遥测技术在上海天然气主干网杂散电流干扰控制中的应用

上海天然气管网有限公司 饶险峰

遥测技术在上海天然气主干网杂散电流干扰控制中的应用

上海天然气管网有限公司 饶险峰

燃气管网的运行过程中，除流量、压力等对实时性要求高的参数外，还有管道的防腐层状态、管道腐蚀防护等参数，虽然这些参数对于实时性要求相对较低，但对于管道安全运行同样起到关键作用。尤其是管道的腐蚀防护相关参数，如：管地电位、管道防腐层漏点等，通过这些参数，我们可判别管道是否处于本质安全的状态。文章主要介绍了遥测技术在监控主干网部分管段的管地电位和地铁、高压输电线路、电气化铁路、磁悬浮等杂散电流干扰管段上的应用。

燃气管网 遥测技术 杂散电流干扰

0 前言

天然气作为一种洁净、安全、优质的能源，已被越来越多的城市广泛应用，市场需求量呈现快速增长态势。市场的需求促进了天然气管网的快速建设。上海市天然气主干管网一期工程经过数年的建设已经基本竣工，二期工程也正在建设之中。经过近十年的快速建设，上海高压天然气主干管网长度已达到560多公里。

如此规模的高压天然气网络，要确保其长期处于安全稳定运行的状态并不容易，对于企业的管理水平要求甚高，而日常管理中重要环节之一是有效的实时监控，即对于管网系统的各种运行参数(如：流量、压力、温度、流向等)均可进行实时的监测与控制。

目前天然气管网监控系统SCADA系统可以方便的对系统主要运行参数进行集中监控及调节，实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。但在管网的运行过程中，除流量、压力等对实时性要求高的参数外，还有部分参数如管道的防腐层状态、管道腐蚀防护等参数，虽然这些参数对于实时性要求相对较低，但对于管道安全运行同样起到关键作用。尤其是管道的腐蚀防护相关参数，如：管地电位、管道防腐层漏点等，通过这些参数，我们可判别管道是否处于本质安全的状态。为了保证管网安全运行，根据国家相关标准，需对管道进行主动保护，如采用牺牲阳极保护法、强制电流阴极保护法等，其中强制电流阴极保护法在上海天然气主干网得到了广泛的应用。

从日常检测数据及开挖验证的实例来看，强制电流阴极保护系统的建立确实大幅降低了管网的腐蚀风险，但同时，由于杂散电流干扰等客观原因和条件(部分管线为其他公司拨交、阴极保护站建设跟不上管线投运的进度等)的限制，主干网管道阴极保护系统还存在较多薄弱环节，因此对于上海天然气主干网腐蚀防护参数进行监控具有重要意义。

目前对于管道腐蚀防护数据的获得手段主要通过人工周期性测试(测试周期一般为1个月)。人工测试的方法受到天气、环境等因素的影响较大，在实际工作过程中往往存在测试数据不准确、测试周期无法保证、对测试人员专业技术水平要求高等限制因素。而随着上海天然气主干网管理水平的提升及管道受干扰现象的不断显现，如此的管道腐蚀防护数据频度及精度无法达到要求，通过新的遥测测试技术或设备对管网腐蚀防护数据达到实时监控将在未来成为趋势。其中对于管道腐蚀防护数据中最为直接反应管道状态的管地电位的监测成为近年来在国内阴极保护遥测方面的重点研究方向。

经过长时间的研究及试用，具有自主知识产权的阴极保护参数遥测装置目前已应用于上海天然气主干网，其数据稳定性高，符合客观实际，可使管理者对于管网阴极保护状态的监控频度极大的增加，从以往的每月一次增加至每秒一次。且所得的数据经过软件处理，数据访问读取快速科学，便于管理者更好掌握管网本质状态。

1 遥测技术简介

1.1 遥测技术原理

遥测技术原理是采用分布式数据采集装置和GPRS无线通信方式，遥测各个测试桩的相关数据(目前主要为管地电位)，并由数据中心服务器集中分析处理和储存。数据中心监控各点的统计数据，及时显示失效报警并在数字地图上或卫星照片上标识其地理位置。用户不受时间和空间的限制，通过Internet或内部专门网页，查看各监测点的各种数据和图表，使管理者对于管线的腐蚀防护参数做到实时监控。

