基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護改進

王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達

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基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護改進

王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達

（東北農業(yè)大學電氣與信息學院，哈爾濱 150030）

北方溫室為種植反季節(jié)植物以及南方植物，普遍采用地埋供熱金屬管道供熱。陰極保護技術可以有效控制土壤對管道的電化學腐蝕，但常規(guī)的外接電流陰極保護方式成本高、占地大，犧牲陽極方式的保護壽命過短。為了給溫室地埋供熱金屬管道提供可靠的陰極保護，該文利用地埋供熱金屬管道表面余熱，基于溫差電池，對地埋供熱金屬管道提供外接電流方式的陰極保護。通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，該裝置溫差電池正常工作時冷熱兩端溫差為33.2 ℃，當該裝置提供的保護電位為–1 100 mV時，管道保護度達到了92.79%。該研究為溫室地埋供熱金屬管道的保護提供了一種較為可行的方案，同時也對外接電流方式的短距離管道保護技術進行了初步探索。

溫度；發(fā)電；溫差；能量轉換；陰極保護

0 引 言

以運輸石油、熱水、天然氣為主的管道運輸己經成為國民經濟的命脈[1-2]，但在運輸過程中管道會發(fā)生腐蝕導致泄漏，造成經濟損失以及環(huán)境污染。當前的管道腐蝕影響因素眾多，如溫度因素、土壤環(huán)境變化因素等。地埋金屬管道的主要防護措施之一就是陰極保護，能夠保障管道運輸?shù)目煽啃訹3]。為了緩解管道腐蝕速度，在地埋金屬管道布置期間，普遍采取管道外防腐絕緣層與陰極保護聯(lián)合使用的方式[4-5]，這是經濟性最好、最為合理的防腐蝕措施。陰極保護能夠讓金屬不必遭受環(huán)境介質（如土壤）的腐蝕，也就是使用犧牲陽極材料或者輔助陽極材料的腐蝕來對被保護部分的腐蝕進行替代[6-8]，進一步延長被保護管道的使用壽命，使安全性與經濟性得以提高。

陰極保護的方法主要有2種：一是比較常規(guī)的犧牲陽極的陰極保護[9]，但是陽極在土壤中逐漸會被鈍化層包裹，失去犧牲陽極的保護效果，且陽極材料本身也會不斷消耗，需要經常更換[10-11]；二是外接電流的陰極保護，中國曾經在西氣東輸工程中使用以天然氣為燃料的溫差電池作為輸氣管道陰極保護電源[12]，但目前的外接電流保護方式只適用于長距離管道，需要較高的驅動電壓，占地面積大，設備昂貴[11]。如苗圃實驗室的地埋供熱金屬管道，溫室蔬菜大棚的地埋供熱金屬管道等需要保護的管道過短，無法使用常規(guī)的外接電流陰極保護方式。

因此本文提出了一種基于溫差電池，以地埋供熱金屬管道表面熱量作為熱源，以土壤自然冷卻作為冷端散熱方式的陰極保護系統(tǒng)，對地埋供熱金屬管道進行外接電流方式的陰極保護。最后通過試驗，對裝置提供的保護度進行測試研究。

1 陰極保護原理及溫差發(fā)電裝置設計

1.1 陰極保護原理

環(huán)境介質會使金屬發(fā)生反應，從原子變?yōu)殡x子，也就是不斷的失去電子，這一過程稱為腐蝕。如果給金屬補充大量電子，使被保護的金屬電子過剩，金屬不易變成離子，這就是陰極保護技術[11]。溫室使用的地埋供熱金屬管道過短，如果選擇外接電流方式的陰極保護，需要的電能很微弱，電能的大量消耗會導致管道析氫斷裂[11]，所以使用溫差電池作為外接電源是一個理想的選擇。

1.2 溫差陰極保護系統(tǒng)組成

溫差電池以半導體材料的塞貝克效應為基礎，能夠實現(xiàn)熱能向電能的轉換[13-14]。溫差電池的電學性能與直流電源相同，內阻不會隨著兩端溫差變化而明顯變化[15]，在陰極保護系統(tǒng)中溫差電池具有很好的穩(wěn)定性[15-16]。

