Информация о компьютерной программе CAG для расчета анодных заземлений

_________________

* Модифицированная программа ORVG-1. Разработчик - Академия коммунального хозяйства им. К.Д.Памфилова. Тел. 490-37-23.
C.1 Программа CAG предназначена для расчета одиночных вертикальных и горизонтальных заземлителей в однородных и двухслойных грунтах и однорядных анодных заземлений из идентичных вертикальных заземлителей в однородных и (при определенных ограничениях) в двухслойных грунтах. Характеристики грунтов берутся по данным вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

С.2 Программа разработана как программное средство для любых модификаций ПЭВМ от 286 до Pentium, совместимых с IBM PC AT. Программа может выполняться как с операционной системой DOS, так и Windows 95. Все необходимые для работы программы файлы поставляются в комплекте. Запуск осуществляется из рабочего файла. Все комментарии и советы вызываются через Help. Применение мыши, учитывая активную работу с клавиатурой, не предусмотрено. В результате выполнения программы вычисляются искомые значения. Они могут, кроме вывода на экран, сохраняться в файле результатов, формируемом по желанию пользователя для последующей распечатки и обработки.

С.3 Программа может решать следующие задачи:

С.3.1 При расчете одиночных заземлителей (число анодов n = 1) при заданных характеристиках анода, грунта и расположения анода в грунте:

- вычисление сопротивления растеканию тока анода R и одновременно срока службы анода T, если задана сила тока на анод J, или допустимой силы тока на анод J, если задан срок его службы T.

Для вертикального анода одновременно вычисляются приведенные годовые затраты C.

C.3.2 При расчете однорядных анодных заземлений в однородном и (с определенными ограничениями) в двухслойном грунте при заданных характеристиках анодов, грунта, расположения анодов в грунте, силе тока на заземление J_p и сроке службы анодов T:

- при n = 0 и Rg = 0: расчет числа анодов nmз в экономически оптимальном заземлении, минимальных приведенных годовых затрат C_min, сопротивления растеканию тока заземления Rg, сопротивления растеканию тока одного анода R, допустимой силы тока на анод J, минимального необходимого числа анодов в заземлении nm;

- при n = 0 и заданном Rg > 0: расчет числа анодов n, обеспечивающего получение значения Rg, максимально близкого к заданному; соответствующее значение Rg, а также значений R, J, nm и C;

- при Rg = 0 и числе анодов n  2 расчет: значений Rg, R, J, nm и C.

Подробнее возможности и ограничения расчетов, обозначения и размерности вводимых и вычисляемых параметров перечислены в Help. Выход на Help возможен и в процессе расчетов - клавиша F1.

С.4 После запуска рабочего файла следует в соответствии с появляющимся запросом выбрать тип рассчитываемых анодов - вертикальные или горизонтальные, а затем ответить на запрос: не нужен (n) или нужен (имя файла) файл результатов..

С.5 При выборе вертикальных анодов на экране появляются 7 схем возможного расположения вертикального анода в грунте (рис.С1). При выборе горизонтальных анодов на экране появляются 4 схемы возможного расположения горизонтального анода в грунте (рис.С2).

1. Однородный грунт

2. Двухслойный грунт

Выберите номер схемы - двухзначное число NN

Рис.С1. К программе CAG: схема возможных расположений вертикального анода в однородном (1.1, 1.2) и двухслойном грунтах (2.1-2.5) для выбора расчетного варианта

2. Двухслойный грунт с толщиной верхнего слоя h и удельными сопротивлениями верхнего и нижнего слоев R_o1 и R_o2 l >> d_н

Выберите номер схемы двухзначное число; для выхода >>0

Рис.С2. К программе CAG: схема возможных расположений горизонтального анода в однородном (1.1, 1.2) и двухслойном грунтах (2.1, 2.2) для выбора расчетного варианта

С.7 Для вертикальных анодов ввиду большого количества вводимых исходных параметров их столбец занимает 2 экрана. Переход от 1-й половины столбца ко 2-й и обратно осуществляется командами соответственно Page Down и Page Up.

