高桂飛，呂曉波，王增元，桑建輝

(青島雅合科技發(fā)展有限公司，山東 青島 266000)

[收稿日期] 2022-02-10

[通信作者] 高桂飛(1989-)，碩士研究生，工程師，主要從事金屬腐蝕與防護方面工作，電話：13589361656，E - mail：gaogf@yahecp.com

0 前 言

隨著輸油氣站場埋地金屬結構腐蝕問題日益突出，區(qū)域陰極保護技術作為公認的、行之有效的腐蝕防護方法已在國內輸油氣站場得到廣泛應用[1-3]，并取得了良好的效果。區(qū)域陰極保護是指將區(qū)域內所有保護對象作為一個整體進行保護，依靠輔助陽極的合理布局、保護電流的自由分配，使被保護對象處于規(guī)定的保護范圍之內。相對于長輸油氣管道的保護對象單一，區(qū)域陰極保護的保護對象是站內埋地金屬結構的復合體[4，5]。

區(qū)域陰極保護技術的大規(guī)模應用的同時，其管控難點也隨之而出。站場內保護對象繁多，包括工藝管道、儲罐、埋地工藝設備、消防管線等，這些金屬結構通過站內接地網(wǎng)形成了龐大的電連續(xù)體，在區(qū)域陰極保護投用時往往需要消耗大量的陰極保護電流[6,7]。此外，由于不同管道預制防腐層不同、防腐層質量不同，各管道所需要的陰極保護電流也不盡相同，導致在實際區(qū)域陰極保護投運時常常出現(xiàn)保護不均的現(xiàn)象[8-11]。區(qū)域陰極保護多采用多路陰極保護電源協(xié)同保護的方案，各回路之間的干擾以及局部屏蔽[12,13]問題也使得后期調整存在諸多困難，詳見圖1。

由于站場區(qū)域陰極保護的保護對象復雜、效果影響因素眾多導致陰極保護在管控方面存在較大難度，很多站場陰極保護運行管控效果不理想。隨著近代集成芯片及通訊技術的發(fā)展，區(qū)域陰極保護智能化成為發(fā)展趨勢，部分管理單位也已將恒電位儀運行及陰極保護電位實現(xiàn)了遠程監(jiān)測[14-16]?，F(xiàn)有智能化系統(tǒng)雖然基本解決了數(shù)據(jù)測量、傳輸以及統(tǒng)計問題，但設備的遠控仍需要人工輔助分析陰極保護數(shù)據(jù)，手動修改參數(shù)進行遠程指令下發(fā)[17-19]，并未從根本上解決區(qū)域陰極保護調控難點。

本工作根據(jù)區(qū)域陰極保護特點，參考人工調整過程，提出了一種區(qū)域保護智能控制技術方案：通過持續(xù)監(jiān)測站內多點的斷電電位，依托智能控制算法自動計算各回路恒電位儀的調整量，智能控制系統(tǒng)將調整指令下發(fā)至恒電位儀，恒電位儀根據(jù)指令實時調整，最終實現(xiàn)區(qū)域陰極保護的自動均衡控制。為驗證技術方案的可行性，在西部某輸氣站場進行了智能控制試點建設，并持續(xù)跟蹤了應用效果。

1 智能控制技術

1.1 控制流程

站內各電位監(jiān)測點電位(智能電位采集儀)和智能恒電位儀的運行參數(shù)按照一定的采樣頻率，通過無線傳輸?shù)姆绞缴蟼髦陵帢O保護遠程管理系統(tǒng)(以下簡稱“系統(tǒng)”)。系統(tǒng)內的智能控制模塊根據(jù)各監(jiān)測點的斷電電位數(shù)據(jù)和恒電位儀的運行狀況，通過智能算法計算各路輸出恒電位儀的調整量，再將調整指令下發(fā)至對應的恒電位儀，恒電位儀根據(jù)指令修正相應的輸出參數(shù)?？傮w架構見圖2。

1.2 控制模型

傳統(tǒng)區(qū)域陰極保護人工調整方法為：首先檢測人員測量站內各處監(jiān)測點的斷電電位，篩選電位達不到陰極保護準則[20]的監(jiān)測點，隨后調整對電位不達標的監(jiān)測點影響最大的恒電位儀，適當調整恒電位儀的輸出，在極化完成后復測各處監(jiān)測點電位，再進行調整。重復以上步驟，直至所有監(jiān)測點滿足保護要求。

區(qū)域陰極保護智能控制模型實現(xiàn)的調控方法與人工調整方法類似，采用“檢測-分析-調整-再檢測-再分析-再調整”的PID(比例、積分、微分)循環(huán)控制方法，由點到面、由局部到全局的控制策略，持續(xù)動態(tài)調整，均衡優(yōu)化陰極保護效果。