溫差陰極保護系統(tǒng)由溫差能量收集器、最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）電路、穩(wěn)壓電路和陰極保護部分組成，系統(tǒng)結構見圖1。

圖1 溫差陰極保護系統(tǒng)框圖

實際應用中需要根據(jù)應用場所的大小以及所需電量來決定系統(tǒng)使用的溫差電池數(shù)量。該系統(tǒng)將溫差電池采集到的能量通過MPPT電路進行高效管理，再經過穩(wěn)壓電路輸出，對溫室內的地埋供熱金屬管道進行外接電流方式的陰極保護。

1.3 溫差電池供電試驗與分析

為了驗證通過地埋供熱金屬管道與周圍土壤間的溫差轉換出的電能供給管道進行陰極保護的可行性，于2018年1月28日進行了實地試驗，試驗場所為黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣宏程村明欣蔬菜合作社（N46°40￠，E123°46￠）。

該合作社共有5座溫室，每座溫室間隔10 m，各座溫室之間的土壤下埋有供熱金屬管道以及回水管道，管道埋于地下1.5 m深處。該溫室的地埋供熱金屬管道熱水來自于附近的生物質能發(fā)電廠，一年四季都持續(xù)穩(wěn)定供應。溫室地埋供熱金屬管道具體參數(shù)如表1所示。

表1 溫室地埋供熱金屬管道參數(shù)

注：數(shù)據(jù)來源于工程參數(shù)。

Note: Data is derived from engineering parameters.

根據(jù)塞貝克效應，當半導體組件兩端存在溫差時，組件即可產生持續(xù)的直流電能，并且組件兩端的溫差越大，所產生的直流電能越大[17-19]。本文選擇的溫差電池型號為SP1848-27145，該溫差電池由碲化鉍材料制成，是目前應用較普遍的型號。

本文首先對溫差電池兩端的溫度進行測量，該試驗在溫室外進行，試驗時間為當天的12:00。試驗中將一段底邊長度為 900 mm的Q235鋼彎管橫穿過裝滿溫室土壤的塑料桶，在管道上包裹一層保溫層，將采用的SP1848-27145型號溫差電池嵌入于保溫層內，熱端與金屬管道直接接觸。溫差電池熱端與金屬管之間縫隙填入導熱硅膠，之后將包裹住溫差電池四周的保溫層進行密封處理。溫差電池冷端通過導熱硅膠與鋁制散熱片貼 合[20-21]，散熱片與土壤充分接觸，對溫差電池冷端進行散熱。將溫度計的金屬探頭埋于保溫層內，實時測量鋼管的表面溫度，另一溫度計金屬探頭插入散熱片貼近溫差電池冷端的位置，實時測量溫差電池冷端溫度。同時為了測量溫差電池的實際輸出，在兩片溫差電池串聯(lián)后，通過導線連接萬用表，測量溫差電池的開路電壓以及內阻。試驗裝置如圖2a所示。

試驗時用土壤將鋼管充分掩埋后，從鋼管向上彎曲的一端開始持續(xù)灌入68 ℃的熱水，鋼管出水口安裝有出水閥門，可以控制鋼管出水量。鋼管注入的水溫，以及鋼管出水口的水溫定時通過溫度計檢測，保證鋼管中的水溫至少達到57 ℃。測量試驗如圖2b所示。

a. 測量裝置

a. Measurement device

b. 測量試驗

試驗中分別在注水0、1、5、10、15、20、25和30 min時測出溫差電池工作時的兩端溫度。測量結果如表2所示。

表2 溫差電池兩端溫度

在實際測量中發(fā)現(xiàn)，10 min時，溫差電池熱端溫度已經開始趨于穩(wěn)定。20 min時，冷熱兩端溫差基本保持不變，兩端溫差為33.2 ℃。通過對溫室室內裸露供熱金屬管道表皮溫度以及管道周圍溫室土壤溫度進行測量，管道表皮溫度為53.4 ℃，溫室內土壤溫度為20.1 ℃，二者溫差為33.3 ℃。該數(shù)據(jù)證明供熱金屬管道與周圍土壤之間能夠達到33.2 ℃的溫差，所以取試驗20 min時的測量數(shù)據(jù)較為可靠，可以作為溫差電池正常工作時的兩端溫差。