图1和图2分别为遥测技术示意图及遥测技术的通讯原理图

图1 遥测技术示意

图2 遥测技术的通讯原理

1.2 遥测设备及相关参数

遵循如上原理遥测设备结合上海天然气主干网现有阴极保护数据测试桩制造，安装于现有测试桩内部，采用支架固定。

遥测设备是一个电子装置，针对阴极保护系统现场接口电路的数据采集、处理、存储及无线传输的装置，与电极的连接后，可处理来自于现场的信号并记录存储数据，在设定的时刻自动发送。该装置有2个测量通道：一个用于测量管地电位；另一个用于测量保护电流。

遥测设备包括GPRS模块、SIM卡电路及网络协议、主芯片及其程序、信号前置处理电路和接口、大容量电池组及低功耗电源管理电路等。其安置在一个防水密封塑壳内，由三芯电缆线与外面电极相连接，顶部的天线用于GPRS传输；密封塑壳内部还有一个电池包，通过端子和遥测模块相连。

图3 遥测设备实物

遥测设备数据收发流程如图4。

图4 遥测设备数据收发流程图

1.3 测设备在主干网上的分布

大量测试已证明遥测设备可靠性及测试准确性，目前在上海天然气主干网上共安装有18套遥测装置，详见表1。

表1 主干网遥测装置分布统计表

目前遥测设备主要用于监控主干网部分管段的管地电位，以判别这部分管段的腐蚀防护参数，另外这些管段属于在日常人工检测中认为可能受到地铁、高压输电线路、电气化铁路、磁悬浮等杂散电流干扰的管段，因此遥测设备所检测的数据也可用于上海天然气主干网杂散电流防控的依据，其数据的连续性及直观的曲线图标对于分析是十分有利的。

2 遥测技术在杂散电流干扰控制中的应用

遥测技术在实际应用中，遥测装置安装于管路沿线的测试桩中，设备在电池的驱动下，自动测试、记录并通过无线技术发送相应的测试项目数据包至数据中心，测试数据经计算机处理后汇总成报表，用户可通过Internet在客户端得到所需测试图表。遥测装备可以进行24小时在线检测，实现了对管路的实时监控。还可排除测试过程中读数带来的误差等众多不确定因素，测试数据可以真实反应测试点数据的变化规律，通过综合分析数据可以比较容易确定测试点附近干扰源等对管道运行有重大影响的因素和规律。

遥测技术的应用并不止于上述几点，由于其实时数据监测及数据处理分析能力，在上海天然气主干网杂散电流干扰控制等工作中也体现其价值，从主干网运行数据看，有部分管线确实存在杂散电流干扰的现象，本文将对主干网典型管段(9标段及浦东东线段)进行研究，同时对遥测装置在主干网杂散电流控制中的有效性进行证明并分析其优缺点。

2.1 典型管段杂散电流干扰概况

按照石油天然气《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》(SY/T 0017—2006)，杂散电流可以通过管地电位的偏移和地电位梯度来判断。如阴极保护系统及其他直流干扰附近的管道，当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移20 mV时或管道附近土壤中的电位梯度大于0.5 mV/m时，确认为直流干扰；当管道任意一点上管地电位较自然电位正向偏移100 mV时或管道附近土壤中的电位梯度大于2.5mV/m时，应及时采取直流排流保护或其他防护措施。

对于交流干扰，石油天然气《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》(SY/T 0032—2000)并没有给出明确的的量化指标，但对于交流干扰现象给出三点技术规定：

(1)管地电压在管道纵向分布上多变；

(2)管地电压随时间变化十分剧烈；

(3)管地电压随干扰源负荷的变化而变化。

虽然由于前期管理粗放，我们未能取得管道的自然电位。但是从行业规范条文叙述中，我们还是可以看到杂散电流干扰可以通过管地电位的趋势来进行判断。

主干网一期9标段位于A20(沪太路～沪宁高速)外圈绿化带内，管道总长17 km，2003年投运，设计管径813 mm，外涂层为3PE，管线采用外加电流与临时牺牲阳极联合保护方式。其沿线约有10 km与数十条高压电力线平行敷设，间距约为0～100 m。致使该管道管地电位长期不太稳定。从日常测试的数据看，数据波动幅度很大，疑为受到杂散电流干扰影响。