1.3 相關性表

相關性表主要用于將恒電位儀與監(jiān)測點之間建立邏輯關系。根據(jù)各回路恒電位儀輸出電流與監(jiān)測點極化值大小，對監(jiān)測點進行影響力排序，并將監(jiān)測點分為影響力較大的點(A類點)、影響力一般的點(B類點)以及基本無影響的點(C類點)。

當監(jiān)測點電位出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)根據(jù)各監(jiān)測點電位異常類型(欠保護、過保護)以及恒電位儀輸出情況自動計算相應恒電位儀的輸出電流的調整量。

1.4 主控邏輯

站內恒電位儀以“恒電流”模式運行，系統(tǒng)給每路輸出恒電位儀配置初始運行電流，即預置電流，該電流通常較小，并將預置電流值下發(fā)指令至恒電位儀。此外，系統(tǒng)給各監(jiān)測點均設定1個預置斷電電位，作為電位達標后的優(yōu)化目標。

監(jiān)測點斷電電位數(shù)據(jù)通過試片通斷法進行測量，設置主要工作參數(shù)為試片通電時間、斷電時間、采樣點時間間隔。工作參數(shù)可以在系統(tǒng)中進行設定。

智能控制開始運行后，首先采集各監(jiān)測點的斷電電位，根據(jù)監(jiān)測點采集的斷電電位，判斷是否在標準范圍之內(-0.85～-1.20 V，可設)，如果超過這一范圍，根據(jù)相關性表，計算調整步長，再將輸出電流調整量下發(fā)至相關恒電位儀。

如果監(jiān)測點斷電電位已經(jīng)在標準范圍之內，則判斷與其設定的理想斷電電位目標是否存在偏差，若存在偏差，則根據(jù)排序表選擇需要調整的輸出通道，按一定的步長進行調整輸出。

智能控制系統(tǒng)(PID算法)按照各監(jiān)測點的采樣頻率進行實時動態(tài)調整，其循環(huán)調整周期受限于監(jiān)測點的采樣頻率，用戶可根據(jù)當前陰極保護系統(tǒng)的運行情況在“智能控制模塊”中對采樣頻率進行自行調整，從而提高電位調整速率。為避免由于逼近達標電位時出現(xiàn)的振蕩，邏輯中增加了調整步長(調整比例系數(shù))的控制算法，即當監(jiān)測點保護電位臨近達標值時，系統(tǒng)將自動降低調整步長。此外，調整步長也支持人工根據(jù)現(xiàn)場情況在系統(tǒng)中自行調整其基準值。

重復上述步驟，使得每個監(jiān)測點的電位都達到陰極保護標準的要求，并逐步優(yōu)化逼近到預置的保護目標。

2 區(qū)域陰極保護智能控制建設

某輸氣站場為西氣東輸壓氣站，站內工藝區(qū)共分為過濾分離區(qū)、循環(huán)空冷區(qū)、后空冷區(qū)、收發(fā)球區(qū)以及放空區(qū)5個功能區(qū)。區(qū)域陰極保護共設置4個陰極保護回路，由4臺恒電位儀保護各功能區(qū)埋地金屬管網(wǎng)。輔助陽極地床采用分布式淺埋陽極。

2.1 陰極保護數(shù)據(jù)的遠傳

在站內工藝管道的出入土點以及各功能區(qū)連接管道共部署了30個電位監(jiān)測點。電位監(jiān)測點采用智能電位采集儀+土壤管的形式采集管道通電電位、斷電電位、試片自腐蝕電位、試片直流電流。設備采集頻率為1條/5 min。采集數(shù)據(jù)通過4G通訊上傳至遠程管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可進行數(shù)據(jù)的展示、查詢和統(tǒng)計等，實現(xiàn)陰極保護效果的遠傳。

由于站場的安裝環(huán)境的特殊性以及工藝站場防爆的要求，智能電位采集儀安裝在防爆箱內，采用多路采集+智能網(wǎng)關的方式安裝，設備天線放置在防爆燈罩中，在不影響設備信號傳輸?shù)幕A上保證設備的完整性及防爆性能，站內共設置5處防爆設備箱。采集儀供電方式采用市電供電，以滿足智能控制過程中對采集、上傳頻率的供電需求。

2.2 恒電位儀遠傳遠控

通過對區(qū)域陰極保護4路恒電位儀進行遠傳遠控升級改造，實現(xiàn)恒電位儀運行參數(shù)以及運行狀態(tài)的遠傳遠控。遠傳遠控實現(xiàn)的方法主要是對數(shù)字控制的恒電位儀程序進行升級，配合通訊網(wǎng)關、數(shù)字控制器等功能實現(xiàn)。

