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          管道研究

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          一種高壓直流入地危及管道及設施 安全的解決方案

          來源:《管道保護》雜志 作者:唐建新 劉付強 時間:2019-3-22 閱讀:

          唐建新 劉付強

          廣州網視通信息科技有限公司



          摘 要:受高壓直流輸電接地極排流的影響,油氣管道上常常形成很高的管地電位,容易導致在絕緣卡套等絕緣薄弱的部位放電,對現場設備和人員的安全構成嚴重威脅。目前普遍采用的解決方案是加裝固態去耦合器或安裝手動合閘裝置,但此類方案存在去耦合器易被燒毀、手動合閘涉及人員安全等風險。提出了一種智能合閘、自動排流、平臺集中監控、微信實時報警的解決方案,并通過兩年的實際應用驗證了效果。

           

          受高壓直流輸電接地極排流的影響,油氣管道上常常形成很高的管地電位,從而導致在絕緣卡套等絕緣薄弱的部位放電,對閥室、現場設備和人員安全構成嚴重威脅。


          1 安全風險及目前應急防護措施

          廣東省天然氣管網有限公司的工程師譚春波等研究發現[1]

          (1)接地極單極大地回路電流運行3 000 A時,管道最正電位達到140.5 V,最負電位達到﹣12.5 V,管道的最正電位遠高于標準規定的人體安全電壓35 V,管道操作人員存在觸電危險。

          (2)接地極單獨大地回路電流運行時,管道上存在高電壓,管道附屬設施和設備存在損壞風險,陰極保護系統無法進行有效的陰極保護。

          (3)在電流流出的位置存在重大的腐蝕風險;在電流流入的位置存在重大的陰極剝離和氫脆風險。

          為了降低絕緣卡套燒蝕、場站閥室設施被燒壞和防止人員觸電,目前普遍采取以下應急防護措施進行緩解[2]。

          (1)將處于干線陰保系統保護的氣液聯動球閥進行接地,使閥體與Line Guard控制箱和閥位指示器之間形成等電位。

          (2)將站場絕緣接頭位置的等電位連接器更換為固態去耦合器,將站內外跨接,防止大電流排放時產生電位差。

          (3)對犧牲陽極和靠近接地極附近的鋅帶地床進行開挖,查看犧牲陽極腐蝕情況,對檢測發現的防腐層破損點及時進行修復。

          (4)加強恒電位儀的操作培訓及管理,優化恒電位儀操作流程,對現場人員進行相關處理步驟進行指導。在電網接地極泄流期間,嚴密監視恒電位儀輸出,當出現電位故障報警時,切換至恒流狀態,恒電流狀態下輸出電流超過額定輸出時,拆除零位接陰及陰極電纜。

          (5)實施陰保數據智能化采集,沿線安裝電位 采集儀,對于管段受干擾情況進行實時監控。

          (6)在閥室安裝手動接地裝置,當收到電網泄流通知后,安排閥室看管人員手動合閘接地,讓管道與閥室地網臨時短接(圖 1)。


          2 目前應急防護措施的弊端

          上述應急防護措施中,犧牲陽極法是原有必須的管道防腐蝕措施之一,不能取消。為保護陰保恒電位儀而臨時拆除零位接陰及陰極電纜法的流程過于繁瑣,實踐中極為不便。

          固態去耦合器本是為防雷用途而設置的,用于電網泄流時實現等電位連接,存在以下問題。

          (1)固態去耦合器可以在感應雷電情況下,瞬時通過額定的最大沖擊電流,但在長時間的電網排流情況下,極易過熱燒毀,變為短路狀態,而且只有在下一次巡檢時才能發現。

          (2)固態去耦合器的額定隔離電壓為對稱型﹢2 V/﹣2 V,在某些閥室,由于受到地鐵、工廠的影響,管地之間的電位大部分時間都超過﹢2 V/﹣2 V(圖 2),從而導致固態去耦合器長時間導通,反而導致管道更容易被腐蝕。

          (3)由于陰保的存在,各閥室根據離陰保恒電位儀的遠近不同而有不同的管地電位。我們發現,在有陰保恒電位儀的閥室,如果固態去耦合器導通后,恒電位儀切換為恒流狀態,那么固態去耦合器就無法自動斷開,只能一直處于導通狀態,直至被燒毀。而手動接地法存在以下弊端。

          ①電網公司的接地極對地泄流,通常發生在深夜負載相對較小的時候,即使在天黑后收到電網公司放電泄流的通報信息,但場站及閥室值守員很難深夜跑到荒山野地去合閘,人員黑夜出行也存在很多不安全的因素。

          ②電網公司的設備出現故障后,接地極發生的故障性放電泄流無法預知和控制,因此,現場人員很難提前或第一時間到達現場合閘。

          ③閥室值守員到現場巡檢、操作及操作固定接地開關,往往都是一個人進行,對于這部分職業技能有限的外聘人員,現場日常操作仍存在很多風險。

          ④對于電網公司提前通知的計劃性放電泄流,即使按照要求提前合閘,但是合閘的時間往往比實際的接地極放電時間長得多,會造成管道腐蝕加快,不利于管道的防腐保護。

          ⑤現場操作人員反饋已到達現場并已手動合閘,但是合閘的效果或者人員是否真的到現場合閘,管理人員很難管控。

          總之,埋地金屬管道的短期保護與長期保護出現了 “顧此失彼”的兩難問題,國內外目前還未有一種有效措施既能降低管地電位、同時降低管道腐蝕、在電網泄流時又能自動實現管地等電位的方法。


