天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐

李葉斌 姚國斌 郭志宏

（華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司）

埋地天然氣管道的防腐措施一般由兩部分組成： 管道外壁的防腐層和管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)。 管道的陰極保護(hù)有兩種方法：犧牲陽極保護(hù)和強(qiáng)制電流保護(hù)［1，2］。管道管理部門定期檢測管道的陰極保護(hù)電位，通過對匯總數(shù)據(jù)分析、評價(jià)進(jìn)而判斷管道的受保護(hù)狀態(tài)。 從文獻(xiàn)［3～5］的研究數(shù)據(jù)看，輸電系統(tǒng)、電氣化鐵路系統(tǒng)等與埋地天然氣管道的沖突逐年擴(kuò)大，對管道雜散電流干擾的影響也越來越常態(tài)化。 文獻(xiàn)［6，7］的研究結(jié)果表明，雜散電流干擾呈多樣性和不規(guī)律性，檢測難度大，尤其是管線附近輸電設(shè)施故障或電力設(shè)備維護(hù)過程向大地釋放強(qiáng)大故障電流引起的雜散電流干擾，干擾并不規(guī)律，具有偶發(fā)性，持續(xù)時(shí)間也不是很長（電力故障解除后干擾消失），但干擾程度較大，現(xiàn)場很難捕捉，對管線維護(hù)人員的危害也大。

針對管道運(yùn)行過程雜散電流干擾檢測和評價(jià)困難的現(xiàn)狀，山西天然氣有限公司根據(jù)管道生產(chǎn)運(yùn)行需求，在埋地天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)上進(jìn)行了實(shí)踐探索，開發(fā)了一套基于無線通信技術(shù)的天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對部分管道特殊點(diǎn)位的陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)自動(dòng)采集遠(yuǎn)傳，讓生產(chǎn)運(yùn)營人員坐在辦公室就能了解管線的在線陰極保護(hù)效果、雜散電流干擾規(guī)律及程度等信息。

1 技術(shù)方案總體架構(gòu)

基于無線通信技術(shù)的天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)（圖1）包括一個(gè)數(shù)據(jù)中心、若干技術(shù)員管理工作站、智能測試樁、陰極保護(hù)管道智能恒電位儀和遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)，通信方式采用全網(wǎng)通自適應(yīng)現(xiàn)有移動(dòng)、聯(lián)通、電信運(yùn)營商的GPRS/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓、交流電流密度及直流電流密度等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線采集。

1.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心架構(gòu)為私有云+公有云的混合云數(shù)據(jù)中心， 布署有數(shù)據(jù)庫服務(wù)和相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，架設(shè)有移動(dòng)、聯(lián)通、電信互聯(lián)網(wǎng)專線，另有基于北斗通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)急通信鏈路。 其互聯(lián)網(wǎng)專線便于通過公網(wǎng)固定IP 接收數(shù)據(jù)傳輸訪問，且便于實(shí)現(xiàn)將應(yīng)用云化布署，用公網(wǎng)即可方便查看獲取數(shù)據(jù)，便于工程師隨時(shí)為一線人員提供技術(shù)支持與幫助。

1.2 技術(shù)員管理工作站

每個(gè)工作站都安裝雜散電流干擾遠(yuǎn)程在線監(jiān)控軟件系統(tǒng)和相關(guān)軟件環(huán)境，便于管理人員隨時(shí)開展工作，工作站網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)互通。

1.3 智能測試樁

智能測試樁由樁體、遠(yuǎn)程測控裝置、極化探頭、參比電極和測量連接線5 部分構(gòu)成。 遠(yuǎn)程測控裝置是數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)暮诵脑?智能測試樁是集樁體、遠(yuǎn)程測控裝置和測量連接線于一體的智能設(shè)備，與極化探頭和參比電極配合使用可自動(dòng)采集管道通電電位、斷電電位、自然電位、交流干擾電壓、交流電流密度及直流電流密度等參數(shù)， 并可通過GPRS/3G/4G 網(wǎng)絡(luò)將所采集電位數(shù)據(jù)發(fā)送至指定的中心服務(wù)器。

