淺析管道流體發(fā)電技術(shù)

摘 要：文章對管道流體發(fā)電技術(shù)的技術(shù)背景、發(fā)電特點與應(yīng)用場合進(jìn)行了分析，提出管道流體發(fā)電系統(tǒng)的一般構(gòu)成，介紹了外管道流體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對管道流體發(fā)電的發(fā)展前景進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：管道流體；發(fā)電；節(jié)能

引言

面對能源緊缺、環(huán)境污染的現(xiàn)狀，節(jié)能環(huán)保成為當(dāng)今科技發(fā)展的一大主題。其中，利用排水管道、輸油管道等各類管道流體發(fā)電，便是其中的一種。長輸送管道用來輸送流體介質(zhì)，必然存在管道異物阻塞，出現(xiàn)裂紋等現(xiàn)象，由于管道一般為埋地敷設(shè)，只能在管道內(nèi)部裝設(shè)自行清理、檢查的裝置，并要求此裝置具有持續(xù)的電能供應(yīng)，于是，管道流體自發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生。同時，在提倡發(fā)展多種能源的今天，也可以作為一種分布式電源，為供電緊缺地區(qū)提供一定的電能。

1 管道流體發(fā)電技術(shù)定義

管道流體發(fā)電技術(shù)是指在輸油管道或下水管道中，利用一定的裝置，將流體的動能轉(zhuǎn)化為電能并加以利用的一種技術(shù)。該技術(shù)目前主要應(yīng)用于各類運輸管道的自動清理、檢測裝置的供電系統(tǒng)中。能源自給式管道機器人就是其中的一類，利用該技術(shù)產(chǎn)生的電能給這種機器人充電，管道機器人長期浸潤在流動介質(zhì)中，在不需要自帶能源的條件下進(jìn)行檢測裂縫、清理異物等工作，從而對管道進(jìn)行低成本高效率的檢測和維護(hù)。同時，管道流體發(fā)電技術(shù)也成為一種新型的分布式發(fā)電技術(shù)，為供電缺乏地區(qū)提供電能。例如在城市污水運輸管道中應(yīng)用流體發(fā)電技術(shù)，就可以形成相當(dāng)規(guī)模的流體發(fā)電系統(tǒng)。

2 管道流體發(fā)電技術(shù)背景

2.1 流體力學(xué)分析

對于一般運輸流體介質(zhì)的管道而言，其入口處的壓力P和流量u是由壓力供給系統(tǒng)所決定。（在此假定長輸送管道內(nèi)的流體是連續(xù)穩(wěn)定不可壓縮的。）從物理角度分析，Z為位置水頭，■為靜壓水頭，而■為動壓水頭，稱為管道內(nèi)的總水頭，反映的是管道中沿流動方向任意斷面的高度Z、壓力P和流速u，三個變量之間的關(guān)系。由受力分析可知，作用于管道中流體的外力主要有流體動壓力、重力，由于流體沿管道流動產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力，以及管道中一些裝置（發(fā)電裝置、清理檢測裝置等）引起流體擾動的干擾阻力，所以流體沿流動方向的總機械能逐漸減少，我們把這部分損耗的機械能稱為水頭損失Z水。為了克服水頭損失，工程上采取的辦法是提高長輸送管入口處的靜壓力，使之在管道出口處變?yōu)榱黧w的動能。如果我們在較長的輸送管道中增加發(fā)電裝置，相當(dāng)于增加流體所受阻力Z阻，將會引起流場力學(xué)條件的變化，此時管道內(nèi)部實際流體的伯努利方程為：