浦东长输管线东线段位于浦东A1高速公路南侧绿化带内，于1999年投运，设计压力2.5 MPa，管径为529 mm，材质为SS400，螺旋焊缝钢管，外加强制电流保护。在A1高速公路北侧为上海磁悬浮列车轨道，其与东线平行部分约有15 km，间距约为20～150 m，磁悬浮运行时间段为6:45～21:30，双线折返运行，单线驶完全程要8 min，每隔15 min一班。东线从磁悬浮投运以后，我们发现其管地电位的波动日益明显，可能也受到杂散电流干扰影响。

2.2 遥测技术在杂散电流干扰识别中的应用

针对以上情况，我们利用安装于9标的7套遥测装置及东线的4套遥测装置，以期对这些管段所受的杂散电流的干扰程度进行分析，如图5、6。

图5 9标的遥测装置安装示意

图6 东线的遥测装置安装示意

其中需要说明的是：(1)图5中自5#测试点至11#号测试点，管线与高压线的间距逐渐从100 m左右缩短至0 m，该管线距离最近的阴极保护站距离约7 km，最近点为11＃测试点；(2)图6中自1＃测试点至4号测试点，管线与磁悬浮轨道的间距也是逐渐由150 m左右缩短至20 m，管线距离最近的阴极保护站距离约为200 m，最近点为4＃测试点。

根据这两段管段的部分遥测装置的数据和曲线，我们可以清楚地看到东线及9标的管地电位波动情况。部分测试点曲线如下：

图7 东线1＃测试点曲线

图8 东线4＃测试点曲线

图9 9标8＃测试点曲线

图10 9标9＃测试点曲线

上图为两段管线典型的测试点的数据曲线，由曲线可看到东线及9标的管地电位都存在不同程度的波动情况，其中9标的管地电位波动情况尤为剧烈。电位波动幅度至少为2500 mV，且有明显的正电位倾向。东线虽然4＃测试点波动幅度小，只有20 mV左右，但东线1＃测试点波动也基本达到500mV以上，由此我们可以推测9标及东线应受到不同程度的杂散电流干扰，从管地电位波动幅度看，9标所受干扰较东线要更为严重。

虽然从遥测装置所得的管地电位数据，我们可以推断上述管线受到杂散电流干扰，但根据前文所述的SY／T 0017—2006及 SY／T 0032—2000相关条文，在没有管道自然电位的前提下，管地电位并不能作为判别管道受到干扰的直接依据。根据条文，当管道任意点上的管地电位较自然电位正向偏移20 mV时或管道附近土壤中的电位梯度大于0.5mV/m时，确认为杂散电流干扰。因此，有必要对现场管道附近土壤的电位梯度进行测定，以支持上述推断。

表2 东线4个测试点的土壤电位梯度单位：mV/m

表3 9标沿线土壤电位梯度单位：mV/m

根据管线附近土壤电位梯度的测试结果，我们可以证实，这两段管线确实全线受到杂散电流的干扰。也证明通过遥测装置所得的管地电位曲线来初步判断管线的受干扰情况是合理的，而且我们也可以通过管地电位的波动幅度来初步推断管道的受干扰程度。

2.3 遥测技术在杂散电流干扰控制中的应用

如上所述，9标管线的管地电位波动情况及电位梯度的数值都证明9标目前正受严重的杂散电流干扰，需要采取排流措施；东线虽然同样存在波动，但其电位最大值基本处于-0.85V以下，且靠近阴极保护站管线的波动幅度较小，说明东线依靠阴极保护站的调节作用可削减杂散电流的干扰作用，使管线处于有效的阴极保护范围以内。因此对于东线，将不采用排流措施，而通过调节阴极保护站参数使管线处于良好保护状态。

