上海天然氣管網(wǎng)有限公司 金東琦
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,能源的剛性需求和分布不均勻的現(xiàn)狀,客觀上要求在大范圍內(nèi)對(duì)能源進(jìn)行長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)移并優(yōu)化配置,因此高壓電網(wǎng)和長(zhǎng)輸油氣管網(wǎng)日益取得了蓬勃發(fā)展。然而,油氣管網(wǎng)和高壓直流輸電網(wǎng)之間相互靠近的情況不可避免地暴露了一些嚴(yán)峻的安全問(wèn)題。HVDC輸電系統(tǒng)也對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)(例如上海、深圳等)的運(yùn)行造成了同樣的電干擾。
正常情況下 HVDC輸電系統(tǒng)采用雙極運(yùn)行方式,但在投運(yùn)初期、年度檢修以及出現(xiàn)故障排查時(shí),切換至單極大地返回運(yùn)行方式,上千安培電流通過(guò)接地極直接入地,對(duì)附近的油氣輸送管道、化工產(chǎn)品輸送管道、輸水管道、給水管道、通訊電纜、鐵路路軌、地鐵盾構(gòu)等埋地金屬構(gòu)筑物都會(huì)造成明顯電干擾,引發(fā)雜散電流腐蝕問(wèn)題,甚至對(duì)人員、設(shè)施安全帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。
在城市燃?xì)忸I(lǐng)域關(guān)于 HVDC雜散電流對(duì)管道的干擾研究甚少,因此此項(xiàng)研究有重要意義。本文主要從管網(wǎng)公司所轄在役高壓天然氣主干網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)際出發(fā),梳理上海地區(qū)已運(yùn)行HVDC輸電線路接地極與主干網(wǎng)的相互位置關(guān)系,了解HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式、雜散電流產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)金屬結(jié)構(gòu)物的危害,應(yīng)用陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)值模擬技術(shù),初步提出主干網(wǎng)的HVDC雜散電流防護(hù)措施,并為待建化工區(qū)復(fù)線的防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
2001年1月,上海市天然氣主干輸氣管網(wǎng)建設(shè)工程全面啟動(dòng)。經(jīng)過(guò) 10余年的蓬勃發(fā)展,天然氣主干網(wǎng)一期、二期項(xiàng)目及崇明項(xiàng)目等相繼完工投運(yùn),在役主干網(wǎng)運(yùn)行總長(zhǎng)約750 km。主要沿外環(huán)線和郊環(huán)線分布,壓力級(jí)制為1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa和6.0 MPa,形成“南北貫通、東西互補(bǔ)、兩環(huán)相連”的格局,已然成為上海市重要的能源生命線。此外,化工區(qū)作為重要區(qū)域用戶,將增加一條總長(zhǎng)約40 km復(fù)線,為其安全可靠供氣提供強(qiáng)有力保障。
經(jīng)前期調(diào)查上海地區(qū)目前有4條HVDC輸電線路,3個(gè)HVDC接地極,即南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極,分別位于奉賢燎原農(nóng)場(chǎng)、金山區(qū)廊下鎮(zhèn)和青浦區(qū)練塘鎮(zhèn),線路詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 上海高壓直流輸電線路工程
據(jù)調(diào)研結(jié)果,上海地區(qū)HVDC接地極與在役主干網(wǎng)的相對(duì)位置如圖1所示。腰涇接地極、廊下接地極和南橋接地極與主干網(wǎng)的最短距離分別約為3.5 km、9.2 km和6.2 km;而南橋接地極與待建化工區(qū)復(fù)線的最短距離也只有約4.5 km。
圖1 上海三個(gè)接地極與主干網(wǎng)的相互位置關(guān)系
與交流輸電相比,直流輸電具有線路造價(jià)低、傳輸功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),因此長(zhǎng)距離傳輸多采用HVDC輸電方式。HVDC輸電系統(tǒng)是將交流電轉(zhuǎn)化為直流電進(jìn)行傳輸,在受端再逆轉(zhuǎn)為交流電降壓后進(jìn)行供電的輸電方式?;旧嫌烧髡?、逆變站和直流輸電線路組成,整流站、逆變站與兩端的交流系統(tǒng)相連接原理、示意圖如圖2所示。