          3 智能合閘自動排流解決方案

          受西氣東輸某管理處的委托,我們提出了“智能合閘、自動排流、集中監控、微信報警”的解決方案, 即研發一臺“管道對地電位智能控制排流裝置”(安裝在閥室)、一套集中統一監控平臺(可以在云端)、一個實時監控并收取報警的微信客戶端,整體系統框架見圖 3。

          該方案實現了以下功能。

          (1)自動鉗位、自主導通、即時響應。

          (2)在供電電源(包括外接的交流電、或配套的太陽能系統)失效的情況下,在設備控制板停機、死機、故障的情況下,也支持在線排流功能。

          (3)在有電的情況下,自動鉗位與程控智能排流相結合,支持更長時間、更大的排流,并防止電子開關因長時間導通引起過熱而燒毀、或影響使用壽命。

          (4)設備僅在電壓超過限值時進行合閘操作、在泄流電流低于限值時進行分閘操作,分合動作及時準確,不出現在正常排流期間反復合閘、分閘的情況。

          (5)排流的全過程不得產生電弧、火花。

          (6)具備紋波/雜波消除功能,雜散電壓電流不會引發合閘誤動作。

          (7)具備脫網手動開關,支持整機與管道分離。

          (8)具備自檢按鈕,支持一鍵全自動自檢。

          (9)具有手動合閘開關,支持人工合閘、分閘。

          (10)內部主要模塊采用冗余設計,滿足現場直接替換、維護方便的需求。

          (11)支持通過RS 485、 IP接口或3 G/4 G方式進行數據上傳。

          (12)上傳的數據除了監控時的參數以外,還支持上傳自檢結果報告、排流報警、元器件/模塊異常報警等。

          (13)采用數據壓縮傳送方式,節約網絡流量。

          (14)全參數集中監控,集中監控,分級、分權管理。

          (15)排流自動報警,微信通知。本解決方案在兩年內分兩期上線了31臺設備,現場安裝效果見圖 4。

          本解決方案上線后,與電網泄流時間、強度進行了同步分析比較。圖 5是2017年1月20日的一次排流,可以看到在管地電壓上升、超過鉗位電壓時,設備立即動作,進行了合閘,從04:35至06:07,持續時間約1小時32分,排流期間的最大電流是1.33 A,與南方電網當日大塘接地極當日放電事件吻合。

          表 1是安裝在不同閥室的數臺自動合閘設備排流與南網一次接地極泄流的時間關聯表,可以看出離接 地極遠近的不同,排流的電流大小有較大差別、時間有先后、極性有正反。


          4 方案的優點

          采用智能合閘自動排流裝置解決方案,具有以下優點。

          (1)集中統一監控:全省或者全網只需要一個監控中心,就可以監控所有閥室的實時管地電位、設備狀態,以及監控實時排流情況。再無需現場閥室人員抄錄管地電位、手動合閘分閘。

          (2)微信客戶端收取報警:只要關注到微信公眾號,就可以查詢到閥室的實時管地電位值,實時收到排流報警通知,有關領導再無需等待匯報。

          (3)自動生成分析報告:運行維護人員可直接調取排流分析報告,與電網的排流通報進行比較,為解決管道腐蝕提供詳細數據,提升了運行維護效率和管理水平。

          (4)保護了陰保恒電位儀:本解決方案考慮到了不同閥室可能存在不同大小的陰保電壓、以及恒電位儀在管地短接后轉為恒流狀態的情況,確保在電網排流結束后自動實現分閘,不會長時間處于短接狀態。

          (5)可以替代固態去耦合器:固態去耦合器存在大電流易被燒毀、燒毀后不可立即得知的弊端,且固定的額定通斷電壓不適合不同地方閥室的實際情況,而本解決方案的智能合閘自動排流裝置則可設置合閘、分閘條件,支持100 A的大電流長時間通過,出現故障則會立即被發現,還支持在雷電感應時自動合閘分閘,從而在閥室/場站可以替代固態去耦合器。

          (6)極端情況下無源排流:支持在無源情況下的自動鉗位、自主導通、即時響應,從而解決了故障后未及時維修但電網又在排流的問題。

          (7)解決了生產安全隱患:由于全過程智能自動,因此閥室看管人員無需任何操作,避免了觸電危險,也對管道施工人員起到保護作用。


          5 結束語

          埋地油氣儲運管道受高壓直流輸電接地極泄流影響,危及設備、設施及人員安全,普通加裝固態去耦合器或手動合閘裝置的方案存在較大弊端,所提出的“智能合閘、自動排流、集中監控、微信報警”的解決方案,可以節約運行維護成本,消除生產一線的安全隱患,提升安全管理水平,是管道保護領域值得推廣的智慧解決方案。


          參考文獻:

          [1]譚春波,許明忠,向敏,夏祝福.魚龍嶺接地極單極大地回路電流運行對天然氣管道的影響分析[J].管道保護,2018,(2): 47-51.

          [2]王革,許明忠,譚春波,向敏,夏祝福.高壓直流輸電系統接地極對管道干擾影響研究及治理[J].管道保護, 2018,(3): 54-57.

           

          作者:唐建新,廣州網視通信息科技有限公司總經理。劉付強,男, 1966年生,中科院廣州電子技術有限公司高級工程師。

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