при работе на режиме выходной мощности менее номинального значения не регламентируется. Тем не менее некоторые изготовители в характеристиках инверторных СКЗ указывают значение КПД не менее 75% при работе на нагрузке 10 – 20% от номинальной мощности. Допускаю, что упоминание такого процента нагрузки связано с предположением реального длительного режима работы СКЗ. Сделаю реверанс в сторону инверторных СКЗ, допустив, что их КПД составит 90% в данном диапазоне номинальной мощности. Для трансформаторных СКЗ, приму КПД=71% – реально получаемое значение на станции катодной защиты УКЗТ с интегрированным емкостно-индуктивным фильтром номинальной мощностью 2,0 кВт, при работе в режиме 13% от номинальной мощности.

Повторяем расчеты.

Потребление электроэнергии инверторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт, работающей в режиме 13% от номинальной мощности, при показателе КПД=90%, составит:

за сутки – 2,0 кВт х 0,13 / 0,9 х 24 ч. = 6,9 кВт*ч

за год – 6,9 кВт*ч х 365 = 2 518,5 кВт*ч

за срок службы 15 лет – 2 518,5 кВт*ч х 15 = 37 777,5 кВт*ч

Потребление электроэнергии трансформаторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт с емкостно-индуктивным фильтром, работающей в режиме 13% от номинальной мощности, при показателе КПД=71%, составит:

за сутки – 2,0 кВт х 0,13 / 0,71 х 24 ч. = 8,8 кВт*ч

за год – 8,8 кВт*ч х 365 = 3 212 кВт*ч

за срок службы 15 лет – 3 212 кВт*ч х 15 = 48 180 кВт*ч

Рассчитаем возможную экономию по расходам на электроэнергию. В случае с применением инверторной СКЗ мы сэкономим (3 212 – 2 518,5) х 9 руб. = 6 241,5 руб. в год или за 15-ти летний срок службы – (48 180 – 37 777,5) * 9 = 93 622,5 руб.

Разница в рублях уже не та, но все еще красиво.

И, наконец, приближаюсь к более реальной картине по режимам эксплуатации СКЗ. Занимаясь выполнением работ по обслуживанию, наладке и ремонту СКЗ в разных регионах страны, я волей или неволей получаю достаточно обширные данные по реальным режимам работы станций катодной защиты в различных регионах нашей страны. Для получения усредненной картины по эксплуатационной нагрузке СКЗ мною были взяты данные по 411 шт. СКЗ, работающих в пяти федеральных округах, в том числе: 166 шт. в Южном ФО, 85 шт. в Центральном ФО, 60 шт. в Северо-Кавказском ФО, 58 шт. в Приволжском ФО и 42 шт. в Уральском ФО. Можно было бы сделать и более объемную выборку, но, как Вы увидите, несмотря на географический разброс, сходимость результата находится в одном порядке величин и, принимая, что любые методы усреднения содержат в себе процент погрешности, разница результатов, даже если она будет, не внесет сколь-либо значимых изменений в общую картину.

Опять же напомню, статья потенциально носит характер обсуждения, и если Вы располагаете информацией альтернативного характера, с удовольствием приму ее к обсуждению, анализу и, может быть, к изменению своей точки зрения.

Все, отхожу от лирики и начинаю переходить к описанию использованной мною методики и сухим цифрам статистики.

Чтобы не приводить огромное количество цифр по каждой из 411 СКЗ, для каждого ФО был рассчитан средний процент рабочей  нагрузки, единичной («виртуальной») СКЗ от установленной мощности, на основании усредненных показателей режимов работы и установленной мощности реальных станций катодной защиты (См. таблицу).

Расчет процента рабочей нагрузки на единичную СКЗ

Порядок приведенных расчетов производился следующим образом:

Рном.ср. = Рном.сум. / N где

Рном.ср. – средняя номинальная мощность единичной «виртуальной» СКЗ,

Рном.сум. – суммарная номинальная мощность установленных СКЗ,

N – количество взятых, в выборке для расчетов, СКЗ;

Рвых.ср. = Рвых.сум. / N где

Рвых.ср. – средняя мощность на выходе единичной «виртуальной» СКЗ, работающей в заданном, среднем, режиме защиты,

Рвых.сум. – суммарная мощность на выходе установленных СКЗ, работающих в заданных режимах защиты;

Kср.нагр. = Рвых.ср. / Рном.ср. где

Kср.нагр. – средний процент нагрузки единичной СКЗ в рабочем режиме защиты от номинального значения выходной мощности единичной СКЗ.

Таким  образом, из полученных данных делаю вывод, что средняя загрузка станций катодной защиты, в рабочих режимах, находится в диапазоне (округлим значения) от 1 до 4%. Если взять данные обобщающего расчета по всем регионам, то средний процент рабочей нагрузки единичной станции составляет порядка 2% при средней установленной номинальной мощности 1,96 кВт. Кстати, вот я и подошел к тому, почему в расчетах выше я использовал СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт.

Ну что же, попробуем произвести расчеты экономических показателей двух типов станций катодной защиты, опираясь на полученные результаты.

К сожалению, я не располагаю реальными данными по значению КПД СКЗ инверторного типа, распространенных на рынке в настоящее время, на нагрузках обозначенного диапазона от 1 до 4%. Честно говоря, есть сомнения, что инверторы будут обеспечивать на таких режимах даже 75% КПД.  Т.е. я снова буду позволять себе некоторые допуски, надеюсь, не умаляя достоинств инверторов, да и не дадут мне ошибиться коллеги. Если что, буду рад Вашим замечаниям и указаниям на, возможно, допущенные мною ошибки. Процент нагрузки для расчетов возьму по верхнему значению диапазона – 4%.