通過萬用表測量出串聯(lián)的兩片溫差電池在正常工作時的開路電壓與內阻，算出平均值，得出單片溫差電池在實際工作時的數(shù)值。在20 min時，單片溫差電池開路電壓為1.248 V，內阻為2.12 Ω。使用該組數(shù)據(jù)作為電路設計時的仿真參數(shù)。

1.4 溫差電池性能參數(shù)

溫差電池的性能主要指在冷熱兩端之間具有溫度差以及連接有負載情況下的電輸出性能[22]。開路電壓、伏安特性、輸出功率、熱電轉換效率等參數(shù)是描述溫差電池性能的主要參數(shù)[23]。而輸出功率與熱電轉換效率則是眾多參數(shù)中評述溫差電池性能的最重要的2個參數(shù)。因為本文裝置設計是為了給陰極保護提供足夠直流電能，所以主要對輸出功率進行研究，對溫差電池進行一維分析就足夠滿足設計需求[23]。

1.4.1伏安特性

根據(jù)塞貝克效應，溫差電池的開路電壓，即為回路中的塞貝克電動勢。

式中為塞貝克電動勢，V；表示溫差電偶對的串聯(lián)個數(shù)；為塞貝克系數(shù)，V/K；T為溫差電池熱端溫度，K；T為溫差電池冷端溫度，K。

因為本裝置在實際應用中，溫差電池與鋼管間隙使用導熱硅脂填充，會有一定的損耗，所以存在導熱效率，在0~1區(qū)間取值。

當溫差電池串聯(lián)外接負載電阻R時，溫差電池內阻和外接負載電阻R串聯(lián)支路兩端就會外加塞貝克電動勢，負載電阻R兩端的電壓即為實際的輸出電壓。

式中R為負載電阻，Ω；為溫差電池內阻，Ω。

回路中的輸出電流表達式見式（3）。

1.4.2 輸出功率

溫差電池串聯(lián)外接負載電阻R后，根據(jù)式（1）和式（2）得出輸出功率out的表達式見式（4）。

由式（4）可知，當溫差電池內阻與負載電阻R數(shù)值相等時，輸出功率為最大值。溫差電池提供給負載的最大輸出功率out(max)見式（5）。

2 陰極保護電路設計方案

2.1 溫差電池管理電路設計

基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護系統(tǒng)的能量采集和管理電路主要是由芯片BQ25504、LM317以及它們相應的外圍電路構成。能量采集芯片BQ25504和降壓穩(wěn)壓芯片LM317一起實現(xiàn)了能量的高效利用和管理使用的多重功能。

在本文中，BQ25504芯片能夠以超低功耗從溫差電池中提取能量，通過電阻比例分壓法實現(xiàn)MPPT功能，對能量進行高效管理。LM317芯片僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓，使用簡單，負載調整率較好。

溫差電池的輸出電壓與兩端溫差成正比關系，但由于熱電材料自身的限制，產生的電動勢很小[24]。因此為獲得本試驗使用的BQ25504芯片所需輸入電壓（限制5V以下），將3片型號為SP1848-27145的溫差電池串聯(lián)為一組，這種連接方式在外界溫度波動時，會留有一定裕度。同時為了提高發(fā)電量再將兩組并聯(lián)，共6片溫差電池為后端提供直流電能，進行陰極保護。

2.2 最大功率點跟蹤功能電路設計

MPPT是一種對發(fā)電裝置所產生的電能最大化利用的技術[25-26]。通過對電氣模塊的調節(jié)，改變溫差電池的輸出電壓與開路電壓的比值，從而實現(xiàn)最大化的功率輸出。根據(jù)式（5）可以得知，當溫差電池輸出的電壓為開路電壓的一半時，溫差電池輸出了最大功率。DC/DC轉換器開關頻率的動態(tài)改變可以實現(xiàn)對溫差電池最大功率的提取，因此本文采用了BQ25504芯片[27]，通過該芯片設置溫差電池輸出電壓為開路電壓的50%，就能實現(xiàn)溫差電池的最大功率輸出。