圖2 HVDC輸電系統(tǒng)示意
HVDC輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式主要有雙極運(yùn)行方式、單極大地回路運(yùn)行方式和單極金屬回路運(yùn)行方式,示意圖見(jiàn)圖3。正常情況下,為雙極運(yùn)行方式,如圖3(a)所示,該模式下極I、極II回路電流數(shù)值上相等但方向相反,流經(jīng)大地回路的入地電流IG基本為0,但考慮到設(shè)備整流運(yùn)行上的差異,極I和極II回路電流存在些許差異,設(shè)計(jì)中要求控制在輸送電流的 1%以?xún)?nèi),但投運(yùn)初期、年度檢修或出現(xiàn)故障排查時(shí),切換為單極大地回路運(yùn)行,如圖3(b)所示,輸電電流通過(guò)接地極流入大地形成閉合回路,大量電流通過(guò)大地回流,會(huì)極大程度地抬升或降低接地極周?chē)蟮仉妷?,?duì)附近的金屬管道及構(gòu)筑物造成雜散電流干擾。在某些情況下,電力方也會(huì)采用金屬回路,如圖3(c)所示,電流不經(jīng)過(guò)大地回流,而是通過(guò)一根金屬電纜線回流,該模式下不會(huì)產(chǎn)生任何雜散電流,但會(huì)增加電力投資。
圖3 HVDC不同運(yùn)行方式原理
當(dāng)HVDC雙極運(yùn)行時(shí),不平衡入地電流一般情況只有輸電電流的 1%左右,幾十安培的電流對(duì)幾公里以外的管線明顯不干擾;而HVDC單極大地回路運(yùn)行時(shí),幾千安培的直流電流直接通過(guò)大地回流,接地極放電方式不同會(huì)對(duì)附近管道造成不同的干擾影響。
若接地極放電方式為陽(yáng)極放電,即電流從接地極流向土壤,那么接地極附近區(qū)域雜散電流從土壤流入管道,而遠(yuǎn)離接地極區(qū)域雜散電流從管道流出;相反,若接地極放電方式為陰極放電,即電流從土壤流向接地極,那么接地極附近區(qū)域雜散電流從管道出,而遠(yuǎn)離接地極區(qū)域雜散電流從土壤流向管道,如圖4所示。
圖4 接地極陽(yáng)極和陰極放電對(duì)管道造成的干擾影響示意
HVDC雜散電流干擾與其他干擾源相比因其干擾電流大,管道受干擾的強(qiáng)度更高,影響范圍更遠(yuǎn),危害也更加嚴(yán)重。不僅會(huì)對(duì)管道本身造成影響,更會(huì)對(duì)操作設(shè)備的人員安全造成隱患。從管道角度分析,雜散電流從管道流向土壤,管地電位變正,管道加速腐蝕,根據(jù)法拉第定律,1 A/m2的電流會(huì)造成管壁1.16 mm/a的減薄,而管道防腐層破損處泄漏電流密度可能遠(yuǎn)大于此值,因此管道有很高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn),如天然氣管道長(zhǎng)時(shí)間受到干擾影響,可能會(huì)引起管道腐蝕穿孔,造成天然氣泄漏、火災(zāi)爆炸等事故。雜散電流從土壤流向管道位置,管地電位變的很負(fù),管道過(guò)保護(hù),可能造成防腐層剝離或高強(qiáng)度鋼氫脆現(xiàn)象。從設(shè)備和人員安全角度分析,在土壤電阻率較高的地址環(huán)境中,管道干擾電壓較高,可能超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定穩(wěn)態(tài)時(shí)接觸電壓的限值35 V,對(duì)操作人員的人生安全造成危害;而非等電位連接的設(shè)備之間也會(huì)因?yàn)檫^(guò)大的電位差造成設(shè)施打火、放電和燒蝕,甚至引發(fā)爆炸。
基于電力公司 HVDC輸電系統(tǒng)計(jì)劃?rùn)z修的保密性、可能發(fā)生故障的隨機(jī)性和接地極運(yùn)行方式的不確定性,本次研究在役主干網(wǎng)設(shè)置安裝 25套陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備,見(jiàn)圖5所示,主要用于監(jiān)測(cè)管道通電電位、試片極化電位計(jì)交流電壓等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置依據(jù)為可能干擾強(qiáng)度最大位置區(qū)域及適當(dāng)布設(shè)可能影響區(qū)域以評(píng)估干擾強(qiáng)度及干擾范圍。
圖5 25處陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置設(shè)置位置
