一种天然气长输管道阴极保护监测系统的设计

董增寿，白 雪，王 兴

(1.太原科技大学；2.山西瑞诺风电子科技有限公司，山西 太原 030000)

天然气是我国重要的基础能源，而天然气气田主要存在于我国的中西部盆地。因其在常温常压下是气态，体积大、密度小、产量大，一般采用更为经济的管道输送进行天然气的运输再分配。天然气的管道输送方式主要为埋地钢质管道的长输管道。而输送过程中会受到外界干扰，同时天然气中也含有水分、二氧化碳、硫化氢等腐蚀性物质，因此在运输天然气的过程中，必然会造成天然气输送管道的腐蚀。管道内的天然气是压力输送，属于易燃易爆物质，一旦泄露后果非常严重，不仅造成直接经济损失，还会对环境造成污染，也给长输管线及周边的人类生活带来较大的安全隐患。因此，为了尽可能减少对管道的腐蚀，就要对管道进行保护。

天然气长输管道多采用管道涂覆耐磨防腐涂层结合阴极保护技术来减缓环境对管道的腐蚀。一般耐磨防腐涂层在生产管道的时候就已经安装涂覆完成了。阴极保护则是通过使用恒电位仪等方式向管道施加负电位，使管道对地保持负电位，构成阴极，形成防护，减缓腐蚀。阴极保护有效弥补了涂层缺陷而引起的腐蚀，能大大延长管道的使用寿命。

1 系统设计

1.1 系统目标

目前，长输管道的阴极保护多以人工巡护为主，依靠万用表及测试仪以人工方式对使用的阴极保护测试桩等设备进行检测，效率低下且存在人工测量误差，而阴极保护测试桩等设备多分散安装在野外，人工测量成本和危险性较高，已难以满足管道阴极保护监测的需求。因此，研究设计一种可远程监控阴极保护参数的天然气长输管道阴极保护监测系统对于提高测量效率和精度，减轻人工测量的危险性具有重要意义。

1.2 系统架构

天然气长输管道阴极保护监测系统主要由计算机、服务器、上级管理系统、GPRS终端设备等模块组成。该系统中测试桩、恒电位仪等GPRS终端设备将采集到的各参数采用无线数据通信(GPRS)方式通过互联网转发到服务器，服务器将接收到的数据传输给计算机，计算机软件对接收到信息进行展示和处理，并通过以太网将处理后的信息上传到上级管理系统中，以此实现对管道等被保护体保护状况的在线检测和数据上报。同时服务器可通过互联网将返回的数据传输到GPRS终端设备，以此通过远程控制方式随时监视并调整恒电位仪、测试桩等设备的工作状态，确保阴极保护系统处于最佳工作状态，实现天然气长输管道阴极保护的自动化远程监测管理。

天然气长输管道阴极保护监测系统的原理，如图1所示。

图1 天然气长输管道阴极保护监测系统原理

2 系统硬件与软件

2.1 硬件设计

天然气长输管道阴极保护监测系统的硬件主要包括测试桩、恒电位仪、参比电极等终端设备，负责将阴极保护中的自然电位、保护电位、通电点电位、交流电压、交流电流、阳极地床接地电阻等数据实时传输到上位机的阴极保护监测系统中。

2.1.1 测试桩。主要用于阴极保护参数的检测，如管道电位、电流、绝缘性能的检测。该系统硬件采用的是升级改造后的普通测试桩和新型智能测试桩。

普通测试桩的升级改造是通过加装数据采集传输仪、外接供电电源等部件，实现测试桩的自动采集及上传参数，实现普通测试桩的智能化，适用于老旧测试桩的再利用。

新型智能测试桩是集成了普通测试桩、太阳能供电、GPS全球定位系统、GPRS无线数据通信系统于一体的一种新型智能化仪器，可自动采集阴极保护相关数据并上传到计算机中，使阴极保护数据采集更为高效便捷，实现自动化、智能化，适用于新设立的数据采集点。

2.1.2 恒电位仪。具有恒电位、恒电流功能，可自动改变系统电流，使电极电位恒定维持在设定的控制电位上。

2.1.3 参比电极。用于测量金属的电极电位时作为参照比较的电极。

2.1.4 通信方式。为了便于设备数据上传和上位机的监控，计算机采用无线数据通信模块(GPRS)和各硬件设备进行远程通信，采用以太网有线通讯方式和上级管理系统进行通信。

2.2 软件设计

天然气长输管道阴极保护监测系统的软件使用Microsoft VisualBasic(以下简称VB)编程语言编制而成，采用Microsoft Office Access数据库存储数据，通过工控计算机的以太网接口，实现与相关设备的数据通信。

天然气长输管道阴极保护监测系统的软件主要完成设备数据的读取、展示、处理和存储，以及通过无线远程控制方式随时监视并调整测试桩、恒电位仪等设备的工作状态，确保阴极保护系统处于最佳工作状态，从而实现天然气长输管道阴极保护的自动化远程监测管理。

系统软件设计了监控主界面、参数设置、系统日志、用户管理4个功能模块。

2.2.1 监控主界面。监控主界面主要包括系统控制、通信状态显示、各站点运行状态显示和设备运行数据显示。其中，系统控制主要用于控制系统程序的通信连接、启动运行和数据上报。通信状态显示用于查看各设备的通信状态。各站点运行状态显示用于查看各站点对应设备的当前运行状态。设备运行数据显示用于查看各区域各个测试桩设备的实时运行数据。监控主界面，如图2所示。

图2 系统软件监控主界面

2.2.2 参数设置。参数设置包括参数设置和系统维护两部分。用户在进行操作前，需要通过参数设置界面对系统相关参数进行设置，才可更好地实现系统软件的功能。参数设置的内容包括自然电位、土壤电阻率、阳极地床接地电阻、保护电位、通电点电位值，以及测试桩的电位、电流、绝缘电阻值。系统维护主要用于对系统中的硬件设备的基本信息和使用时间进行记录，定期提醒设备维护，方便用户掌握设备的使用情况，及时维护更换。

2.2.3 系统日志。 系统日志主要用于系统日志的记录和日志信息的查询。系统日志记录包括操作时间、设备、事件、报警信息、当前用户、权限、当前值、设定值等信息。通过该模块，可以对系统记录进行查询调用，便于进行数据的分析与处理。

2.2.4 用户管理。用户管理窗口主要完成用户的分级管理。系统软件的用户类型分为系统管理员、操作员两种用户类型。系统管理员可通过“用户管理”窗口按照用户类型对用户进行添加、删除、操作限制等操作。操作员仅可登录使用软件各项基本功能，不具有对用户的添加、删除等管理权限。

3 结束语

针对管道阴极保护存在的效率低下、可靠性差、成本高、危险性高等弊端，设计了一种天然气长输管道阴极保护监测系统，通过接入新型智能测试桩等可远程通信的阴极保护设备，实现阴极保护参数的自动采集、传输和处理，提高采集参数的效率和准确度，减轻人工现场采集的危险性和工作强度，同时通过对现有测试桩进行升级改造，降低了系统设计和运营成本，提高了整个系统的运行效率，实现了天然气长输管道阴极保护的自动化远程监测管理，保障了阴极保护系统的正常运行，进而对埋地金属管道的防腐蚀提供了有力保障。