圖3為溫差陰極保護系統(tǒng)的整體電路圖，在電壓輸入引腳VIN_DC和采樣引腳VOC_SAMP處分別連接分壓電阻12。VIN_DC引腳通過1接VOC_SAMP引腳，VOC_SAMP引腳通過2接地[27]。溫差電池的電壓輸出端為VIN_DC引腳，通過1和2分壓，實現(xiàn)了MPPT功能，VOC_SAMP引腳電壓見式（6）。

式中VOC_SAMP為MPPT采樣電壓，V；IN為輸入電壓，V。

由式（5）和式（6）可知，當輸入電壓為開路電壓一半時，此時實現(xiàn)了溫差電池的最大功率點跟蹤。所以根據(jù)BQ25504的芯片手冊，1和2的阻值選擇10 MΩ。

本設計中所采用的BQ25504芯片每16 s采樣1次VOC_SAMP的電壓值[27]，芯片能夠將溫差電池的輸出電壓控制在采樣值附近，保證在溫差電池的輸出功率變化的情況下，可以短時間內對溫差電池輸出的最大功率點進行準確跟蹤，實現(xiàn)電能的高效采集。BQ25504的其他引腳是用來設置外接電容的低壓和過壓閾值，本設計中使用BQ25504只是為了它的MPPT功能，通過VBAT端對后續(xù)電路進行直接供電，所以其他引腳只是外接電阻之后接地。

溫差陰極保護系統(tǒng)的電路仿真過程中選用了TINA-TI軟件。將實際測量出的33.2 ℃溫差下的溫差電池開路電壓與內阻參數(shù)輸入仿真軟件中，得到BQ25504空載輸出的仿真結果，進行仿真后得到的BQ25504芯片的空載輸出電壓為3.69 V，如圖4所示。

注：R1~R16為電阻，Ω；L1為電感，μH；C1~C4為電容，μF；D1為二極管；VF1、VF2為正向電壓，V；P1為滑動變阻器，Ω。

圖4 BQ25504仿真輸出

2.3 穩(wěn)壓電路設計

根據(jù)塞貝克原理可知，溫差電池的電壓輸出會受到冷熱兩端溫度變化的影響[13]。實際應用中，冷熱兩端溫度難以保證恒定不變，所以在溫差供電系統(tǒng)中需要使用穩(wěn)壓電路。本文采用LM317作為可調穩(wěn)壓器。

LM317可以為低電壓電路提供穩(wěn)壓電源，該芯片的輸出電壓準確度較高，而且輸出電壓的紋波較低，輸出范圍為1.25～37 V。仿真得到的BQ25504芯片的空載輸出電壓為3.69 V，根據(jù)LM317的特性，輸出比輸入電壓至少小2 V。同時也是根據(jù)管道陰極保護方面專家的實際經驗，在內蒙古采用過1.6 V的恒定電位輸出進行遠距離管道陰極保護，其效果良好。所以本裝置降壓電壓輸出設置為1.6 V。根據(jù)芯片手冊查找，LM317芯片的輸出電壓表達式見式（7）。

式中FB為基準電壓，V；R為滑動變阻器阻值，Ω。

根據(jù)芯片手冊，LM317的基準電壓為1.25 V，因此取R為56 Ω，3為200 Ω。最終裝置的空載輸出電壓為1.59 V，如圖5所示。

圖5 LM317仿真輸出

3 陰極保護實地試驗

本裝置采用溫差電池將熱能轉換為電能，電能通過BQ25504的MPPT接口實現(xiàn)電功率的最大化利用，再經過降壓穩(wěn)壓芯片LM317進行穩(wěn)壓，最后輸出端通過導線外接地埋供熱金屬管道以及地埋金屬構建的陽極床，對管道實現(xiàn)陰極保護[11]。

