葛 天
北京市燃气集团有限责任公司高压管网分公司
摘要：本文剖析燃气管线巡检中存在的问题，然后针对以上问题探讨了北斗技术在燃气激光检测车上、PCM+方面的及燃气管网腐蚀控制管理方面的应用，最后介绍该技术产生的效益及推广意义。并提出智慧城市建设需在现有技术上，结合 “互联网+”、物联网、5G 技术、大数据、云数据、人工智能等前沿智能技术，逐步升级打造管线运行、检测、维护一体化的智能管网运行模式。
关键词：北斗；燃气；巡检；PCM+；腐蚀控制
一、研究背景
随着环境各项指标的要求越来越严格，天然气作为一种清洁、高效的能源越来越受到大家的青睐。随着经济能力的不断增强、城镇人口的不断增加以及城镇基础设施的飞速建设，北京燃气进行了煤改气工程建设，燃气管网延伸至千家万户，从2016年至今，管网长度以每年两位数的趋势增长，截至2018年底，北京城市管网长度达到2.3万公里，天然气供应量约175亿立方米，天然气用户总数超过616万，用气量位居世界城市第二。在城市输配系统方面，北京市建设了门站10座，1100多座调压站，天然气管网长度达两万多公里，是中国压力级制最多，管网长度最长的城市燃气管网。形成“一个平台+三个环路+多条联络线”的城镇输配系统。目前，向北京供气的现役长输管道有6条，包括陕京一、二、三、四线，大唐煤制气管线及唐山LNG管线，日最大输气能力可达1.3亿立方米。
.png)
图1 北京燃气管网分布图
燃气供应量和燃气管网规模的不断增加对北京燃气的日常运维提出了更高的要求，公司在安全运营、用户体验、能源高效利用等方面也面临着传统管理技术和方法难以解决的新问题。其中，天然气管网泄漏是安全运营管理中重要的一环。
二、目前管网检测存在的问题
天然气管网大多数为地下敷设，受地下潮湿、杂散电流、自然腐蚀、微生物腐蚀等因素影响，泄露情况不易获知，目前，燃气运行人员利用皮尔逊法测量电位，根据电位梯度变化确定管网防腐层破损点 [1]。记录泄漏点等位置信息时，往往依靠参照物来描述，靠人为查找来与管线关联，不便于后续分析利用；虽部分检测设备开发了GPS定位和数据导出等功能，但是还是无法做到精准、快捷寻找破损点。对泄漏检测人员的执行情况不易管理，检测效率低下，容易出现重复检测和漏测的情况，所以，提高泄漏检测效率，加强对检测人员执行情况的管理，将检测数据电子化等，是实现智能、精准运营需亟待解决的问题。
三、基于北斗的智能管线巡检技术
北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的重要空间基础设施，可提供全天候的精准时空信息服务，是改革开放40年来取得的重要科技成就之一。该系统由空间端、地面端和用户端组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的精准位置、精准授时与短报文通信服务 [1]。截止至2020年7月29日，北斗第55颗卫星完成在轨测试、入网评估等工作，正式入网。近些年，城镇燃气大规模发展，燃气管网迅速扩展至城市的每个角落，一旦发生泄漏或爆炸事件，将给人员和财产带来巨大的损失，因此，提高燃气的精准、高效的管线巡检，将会为燃气管线的安全运营一臂之力。
将北斗技术与传统的管线检测技术结合起来，可以有效地解决管线巡检覆盖率低、误差大、巡检效率低等技术难题，可记录点检地点的泄漏浓度和位置坐标，提高了运行轨迹精确度，使管网运行轨迹与管段对象弥合度更加精确，可快速、有效地发现传统巡检方法存在的盲区，人工巡检效率提升60%，提高了巡检运维管理及考核的准确率，实现巡检到位率和盲区分析的自动计算，达到以人防控、以控防人这一安全生产目标。
.png)
图1 管道巡检轨迹及终端界面图
基于北斗精准定位系列化成套泄漏检测装置，与传统的泄漏检测设备相比，可以根据甲烷羽流模型划定泄漏疑似区域，指导搜索方向，最大程度的发现泄漏隐患点，大大提高了泄漏检测工作的效率和准确度。基于北斗技术的城市地下物联网以需求为导向，在北京、苏州、宁波、郑州、新疆等十余家政府用户和二十余家行业用户的智慧城市、智慧管网建设中得到推广与应用，构建出精准精细、敏捷高效、全方位、全时段覆盖的管线管理新模式。