電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和主站服務(wù)器三部分。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 6所示。電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)在管道線路上安裝電位監(jiān)測(cè)終端,采用試片法實(shí)時(shí)采集管道的通/斷電電位,利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸至主站服務(wù)器內(nèi),再通過(guò)主站服務(wù)器查詢(xún)和分析管道的通/斷電電位來(lái)判斷管道受南橋接地極的干擾情況。
圖6 電位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)
2016年12月至2017年10月,在11個(gè)月的監(jiān)測(cè)過(guò)程中,南橋接地極共監(jiān)測(cè)到 27次放電,其中陽(yáng)極放電5次,陰極放電22次,總放電持續(xù)時(shí)間851 h40 m;廊下接地極共監(jiān)測(cè)到14次放電,其中陽(yáng)極放電8次,陰極放電6次,總放電持續(xù)時(shí)間56 h10 m;腰涇接地極共監(jiān)測(cè)到19次,其中陽(yáng)極放電13次,陰極放電6次,總放電持續(xù)時(shí)間70 h25 m。具體電網(wǎng)參數(shù)和管道監(jiān)測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2所示:
表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總
從表2數(shù)據(jù)分析,上海HVDC輸電系統(tǒng)在這將近一年的運(yùn)行時(shí)間里,南橋接地極和廊下接地極放電最大電流接近額定電流,電力公司雖未提供腰涇接地極的放電電流,但對(duì)比干擾數(shù)據(jù)可知,放電電流也基本達(dá)到額定電流。
從放電時(shí)間上顯示,南橋接地極實(shí)際放電時(shí)間851 h40 m,年放電率為9.8%;廊下接地極實(shí)際放電時(shí)間為56 h10 m,年放電率為0.64%;腰涇接地極總放電時(shí)間為70 h25 m,年放電率為0.81%。從放電次數(shù)上顯示,南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極的放電次數(shù)分別達(dá)到27次、14次和19次。根據(jù)《高壓直流換流站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5223—2005)對(duì)HVDC系統(tǒng)可靠性的規(guī)定,強(qiáng)迫能源不可用率不大于0.5%,計(jì)劃能源不可用率不大于1%,接地極單極強(qiáng)迫停運(yùn)次數(shù)不大于5次/(極·年),雙極強(qiáng)迫停運(yùn)不大于0.1次/年。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)要求,南橋接地極的年放電率遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的限定值要求,而三個(gè)接地極的放電次數(shù)也均偏多。因此,電力公司應(yīng)重視HVDC接地極放電時(shí)間和放電次數(shù),并采取有效措施加以控制。
HVDC雜散電流干擾是近幾年新發(fā)現(xiàn)的干擾模式,燃?xì)庑袠I(yè)范圍內(nèi)尚未出臺(tái)可參考的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,故仍沿用《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 21448—2008)和《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50991—2014)關(guān)于埋地管道直流雜散電流識(shí)別和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。一般地,陰極保護(hù)水平(管道極化電位)應(yīng)負(fù)于-850 mVCSE(mVCSE表示電位測(cè)量是相對(duì)于銅—硫酸銅參比電極,單位為毫伏,下同)。從監(jiān)測(cè)到的極化電位可知,在接地極單極運(yùn)行工況下,管道側(cè)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的管道最正極化電位數(shù)值均已正于-850 mVCSE管道陰極保護(hù)準(zhǔn)則,造成腐蝕隱患,需采取一定措施。圖7為2017年2月18日南橋接地極陰極放電時(shí)管道上監(jiān)測(cè)到通電電位和極化電位波動(dòng)截屏。
圖7 南橋接地極放電時(shí)不同位置管道通電電位和極化電位