С.8 В столбце исходных параметров, наряду с их обозначениями, приведены их произвольные численные величины - кроме коэффициента запаса (Eps), а для вертикальных анодов - также нормативного коэффициента (Ен), к.п.д. преобразователя (w) и числа часов работы заземления в году (Тг). Для этих параметров даны значения, употребительные на момент составления программы. Для изменения значения любого параметра, включая указанные, следует установить курсор на его символе и дать команды: Enter - нужное число - Enter. Могут вводиться параметры как типовых, так и нетиповых заземлителей.

С учетом п.4.3.17 заглубление анода t, а также толщина верхнего слоя двухслойного грунта отсчитываются от нижней границы слоя промерзания грунта.

С.9 После введения всех нужных численных значений параметров подвести курсор к строке run в столбце исходных данных и нажать клавишу Enter. Если введенные числа не содержат ошибки (значения L, L₁, L₂, h, t соответствуют выбранной схеме расположения анода в грунте) и не попадают в зону ограничений возможностей программы, в правой половине экрана появляется столбец значений искомых характеристик. В противном случае высвечивается информация об ошибке или попадании введенного значения того или иного параметра в зону ограничений возможностей расчета по программе.

С.10 Выход из режима расчетов по любой схеме в графическое изображение осуществляется командой Esc. Выход из графического изображения в каталог программы - командами 0 и Enter.

Коксовой обсыпки нет, поэтому принимаем d₀ = d_н = 0,25 м и расход материала анода по току Е_с = 10 кг/А.год.

Грунт двухслойный. Отсчитываемые от нижней границы слоя промерзания заглубление анода t = 0,3 м, толщина верхнего слоя h = 8,3 м, его удельное сопротивление R_o1 = 20 Ом·м, удельное сопротивление нижнего слоя R_o2 = 40 Ом·м.

При указанных значениях L, h и t расположение анода отвечает схеме 2.4 (рис.С1), которая и выбирается для расчета.

Принимаем также:

- расстояние между соседними анодами в ряду S = L = 10 м;

- коэффициент запаса Eps = 0,72;

- нормативный коэффициент для расчета приведенных годовых затрат Е_н = 0,27;

- число часов работы заземления в году Т_г = 8760 ч;

- к.п.д. преобразователя W = 0,60;

- цена одного анода (включая стоимость кабеля) K_a = 100 у.е.;

- стоимость электроэнергии К_э = 0,043 y.e./кВт.ч.

Вводим все приведенные значения в столбец исходных данных. Так как оптимальное число анодов в заземлении и сопротивление растеканию тока заземления неизвестны, то вводим значения соответственно n = 0 и Rg = 0.

После команды "run" в таблице результатов расчета получаем следующие основные данные:

- оптимальное число анодов в заземлении nmз = 6;

- сопротивление заземления растеканию тока Rg = 0,528 Ом;

- минимальные приведенные годовые затраты C_min = 369 y.e./год.

Кроме того, в таблицу результатов выведены:

- допустимая сила тока на 1 анод J = 8,82 А;

- сопротивление растеканию тока одного анода R = 1,871 Ом;

- минимально необходимое число анодов в заземлении nm =2,84, принимаем nm = 3.

Обязательное требование, чтобы число анодов в заземлении было не меньше минимально необходимого числа анодов, выполняется: nmз > nm.

Полученное решение может не удовлетворять каким-либо дополнительным условиям или требованиям. Например, длина ряда анодов в рассчитанном заземлении (S·(nmз - 1) = 10 · 5 = 50 м) может оказаться слишком большой.

В этом случае можно провести новый расчет с целью сокращения длины ряда, использовав, например, коксовую обсыпку, или увеличив длину анода, или перейдя к анодам из ферросилида, и т.д.

Для расчета R принимаем наружный диаметр эквивалентного цилиндрического анода d_экв = 0,5b = 0,5 · 0,08 = 0,04 м и d_в = 0 (см. Help).