四、北斗技术在燃气管网巡检中的应用
1、北斗技术在激光检测车上的应用
结合燃气管网泄漏检测的特点，激光检测车把泄漏检测设备和北斗定位设备集成起来，实现数据的结构化融合及后台上传，为后续的数据分析和应用打下坚实的基础。该项应用不但可及时掌握现场泄漏检测工作进展情况及泄漏检测盲区，还可逐步积累泄漏检测历史数据，用于预判管网泄露检测发展趋势及建立管网风险评估模型。精确监控和记录泄漏检测作业现场情况，确保检测轨迹与管线实际位置精准相符，读取保存过去因未报警而视为无效的零值数据，为全部数据加载精准坐标和时间参数，使过去的废弃数据变成可供积累的有效数据，形成动态更新的泄漏历史数据库，为管网泄漏统计分析建立数据基础。结合管网完整性管理系统和管网GIS系统，可实现泄漏趋势分析、管网风险计算和动态风险评估预判。
自2012年第一代产品面世以来，Surveyor作为一项革命性的技术，已经受到全球燃气公司的广泛关注和认可。目前，Surveyor已被美国的各大燃气公司广泛使用，用户包括PG&E, Center Point Energy, Atmos Energy, National Grid, Southwest Gas, Sempra Energy等。这些燃气公司覆盖了美国18个州。作为全国燃气行业高新技术的领跑者， 北京燃气集团自2015年9月以来邀请Surveyor在北京进行了一系列的演示及试运行，范围覆盖了北燃集团高压管网分公司，第三、第四、第五分公司，以及北京燃气怀柔有限公司。2017年，激光检测车泄漏检测燃气管线900余公里，2018年共检测2314.4公里。2017年，Picarro检测800余公里，2018年计划检测5500公里。
.png)
2、基于北斗的PCM+技术应用
多频管中电流衰减法（PCM） 是一种通过分析地下管道中电流的变化来研究埋地管道防腐层状况的不开挖检测技术，既可进行管道定位又可用于管道防腐层状况检测，解决了以往埋地管道在非开挖状况下无法检验的难题。该检测技术既可作为新竣工管道的检测、验收手段，也可对正在运行的管道进行定期监测，被广泛应用于石油、化工、城市燃气及其他管道输送行业。
我国自主研发的管道防腐检测与分析系统，把北斗定位设备与通用的PCM埋地管道外防腐层状况检测仪进行联接，精确记录每次防腐层检测的结果以及位置数据，以及对防腐层破损点直接定位，极大的提高燃气企业防腐检测管理水平，实现检测过程的精细化管理以及监测结果智能化分析。北斗精准定位设备与管道防腐层检测仪对接，精确记录和上传每次防腐层检测的结果以及位置数据，直接定位防腐层破损点的精准坐标，对检测结果进行统计分析，实现防腐检测作业的精准管理。
便携的移动终端设备与燃气管道防腐检测设备集成并结合北斗精准定位服务网实现了检测数据和精准位置数据的结构化融合，提高检测数据的可追溯性和可分析性，促进管道防腐层不开挖检测过程的精准化和精细化；另外检测数据的实时采集、存储和上传，方便检测人员操作，实现检测数据分析过程的自动化，提高了检测效率。成果很好的解决了燃气管道防腐检测在不开挖检测即可精准定位的难点问题，并满足了燃气管道检测在后期数据统计分析方面的需求，具有极为广阔的推广应用前景；成果目前已在北京燃气集团、新奥燃气集团等大型企业及多个地方分公司推广应用，同时项目成果应用也极大的提升了北斗卫星导航系统在燃气行业的应用水平和应用规模。
.png)
3、北斗技术在燃气管网腐蚀控制管理中的应用
燃气管网腐蚀控制中一般采用牺牲阳极、外加电流的阴极保护方式，北斗技术在燃气管网中阴极保护优化设计上的应用、牺牲阳极有效性判据及杂散电流防控等技术的应用，为城市燃气管线精准管理物联网系统打下坚实的基础，实现了对燃气管网腐蚀控制系统的优化设计和腐蚀控制参数的准确监测与智能管理，大大提高了燃气管网腐蚀控制系统的设计与管理水平，保证了燃气管网的安全运行。
