[发明专利]一种提高海上风电桩基外加电流阴极保护可靠性的控制方法

说明书

本发明公开了一种提高海上风电桩基外加电流阴极保护可靠性的控制方法以及系统，其应用于外加电流阴极保护系统中。本发明在正常保护状态下，系统以恒电位运行模式输出，当系统遭遇极端工况或者系统参与控制的参比电极出现故障时，自动切换为恒电流模式以设置输出电流的上、下限值进行输出，以防止极端异常工况下外加电流阴极保护系统超限输出导致被保护结构产生过保护或欠保护，提高了外加电流阴极保护系统运行的可靠性；同时可通过闭环PID增量调节、PWM调制等技术对数控高频开关电源的输出电流进行实时控制，而当输出保护电流超出保护电流输出限制区间时，自动由恒电位控制切换为恒电流控制模式并按照设置的输出电流上、下限进行恒电流输出。

技术领域

本发明涉及阴极保护防腐技术领域，尤其涉及一种提高海上风电桩基外加电流阴极保护可靠性的控制方法。

背景技术

海上风电作为近年来国家主要发展的清洁能源，单机装机容量大，有效利用小时数高，并且不占用陆地资源，紧邻国家沿海电力负荷中心，应用前景广阔。海上风电水下基础有多种结构形式，如单桩式、群桩式、漂浮式、负压桶式、导管架式等，其长期处于远海苛刻的海洋腐蚀环境下，通常采用阴极保护与防腐涂层进行联合保护。

阴极保护技术作为一种防腐控制的有效手段，广泛应用于船舶、石油平台、管道、桥梁码头、海上风电等重要设施及设备的防护。阴极保护技术分为牺牲阳极保护技术和外加电流保护技术两种。所谓牺牲阳极保护，就是将被保护的金属与另一种电极电位更低的金属或合金相连接，使得该金属或合金作为阳极优先被消耗，被保护的金属获得阴极电流而被保护。而外加电流阴极保护系统一般由直流电流、辅助阳极和参比电极三部分构成，并由外部的直流电源和辅助阳极向被保护的金属结构提供额外的阴极电流，从而使得被保护金属的腐蚀得到抑制。在阴极极化过程中，被保护结构的极化电位会因外部环境的改变而改变，如溶解氧含量、温度、海流、含盐量等环境参数，只有实时调节极化输出电流的大小，才能维持被保护结构极化电位的动态平衡。

相对于牺牲阳极阴极保护，外加电流阴极保护系统适用于各种海水工况，输出调节能力更强，系统载荷小，同时可实现远程智能化数字化控制，更适用于海上风电桩基的阴极保护。恒电位仪作为外加电流阴极保护系统的核心设备，负责根据保护电位测量结果调节输出电流，是被保护结构能否获得良好保护效果的关键。现有直流恒电位仪主要包括恒电位控制、恒电流控制及恒电压控制三种输出模式。所谓恒电位运行模式，是指恒电位仪通过比较参比电极测量的保护电位与设置的给定保护电位之间的差值大小来调节输出电流的大小，从而使得被保护结构物的保护电位维持在给定保护电位附近。所谓恒电流运行模式，是指恒电位仪按照设置的给定电流输出电流，输出电流大小恒定，不随保护电位的变化而改变。所谓恒电压运行模式，是指恒电位仪按照设置的给定电压输出电流，输出电流大小随着系统回路电阻的改变而改变。采用恒电位控制方法可以通过不断调整保护电流来维持结构物/电解质体系的电位恒定在规定的保护电位范围内，多作为正常工况下的运行模式。但在复杂海洋工况下，参与电流输出控制用的参比电极自身的可靠性以及稳定性就显得十分重要，这是因为在实际操作中，全部调节都是基于该参数，若其出现问题，则输出电流的基础调节依据出现偏差就会使得恒电位模式运行下可能存在较大的安全隐患。即若出现参比电极异常（电极渗水锈蚀、外力破坏包括浮冰等、自身溶解，测量回路端接点虚接等）、外界工况剧烈改变（被海生物附着、被污物覆盖、海泥回淤）等情况，往往会导致测量电位短期突变或长期偏离，使得外加电流阴极保护系统的输出电流极小（无电流输出，欠保护）或极大（输出电流超出设计极限，过保护），直接影响外加电流阴极保护系统对结构的保护效果。

例如，CN202688452U基于船舶外壁保护常用的辅助阳极形式发明了一种适用于海上风电桩基的外加电流阴极保护系统，系统仅通过比较测量保护电位与设定保护电位的差值作为判断依据来调节电流输出，控制逻辑及算法较为简单且没有考虑海上风电的极端工况的影响；又如，CN103726057A针对海上风电三角形桩基结构介绍了一种外加电流阴极保护系统，专利所属控制系统部分具有恒电位控制和恒电流控制两种模式，这也是目前各个行业外加电流阴极保护系统所用恒电位仪均具备的运行模式，均未考虑海上风电无人值守及离岸极端海况的特殊性。