Исходя из желательности наименьшего возможного заглубления, принимаем, что в одном варианте (А) t = 0,2 м, т.е. анод расположен в верхнем слое грунта, а в другом варианте (Б) t = 2,7 м, т.е. анод расположен в нижнем слое грунта, у его верхней границы.

В варианте А (схема 2.1 рис.С2) получаем R = 3,626 Ом, в варианте Б (схема 2.2 рис.С2) R = 1,574 Ом, т.е. с точки зрения более низкого R вариант Б выгоднее.

В обоих вариантах значение J, естественно, одинаково и равно 0,49 А. Однако это значение необходимо скорректировать на отношение площади сечений используемой полосы и цилиндра диаметром d_экв (см. Help):

А

Приложение Т

(Информационное)
Информация о компьютерной программе MLG-2 для расчета вертикальных анодных заземлителей в многослойных грунтах*
____________________

* Модифицированная программа MLG-1. Разработчик - Академия коммунального хозяйства им.К.Д.Памфилова. Тел. 490-37-23.

Т.2 Программа разработана как программное средство для любых модификаций ПЭВМ от 286 до Pentium, совместимых с IBM PC AT. Программа может выполняться с операционной системой как DOS, так и Windows 95. Все необходимые для работы файлы поставляются в комплекте. Все комментарии и советы вызываются через Help. Применение мыши, учитывая активную работу с клавиатурой, не предусмотрено. В результате выполнения программы вычисляются искомые значения, которые, кроме вывода на экран, могут сохраняться в файле результатов, формируемом по желанию пользователя для последующей распечатки и обработки.

Т.3 Возможности и ограничения расчетов, обозначения и размерности вводимых и вычисляемых параметров перечислены в Help. Выход на Help возможен и в процессе расчетов (клавиша F1 или строка Help).

Т.4 После запуска рабочего файла следует ответить на появляющийся запрос: не нужен (n) или нужен (имя файла) файл результатов.

Т.5 Далее, исходя из принятой схемы строения горизонтально-слоистого грунта, следует ввести расстояния Y_i каждого i-го слоя от поверхности земли, заглубление t и принятые параметры анода. Нижний слой трактуется как бесконечный, поэтому, например, для 4-слойного грунта вводятся значения Y₁-Y₃ для 3-х слоев и удельные сопротивления R_o1-R_o4 для всех 4-х слоев.

С учетом п.4.3.17 заглубление анода t и толщина Y₁ верхнего слоя грунта отсчитываются от нижней границы слоя промерзания грунта.

Т.6 Ввиду большого количества вводимых и исходных данных их столбец занимает 2 экрана. Переход от 1-й половины столбца ко 2-й и обратно осуществляется командами соответственно Page Down и Page Up.

Т.7 В столбце исходных параметров, наряду с их обозначениями, приведены их произвольные численные значения - кроме коэффициента запаса (EPs), нормативного коэффициента (Е_н), к.п.д. преобразователя (W) и числа часов работы заземлителя в году (Т_г). Для этих 4-х параметров даны значения, употребительные на момент составления программы. Для изменения значения любого параметра, включая указанные 4, следует установить курсор на его символе и дать команды: Enter - нужное число - Enter. Могут вводиться параметры как типовых, так и нетиповых заземлителей.

Т.8 После введения всех нужных численных значений параметров можно вызвать схему принятого расположения анода в грунте принятого строения: курсор подводится к строке "схема" в столбце исходных данных и дается команда "Enter". Визуализированная наглядная схема полезна для проверки, уточнения или исправления принятого размещения анода и (или) его длины.

В таблицу у схемы выводится ряд параметров, в частности толщина наиболее электропроводного слоя (L_min, м), удельное сопротивление этого слоя (R_omin, Ом·м) и среднее удельное сопротивление грунта по длине анода (R_osr, Ом·м).

