站场区域阴极保护智能控制技术

高桂飞，吕晓波，王增元，桑建辉

(青岛雅合科技发展有限公司，山东 青岛 266000)

[收稿日期] 2022-02-10

[通信作者] 高桂飞(1989-)，硕士研究生，工程师，主要从事金属腐蚀与防护方面工作，电话：13589361656，E - mail：gaogf@yahecp.com

0 前 言

随着输油气站场埋地金属结构腐蚀问题日益突出，区域阴极保护技术作为公认的、行之有效的腐蚀防护方法已在国内输油气站场得到广泛应用[1-3]，并取得了良好的效果。区域阴极保护是指将区域内所有保护对象作为一个整体进行保护，依靠辅助阳极的合理布局、保护电流的自由分配，使被保护对象处于规定的保护范围之内。相对于长输油气管道的保护对象单一，区域阴极保护的保护对象是站内埋地金属结构的复合体[4，5]。

区域阴极保护技术的大规模应用的同时，其管控难点也随之而出。站场内保护对象繁多，包括工艺管道、储罐、埋地工艺设备、消防管线等，这些金属结构通过站内接地网形成了庞大的电连续体，在区域阴极保护投用时往往需要消耗大量的阴极保护电流[6,7]。此外，由于不同管道预制防腐层不同、防腐层质量不同，各管道所需要的阴极保护电流也不尽相同，导致在实际区域阴极保护投运时常常出现保护不均的现象[8-11]。区域阴极保护多采用多路阴极保护电源协同保护的方案，各回路之间的干扰以及局部屏蔽[12,13]问题也使得后期调整存在诸多困难，详见图1。

由于站场区域阴极保护的保护对象复杂、效果影响因素众多导致阴极保护在管控方面存在较大难度，很多站场阴极保护运行管控效果不理想。随着近代集成芯片及通讯技术的发展，区域阴极保护智能化成为发展趋势，部分管理单位也已将恒电位仪运行及阴极保护电位实现了远程监测[14-16]。现有智能化系统虽然基本解决了数据测量、传输以及统计问题，但设备的远控仍需要人工辅助分析阴极保护数据，手动修改参数进行远程指令下发[17-19]，并未从根本上解决区域阴极保护调控难点。

本工作根据区域阴极保护特点，参考人工调整过程，提出了一种区域保护智能控制技术方案：通过持续监测站内多点的断电电位，依托智能控制算法自动计算各回路恒电位仪的调整量，智能控制系统将调整指令下发至恒电位仪，恒电位仪根据指令实时调整，最终实现区域阴极保护的自动均衡控制。为验证技术方案的可行性，在西部某输气站场进行了智能控制试点建设，并持续跟踪了应用效果。

1 智能控制技术

1.1 控制流程

站内各电位监测点电位(智能电位采集仪)和智能恒电位仪的运行参数按照一定的采样频率，通过无线传输的方式上传至阴极保护远程管理系统(以下简称“系统”)。系统内的智能控制模块根据各监测点的断电电位数据和恒电位仪的运行状况，通过智能算法计算各路输出恒电位仪的调整量，再将调整指令下发至对应的恒电位仪，恒电位仪根据指令修正相应的输出参数。总体架构见图2。

1.2 控制模型

传统区域阴极保护人工调整方法为：首先检测人员测量站内各处监测点的断电电位，筛选电位达不到阴极保护准则[20]的监测点，随后调整对电位不达标的监测点影响最大的恒电位仪，适当调整恒电位仪的输出，在极化完成后复测各处监测点电位，再进行调整。重复以上步骤，直至所有监测点满足保护要求。

区域阴极保护智能控制模型实现的调控方法与人工调整方法类似，采用“检测-分析-调整-再检测-再分析-再调整”的PID(比例、积分、微分)循环控制方法，由点到面、由局部到全局的控制策略，持续动态调整，均衡优化阴极保护效果。

1.3 相关性表

相关性表主要用于将恒电位仪与监测点之间建立逻辑关系。根据各回路恒电位仪输出电流与监测点极化值大小，对监测点进行影响力排序，并将监测点分为影响力较大的点(A类点)、影响力一般的点(B类点)以及基本无影响的点(C类点)。

当监测点电位出现异常时，系统根据各监测点电位异常类型(欠保护、过保护)以及恒电位仪输出情况自动计算相应恒电位仪的输出电流的调整量。

1.4 主控逻辑

站内恒电位仪以“恒电流”模式运行，系统给每路输出恒电位仪配置初始运行电流，即预置电流，该电流通常较小，并将预置电流值下发指令至恒电位仪。此外，系统给各监测点均设定1个预置断电电位，作为电位达标后的优化目标。

监测点断电电位数据通过试片通断法进行测量，设置主要工作参数为试片通电时间、断电时间、采样点时间间隔。工作参数可以在系统中进行设定。

智能控制开始运行后，首先采集各监测点的断电电位，根据监测点采集的断电电位，判断是否在标准范围之内(-0.85～-1.20 V，可设)，如果超过这一范围，根据相关性表，计算调整步长，再将输出电流调整量下发至相关恒电位仪。

如果监测点断电电位已经在标准范围之内，则判断与其设定的理想断电电位目标是否存在偏差，若存在偏差，则根据排序表选择需要调整的输出通道，按一定的步长进行调整输出。

智能控制系统(PID算法)按照各监测点的采样频率进行实时动态调整，其循环调整周期受限于监测点的采样频率，用户可根据当前阴极保护系统的运行情况在“智能控制模块”中对采样频率进行自行调整，从而提高电位调整速率。为避免由于逼近达标电位时出现的振荡，逻辑中增加了调整步长(调整比例系数)的控制算法，即当监测点保护电位临近达标值时，系统将自动降低调整步长。此外，调整步长也支持人工根据现场情况在系统中自行调整其基准值。