為了驗證該裝置在實際中的應用情況，本試驗使用裝有熱水的燒杯作為熱源，對一段700 mm長的Q235材質的溫室地埋供熱金屬管道提供陰極保護。

溫差電池熱端與燒杯之間涂有導熱硅脂，溫差電池冷端則是與涂滿導熱硅脂的散熱片相連。將兩片溫差電池串聯(lián)作為電源，為本文設計的溫差陰極保護裝置進行供電。通過實際測量與計算得出，當水溫為87 ℃時，兩片溫差電池的輸出功率為0.46W，能夠等效33.2 ℃溫差下工作的6片溫差電池輸出。因此，實際檢驗中使用熱水作為熱源。

在陰極保護試驗中將一段長700 mm的Q235供熱金屬管道埋入溫室土壤中。在被保護管道的水平距離0.1 m處埋入一根長度相同的廢鋼條作為陰極保護中的陽極床。保護裝置的負極通過導線與需要保護的管道相連接，正極導線與陽極床相連接。陰極保護中，金屬是否得到保護需要通過飽和硫酸銅參比電極進行測量，在硫酸銅電極內注入清水，搖晃均勻，保持有晶體析出的飽和狀態(tài)，電極底端木質透氣塞用清水浸濕，埋入被保護金屬附近的土壤當中。飽和硫酸銅參比電極所帶線夾夾住萬用表黑線一端，萬用表紅線一端放在被保護金屬體上，進行電位測量。

根據(jù)中華人民共和國現(xiàn)行的《SY-T 0036-2016_埋地鋼制管道強制電流陰極保護設計規(guī)范》，新建管道陰極保護電位應在– 0.85 ~ – 1.25 V之間。如圖6所示，陰極保護裝置已經生效，保護電位低于– 0.85 V，金屬管道處于陰極保護狀態(tài)[11]。

圖6 陰極保護試驗

為了檢驗該裝置提供保護電位為多少時才能對管道提供最高的保護度，試驗中將供熱鋼管切割成9份20 mm長的半圓鋼環(huán)，通過砂紙對試樣打磨除銹，在當前功率下，通過調整陽極床埋置的水平距離，改變接地阻抗，分別在無保護、–900、–950、–1 000、–1 050、–1 100、–1 150、–1 200和–1 250 mV保護電位條件下，埋在土壤中自然腐蝕90 d，最終陰極保護試樣結果如圖7所示。

注：從左到右順次為無保護、–900、–950、–1 000、–1 050、–1 100、–1 150、–1 200和–1 250 mV保護電位下的試樣腐蝕結果。

自然腐蝕90 d后的試樣經過水洗，清理試樣腐蝕產物，干燥后測量質量損失，最后通過試樣腐蝕速率的計算[28]，得出具體的保護度[29]。由表3可見，裝置在提供的保護電位為–1 100 mV時能取得最好的保護效果。當保護電位達到–1 150 mV時，因為電壓過高，試樣出現(xiàn)析氫現(xiàn)象[30]，破壞試樣表面，并且隨著電壓的繼續(xù)升高，保護度逐漸降低。

表3 不同保護電位試驗結果

4 結 論

本文提供了一種基于溫差電池的地埋供熱金屬管道陰極保護系統(tǒng)，通過對溫差電池的性能參數(shù)分析，選用了電阻比例分壓法作為最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）的控制方法。通過選擇BQ25504以及LM317芯片，設計相關外圍電路，構建了一個完整的溫差自供電系統(tǒng)。并且通過試驗，證明了地埋供熱金屬管道作為熱源提供能量的可行性，測量出了該保護系統(tǒng)的實際工作溫差，并且通過仿真得出了輸出數(shù)據(jù)，最后通過實際試驗驗證，得出以下結論：

1）本文提出了使用溫差發(fā)電原理改進溫室地埋供熱金屬管道陰極保的思想，以BQ25504為核心的電路，提供較為穩(wěn)定的保護電位，使系統(tǒng)具備啟動電壓低及最大功率點輸出的優(yōu)點。通過管道的溫差測量試驗證明了溫差電池作為短距離管道的陰極保護電源的可行性。