为了解决传统燃气管网阴极保护设计中难以准确获取管网的分布位置，造成电流需求计算不准确、阳极地床设计不合理、保护效果难以保证的问题，将燃气管网北斗定位系统与阴极保护数值模拟计算技术相结合，部分学者开发了基于北斗定位技术的燃气管网区域阴极保护数值预测与评估系统，系统界面如图8所示。该技术已经在北京燃气管网多个区域阴极保护效果预测和阳极优化设计中进行了成功的应用，取得了良好效果，实现了对燃气管网阴极保护效果的准确预测与阳极地床的优化设计，大大提高了燃气管网的阴极保护设计与管理水平。
.png)
图 城市燃气管网阴极保护优化设计技术在调压站区域阴极保护设计中的应用
由于燃气管道常位于繁华的城区，难以采用常规的手段对管道进行准确定位和阴极保护有效性评估，为了解决这一难题，通过北斗系统获取的管道准确地理位置信息与牺牲阳极的工作原理以及服役参数随时间的变化规律相结合，建立了基于北斗定位信息与地床极限接地电阻的牺牲阳极阴极保护系统有效性判据，如图4所示。并基于北斗定位确定的保护范围，建立了牺牲阳极阴极保护系统剩余寿命预测模型及计算方法，实现了对牺牲阳极系统剩余寿命的有效预测，并在1200余公里燃气管道的牺牲阳极阴极保护系统上进行了成功应用，大大提高了燃气管道阴极保护系统的科学管理水平。
近十年来，北京城市轨道交通、高压电网、高速铁路大规模建设，埋地燃气管网的交直流杂散电流干扰问题日益严重；而杂散电流干扰的有效测试与防护均与埋地管道与干扰源的相对位置信息密切相关，利用北斗定位系统准确获取燃气管道与干扰源的相对位置信息，开发出的杂散电流监测系统，实现了对燃气管道杂散电流干扰参数的实时监控，并形成了杂散电流预测评估与有效防护技术，研发出了适用于城镇区域环境特点的防护地床结构以及排流器。
图 燃气管道与干扰源相对位置信息
.png)
将北斗定位系统与防腐数据测试传感探头及无线传输技术相结合开发了燃气管网腐蚀控制智能管理模块，实现了防腐系统运行参数的自动监测、传输和分析处理，对于异常参数能够自动报警，并给出专家意见。该系统的成功开发，大大提高了北京燃气集团防腐系统的管理效率，成为北京燃气管网智能化建设的一个重要组成部分。阴极保护数据无线传输系统安装示意如下图所示。
.png)
图 无线传输终端及极化探头
五、效益分析
北斗在各城市的应用推广，致力于燃气管道建设成绩较为突出，目前已经取得若干知识产权。除燃气外，在城市的热力、电力、给排水、交通、养老、政务等多种行业予以广泛应用，对城市的信息化建设和运营效能奠定了基础，创造了巨大的社会价值和效应：
北斗在城市燃气行业的广泛应用，为北斗系统的产业化应用开辟了一个崭新的应用领域。随着城市建设的全面推广，对城市热网、给排水、交通、市政、养老等多行业应用，将大大提升了北斗卫星导航系统的应用水平和应用规模。通过技术创新，将北斗技术与行业信息化技术融合，为城市大规模应用空间信息铺平了道路，并树立了可充分借鉴的应用示范。随着北斗在全国行业范围全面展开应用，将大幅度推动我国行业的信息化水平，促进城镇传统行业的“两化融合”，由过去的粗放式管理向精细化、智能化管理升级。将逐步由“事后抢修”转变为“事前预警”，避免发生重大事故，在技术方面促进城市安全管理从过去的“被动安全”提升到“主动安全”，并随着技术和管理的进步，最终发展为“本质安全”。有效提高了城市公共安全管理水平。以精准位置服务将城市各行业企业结合在一起，在一个平台上相互促进，共同提升区域内安全管理水平，提高区域内管网运行维护效率，加强区域内安全稳定供气协调能力，在城市一体化建设大环境的背景下，助力城市协同发展城市基础设施安全管理，具有十分显著的社会效益。
六、展望
智慧燃气是城市燃气行业发展的未来方向。北斗技术作为保障国家安全的重要战略性空间基础设施，是智慧燃气的重要技术支撑，引导其规模化、规范化应用具有重要意义。“燃气 + 北斗”不是位置坐标的简单应用，而是实现北斗所提供的时空信息与燃气业务数据的深度融合。依托 5G、物联网、大数据、云平台、人工智能等新一代信息技术，最终实现燃气全业务的自感知、自判断、自决策、自管理等功能。
参考文献
[1] 高相铭，李研达，杨世凤，潘三博. 基于物联网的燃气管网泄漏检测系统研究[J]. 仪表技术与传感器, 2016(12): 110-115.