（1）

式中，Pl-管道進(jìn)口處計算截面1處的壓力；u1-管道進(jìn)口處計算截面1處的流量；P2-管道出口處計算截面2處的壓力；u2-管道出口處計算截面2處的流量；Z水-水頭損失；Z阻-管內(nèi)增加的額外阻力。其中，下標(biāo)1和2的數(shù)值分別代表在長輸送管道上進(jìn)口處計算截面1和發(fā)電裝置以后計算截面2上的流體力學(xué)參數(shù)值。當(dāng)發(fā)電裝置的重量和體積都比較大時，則意味著Z阻增加很多，此時管道內(nèi)的流體力學(xué)條件會發(fā)生較大的變化；在水平等直徑管道情況下，可以認(rèn)為Z阻遠(yuǎn)大于Z水，u1=u2=u，z1=z2，由（1）式得：

（2）

式（2）表明，在一定條件下，如果在發(fā)電裝置前后形成靜壓差P1和P2，同時出現(xiàn)足夠的流量流過發(fā)電裝置的橫截面，定會產(chǎn)生克服 Z阻所需要的驅(qū)動力。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

管道流體發(fā)電系統(tǒng)主要由以下三部分組成：葉輪，發(fā)電機，蓄電池。

2.2.1 葉輪

葉輪接收流體動能，并將之傳遞給同軸旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機，是流體發(fā)電的關(guān)鍵元件。在不同的發(fā)電裝置與流體介質(zhì)中，葉輪的設(shè)計稍有不同。綜合考慮其功率系數(shù)，發(fā)電效率，葉片共振等因素下，一般選用的葉片數(shù)為3。考慮到其工作環(huán)境，一般選用具有較高耐壓比強度和極限抗張強度的材料。而葉輪直徑、形狀的設(shè)計則與流體介質(zhì)的流速、種類、溫度等有關(guān)。

2.2.2 發(fā)電機是管道流體發(fā)電的核心器件，由于流體介質(zhì)一般具有較大的粘稠度，不能達(dá)到像水輪發(fā)電機那樣的高速旋轉(zhuǎn)，故一般考慮其流體介質(zhì)種類，相應(yīng)采用低速發(fā)電機。另外，發(fā)電機的主軸和葉輪相連，還要考慮其連接的可靠性與振動問題。

2.2.3 蓄電池

由于管道流體發(fā)電受流體流速影響較大，輸出功率不夠穩(wěn)定，，而實際要求的電能則是持續(xù)穩(wěn)定的電能，所以一般用將所發(fā)電能儲存起來加以利用。一般采用鋰離子電池，該類電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，且沒有記憶效應(yīng)，循環(huán)性能優(yōu)越。而且輸出功率大，使用壽命長，不含有毒有害物質(zhì)。有利于管道內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的長期使用，電池不易泄露有害物質(zhì)和氣體，對與流體介質(zhì)影響較小，具有一定的可靠性。

3 管道流體發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況與應(yīng)用前景

目前，管道流體發(fā)電技術(shù)主要用于對管道機器人供電和一些小型的管道流體發(fā)電系統(tǒng)。管道機器人的發(fā)電模塊將管道流體的動能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而給管道機器人的行走與工作提供持續(xù)電能。其中，在不同機器人的設(shè)計中，流體發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)調(diào)整。如今市場上已經(jīng)投入使用一些能量自給式管道機器人。對于小型的管道流體發(fā)電系統(tǒng)，目前還處于實驗階段，并沒有大規(guī)模應(yīng)用。管道流體發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)主要在于其發(fā)電裝置的優(yōu)化，解決了早期的流體發(fā)電機由于管道內(nèi)結(jié)構(gòu)龐大、安裝復(fù)雜、流體腐蝕與沖擊導(dǎo)致設(shè)備壽命短、對流體阻力過大、易阻塞管道等問題，提高了發(fā)電效率與輸出電能的穩(wěn)定性。管道流體發(fā)電是一種節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式，隨著能源的進(jìn)一步緊缺，管道流體發(fā)電技術(shù)也必將受到越來越多的關(guān)注。隨著我國石油運輸技術(shù)的發(fā)展，自給式管道機器人的應(yīng)用也會更加廣泛。

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作者簡介：袁蓓（1993-），女，河南省開封市人，工作單位：河海大學(xué)，職務(wù)：本科生在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。