陰極保護遠程監測系統在大型輸水工程中的應用

譚艷芳 王留超

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

1 工程概況

遼寧省大伙房水庫輸水工程主要任務是解決遼寧省中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連七市突出的水資源短缺問題，是遼寧省重大的區域性水資源配置工程，涉水人口1400余萬[1]。管道設計輸水壓力0.6MPa，PCCP管道及鋼管等鋼質管道總長度約600km。

2 課題提出

遼寧省大伙房水庫輸水工程輸水管線均為密閉式地埋壓力管道，沿線地質復雜，特別是營口及盤錦地區臨近海洋，海水倒灌，地下水Cl-含量高，土壤視電阻率低，土壤評價為強腐蝕，對地埋鋼質管道腐蝕性強，影響PCCP管道及鋼管的使用壽命。

為延長PCCP管道及鋼管等鋼質管道的使用壽命，本工程對PCCP輸水管線采用犧牲鋅陽極進行保護，對鋼管采用犧牲鎂陽極進行保護，陰極保護的消耗量及電位的高低直接關系到PCCP管的服役壽命。為確保PCCP管道內纏繞鋼絲處于正常的保護狀態，需要定時監測保護電位和陽極輸出電流。然而當前的電位監測采用人工巡檢方式，不僅費時費力，而且數據獲取周期長、質量低。采集的數據需要進一步分析研判，再制定相應的對策。

為提高輸水管線陰極保護的自動化管理水平，保證管線的安全運行，需要建立對陰極保護的在線監測系統，實時遠程監測陰極保護狀態與故障報警。

3 工程目標

根據本工程輸水管線較長、沿線無供電線路等特點，該項目擬在輸水管線埋地段的關鍵位置建立無線監測終端，采用太陽能電板提供電源，通過無線網絡將數據采集器的陰保數據傳送到云端監測系統，通過中央處理器對采集數據的統計分析，研判陰極保護的運行狀態。設定的警告閥值，當陰極保護相關數據達到及超過警告值時，監測系統電腦屏幕自動彈出警示窗口，并通過短信或E-mail通知相關人員維護，維護人員可以通過互聯網隨時隨地訪問云端監測系統，查看各測試樁的工作狀態。

3.1 實現陰極保護數據統一集中管理

通過現地智能采集設備，將陰極保護運行數據自動傳輸到管理系統中，實現對陰保運行情況的在線監測，達到陰極保護數據統一集中管理的目的。

3.2 提供基于GIS的陰極保護可視化監控管理

將管道監測點的陰極保護相關監測數據及地理信息集合到GIS地理信息系統平臺，并通過數據統計報表和直觀地分析圖表，實現陰極保護電位和犧牲陽極輸出電流的保護狀況在線監測，還可直接對陰極保護相關設備進行遠程操控[2]。

3.3 提供陰極保護狀態的故障診斷分析

通過中央處理器故障分析功能模塊，對系統采集的數據進行分析判斷，給出故障的原因及相應處理措施，協助陰極保護管理人員對陰極保護狀況進行分析，提高故障診斷分析的科學性、準確性[2]。

3.4 提供跨信息系統管理平臺的接口

提供與其他信息系統管理平臺的服務接口，并通過系統整合，使本系統能夠很好地融入現有管道信息系統中[2]。

4 解決方案

4.1 系統組成

陰極保護遠程監控系統的關鍵要素之一是各種數據的可靠獲取與傳輸。根據現場情況，遠程監控系統由CST616集成多功能數據采集器+CST610 GPRS無線收發器+CP Monitor監控中心服務軟件組成，其陰極保護監控網絡組成見圖1。

圖1 陰極保護監控網絡組成

4.1.1 電位/電流采集器

測試樁的輸出電位/電流、保護電位及開關量監測采用CST616數據采集器(見圖2)，該設備共有8路模擬差分信號輸入，可測量4路差分電位信號和4路電流信號，每個通道均可加裝隔離變壓器，防止高壓信號對監測器的浪涌沖擊。

圖2 CST616數據采集器

監測器由多通道切換電路、低功耗單片機、高精度A/D 轉換器、實時日歷時鐘和RS485/232接口組成。測量過程由內置時鐘定時喚醒，在單片機控制下完成通道選擇和測量，電位與電流數據保存到flash存儲器，測量完成后記錄器自動進入低功耗狀態。

4.1.2 無線數據收發器

無線數據收發器基于GPRS/4G通信和GPS定位技術(見圖3)，實現現場數據的遠程傳送，具有低功耗、誤碼率低、傳送信號穩定的特點。儀器內置128k bytes Flash非遺失數據存儲器，即使在服務器不開機狀態下，也能存儲6個月的數據量。

