一種天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董增壽，白 雪，王 興

(1.太原科技大學(xué)；2.山西瑞諾風(fēng)電子科技有限公司，山西 太原 030000)

天然氣是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源，而天然氣氣田主要存在于我國(guó)的中西部盆地。因其在常溫常壓下是氣態(tài)，體積大、密度小、產(chǎn)量大，一般采用更為經(jīng)濟(jì)的管道輸送進(jìn)行天然氣的運(yùn)輸再分配。天然氣的管道輸送方式主要為埋地鋼質(zhì)管道的長(zhǎng)輸管道。而輸送過(guò)程中會(huì)受到外界干擾，同時(shí)天然氣中也含有水分、二氧化碳、硫化氫等腐蝕性物質(zhì)，因此在運(yùn)輸天然氣的過(guò)程中，必然會(huì)造成天然氣輸送管道的腐蝕。管道內(nèi)的天然氣是壓力輸送，屬于易燃易爆物質(zhì)，一旦泄露后果非常嚴(yán)重，不僅造成直接經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，也給長(zhǎng)輸管線及周邊的人類生活帶來(lái)較大的安全隱患。因此，為了盡可能減少對(duì)管道的腐蝕，就要對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)。

天然氣長(zhǎng)輸管道多采用管道涂覆耐磨防腐涂層結(jié)合陰極保護(hù)技術(shù)來(lái)減緩環(huán)境對(duì)管道的腐蝕。一般耐磨防腐涂層在生產(chǎn)管道的時(shí)候就已經(jīng)安裝涂覆完成了。陰極保護(hù)則是通過(guò)使用恒電位儀等方式向管道施加負(fù)電位，使管道對(duì)地保持負(fù)電位，構(gòu)成陰極，形成防護(hù)，減緩腐蝕。陰極保護(hù)有效彌補(bǔ)了涂層缺陷而引起的腐蝕，能大大延長(zhǎng)管道的使用壽命。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

目前，長(zhǎng)輸管道的陰極保護(hù)多以人工巡護(hù)為主，依靠萬(wàn)用表及測(cè)試儀以人工方式對(duì)使用的陰極保護(hù)測(cè)試樁等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，效率低下且存在人工測(cè)量誤差，而陰極保護(hù)測(cè)試樁等設(shè)備多分散安裝在野外，人工測(cè)量成本和危險(xiǎn)性較高，已難以滿足管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)的需求。因此，研究設(shè)計(jì)一種可遠(yuǎn)程監(jiān)控陰極保護(hù)參數(shù)的天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于提高測(cè)量效率和精度，減輕人工測(cè)量的危險(xiǎn)性具有重要意義。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、上級(jí)管理系統(tǒng)、GPRS終端設(shè)備等模塊組成。該系統(tǒng)中測(cè)試樁、恒電位儀等GPRS終端設(shè)備將采集到的各參數(shù)采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信(GPRS)方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件對(duì)接收到信息進(jìn)行展示和處理，并通過(guò)以太網(wǎng)將處理后的信息上傳到上級(jí)管理系統(tǒng)中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)管道等被保護(hù)體保護(hù)狀況的在線檢測(cè)和數(shù)據(jù)上報(bào)。同時(shí)服務(wù)器可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將返回的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS終端設(shè)備，以此通過(guò)遠(yuǎn)程控制方式隨時(shí)監(jiān)視并調(diào)整恒電位儀、測(cè)試樁等設(shè)備的工作狀態(tài)，確保陰極保護(hù)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理。

天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理，如圖1所示。

圖1 天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)硬件與軟件

2.1 硬件設(shè)計(jì)

天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件主要包括測(cè)試樁、恒電位儀、參比電極等終端設(shè)備，負(fù)責(zé)將陰極保護(hù)中的自然電位、保護(hù)電位、通電點(diǎn)電位、交流電壓、交流電流、陽(yáng)極地床接地電阻等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

2.1.1 測(cè)試樁。主要用于陰極保護(hù)參數(shù)的檢測(cè)，如管道電位、電流、絕緣性能的檢測(cè)。該系統(tǒng)硬件采用的是升級(jí)改造后的普通測(cè)試樁和新型智能測(cè)試樁。

普通測(cè)試樁的升級(jí)改造是通過(guò)加裝數(shù)據(jù)采集傳輸儀、外接供電電源等部件，實(shí)現(xiàn)測(cè)試樁的自動(dòng)采集及上傳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)普通測(cè)試樁的智能化，適用于老舊測(cè)試樁的再利用。