智能測試樁將其本身的屬性信息、所采集到的保護(hù)電位等數(shù)據(jù)通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心上位機(jī)，數(shù)據(jù)中心上位機(jī)也可以給智能測試樁下發(fā)控制指令和相關(guān)參數(shù)。 智能測試樁的屬性信息包括其位置、所屬線路、所屬組織機(jī)構(gòu)、蓄電池狀態(tài)及工作狀態(tài)等相關(guān)信息，可以靈活地對智能測試樁屬性信息進(jìn)行預(yù)置編碼。 智能測試樁的位置信息是在施工布設(shè)測試樁的同時(shí)， 由手持GPS 定位終端對其位置坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定并錄入數(shù)據(jù)庫記錄。

1.4 智能恒電位儀

智能恒電位儀與智能測試樁類似，可以將其工作參數(shù)通過GPRS 模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心， 遠(yuǎn)程在線監(jiān)控智能恒電位儀，必要時(shí)可以發(fā)送相關(guān)參數(shù)給智能恒電位儀進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試。

智能恒電位儀的參數(shù)包括輸出電壓、輸出電流、保護(hù)電位、報(bào)警狀態(tài)及備機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程上傳至軟件平臺服務(wù)器，也可將恒電位儀的給定電位、備機(jī)切換、遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)、斷電測量及超差復(fù)位等參數(shù)通過軟件管理平臺發(fā)送命令進(jìn)行遠(yuǎn)程反向控制調(diào)節(jié)。

1.5 遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)

遠(yuǎn)程專家診斷系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、 分析統(tǒng)計(jì)、專家診斷、事故處理、設(shè)備管理和系統(tǒng)維護(hù)六大基本功能模塊，可實(shí)現(xiàn)對全局?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，并給相關(guān)人員提示異常狀態(tài)，出現(xiàn)異常情況時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)， 判定管道的保護(hù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場一線工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)和協(xié)助的功能，為企業(yè)節(jié)約人力、物力和財(cái)力。

2 相關(guān)技術(shù)總則

2.1 陰極保護(hù)有效性評價(jià)總則

天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的陰極保護(hù)有效性評價(jià)總則［8］如下：

a. 一般情況下，管道陰極保護(hù)斷電電位（即管/地界面極化電位，下同）應(yīng)為-850mV（CSE）或更低，但正常情況下陰極保護(hù)狀態(tài)下管道的極限保護(hù)電位不能比-1 200mV（CSE）更低，因此當(dāng)?shù)陀谝陨蠘?biāo)準(zhǔn)時(shí)，軟件平臺系統(tǒng)上會自動(dòng)標(biāo)注黃色報(bào)警。

b. 特殊情況下，不滿足以上條件時(shí)，采用陰極極化或去極化電位差大于100mV 的判據(jù)，但如果是在高溫條件下、SRB 的土壤中存在交直流干擾以及異種金屬材料耦合的管道中，就不能采用100mV 極化準(zhǔn)則，當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，軟件平臺系統(tǒng)會出現(xiàn)紅色報(bào)警。

2.2 交流干擾程度判定準(zhǔn)則

當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4V 時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4V 時(shí)，應(yīng)采用實(shí)測采集檢查片上的交流電流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行評估［9］。

在交流干擾區(qū)域的管道智能測試樁處配套埋設(shè)腐蝕檢查片，以測量交流電流密度，對交流腐蝕和防護(hù)效果進(jìn)行評價(jià)，此處檢查片的裸露面積為1cm2，判斷指標(biāo)見表1。

表1 交流干擾程度判斷指標(biāo)

2.3 直流干擾程度判定準(zhǔn)則

根據(jù)軟件管理平臺上上傳的斷電電位數(shù)據(jù)，當(dāng)干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護(hù)電位要求時(shí)（報(bào)警），應(yīng)及時(shí)采取干擾防護(hù)措施［10］。

