陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型輸水工程中的應(yīng)用

譚艷芳 王留超

(1.遼西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166；2.遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

1 工程概況

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程主要任務(wù)是解決遼寧省中南部撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦、大連七市突出的水資源短缺問(wèn)題，是遼寧省重大的區(qū)域性水資源配置工程，涉水人口1400余萬(wàn)[1]。管道設(shè)計(jì)輸水壓力0.6MPa，PCCP管道及鋼管等鋼質(zhì)管道總長(zhǎng)度約600km。

2 課題提出

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程輸水管線均為密閉式地埋壓力管道，沿線地質(zhì)復(fù)雜，特別是營(yíng)口及盤(pán)錦地區(qū)臨近海洋，海水倒灌，地下水Cl-含量高，土壤視電阻率低，土壤評(píng)價(jià)為強(qiáng)腐蝕，對(duì)地埋鋼質(zhì)管道腐蝕性強(qiáng)，影響PCCP管道及鋼管的使用壽命。

為延長(zhǎng)PCCP管道及鋼管等鋼質(zhì)管道的使用壽命，本工程對(duì)PCCP輸水管線采用犧牲鋅陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)，對(duì)鋼管采用犧牲鎂陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)，陰極保護(hù)的消耗量及電位的高低直接關(guān)系到PCCP管的服役壽命。為確保PCCP管道內(nèi)纏繞鋼絲處于正常的保護(hù)狀態(tài)，需要定時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)電位和陽(yáng)極輸出電流。然而當(dāng)前的電位監(jiān)測(cè)采用人工巡檢方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)、質(zhì)量低。采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步分析研判，再制定相應(yīng)的對(duì)策。

為提高輸水管線陰極保護(hù)的自動(dòng)化管理水平，保證管線的安全運(yùn)行，需要建立對(duì)陰極保護(hù)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)狀態(tài)與故障報(bào)警。

3 工程目標(biāo)

根據(jù)本工程輸水管線較長(zhǎng)、沿線無(wú)供電線路等特點(diǎn)，該項(xiàng)目擬在輸水管線埋地段的關(guān)鍵位置建立無(wú)線監(jiān)測(cè)終端，采用太陽(yáng)能電板提供電源，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)采集器的陰保數(shù)據(jù)傳送到云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)中央處理器對(duì)采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，研判陰極保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)定的警告閥值，當(dāng)陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到及超過(guò)警告值時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電腦屏幕自動(dòng)彈出警示窗口，并通過(guò)短信或E-mail通知相關(guān)人員維護(hù)，維護(hù)人員可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地訪問(wèn)云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，查看各測(cè)試樁的工作狀態(tài)。

3.1 實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理

通過(guò)現(xiàn)地智能采集設(shè)備，將陰極保護(hù)運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰保運(yùn)行情況的在線監(jiān)測(cè)，達(dá)到陰極保護(hù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理的目的。

3.2 提供基于GIS的陰極保護(hù)可視化監(jiān)控管理

將管道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的陰極保護(hù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及地理信息集合到GIS地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和直觀地分析圖表，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電位和犧牲陽(yáng)極輸出電流的保護(hù)狀況在線監(jiān)測(cè)，還可直接對(duì)陰極保護(hù)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[2]。

3.3 提供陰極保護(hù)狀態(tài)的故障診斷分析

通過(guò)中央處理器故障分析功能模塊，對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，給出故障的原因及相應(yīng)處理措施，協(xié)助陰極保護(hù)管理人員對(duì)陰極保護(hù)狀況進(jìn)行分析，提高故障診斷分析的科學(xué)性、準(zhǔn)確性[2]。

3.4 提供跨信息系統(tǒng)管理平臺(tái)的接口

提供與其他信息系統(tǒng)管理平臺(tái)的服務(wù)接口，并通過(guò)系統(tǒng)整合，使本系統(tǒng)能夠很好地融入現(xiàn)有管道信息系統(tǒng)中[2]。

4 解決方案

4.1 系統(tǒng)組成

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵要素之一是各種數(shù)據(jù)的可靠獲取與傳輸。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由CST616集成多功能數(shù)據(jù)采集器+CST610 GPRS無(wú)線收發(fā)器+CP Monitor監(jiān)控中心服務(wù)軟件組成，其陰極保護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成見(jiàn)圖1。

圖1 陰極保護(hù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組成

4.1.1 電位/電流采集器

測(cè)試樁的輸出電位/電流、保護(hù)電位及開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)采用CST616數(shù)據(jù)采集器(見(jiàn)圖2)，該設(shè)備共有8路模擬差分信號(hào)輸入，可測(cè)量4路差分電位信號(hào)和4路電流信號(hào)，每個(gè)通道均可加裝隔離變壓器，防止高壓信號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)器的浪涌沖擊。

圖2 CST616數(shù)據(jù)采集器

監(jiān)測(cè)器由多通道切換電路、低功耗單片機(jī)、高精度A/D 轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘和RS485/232接口組成。測(cè)量過(guò)程由內(nèi)置時(shí)鐘定時(shí)喚醒，在單片機(jī)控制下完成通道選擇和測(cè)量，電位與電流數(shù)據(jù)保存到flash存儲(chǔ)器，測(cè)量完成后記錄器自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

4.1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器基于GPRS/4G通信和GPS定位技術(shù)(見(jiàn)圖3)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送，具有低功耗、誤碼率低、傳送信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)。儀器內(nèi)置128k bytes Flash非遺失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即使在服務(wù)器不開(kāi)機(jī)狀態(tài)下，也能存儲(chǔ)6個(gè)月的數(shù)據(jù)量。