通訊網(wǎng)關與恒電位儀之間通過RS - 485接口進行通訊，可實時讀取恒電位儀運行數(shù)據(jù)，將恒電位儀的運行數(shù)據(jù)記錄并存儲在通訊網(wǎng)關內部存儲器中，通過網(wǎng)關的4G無線傳輸，恒電位儀的運行數(shù)據(jù)發(fā)送到陰極保護管理平臺，并實現(xiàn)設備的遠控。通訊網(wǎng)關內部集成了GPS授時模塊，實時獲取衛(wèi)星時鐘。實現(xiàn)所有網(wǎng)關運行時鐘與衛(wèi)星時鐘一致。通訊網(wǎng)關通過RS - 485接口，定時將衛(wèi)星時鐘同步到恒電位儀，確保恒電位儀內部時鐘的準確性。

同時，恒電位儀的遠傳遠控還增加了同步通斷功能，以滿足斷電人工測試以及試片測試數(shù)據(jù)校核的需要。恒電位儀遠傳改造實施拓撲結果見圖3。

2.3 智能控制系統(tǒng)搭建

在陰極保護遠程管理系統(tǒng)中部署“陰極保護智能控制”模塊，模塊中主要包含的界面包括：設備分組及參數(shù)設置、相關性表生成、智能控制記錄界面。各界面組成及功能詳見表1。

表1 陰極保護智能控制模塊系統(tǒng)界面及功能

3 運行效果

3.1 智能控制運行前陰極保護狀態(tài)

智能控制系統(tǒng)運行前，站內陰極保護主要通過人工管理。站內恒電位儀運行參數(shù)見表2，站內電位監(jiān)測點電位數(shù)據(jù)見圖4。從表2以及圖4可以看出，智能控制系統(tǒng)運行前，由于保護電流分布不均導致站內監(jiān)測點電位偏差較大，在局部出現(xiàn)了“過保護”和“欠保護”現(xiàn)象，站場陰極保護電位達標率為67%。

表2 智能控制系統(tǒng)運行前恒電位儀運行參數(shù)

3.2 智能控制系統(tǒng)運行效果

分別選取系統(tǒng)運行后5 min、40 min、24 h以及36 h后恒電位儀的運行參數(shù)以及各監(jiān)測點的電位數(shù)據(jù)作為比較，分析智能控制效果。恒電位儀運行參數(shù)變化見表3。

表3 恒電位儀運行參數(shù)變化

從表3可以看出，系統(tǒng)開始運行后，恒電位儀初始運行電流為1.000 A，隨后根據(jù)監(jiān)測點電位實時動態(tài)調整。對比表2數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，監(jiān)測點達到保護后陰極保護總電流為26.900 A，而人工調整狀況下總電流為75.000 A，僅為原先的35.88%。這也是前期運行過程中過保護監(jiān)測點較多的原因。此外，第一回路電位在調整后輸出較小，這反映了在現(xiàn)有陰極保護系統(tǒng)構成下，只需要3路恒電位儀就滿足了整個站場的陰極保護電流需要。

由此可見，陰極保護智能控制可優(yōu)化恒電位儀的輸出，用最小、最合理的輸出電流滿足陰極保護保護要求，降低了恒電位儀的輸出功耗。

站內監(jiān)測點電位數(shù)據(jù)詳見圖5。由圖5可知，隨著智能控制系統(tǒng)的不斷運行，站內各監(jiān)測點的電位逐漸達到陰極保護準則要求，經(jīng)36 h運行，除6號監(jiān)測存在略微過保護外，其余各點均達標，達標率為96.7%，這表明智能控制系統(tǒng)達到了預期目標。經(jīng)現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，6號點處于過濾分離區(qū)陽極地床邊，采用試片法測量斷電電位時，參比電極受一定的陽極電壓場干擾，導致斷電電位偏高。這反映出由于設計缺陷或測量誤差導致的陰極保護不達標，智能控制系統(tǒng)未能解決。但從另一個角度看，智能控制系統(tǒng)的應用有利于全面掌握站場的陰極保護狀況，準確定位陰極保護局部異常位置，可為后期陰極保護優(yōu)化整改提供有力的幫助。

4 結 語

區(qū)域陰極保護智能控制系統(tǒng)很好地解決了區(qū)域陰極保護人工管控的難題，依托智能控制算法，可以根據(jù)現(xiàn)場電位情況實時動態(tài)調整恒電位儀輸出，使得所有檢測點斷電電位滿足陰極保護指標要求，實現(xiàn)站場區(qū)域陰極保護智能均衡控制，提升區(qū)域陰極保護效果。該系統(tǒng)的應用，可以充分發(fā)揮站場陰極保護系統(tǒng)的效能，大幅度減輕基層管道管理者勞動強度，提升陰極保護效果，提高陰極保護智能化管理水平。