Т.9 После проверки схемы курсор подводится к строке "run" в столбце исходных данных и дается команда Enter. Если введенные числа не содержат ошибки и не попадают в зону ограничений возможностей расчета, в правой половине экрана появляются искомые значения - сопротивление растеканию тока анода (R, Ом) и допустимая сила тока на анод (J, A), при которой обеспечивается введенный в столбец исходных данных срок службы анода (T, годы).

Т.10 Выход из программы: Esc + Enter.

После введения перечисленных значений параметров по команде "схема" получаем на экране визуализированную схему размещения заземлителя в грунте (рис.Т1).

- сопротивление растекания тока заземлителя R = 1,041 Ом;

- допустимая сила тока J = 6,19 А.

Полученное значение J может оказаться недостаточным. В этом случае целесообразен расчет для заземлителя из более стойкого материала. Например, приняв сплошной ферросилидовый заземлитель той же длины L = 20 м и наружным диаметром d_н = 0,08 м, при Е_с = 0,25 кг/А·год, Eps = 0,72 и T = 20 лет получим R = 1,229 Ом, J = 38,08 А.

Приложение У

(Информационное)

- геометрические и электрохимические характеристики гальванического анода;

- удельное электрическое сопротивление грунта в месте установки анода у трубопровода;

- диаметр и при необходимости переходное сопротивление трубопровода.

У.2 Расчет ГЗ сводится к определению:

- силы тока в цепи гальванический анод - труба;

- срока службы анода;

- необходимого числа анодов для защиты участка трубопровода.

У.3 Сила тока J (А) в цепи одиночный гальванический анод (ГА) - трубопровод в общем случае равна:

J₁ = [Е_т (J) – Е_га (J)] / R = [E(J)] / R

где Е_т (J) и Е_га (J) - электродные потенциалы трубы и ГА при силе тока J, R (Ом) - омическое сопротивление в цепи ГА - труба.

Величины Е_га и особенно Е_т представляют собой сравнительно сложные функции силы тока J. Поэтому при проектировании ГЗ чаще всего упрощенно принимают E(J)  0,6 В. При этом

J₁  0,6 / R (У.1)

У.4 Омическое сопротивление R представляет собой сумму сопротивлений растеканию тока ГА R_a, проводника, соединяющего ГА с трубой R_сп, и входного сопротивления трубопровода R_т:

Принимается, что поляризационные сопротивления ГА и трубы не зависят от тока и входят в значения R_a и R_т соответственно.

У.5 Входное сопротивление трубопровода равно

, (У.3)

где R_прод - продольное сопротивление металла трубы на единицу ее длины; R_пер - переходное сопротивление труба-земля. R_прод при известных удельном сопротивлении металла трубы, _м (Ом·м), ее диаметра D (м) и толщине стенки  (мм) вычисляется легко:

Значение R_пер вычислить сложнее:

Здесь R_из (Ом·м) - сопротивление изоляции на единицу длины трубы, _г - (Ом·м) - удельное сопротивление грунта, h_т - расстояние от поверхности земли до оси трубы. Значение R_из убывает во времени t, R_из = R_из (t), поэтому в уравнении (У.5) R_из при расчете ГЗ следует в зависимости от задачи относить к моменту начала или конца эксплуатации ГА. Если известно или принято удельное поверхностное сопротивление изоляции (Ом·м²), то R_из вычисляется по формуле:

У.6 Сопротивление соединительного провода равно

где _сп - удельное сопротивление металла провода (для меди и алюминия соответственно 0,0175 и 0,028 Ом·мм² /м), l_сп (м) - длина, S (мм²) - сечение соединительного проводника.

У.7 Обычно основной вклад в величину R вносит сопротивление растеканию тока анода R_a, и чаще всего вместо уравнения (У.2) используют упрощенную формулу

R  R_a (У.8)

У.8 Значение R_a зависит от расположения анода в грунте, длины анода l_a (м); его диаметра d_a (м); удельного сопротивления грунта _г; отсутствия или наличия засыпки - активатора: специальной смеси для снижения и стабилизации сопротивления растеканию тока и предотвращения пассивации ГА.