Потребление электроэнергии инверторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт, работающей в режиме 4% от номинальной мощности, при показателе КПД=75% (допущение по причине отсутствия реальной величины характеристики), составит:

за сутки – 2,0 кВт х 0,04 / 0,75 х 24 ч. = 2,56 кВт*ч,

за год – 2,56 кВт*ч х 365 = 934,4 кВт*ч,

за срок службы 15 лет – 934,4 кВт*ч х 15 = 14 016 кВт*ч.

Потребление электроэнергии трансформаторной СКЗ номинальной мощностью 2,0 кВт с емкостно-индуктивным фильтром, работающей в режиме 4% от номинальной мощности, при показателе КПД=59% (реально измеренная величина на производимых СКЗ), составит:

за сутки – 2,0 кВт х 0,04 / 0,59 х 24 ч. = 3,25 кВт*ч,

за год – 3,25 кВт*ч х 365 = 1 186 кВт*ч,

за срок службы 15 лет – 1 186 кВт*ч х 15 = 17 790 кВт*ч.

Возвращаясь к расчету экономической эффективности, снова используя ориентировочный тариф на электроэнергию 9 руб. за 1 кВт*ч (по РО, август 2022), получим, что экономия по расходам на электроэнергию в случае с применением инверторной СКЗ составит:

(1 186 – 934,4) х 9 руб. = 2 264,4 руб. в год или за 15-тилетний срок
службы - (17 790 – 14 016) * 9 = 33 966 руб.

Еще раз поставлю акцент, что данный результат получен при допущении предполагаемого КПД инверторной СКЗ равный 75%.

Данные расчеты я принимаю как приближенные к реальной ситуации, по порядку величин и позволю себе небольшое примечание. Как уже говорилось, я не собираюсь использовать неподтвержденные данные в отношении оборудования, достаточного опыта эксплуатации которого я не имею, но, проведя замеры на СКЗ инверторного типа, производимой моими компаниями-партнерами, нагрузив ее на 4% от номинальной мощности, я получил значение КПД, сопоставимое с КПД трансформаторной СКЗ, даже немного ниже. Но это частный случай всего лишь одной модели из представленных на рынке, и в расчеты я его принимать не буду. К тому же, по моей оценке, сумма полученной экономии сопоставима с разницей стоимости между равнозначными по мощности СКЗ инверторного и трансформаторного типов.

По канонам написания статьи, дальше должен бы последовать раздел с важным названием «Выводы», но, если позволите, я заменю его разделом с другим названием – «Вопросы».

У меня присутствует навязчивое ощущение, что затраты на обслуживание и ремонт при эксплуатации СКЗ инверторного типа несколько выше, чем у трансформаторного. Это может быть обусловлено как элементной базой преобразователей/выпрямителей, так и необходимой квалификацией обслуживающего персонала более высокого уровня, по причине серьезной разницы в сложности схемотехники. Это вопрос к эксплуатирующим организациям, т.к., не обслуживая данное оборудование на постоянной основе на таком длительном промежутке времени (15 лет), я не могу оценивать уровень и состав данных расходов. Со своей стороны буду очень признателен, если кто-то сможет поделиться своим опытом и знаниями в этой части. Пока же вопрос следующий: при учете экономических показателей эффективности, не стоит ли обращать внимание на комплексные параметры и аспекты, связанные с эксплуатацией и жизненным циклом оборудования для получения реальной картины, а не просто красивых цифр?

Второй вопрос вытекает из первого. Маловероятно, но допустим, что эксплуатационные расходы у трансформаторных и инверторных СКЗ сопоставимы, однако изначальная стоимость инверторных СКЗ заведомо выше, отбивается ли эта разница первичных затрат экономией на энергопотреблении?

Если сравнить полученную мной теоретическую экономию и экономию, полученную при обсчете реальных режимов работы в 34 тыс. рублей за 15 лет, напрашивается основной вопрос, обозначенный в названии статьи: настолько ли однозначно преимущество СКЗ инверторного типа по отношению к трансформаторным? Какая реальная величина экономии? Может, не стоит списывать последних со счетов?

Нет, все-таки позволю себе сделать небольшой вывод, точнее, высказать свое мнение. На мой взгляд, в современной ситуации должны быть представлены станции обоих типов, и выбор для применения того или иного типа должен определяться комплексной оценкой условий планируемой эксплуатации приобретаемого оборудования для достижения реального экономического эффекта. В перечень этих самых оценочных условий, на мой взгляд, необходимо включать не только планируемый процент долговременной нагрузки, но и климатические условия конкретного региона, качество энергоснабжения, конфигурацию системы электрохимзащиты, реальную оценку уровня квалификации обслуживающего персонала и, наверное, немало других факторов, более известных эксплуатирующим службам и организациям на основании их опыта. 

На этом остановлюсь и буду благодарен всем коллегам за участие в обсуждении обозначенных вопросов в режиме открытого диалога. С интересом буду ждать Ваших комментариев, вопросов и поправок. АНОНИМНОСТЬ КОРРЕСПОНДЕНТОВ ГАРАНТИРУЮ, в постах отображается только никнейм.

Ссылка на скачивание статьи в pdf формате (336 кБ)