圖3 CST610無線數據收發器

無線數據收發器在監控中心指令控制下，儀器內的MCU可實現對最多16臺數據監測器的輪詢、采集、傳送和存儲，數據通過無線模塊發送到監控中心，并自動保存到數據庫中[2]。

4.1.3 電源組件

現地監測站安裝的蓄電池能滿足現場設備3個月以上的用電量，采用太陽能電板進行電源補充。儀器采用先進電源管理模塊，能夠在非測量期間進入低功耗狀態，延長電池使用時間，方便無人值守。

4.2 監測點方案

根據現場測試樁的三個參比電極布置狀態，采用數據采集器對PCCP管道的圓周方向的3、6、9點鐘方向的保護電位進行實時監測，同時將分流器插入到犧牲陽極電流匯入點，對犧牲陽極的發射電流進行實時監測。所有測量數據通過無線收發器上傳到中央監控系統。為方便用戶查看數據，在監控網絡軟件界面，繪制實際走向的模擬PCCP管路，實時顯示各個測試樁測點的電位與電流變化及鋼絲腐蝕狀況。

4.3 中央服務器

中央服務器是陰極保護監測系統的運算和控制核心，放置在監控中心，通過無線數據傳輸器收集各測站傳輸的數據，然后將數據提供給監控軟件，監控軟件將數據的分析結果反饋給中央服務器，中央服務器將數據存儲，同時傳輸給已設置的傳輸對象。各用戶可以通過因特網隨時隨地讀取中央服務器內的數據，查看陰極保護狀態。

4.4 監控軟件

腐蝕環境遠程監測系統軟件是對陰極保護系統收集的數據進行分析、系統管理的專用軟件。該軟件由工具欄、菜單欄以及表格和圖形界面組成。

在軟件中可以設置數據的保存和輸出，對設備設置相關的操作,如添加收發器、修改收發器、修改設備，以及設置遠程控制的相關操作，如下發參數、讀取歷史數據、在線測量、設定數據傳輸目標等。

監控軟件可以多個用戶安裝，通過因特網讀取中央服務器內的相關數據，經過分析，判斷陰極保護運行狀況。當發現陰極保護監測站運行故障時，向設定的用戶發出報警。

5 應用效果評價

在遼寧省大伙房水庫輸水工程PCCP管道不同地質段，設置了10個陰極保護遠程監測系統，采用太陽能板提供電源，通過無線收發器傳輸信號，見圖4～圖5。

圖4 陰極保護監測站

圖5 陰極保護監測站數據采集箱

陰極保護監測系統向各監測站發射指令，對現地設備每間隔12h采集一次數據。采集內容包括：PCCP管纏繞鋼絲電位、開路電位、極化電阻、腐蝕電流，ECI Cl-、ECI溫度、ECI開路電位等數據，見圖6。

圖6 陰極保護在線監控系統數據統計界面

通過中央服務器中的監測系統軟件對采集的數據進行分析，生成陰極保護運行狀態報表，并生成直觀的測量數據圖形，見圖7。

圖7 陰極保護在線監控系統數據分析界面

大伙房水庫輸水工程根據本工程實際測量初始數據與相關規范，設置如下報警值：

a. PCCP設置的開路電位大于-0.58V或開路電位與閉路電位差值大于100mV時。

b.閉路電位小于-1.2V時。

c.腐蝕電流為0值時。

監測系統電腦屏幕自動彈出警示窗口，并通過手機短信和E-mail通知指定的相關人員維護，維護人員通過互聯網隨時隨地訪問云端監測系統，查看各測試樁的工作狀態。

陰極保護遠程監測系統近10年來，有效地監測了PCCP管道沿線陰極保護裝置的運行狀況，多次準確地發出報警提示，為陰極保護裝置的維護與更換提供了可靠的數據。實踐證明，此系統運行可靠，故障診斷分析科學、準確，達到了提高輸水管線陰極保護的自動化管理水平和保證管線安全運行的目的。

6 結 語

陰極保護裝置是輸油、輸水、燃氣等管道設備的重要組成部分，關系到管道設備的運行安全及使用壽命。對陰極保護裝置運行狀態進行監測分析一直以來是一個難題。通常采用的人工采集數據，然后進行統計分析的方法，既費時又費力，檢測數據和分析成果受技術人員知識水平的影響較大，致使對陰極保護的維護管理嚴重滯后。

陰極保護遠程監測系統在大型輸水工程中的應用比較少見，該系統在本工程中的應用效果證明，系統運行可靠，能夠及時準確地收集和分析輸水管線陰極保護運行狀態，故障診斷分析科學、準確，可提高自動化管理水平，為陰極保護裝置的維護與更換提供及時可靠的數據，對類似新建或改建工程具有很好的借鑒意義。