При наличии засыпки в расчет вводятся ее удельное сопротивление _з (Ом·м); высота l_з (м) и диаметр d_з (м) столба засыпки.

У.9 Для вертикального анода без засыпки сопротивление растеканию тока равно:

где h (м) - расстояние от поверхности земли до середины анода.

У.10 Для вертикального ГА с засыпкой (комплектного анода)

R_aз = (_г / 2 l_з){ln(2l_з / d_з) + 0,5 · ln[(4h + l_з) / (4h – l_з)] + [(_з / _г) · ln(d_a / d_з)]}, (У.10)

У.11 Для горизонтального ГА без засыпки

У.12 Для горизонтального ГА с засыпкой (комплектного анода)

Формулы (У.8) - (У.11) справедливы при условии l_a > d_a, l_з > d_з. Формулы (У.9) и (У.10) справедливы при условии соответственно l_a < 4h, l_з < 4h.

У.13 Значения R_a для выпускаемых магниевых протекторов типа ПМ-У при h  2,5 м могут быть рассчитаны по эмпирической формуле

R_аз = А_г + В, (У.13)

где А и В - численные коэффициенты, приведенные в таблице:

У.14 Срок службы одиночного ГА, Т (годы), вычисляют по формуле

где G - масса ГА (кг); q - теоретическая токоотдача материала анода, А.ч/кг (для магниевых анодов 2330 А.ч/кг); _п - к.п.д. анода (обычно принимают _п = 0,6 или по технической документации на анод); _и - коэффициент использования материала анода (обычно принимают _и = 0,90); J_ср (A) - средняя сила тока в цепи анод-труба за период эксплуатации анода T.

У.15 Количество одиночных анодов, необходимое для защиты сети трубопроводов, вычисляется из суммарного катодного тока J_c (А), требуемого для защиты сети. Значение J_c для построенных трубопроводов может быть найдено из данных опытного включения передвижных катодных станций, а для проектируемых трубопроводов - из необходимой плотности защитного тока (определенной, в частности, по методике Приложения П) и суммарной площади поверхности трубопроводов. С учетом этого необходимое количество идентичных одиночных анодов N равно:

N = J_c / J₁, (У.15)

где J₁ определяется уравнением (У.1), а значение R в уравнении (У.1) - формулой (У.2) или (У.8).

У.16 В целях эффективного использования и удобства контроля ГА при эксплуатации часто размещают группами. Количество групп, их местоположение и число анодов в каждой группе определяются при проектировании в зависимости от условий расстановки.

У.17 Общее число анодов в группе, необходимое для защиты данного участка трубопровода, определяется по формуле:

где J_з - сила тока, необходимая для защиты участка;

_ср - средний коэффициент использования анода.

Значение _ср может приниматься равным 0,85 при расстояниях между соседними анодами 2-5 м.

После размещения групп ГА на плане подземных сооружений вычисляется ожидаемая сила тока J_ож в каждой группе:

J_ож = n_гр · J₁ · , (У.17)

где  - коэффициент использования ГА. Значение  для ряда вертикальных комплектных анодов может быть найдено по диаграмме рис.У1 в зависимости от числа анодов в группе n_гр и отношения a/l_з межанодного расстояния а (м) в группе к длине комплектного анода l_з (м).

У.18 В случае применения ГЗ для защиты от опасного влияния блуждающих токов (п.4.3.15 настоящей Инструкции) необходимый ток ГЗ определяют на построенном трубопроводе (путем опытного включения катодной станции или ГА) как величину, обеспечивающую полное подавление положительного смещения суммарного потенциала от стационарного.

Рис.У1. Зависимость коэффициента использования () анодов группы ГА от количества (n) анодов в группе и отношения a/l_з межанодного расстояния (а) к длине (l_з) комплектного анода

а - ГА типа ПМ-5У; б - ГА типа ПМ-10У и ПМ-20У