可以根據(jù)干擾程度和受干擾位置隨時(shí)間變化的情況（通過監(jiān)控軟件管理平臺的歷史上傳數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)判定），判定干擾的形態(tài)，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

a. 干擾程度和受干擾位置隨時(shí)間沒有變化或變化很小，應(yīng)確定為靜態(tài)干擾；

b. 干擾程度和受干擾位置隨時(shí)間不斷變化，應(yīng)確定為動(dòng)態(tài)干擾。

可以根據(jù)軟件管理平臺上管/地電位隨距離分布曲線的特征，確定干擾的范圍、管道陽極區(qū)、管道陰極區(qū)和管道交變區(qū)的位置。

2.4 監(jiān)測點(diǎn)的選擇原則

選點(diǎn)原則。 管道與特高壓交流輸電線路（電氣化鐵路）交叉或者靠近點(diǎn)兩側(cè)各選3 處陰極保護(hù)樁位置設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)（智能測試樁）；管道與特高壓直流輸電線路交叉點(diǎn)兩側(cè)各選1 處陰極保護(hù)樁位置設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)（智能測試樁）。

特高壓交流輸電系統(tǒng)對附近埋地鋼制管道的雜散電流干擾一般分為阻性干擾與電磁感應(yīng)干擾，尤其是電磁感應(yīng)干擾的影響范圍廣，故對其監(jiān)測范圍大并且設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)多。 而特高壓直流輸電系統(tǒng)主要影響其換流站接地極附近的埋地管道，而對輸配線路途中附近的埋地管道影響很小，在輸電正常運(yùn)行中會有一些很小的不平衡電流通過桿塔接地泄漏到大地，但對管道影響范圍有限，故只在交叉點(diǎn)兩側(cè)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。 如果輸電線路投運(yùn)后，雜散電流干擾影響范圍超出監(jiān)測范圍，根據(jù)現(xiàn)場情況相應(yīng)擴(kuò)大監(jiān)測范圍，并增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 監(jiān)測點(diǎn)的選擇

山西天然氣有限公司在全省運(yùn)營近2 500km的長輸天然氣管道，其陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。 為避免雜散電流干擾給管道運(yùn)行帶來的影響以及今后管道的安全運(yùn)行需要，需及時(shí)掌握管道陰極保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)，因此公司在現(xiàn)有在役管道孝義-離石輸氣管線（簡稱孝離線）中，選擇其中與特高壓交直流輸電線路、電氣化鐵路交叉伴行的管段設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。 孝離線全長156km、DN355mm、管材L360N、防腐層為3PE，采用外加電流陰極保護(hù)，分別在北姚站和離石站設(shè)置兩座陰極保護(hù)站為管線提供陰極保護(hù)。 該管線本體遠(yuǎn)離特高壓直流輸電換流站100km 以上，但在該管線線路中存在3 處與±800kV 特高壓直流輸電線交叉點(diǎn)（表2），有6 處與1 000kV 特高壓交流輸電線交叉或靠近（表3）。

表2 孝離線與±800kV 特高壓直流輸電線交叉點(diǎn)情況

表3 孝離線與1 000kV 特高壓交流輸電線交叉或靠近情況

根據(jù)選點(diǎn)原則在孝離線設(shè)置雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)20 處，設(shè)置安裝20 個(gè)智能測試樁，對所設(shè)置的管道陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，選定的20 個(gè)測試樁位置點(diǎn)見表4、圖2。

圖2 孝離線管線位置和智能測試樁選點(diǎn)布設(shè)

表4 孝離線智能測試樁設(shè)置位置點(diǎn)

3.2 智能測試樁的安裝

智能測試樁遠(yuǎn)程測控裝置是智能測試樁系統(tǒng)的核心， 它內(nèi)嵌于智能測試樁體中， 通過GPRS/3G/4G 自適應(yīng)通信方式傳輸數(shù)據(jù)， 測試樁的電源采用太陽能+蓄電池供電方式， 實(shí)現(xiàn)了無后備電源情況下的連續(xù)長時(shí)間工作。

安裝智能測試樁的主要工作有安裝點(diǎn)的選擇、信號質(zhì)量測試、安裝點(diǎn)土方開挖、原測試電纜與新設(shè)智能測試樁測試電纜連接、 參比電極安裝、極化探頭安裝、測試樁測控裝置接線與測試、測試樁體埋設(shè)等。 其中安裝點(diǎn)的信號質(zhì)量必須保證穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 軟件平臺的建設(shè)

軟件平臺的建設(shè)需要管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自規(guī)劃技術(shù)部、項(xiàng)目管理部、管道管理部、生產(chǎn)運(yùn)行部及安全環(huán)境部等部門，數(shù)據(jù)包括管道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、項(xiàng)目建設(shè)數(shù)據(jù)和管道運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)。 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的歸集有助于給管道進(jìn)行360°畫像，使決策者能夠?qū)艿赖恼w運(yùn)行狀態(tài)有直觀的了解。