圖3 CST610無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器在監(jiān)控中心指令控制下，儀器內(nèi)的MCU可實(shí)現(xiàn)對(duì)最多16臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)器的輪詢、采集、傳送和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送到監(jiān)控中心，并自動(dòng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中[2]。

4.1.3 電源組件

現(xiàn)地監(jiān)測(cè)站安裝的蓄電池能滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3個(gè)月以上的用電量，采用太陽(yáng)能電板進(jìn)行電源補(bǔ)充。儀器采用先進(jìn)電源管理模塊，能夠在非測(cè)量期間進(jìn)入低功耗狀態(tài)，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，方便無(wú)人值守。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試樁的三個(gè)參比電極布置狀態(tài)，采用數(shù)據(jù)采集器對(duì)PCCP管道的圓周方向的3、6、9點(diǎn)鐘方向的保護(hù)電位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將分流器插入到犧牲陽(yáng)極電流匯入點(diǎn)，對(duì)犧牲陽(yáng)極的發(fā)射電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。所有測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)器上傳到中央監(jiān)控系統(tǒng)。為方便用戶查看數(shù)據(jù)，在監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)軟件界面，繪制實(shí)際走向的模擬PCCP管路，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)測(cè)試樁測(cè)點(diǎn)的電位與電流變化及鋼絲腐蝕狀況。

4.3 中央服務(wù)器

中央服務(wù)器是陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，放置在監(jiān)控中心，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸器收集各測(cè)站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控軟件，監(jiān)控軟件將數(shù)據(jù)的分析結(jié)果反饋給中央服務(wù)器，中央服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)傳輸給已設(shè)置的傳輸對(duì)象。各用戶可以通過(guò)因特網(wǎng)隨時(shí)隨地讀取中央服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)，查看陰極保護(hù)狀態(tài)。

4.4 監(jiān)控軟件

腐蝕環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、系統(tǒng)管理的專(zhuān)用軟件。該軟件由工具欄、菜單欄以及表格和圖形界面組成。

在軟件中可以設(shè)置數(shù)據(jù)的保存和輸出，對(duì)設(shè)備設(shè)置相關(guān)的操作,如添加收發(fā)器、修改收發(fā)器、修改設(shè)備，以及設(shè)置遠(yuǎn)程控制的相關(guān)操作，如下發(fā)參數(shù)、讀取歷史數(shù)據(jù)、在線測(cè)量、設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)等。

監(jiān)控軟件可以多個(gè)用戶安裝，通過(guò)因特網(wǎng)讀取中央服務(wù)器內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析，判斷陰極保護(hù)運(yùn)行狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行故障時(shí)，向設(shè)定的用戶發(fā)出報(bào)警。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程PCCP管道不同地質(zhì)段，設(shè)置了10個(gè)陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能板提供電源，通過(guò)無(wú)線收發(fā)器傳輸信號(hào)，見(jiàn)圖4～圖5。

圖4 陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)站

圖5 陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集箱

陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向各監(jiān)測(cè)站發(fā)射指令，對(duì)現(xiàn)地設(shè)備每間隔12h采集一次數(shù)據(jù)。采集內(nèi)容包括：PCCP管纏繞鋼絲電位、開(kāi)路電位、極化電阻、腐蝕電流，ECI Cl-、ECI溫度、ECI開(kāi)路電位等數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6。

圖6 陰極保護(hù)在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)界面

通過(guò)中央服務(wù)器中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成陰極保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)報(bào)表，并生成直觀的測(cè)量數(shù)據(jù)圖形，見(jiàn)圖7。

圖7 陰極保護(hù)在線監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面

大伙房水庫(kù)輸水工程根據(jù)本工程實(shí)際測(cè)量初始數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)范，設(shè)置如下報(bào)警值：

a. PCCP設(shè)置的開(kāi)路電位大于-0.58V或開(kāi)路電位與閉路電位差值大于100mV時(shí)。

b.閉路電位小于-1.2V時(shí)。

c.腐蝕電流為0值時(shí)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電腦屏幕自動(dòng)彈出警示窗口，并通過(guò)手機(jī)短信和E-mail通知指定的相關(guān)人員維護(hù)，維護(hù)人員通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地訪問(wèn)云端監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，查看各測(cè)試樁的工作狀態(tài)。

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)近10年來(lái)，有效地監(jiān)測(cè)了PCCP管道沿線陰極保護(hù)裝置的運(yùn)行狀況，多次準(zhǔn)確地發(fā)出報(bào)警提示，為陰極保護(hù)裝置的維護(hù)與更換提供了可靠的數(shù)據(jù)。實(shí)踐證明，此系統(tǒng)運(yùn)行可靠，故障診斷分析科學(xué)、準(zhǔn)確，達(dá)到了提高輸水管線陰極保護(hù)的自動(dòng)化管理水平和保證管線安全運(yùn)行的目的。

6 結(jié) 語(yǔ)

陰極保護(hù)裝置是輸油、輸水、燃?xì)獾裙艿涝O(shè)備的重要組成部分，關(guān)系到管道設(shè)備的運(yùn)行安全及使用壽命。對(duì)陰極保護(hù)裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析一直以來(lái)是一個(gè)難題。通常采用的人工采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，檢測(cè)數(shù)據(jù)和分析成果受技術(shù)人員知識(shí)水平的影響較大，致使對(duì)陰極保護(hù)的維護(hù)管理嚴(yán)重滯后。

陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型輸水工程中的應(yīng)用比較少見(jiàn)，該系統(tǒng)在本工程中的應(yīng)用效果證明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地收集和分析輸水管線陰極保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，故障診斷分析科學(xué)、準(zhǔn)確，可提高自動(dòng)化管理水平，為陰極保護(hù)裝置的維護(hù)與更換提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，對(duì)類(lèi)似新建或改建工程具有很好的借鑒意義。