对于9标，经实际证明单纯依靠调节阴极保护站参数无法有效控制9标的管地电位波动。因此需要采取措施来削减杂散电流的干扰。主要采用以下2点措施：对管地电位不稳定管段进行负电位排流(即安装牺牲阳极)，每300 m左右1组，每组4支，每支11 kg；对管地电位波动幅度大的管段安装排流器，针对交流和直流的干扰，考虑到排流效果，分别安装嵌位式排流器和极性排流器各三组。经过计算，若采取以上措施后，将有效控制9标管线受杂散电流干扰。

在此过程中，遥测装置作为重要的数据收集手段，管地电位曲线可作为判别杂散电流控制措施有效性的手段。图11、图12分别为排流措施前8#和9#测试点的管地电位曲线。图13、图14为完成排流措施后8#、9#测试点的管地电位曲线。

图11 8＃测试点排流前管地电位曲线

图12 9＃测试点排流前管地电位曲线

图13 8＃测试点排流后管地电位曲线

图14 9＃测试点排流后管地电位曲线

由上图，安装完成排流措施后，可以明显的看到管地电位波动幅度减小。5＃测试点至11＃测试点电位明显的趋于稳定，虽然依然存在比较明显的波动，但波动幅度已经由原来未采取排流措施之前超过2 000 mV的波幅下降到1 000 mV以内。电位一直为负且位于管道要求的保护电位区域内，管地电位正向漂移及过保护倾向明显减小，表明管道处于有效被保护状态，初步显示采取的排流措施是有效的。

为进一步验证排流措施的有效性，对于管地电位采用现场实测方式进行复核。图15为9标沿线16个测试桩的管地电位数据

图15 9标沿线1管地电位数据趋势

从现场实测数据可以看到，9标的管地电位基本处于保护范围(-0.85～-1.5 V)内，证明对于9标所用的杂散电流控制措施是有效的，同时也对遥测装置的可靠性进行了验证。证明遥测装置可作为杂散电流干扰控制的效果验证的途径和手段之一，其结果是可靠和科学的。

3 结论

(1)从遥测装置在上海天然气主干网管线腐蚀防护方面的作用来看，其优点是显而易见的，遥测技术具有实时性好、精度高、安全可靠等优点，可以代替人工测试对管道运行状态及相关参数进行在线监控。同时，由于遥测装置为自主模式运行，使得此项技术成为研究气候、水文、不确定性干扰源等因素对管网影响的利器，可有效提高天然气管网的管理及日常维护工作水平。

(2)遥测技术也有一些限制因素，将是其规模化应用的瓶颈。如维护运行成本较高、容易被盗损坏、测试参数有限、电池寿命是否达到要求等。但总体来讲，遥测技术已有的成果已充分证明其工作原理及工作机制具有很好的可行性及较高的参考性。可以预见，通过对测试装备的进一步改进，应用范围的进一步扩大，遥测技术在国内管网的管理及维护作业中将发挥重要的作用。

(3)就上海天然气主干网而言，其面临的杂散电流干扰将是未来主干网腐蚀防护工作的重要方面。主干网还有相当一部分管线也同样面临文中所举的东线及9标的受杂散电流干扰的情况，因此如何更好的利用遥测技术这一辅助的判别手段，确保主干网阴极保护系统长效有效运行，也是主干网管理者需要重点关注的。

另外目前各管道管理者基本都聚焦于所辖范围内管线强制电流阴极保护系统的建设与正常运行，而往往忽略对于邻近管线的影响，这也是造成干扰的原因之一，在这方面也希望广大管线运行单位引起重视、充分沟通，寻求共同保护的局面。

Telemetry Technology Application in Shanghai Natural Gas Pipeline Backbone Network Stray Current Interference Control

Shanghai Natural Gas Pipelines Co., Ltd. Rao Xianfeng

In addition to flow and pressure high real-time requirement parameters, there are the pipe coating state,pipe corrosion protection and other parameters during gas pipeline network operation, although these parameters real-time requirement are relatively low, but also play a key role in pipeline safe operation. Especially pipeline corrosion protection related parameters, such as: pipe ground potential, leakage point of pipeline coating, etc,through these parameters, we can determine the pipelines safety in essence whether or not. This paper mainly introduces telemetry technology in the application of monitoring part of gas pipeline backbone network pipe ground potential with underground, high voltage transmission lines, electrification of railways, magnetic levitation and other stray current interference.

gas pipeline network, telemetry technology, stray current interference