重复上述步骤，使得每个监测点的电位都达到阴极保护标准的要求，并逐步优化逼近到预置的保护目标。

2 区域阴极保护智能控制建设

某输气站场为西气东输压气站，站内工艺区共分为过滤分离区、循环空冷区、后空冷区、收发球区以及放空区5个功能区。区域阴极保护共设置4个阴极保护回路，由4台恒电位仪保护各功能区埋地金属管网。辅助阳极地床采用分布式浅埋阳极。

2.1 阴极保护数据的远传

在站内工艺管道的出入土点以及各功能区连接管道共部署了30个电位监测点。电位监测点采用智能电位采集仪+土壤管的形式采集管道通电电位、断电电位、试片自腐蚀电位、试片直流电流。设备采集频率为1条/5 min。采集数据通过4G通讯上传至远程管理系统，系统可进行数据的展示、查询和统计等，实现阴极保护效果的远传。

由于站场的安装环境的特殊性以及工艺站场防爆的要求，智能电位采集仪安装在防爆箱内，采用多路采集+智能网关的方式安装，设备天线放置在防爆灯罩中，在不影响设备信号传输的基础上保证设备的完整性及防爆性能，站内共设置5处防爆设备箱。采集仪供电方式采用市电供电，以满足智能控制过程中对采集、上传频率的供电需求。

2.2 恒电位仪远传远控

通过对区域阴极保护4路恒电位仪进行远传远控升级改造，实现恒电位仪运行参数以及运行状态的远传远控。远传远控实现的方法主要是对数字控制的恒电位仪程序进行升级，配合通讯网关、数字控制器等功能实现。

通讯网关与恒电位仪之间通过RS - 485接口进行通讯，可实时读取恒电位仪运行数据，将恒电位仪的运行数据记录并存储在通讯网关内部存储器中，通过网关的4G无线传输，恒电位仪的运行数据发送到阴极保护管理平台，并实现设备的远控。通讯网关内部集成了GPS授时模块，实时获取卫星时钟。实现所有网关运行时钟与卫星时钟一致。通讯网关通过RS - 485接口，定时将卫星时钟同步到恒电位仪，确保恒电位仪内部时钟的准确性。

同时，恒电位仪的远传远控还增加了同步通断功能，以满足断电人工测试以及试片测试数据校核的需要。恒电位仪远传改造实施拓扑结果见图3。

2.3 智能控制系统搭建

在阴极保护远程管理系统中部署“阴极保护智能控制”模块，模块中主要包含的界面包括：设备分组及参数设置、相关性表生成、智能控制记录界面。各界面组成及功能详见表1。

表1 阴极保护智能控制模块系统界面及功能

3 运行效果

3.1 智能控制运行前阴极保护状态

智能控制系统运行前，站内阴极保护主要通过人工管理。站内恒电位仪运行参数见表2，站内电位监测点电位数据见图4。从表2以及图4可以看出，智能控制系统运行前，由于保护电流分布不均导致站内监测点电位偏差较大，在局部出现了“过保护”和“欠保护”现象，站场阴极保护电位达标率为67%。

表2 智能控制系统运行前恒电位仪运行参数

3.2 智能控制系统运行效果

分别选取系统运行后5 min、40 min、24 h以及36 h后恒电位仪的运行参数以及各监测点的电位数据作为比较，分析智能控制效果。恒电位仪运行参数变化见表3。

表3 恒电位仪运行参数变化

从表3可以看出，系统开始运行后，恒电位仪初始运行电流为1.000 A，随后根据监测点电位实时动态调整。对比表2数据，系统运行稳定后，监测点达到保护后阴极保护总电流为26.900 A，而人工调整状况下总电流为75.000 A，仅为原先的35.88%。这也是前期运行过程中过保护监测点较多的原因。此外，第一回路电位在调整后输出较小，这反映了在现有阴极保护系统构成下，只需要3路恒电位仪就满足了整个站场的阴极保护电流需要。

由此可见，阴极保护智能控制可优化恒电位仪的输出，用最小、最合理的输出电流满足阴极保护保护要求，降低了恒电位仪的输出功耗。

站内监测点电位数据详见图5。由图5可知，随着智能控制系统的不断运行，站内各监测点的电位逐渐达到阴极保护准则要求，经36 h运行，除6号监测存在略微过保护外，其余各点均达标，达标率为96.7%，这表明智能控制系统达到了预期目标。经现场测试发现，6号点处于过滤分离区阳极地床边，采用试片法测量断电电位时，参比电极受一定的阳极电压场干扰，导致断电电位偏高。这反映出由于设计缺陷或测量误差导致的阴极保护不达标，智能控制系统未能解决。但从另一个角度看，智能控制系统的应用有利于全面掌握站场的阴极保护状况，准确定位阴极保护局部异常位置，可为后期阴极保护优化整改提供有力的帮助。

4 结 语

区域阴极保护智能控制系统很好地解决了区域阴极保护人工管控的难题，依托智能控制算法，可以根据现场电位情况实时动态调整恒电位仪输出，使得所有检测点断电电位满足阴极保护指标要求，实现站场区域阴极保护智能均衡控制，提升区域阴极保护效果。该系统的应用，可以充分发挥站场阴极保护系统的效能，大幅度减轻基层管道管理者劳动强度，提升阴极保护效果，提高阴极保护智能化管理水平。