2）對溫差陰極保護系統(tǒng)進行了不同電位下的陰極保護試驗。在水平埋置的陽極床與保護管道水平距離為1.69 m時，裝置提供的保護電位為–1 100 mV，對管道的保護度達到了92.79%，該保護度已經滿足了實際應用中的陰極保護標準要求。

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Improvement of cathodic protection of greenhouse buried heat-supplymetal pipeline based on thermoelectric cell

Wang Lishu, Li Xinran, Su Jiheng, Zhang Xu, Sun Shida

(150030,)

With the development of the global economy and the improvement of people’s living standards, the demand for traditional energy is increasing, which has led to serious energy shortage, and increasingly serious environmental pollution. More and more attention has been paid to thermoelectric power generation technology which takes the industrial and automobile waste heat as heat source. In order to plant out-of-season plants and southern plants, the northern greenhouses generally use heating pipeline for heating. Cathodic protection, as the main protective measure for buried pipelines, plays an important role in pipeline protection. In order to alleviate the corrosion rate of heating pipelines, the method of joint use of external anti-corrosion insulation layer and cathodic protection is generally adopted during the deployment of metal pipelines. This is also the most economical and reasonable anti-corrosion measure. Cathodic protection protects the metal from being corroded by the environmental media (such as soil), protect pipeline or equipment by corrosion with auxiliary anode or sacrificial anode materials, thereby achieving the purpose of prolonging the service life of the protected pipeline and improving its safety and economy. However, the cost for conventional external-current cathodic protection method is high with large footprint, and the protection life of the sacrificial anode method is too short. Therefore, in order to provide reliable external-current cathodic protection for greenhouse heating pipelines, this article uses the waste heat from the surface of the underground heating pipelines, through direct conversion of thermal energy into electrical energy by a thermoelectric power plant, to provide the cathodic protection of the external current mode for the buried heating pipeline. The technology has the advantages of green, environmental protection, simple structure, safety and reliability. This article focuses on the research of thermoelectric power generation systems, introduces the basic theory of thermoelectric power generation and derives the relationship of characteristic parameters of the thermoelectric cell. Based on the output characteristics of the thermoelectric cell, this article designs a self-powered system based on BQ25504 chip. The system collects the thermoelectric energy and continuously supplies it in the maximum power point tracking mode during operation. The thermoelectric conversion energy is collected by the BQ25504 chip produced by TI, and then supplied by the step-down regulator chip LM317 to cathodically protect the buried heating pipeline. The design uses the temperature of the pipeline as a heat source, and it has the advantages of almost no land occupation, long-term use, flexible protection and energy saving. Through field tests, the temperature difference between the cold and the hot ends of the device was found to be 33.2 ℃, which proved that the greenhouse heating pipeline was a heat source worthy of utilization. Finally, through the natural corrosion test, it was found that when the horizontal distance of the anode bed was 1.69 m and the protective potential provided by the device was –1 100 mV, the degree of protection to the pipeline could reach 92.79%. This study provides a more feasible solution for the protection of greenhouse heating pipelines, and at the same time, the short-distance pipeline protection technology of external current mode is also explored.

temperature; power; temperature difference; energy conversion; cathodic protection

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025

TM913

A

1002-6819(2018)-19-0195-07

2018-03-26

2018-08-12

黑龍江省教育廳科技課題（12521038）

王立舒，教授，博士，博導。研究方向為農業(yè)電氣化與自動化；電力新能源開發(fā)與利用。Email：wanglishu@neau.edu.cn

王立舒，李欣然，蘇繼恒，張 旭，孫士達. 基于溫差電池的溫室地埋供熱金屬管道陰極保護改進[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(19)：195－201. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025 http://www.tcsae.org

Wang Lishu, Li Xinran, Su Jiheng, Zhang Xu, Sun Shida. Improvement of cathodic protection of greenhouse buried heat-supply metal pipeline based on thermoelectric cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 195－201. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.025 http://www.tcsae.org