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管道研究

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一种高压直流入地危及管道及设施 安全的解决方案

来源:《管道保护》杂志 作者:唐建新 刘付强 时间:2019-3-22 阅读:

唐建新 刘付强

广州网视通信息科技有限公司



摘 要:受高压直流输电接地极排流的影响,油气管道上常常形成很高的管地电位,容易导致在绝缘卡套等绝缘薄弱的部位放电,对现场设备和人员的安全构成严重威胁。目前普遍采用的解决方案是加装固态去耦合器或安装手动合闸装置,但此类方案存在去耦合器易被烧毁、手动合闸涉及人员安全等风险。提出了一种智能合闸、自动排流、平台集中监控、微信实时报警的解决方案,并通过两年的实际应用验证了效果。

 

受高压直流输电接地极排流的影响,油气管道上常常形成很高的管地电位,从而导致在绝缘卡套等绝缘薄弱的部位放电,对阀室、现场设备和人员安全构成严重威胁。


1 安全风险及目前应急防护措施

广东省天然气管网有限公司的工程师谭春波等研究发现[1]

(1)接地极单极大地回路电流运行3 000 A时,管道最正电位达到140.5 V,最负电位达到﹣12.5 V,管道的最正电位远高于标准规定的人体安全电压35 V,管道操作人员存在触电危险。

(2)接地极单独大地回路电流运行时,管道上存在高电压,管道附属设施和设备存在损坏风险,阴极保护系统无法进行有效的阴极保护。

(3)在电流流出的位置存在重大的腐蚀风险;在电流流入的位置存在重大的阴极剥离和氢脆风险。

为了降低绝缘卡套烧蚀、场站阀室设施被烧坏和防止人员触电,目前普遍采取以下应急防护措施进行缓解[2]

(1)将处于干线阴保系统保护的气液联动球阀进行接地,使阀体与Line Guard控制箱和阀位指示器之间形成等电位。

(2)将站场绝缘接头位置的等电位连接器更换为固态去耦合器,将站内外跨接,防止大电流排放时产生电位差。

(3)对牺牲阳极和靠近接地极附近的锌带地床进行开挖,查看牺牲阳极腐蚀情况,对检测发现的防腐层破损点及时进行修复。

(4)加强恒电位仪的操作培训及管理,优化恒电位仪操作流程,对现场人员进行相关处理步骤进行指导。在电网接地极泄流期间,严密监视恒电位仪输出,当出现电位故障报警时,切换至恒流状态,恒电流状态下输出电流超过额定输出时,拆除零位接阴及阴极电缆。

(5)实施阴保数据智能化采集,沿线安装电位 采集仪,对于管段受干扰情况进行实时监控。

(6)在阀室安装手动接地装置,当收到电网泄流通知后,安排阀室看管人员手动合闸接地,让管道与阀室地网临时短接(图 1)。


2 目前应急防护措施的弊端

上述应急防护措施中,牺牲阳极法是原有必须的管道防腐蚀措施之一,不能取消。为保护阴保恒电位仪而临时拆除零位接阴及阴极电缆法的流程过于繁琐,实践中极为不便。

固态去耦合器本是为防雷用途而设置的,用于电网泄流时实现等电位连接,存在以下问题。

(1)固态去耦合器可以在感应雷电情况下,瞬时通过额定的最大冲击电流,但在长时间的电网排流情况下,极易过热烧毁,变为短路状态,而且只有在下一次巡检时才能发现。

(2)固态去耦合器的额定隔离电压为对称型﹢2 V/﹣2 V,在某些阀室,由于受到地铁、工厂的影响,管地之间的电位大部分时间都超过﹢2 V/﹣2 V(图 2),从而导致固态去耦合器长时间导通,反而导致管道更容易被腐蚀。

(3)由于阴保的存在,各阀室根据离阴保恒电位仪的远近不同而有不同的管地电位。我们发现,在有阴保恒电位仪的阀室,如果固态去耦合器导通后,恒电位仪切换为恒流状态,那么固态去耦合器就无法自动断开,只能一直处于导通状态,直至被烧毁。而手动接地法存在以下弊端。

①电网公司的接地极对地泄流,通常发生在深夜负载相对较小的时候,即使在天黑后收到电网公司放电泄流的通报信息,但场站及阀室值守员很难深夜跑到荒山野地去合闸,人员黑夜出行也存在很多不安全的因素。

②电网公司的设备出现故障后,接地极发生的故障性放电泄流无法预知和控制,因此,现场人员很难提前或第一时间到达现场合闸。

③阀室值守员到现场巡检、操作及操作固定接地开关,往往都是一个人进行,对于这部分职业技能有限的外聘人员,现场日常操作仍存在很多风险。

④对于电网公司提前通知的计划性放电泄流,即使按照要求提前合闸,但是合闸的时间往往比实际的接地极放电时间长得多,会造成管道腐蚀加快,不利于管道的防腐保护。

⑤现场操作人员反馈已到达现场并已手动合闸,但是合闸的效果或者人员是否真的到现场合闸,管理人员很难管控。

总之,埋地金属管道的短期保护与长期保护出现了 “顾此失彼”的两难问题,国内外目前还未有一种有效措施既能降低管地电位、同时降低管道腐蚀、在电网泄流时又能自动实现管地等电位的方法。