(a)至(d)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為管道離接地極逐漸變遠(yuǎn),對(duì)比(a)、(b)、(c)可知,接地極陰極放電時(shí),接地極附近管道電位正向偏移,電流從管道流向土壤,且隨著管道與接地極距離增大,干擾程度逐漸減弱,最近點(diǎn)干擾程度最大;從(d)可知,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)管地電位負(fù)向偏移,與(a)、(b)、(c)干擾極性相反,電流從土壤流向管道。
圖8為監(jiān)測(cè)到各個(gè)接地極的放電次數(shù)與月份關(guān)系圖,從圖中可以看出,放電高峰主要集中在6月份,這很可能與夏季用電高峰前HVDC輸電系統(tǒng)的集中檢修有很大的關(guān)系。
圖8 三個(gè)接地極放電次數(shù)與月份關(guān)系
數(shù)值模擬技術(shù)依靠電子計(jì)算機(jī),結(jié)合有限元、邊界元等概念,通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法,達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題研究的目的。本研究采用 BESAY數(shù)值模擬計(jì)算軟件,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)在役主干網(wǎng)、待建化工區(qū)復(fù)線和HVDC接地極基礎(chǔ)資料調(diào)研分析、模型建立、利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的邊界條件和監(jiān)測(cè)干擾數(shù)據(jù)不斷校核和優(yōu)化已建模型,利用可接受的模型預(yù)測(cè)和評(píng)估干擾狀態(tài),最終達(dá)到優(yōu)化防護(hù)設(shè)計(jì)方案的目的,具體技術(shù)路線見(jiàn)圖9。
圖9 技術(shù)路線
因待建化工區(qū)復(fù)線管道尚未敷設(shè),無(wú)法通過(guò)在線監(jiān)測(cè)得到實(shí)際干擾數(shù)據(jù),只能利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。圖 10為南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極額定電流放電情況下,化工區(qū)兩端陰極保護(hù)恒電位儀控制-850 mVCSE時(shí)管道的受干擾程度,南橋接地極陰極放電時(shí),管道中間位置管地電位正向偏移波動(dòng)至+480 mVCSE,影響很大,而廊下和腰涇接地極影響較小。
圖10 待建化工區(qū)復(fù)線受干擾程度模擬計(jì)算
圖11~13分別為南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極陰極和陽(yáng)極放電時(shí),主干網(wǎng)的受干擾模擬計(jì)算云圖,從圖中可以看出,南橋接地極陰極額定電流放電,接地極附近管道電流流出,管道電位正向偏移嚴(yán)重,最正位置電位達(dá)到788 mVCSE,距離接地極較遠(yuǎn)位置管道電位明顯正向偏移,南橋接地極陽(yáng)極額定電流放電時(shí),遠(yuǎn)離接地極位置電流流出,電位正向偏移,最正位置電位達(dá)到-315 mVCSE;廊下接地極陰極額定電流放電,距離廊下接地極較近位置管道電流流出,管道電位明顯正向偏移,最正位置電位達(dá)到728 mVCSE左右;廊下接地極陽(yáng)極額定電流放電,距離廊下接地極較遠(yuǎn)位置管道電流流出,管道電位明顯正向偏移,最正位置電位達(dá)到-424 mVCSE左右;腰涇接地極陰極額定電流放電,近接地極位置管道電流流出,電位明顯正向偏移達(dá)到547 mVCSE左右,腰涇接地極陽(yáng)極額定電流放電時(shí),距離接地極較遠(yuǎn)的大港門(mén)站附近管道電流流出,電位正向波動(dòng)較大,達(dá)到-331 mVCSE左右。無(wú)論何種放電模式,均有一定數(shù)量的主干網(wǎng)管道電位正于-850 mVCSE,處于腐蝕風(fēng)險(xiǎn)中。
圖11 南橋接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
圖12 廊下接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
圖13 腰涇接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
通過(guò)數(shù)值模擬軟件計(jì)算待建化工區(qū)復(fù)線受HVDC南橋接地極干擾程度,對(duì)比絕緣處理、鋅帶、鋅帶加極性排流和強(qiáng)制排流等措施,綜合考慮經(jīng)濟(jì)型、可行性和合理的緩解目標(biāo),最終選取與主干網(wǎng)絕緣+獨(dú)立陰極保護(hù)(臨港首站、化工區(qū)清管站)+3#閥室強(qiáng)制排流的聯(lián)合緩解措施。