新型智能測(cè)試樁是集成了普通測(cè)試樁、太陽(yáng)能供電、GPS全球定位系統(tǒng)、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)于一體的一種新型智能化儀器，可自動(dòng)采集陰極保護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)并上傳到計(jì)算機(jī)中，使陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集更為高效便捷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，適用于新設(shè)立的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

2.1.2 恒電位儀。具有恒電位、恒電流功能，可自動(dòng)改變系統(tǒng)電流，使電極電位恒定維持在設(shè)定的控制電位上。

2.1.3 參比電極。用于測(cè)量金屬的電極電位時(shí)作為參照比較的電極。

2.1.4 通信方式。為了便于設(shè)備數(shù)據(jù)上傳和上位機(jī)的監(jiān)控，計(jì)算機(jī)采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊(GPRS)和各硬件設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，采用以太網(wǎng)有線通訊方式和上級(jí)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件使用Microsoft VisualBasic(以下簡(jiǎn)稱VB)編程語(yǔ)言編制而成，采用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)工控計(jì)算機(jī)的以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)與相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件主要完成設(shè)備數(shù)據(jù)的讀取、展示、處理和存儲(chǔ)，以及通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程控制方式隨時(shí)監(jiān)視并調(diào)整測(cè)試樁、恒電位儀等設(shè)備的工作狀態(tài)，確保陰極保護(hù)系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了監(jiān)控主界面、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)日志、用戶管理4個(gè)功能模塊。

2.2.1 監(jiān)控主界面。監(jiān)控主界面主要包括系統(tǒng)控制、通信狀態(tài)顯示、各站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示。其中，系統(tǒng)控制主要用于控制系統(tǒng)程序的通信連接、啟動(dòng)運(yùn)行和數(shù)據(jù)上報(bào)。通信狀態(tài)顯示用于查看各設(shè)備的通信狀態(tài)。各站點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)顯示用于查看各站點(diǎn)對(duì)應(yīng)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示用于查看各區(qū)域各個(gè)測(cè)試樁設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。監(jiān)控主界面，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件監(jiān)控主界面

2.2.2 參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)維護(hù)兩部分。用戶在進(jìn)行操作前，需要通過(guò)參數(shù)設(shè)置界面對(duì)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，才可更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的功能。參數(shù)設(shè)置的內(nèi)容包括自然電位、土壤電阻率、陽(yáng)極地床接地電阻、保護(hù)電位、通電點(diǎn)電位值，以及測(cè)試樁的電位、電流、絕緣電阻值。系統(tǒng)維護(hù)主要用于對(duì)系統(tǒng)中的硬件設(shè)備的基本信息和使用時(shí)間進(jìn)行記錄，定期提醒設(shè)備維護(hù)，方便用戶掌握設(shè)備的使用情況，及時(shí)維護(hù)更換。

2.2.3 系統(tǒng)日志。 系統(tǒng)日志主要用于系統(tǒng)日志的記錄和日志信息的查詢。系統(tǒng)日志記錄包括操作時(shí)間、設(shè)備、事件、報(bào)警信息、當(dāng)前用戶、權(quán)限、當(dāng)前值、設(shè)定值等信息。通過(guò)該模塊，可以對(duì)系統(tǒng)記錄進(jìn)行查詢調(diào)用，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與處理。

2.2.4 用戶管理。用戶管理窗口主要完成用戶的分級(jí)管理。系統(tǒng)軟件的用戶類型分為系統(tǒng)管理員、操作員兩種用戶類型。系統(tǒng)管理員可通過(guò)“用戶管理”窗口按照用戶類型對(duì)用戶進(jìn)行添加、刪除、操作限制等操作。操作員僅可登錄使用軟件各項(xiàng)基本功能，不具有對(duì)用戶的添加、刪除等管理權(quán)限。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)管道陰極保護(hù)存在的效率低下、可靠性差、成本高、危險(xiǎn)性高等弊端，設(shè)計(jì)了一種天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)接入新型智能測(cè)試樁等可遠(yuǎn)程通信的陰極保護(hù)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)參數(shù)的自動(dòng)采集、傳輸和處理，提高采集參數(shù)的效率和準(zhǔn)確度，減輕人工現(xiàn)場(chǎng)采集的危險(xiǎn)性和工作強(qiáng)度，同時(shí)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有測(cè)試樁進(jìn)行升級(jí)改造，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)成本，提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)了天然氣長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)的自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理，保障了陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)埋地金屬管道的防腐蝕提供了有力保障。