3 智能合闸自动排流解决方案

受西气东输某管理处的委托,我们提出了“智能合闸、自动排流、集中监控、微信报警”的解决方案, 即研发一台“管道对地电位智能控制排流装置”(安装在阀室)、一套集中统一监控平台(可以在云端)、一个实时监控并收取报警的微信客户端,整体系统框架见图 3。

该方案实现了以下功能。

(1)自动钳位、自主导通、即时响应。

(2)在供电电源(包括外接的交流电、或配套的太阳能系统)失效的情况下,在设备控制板停机、死机、故障的情况下,也支持在线排流功能。

(3)在有电的情况下,自动钳位与程控智能排流相结合,支持更长时间、更大的排流,并防止电子开关因长时间导通引起过热而烧毁、或影响使用寿命。

(4)设备仅在电压超过限值时进行合闸操作、在泄流电流低于限值时进行分闸操作,分合动作及时准确,不出现在正常排流期间反复合闸、分闸的情况。

(5)排流的全过程不得产生电弧、火花。

(6)具备纹波/杂波消除功能,杂散电压电流不会引发合闸误动作。

(7)具备脱网手动开关,支持整机与管道分离。

(8)具备自检按钮,支持一键全自动自检。

(9)具有手动合闸开关,支持人工合闸、分闸。

(10)内部主要模块采用冗余设计,满足现场直接替换、维护方便的需求。

(11)支持通过RS 485、 IP接口或3 G/4 G方式进行数据上传。

(12)上传的数据除了监控时的参数以外,还支持上传自检结果报告、排流报警、元器件/模块异常报警等。

(13)采用数据压缩传送方式,节约网络流量。

(14)全参数集中监控,集中监控,分级、分权管理。

(15)排流自动报警,微信通知。本解决方案在两年内分两期上线了31台设备,现场安装效果见图 4。

本解决方案上线后,与电网泄流时间、强度进行了同步分析比较。图 5是2017年1月20日的一次排流,可以看到在管地电压上升、超过钳位电压时,设备立即动作,进行了合闸,从04:35至06:07,持续时间约1小时32分,排流期间的最大电流是1.33 A,与南方电网当日大塘接地极当日放电事件吻合。

表 1是安装在不同阀室的数台自动合闸设备排流与南网一次接地极泄流的时间关联表,可以看出离接 地极远近的不同,排流的电流大小有较大差别、时间有先后、极性有正反。


4 方案的优点

采用智能合闸自动排流装置解决方案,具有以下优点。

(1)集中统一监控:全省或者全网只需要一个监控中心,就可以监控所有阀室的实时管地电位、设备状态,以及监控实时排流情况。再无需现场阀室人员抄录管地电位、手动合闸分闸。

(2)微信客户端收取报警:只要关注到微信公众号,就可以查询到阀室的实时管地电位值,实时收到排流报警通知,有关领导再无需等待汇报。

(3)自动生成分析报告:运行维护人员可直接调取排流分析报告,与电网的排流通报进行比较,为解决管道腐蚀提供详细数据,提升了运行维护效率和管理水平。

(4)保护了阴保恒电位仪:本解决方案考虑到了不同阀室可能存在不同大小的阴保电压、以及恒电位仪在管地短接后转为恒流状态的情况,确保在电网排流结束后自动实现分闸,不会长时间处于短接状态。

(5)可以替代固态去耦合器:固态去耦合器存在大电流易被烧毁、烧毁后不可立即得知的弊端,且固定的额定通断电压不适合不同地方阀室的实际情况,而本解决方案的智能合闸自动排流装置则可设置合闸、分闸条件,支持100 A的大电流长时间通过,出现故障则会立即被发现,还支持在雷电感应时自动合闸分闸,从而在阀室/场站可以替代固态去耦合器。

(6)极端情况下无源排流:支持在无源情况下的自动钳位、自主导通、即时响应,从而解决了故障后未及时维修但电网又在排流的问题。

(7)解决了生产安全隐患:由于全过程智能自动,因此阀室看管人员无需任何操作,避免了触电危险,也对管道施工人员起到保护作用。


5 结束语

埋地油气储运管道受高压直流输电接地极泄流影响,危及设备、设施及人员安全,普通加装固态去耦合器或手动合闸装置的方案存在较大弊端,所提出的“智能合闸、自动排流、集中监控、微信报警”的解决方案,可以节约运行维护成本,消除生产一线的安全隐患,提升安全管理水平,是管道保护领域值得推广的智慧解决方案。


参考文献:

[1]谭春波,许明忠,向敏,夏祝福.鱼龙岭接地极单极大地回路电流运行对天然气管道的影响分析[J].管道保护,2018,(2): 47-51.

[2]王革,许明忠,谭春波,向敏,夏祝福.高压直流输电系统接地极对管道干扰影响研究及治理[J].管道保护, 2018,(3): 54-57.

 

作者:唐建新,广州网视通信息科技有限公司总经理。刘付强,男, 1966年生,中科院广州电子技术有限公司高级工程师。

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