一種天然氣長輸管道陰極保護監測系統的設計

董增壽，白 雪，王 興

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

天然氣是我國重要的基礎能源，而天然氣氣田主要存在于我國的中西部盆地。因其在常溫常壓下是氣態，體積大、密度小、產量大，一般采用更為經濟的管道輸送進行天然氣的運輸再分配。天然氣的管道輸送方式主要為埋地鋼質管道的長輸管道。而輸送過程中會受到外界干擾，同時天然氣中也含有水分、二氧化碳、硫化氫等腐蝕性物質，因此在運輸天然氣的過程中，必然會造成天然氣輸送管道的腐蝕。管道內的天然氣是壓力輸送，屬于易燃易爆物質，一旦泄露后果非常嚴重，不僅造成直接經濟損失，還會對環境造成污染，也給長輸管線及周邊的人類生活帶來較大的安全隱患。因此，為了盡可能減少對管道的腐蝕，就要對管道進行保護。

天然氣長輸管道多采用管道涂覆耐磨防腐涂層結合陰極保護技術來減緩環境對管道的腐蝕。一般耐磨防腐涂層在生產管道的時候就已經安裝涂覆完成了。陰極保護則是通過使用恒電位儀等方式向管道施加負電位，使管道對地保持負電位，構成陰極，形成防護，減緩腐蝕。陰極保護有效彌補了涂層缺陷而引起的腐蝕，能大大延長管道的使用壽命。

1 系統設計

1.1 系統目標

目前，長輸管道的陰極保護多以人工巡護為主，依靠萬用表及測試儀以人工方式對使用的陰極保護測試樁等設備進行檢測，效率低下且存在人工測量誤差，而陰極保護測試樁等設備多分散安裝在野外，人工測量成本和危險性較高，已難以滿足管道陰極保護監測的需求。因此，研究設計一種可遠程監控陰極保護參數的天然氣長輸管道陰極保護監測系統對于提高測量效率和精度，減輕人工測量的危險性具有重要意義。

1.2 系統架構

天然氣長輸管道陰極保護監測系統主要由計算機、服務器、上級管理系統、GPRS終端設備等模塊組成。該系統中測試樁、恒電位儀等GPRS終端設備將采集到的各參數采用無線數據通信(GPRS)方式通過互聯網轉發到服務器，服務器將接收到的數據傳輸給計算機，計算機軟件對接收到信息進行展示和處理，并通過以太網將處理后的信息上傳到上級管理系統中，以此實現對管道等被保護體保護狀況的在線檢測和數據上報。同時服務器可通過互聯網將返回的數據傳輸到GPRS終端設備，以此通過遠程控制方式隨時監視并調整恒電位儀、測試樁等設備的工作狀態，確保陰極保護系統處于最佳工作狀態，實現天然氣長輸管道陰極保護的自動化遠程監測管理。

天然氣長輸管道陰極保護監測系統的原理，如圖1所示。

圖1 天然氣長輸管道陰極保護監測系統原理

2 系統硬件與軟件

2.1 硬件設計

天然氣長輸管道陰極保護監測系統的硬件主要包括測試樁、恒電位儀、參比電極等終端設備，負責將陰極保護中的自然電位、保護電位、通電點電位、交流電壓、交流電流、陽極地床接地電阻等數據實時傳輸到上位機的陰極保護監測系統中。

2.1.1 測試樁。主要用于陰極保護參數的檢測，如管道電位、電流、絕緣性能的檢測。該系統硬件采用的是升級改造后的普通測試樁和新型智能測試樁。

普通測試樁的升級改造是通過加裝數據采集傳輸儀、外接供電電源等部件，實現測試樁的自動采集及上傳參數，實現普通測試樁的智能化，適用于老舊測試樁的再利用。

新型智能測試樁是集成了普通測試樁、太陽能供電、GPS全球定位系統、GPRS無線數據通信系統于一體的一種新型智能化儀器，可自動采集陰極保護相關數據并上傳到計算機中，使陰極保護數據采集更為高效便捷，實現自動化、智能化，適用于新設立的數據采集點。

2.1.2 恒電位儀。具有恒電位、恒電流功能，可自動改變系統電流，使電極電位恒定維持在設定的控制電位上。

2.1.3 參比電極。用于測量金屬的電極電位時作為參照比較的電極。

2.1.4 通信方式。為了便于設備數據上傳和上位機的監控，計算機采用無線數據通信模塊(GPRS)和各硬件設備進行遠程通信，采用以太網有線通訊方式和上級管理系統進行通信。

2.2 軟件設計

天然氣長輸管道陰極保護監測系統的軟件使用Microsoft VisualBasic(以下簡稱VB)編程語言編制而成，采用Microsoft Office Access數據庫存儲數據，通過工控計算機的以太網接口，實現與相關設備的數據通信。

天然氣長輸管道陰極保護監測系統的軟件主要完成設備數據的讀取、展示、處理和存儲，以及通過無線遠程控制方式隨時監視并調整測試樁、恒電位儀等設備的工作狀態，確保陰極保護系統處于最佳工作狀態，從而實現天然氣長輸管道陰極保護的自動化遠程監測管理。

系統軟件設計了監控主界面、參數設置、系統日志、用戶管理4個功能模塊。

2.2.1 監控主界面。監控主界面主要包括系統控制、通信狀態顯示、各站點運行狀態顯示和設備運行數據顯示。其中，系統控制主要用于控制系統程序的通信連接、啟動運行和數據上報。通信狀態顯示用于查看各設備的通信狀態。各站點運行狀態顯示用于查看各站點對應設備的當前運行狀態。設備運行數據顯示用于查看各區域各個測試樁設備的實時運行數據。監控主界面，如圖2所示。

圖2 系統軟件監控主界面

2.2.2 參數設置。參數設置包括參數設置和系統維護兩部分。用戶在進行操作前，需要通過參數設置界面對系統相關參數進行設置，才可更好地實現系統軟件的功能。參數設置的內容包括自然電位、土壤電阻率、陽極地床接地電阻、保護電位、通電點電位值，以及測試樁的電位、電流、絕緣電阻值。系統維護主要用于對系統中的硬件設備的基本信息和使用時間進行記錄，定期提醒設備維護，方便用戶掌握設備的使用情況，及時維護更換。

2.2.3 系統日志。 系統日志主要用于系統日志的記錄和日志信息的查詢。系統日志記錄包括操作時間、設備、事件、報警信息、當前用戶、權限、當前值、設定值等信息。通過該模塊，可以對系統記錄進行查詢調用，便于進行數據的分析與處理。

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

3 結束語

針對管道陰極保護存在的效率低下、可靠性差、成本高、危險性高等弊端，設計了一種天然氣長輸管道陰極保護監測系統，通過接入新型智能測試樁等可遠程通信的陰極保護設備，實現陰極保護參數的自動采集、傳輸和處理，提高采集參數的效率和準確度，減輕人工現場采集的危險性和工作強度，同時通過對現有測試樁進行升級改造，降低了系統設計和運營成本，提高了整個系統的運行效率，實現了天然氣長輸管道陰極保護的自動化遠程監測管理，保障了陰極保護系統的正常運行，進而對埋地金屬管道的防腐蝕提供了有力保障。