通過(guò)調(diào)節(jié)原設(shè)計(jì)陰極保護(hù)站和 3#閥室新增陰極保護(hù)站電流輸出,模擬南橋接地極陰極放電和陽(yáng)極放電時(shí)候待建化工區(qū)復(fù)線沿線管道電位,無(wú)論南橋接地極是陰極放電還是陽(yáng)極放電,化工區(qū)復(fù)線管道電位均能滿足-850 mV準(zhǔn)則要求,見(jiàn)圖14。
圖14 南橋接地極陰極放電和陽(yáng)極放電對(duì)待建化工區(qū)復(fù)線沿線管道模干擾模擬
為達(dá)到受干擾主干網(wǎng)-850 mV緩解目標(biāo),考慮采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制的綜合防護(hù)措施,通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析,建議主干網(wǎng)安裝 10處強(qiáng)制排流陰極保護(hù)站,15處管道安裝多點(diǎn)控制。
圖15~17為主干網(wǎng)受HVDC南橋接地極、廊下接地極和腰涇接地極雜散電流干擾時(shí),采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制緩解措施后主干網(wǎng)電位分布云圖。
圖15 南橋接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
圖16 廊下接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
圖17 腰涇接地極對(duì)主干網(wǎng)干擾的數(shù)模計(jì)算
從圖中可以看出,采取適當(dāng)措施后,在役主干網(wǎng)管道整體電位基本能滿足-850 mVCSE準(zhǔn)則要求,基本達(dá)到管道保護(hù)的要求。
通過(guò)上海地區(qū) HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)天然氣主干網(wǎng)雜散電流干擾的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬等手段,開(kāi)展對(duì)主干網(wǎng)和化工區(qū)復(fù)線緩解措施研究,初步得到了以下結(jié)論:
(1)HVDC輸電系統(tǒng)接地極在單極大地回路運(yùn)行模式下,對(duì)埋地管道及金屬構(gòu)筑物均有影響。在接地極陽(yáng)極放電時(shí),遠(yuǎn)處管道電流流出,電位正向波動(dòng)造成腐蝕;而在接地極陰極放電時(shí),離接地極最近的管道電位波動(dòng)最正,腐蝕影響最嚴(yán)重。
(2)實(shí)現(xiàn)了對(duì)主干網(wǎng)直流干擾強(qiáng)度及干擾規(guī)律的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明3處接地極均對(duì)高壓主干網(wǎng)構(gòu)成直流干擾。監(jiān)測(cè)到最強(qiáng)腐蝕干擾電位達(dá)+1.01 V,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)極大。
(3)待建化工區(qū)復(fù)線干擾緩解措施確定為新建管線與原主干網(wǎng)間相互絕緣前提下,在臨港首站和化工區(qū)清管站設(shè)計(jì)陰極保護(hù)站,同時(shí)在3#閥室新增一處強(qiáng)制排流站,為化工區(qū)復(fù)線建設(shè)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
(4)初步得到了在役主干網(wǎng)的干擾防護(hù)措施,采取強(qiáng)制排流+多點(diǎn)控制的聯(lián)合保護(hù)方式。
(5)通過(guò) 11個(gè)月的遠(yuǎn)程監(jiān)控,南橋接地極放電時(shí)間遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限制,三個(gè)接地極的放電次數(shù)也明顯偏高。HVDC接地極放電次數(shù)和放電持續(xù)時(shí)間需得到電力有關(guān)部門(mén)的重視并提出限制措施。
本研究針對(duì)上海地區(qū) HVDC輸電系統(tǒng)對(duì)高壓天然氣主干網(wǎng)的腐蝕干擾和影響進(jìn)行了初步探索,未來(lái)還有更多的工作需要推進(jìn)。HVDC雜散電流干擾問(wèn)題涉及到燃?xì)馀c電力兩個(gè)行業(yè),建議政府相關(guān)職能部門(mén)牽頭建立聯(lián)合溝通機(jī)制、協(xié)調(diào)多方合作共同研究,從源頭上控制解決問(wèn)題,確保天然氣主干管網(wǎng)生命線的安全可靠運(yùn)行,保障上海城市的運(yùn)行安全。