另外，平臺集成現(xiàn)有地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)， 使得管道的陰極保護(hù)測試樁數(shù)據(jù)和管道的陰極保護(hù)狀態(tài)能夠在地理信息系統(tǒng)上實(shí)時(shí)展示， 方便管道陰極保護(hù)專工更直觀地查閱相關(guān)數(shù)據(jù)。

雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件系統(tǒng)的功能模塊及其功能點(diǎn)如圖3 所示。

圖3 雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊及其功能點(diǎn)框圖

3.4 調(diào)試工作

系統(tǒng)完成建設(shè)后，開展相關(guān)調(diào)試工作。 聯(lián)合調(diào)試工作分為3 部分：系統(tǒng)軟件的調(diào)試、硬件設(shè)備的調(diào)試和聯(lián)合調(diào)試。 調(diào)試順序?yàn)椋合到y(tǒng)軟件調(diào)試→硬件設(shè)備調(diào)試→聯(lián)合調(diào)試。

完成調(diào)試后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行近一年多時(shí)間。

3.5 運(yùn)營實(shí)踐效益分析

傳統(tǒng)的長輸管道陰極保護(hù)監(jiān)控一般由專業(yè)人員定期攜帶檢測設(shè)備，在現(xiàn)場檢測并記錄保護(hù)電位數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行統(tǒng)一分析并存檔記錄。 但長輸管道管線距離長，沿線地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，這種定期人工巡檢的方式需要花費(fèi)大量的人力和物力，而且檢測設(shè)備落后，檢測精度不高，時(shí)效性差，采集數(shù)據(jù)量有限，易出現(xiàn)誤報(bào)和誤判現(xiàn)象，不能準(zhǔn)確反映管道的真實(shí)保護(hù)狀態(tài)。

天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)投用后，孝離線陰極保護(hù)電位曲線如圖4 所示。

圖4 孝離線陰極保護(hù)電位曲線

傳統(tǒng)人工方式與天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的對比詳見表5。 其中，人工費(fèi)用每日按300 元計(jì)算，實(shí)際采集頻率設(shè)置每天1 次。 監(jiān)控系統(tǒng)支持每秒1 次的檢測頻率。 表5 數(shù)據(jù)量按20 個(gè)測試樁計(jì)算，車輛燃油費(fèi)用、 過路費(fèi)和保養(yǎng)費(fèi)用按實(shí)際統(tǒng)計(jì)計(jì)算，費(fèi)用概算基于2020 年1～11 月相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)核算。

表5 傳統(tǒng)人工方式與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)對比

4 總結(jié)及展望

基于無線通信技術(shù)的天然氣管道雜散電流干擾遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)投運(yùn)后，改變了傳統(tǒng)的由專業(yè)人員定期攜帶檢測設(shè)備現(xiàn)場檢測并記錄保護(hù)電位數(shù)據(jù)的方式，具有實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)采集連續(xù)、穩(wěn)定可靠、 使用簡便和運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)勢，有效提升了天然氣管道陰極保護(hù)監(jiān)測的自動(dòng)化和信息化水平，提升了監(jiān)測效率和準(zhǔn)確性，節(jié)約了人力和物力成本，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有雜散電流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)僅對天然氣管道中的個(gè)別點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)還不夠全面，無法發(fā)揮雜散電流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)（智能陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)）的全部功能，無法對天然氣管線整體陰極保護(hù)的有效性做出全面準(zhǔn)確的評估，無法全面掌控地下管線的腐蝕狀態(tài)，為陰極保護(hù)運(yùn)行中出現(xiàn)的故障解決提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

未來，應(yīng)對服役管道全線采取完整的智能陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)測，在整條管線上均布智能測試樁，同時(shí)將陰保站的所有恒電位儀改造為智能恒電位儀并納入監(jiān)控系統(tǒng)中。另外，軟件系統(tǒng)的分析功能應(yīng)結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證其準(zhǔn)確性， 并對相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算模型進(jìn)行修正，盡可能得出準(zhǔn)確的分析結(jié)果。