管道陰極保護(hù)電源產(chǎn)品性能評(píng)述

張 一 常 通 蔡 亮 祁慶芳

（1. 中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101；2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司天水輸油氣分公司，甘肅 天水 741002；3. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；4. 中國(guó)石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

強(qiáng)制電流法是直流電源向管道通以電流使之陰極極化實(shí)現(xiàn)防護(hù)。相對(duì)犧牲陽極法，強(qiáng)制電流法具有電流連續(xù)可調(diào)整、保護(hù)范圍廣、適用多類型電阻率土壤和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。選擇可靠、高效、穩(wěn)定的恒電位儀關(guān)系管道陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行[1]。介紹了有無市電條件下可選擇的陰極保護(hù)電源類型，探討國(guó)內(nèi)管道常用陰極保護(hù)電源的產(chǎn)品類型和性能指標(biāo)，旨在提高管道陰極保護(hù)水平和安全管理水平，并為新建管道陰極工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 陰極保護(hù)電源選用原則

陰極保護(hù)電源基本要求是：安全可靠、電壓/電流連續(xù)可調(diào)、適應(yīng)惡劣環(huán)境條件（特殊溫度/濕度/日照/風(fēng)沙）、電容量、輸出阻抗與管道-陽極地床回路電阻相匹配、操作維護(hù)方便、無人值守、經(jīng)濟(jì)合理等。陰極保護(hù)電源首選市電類型（整流器、恒電位儀、恒電流儀），無市電或市電不穩(wěn)定可選擇熱電發(fā)生器（TEG）、密閉循環(huán)蒸汽發(fā)電機(jī)（CCVT）、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池、大容量蓄電池等。無市電陰極保護(hù)電源技術(shù)條件如表1所示。

表1 無市電陰極保護(hù)電源技術(shù)條件

2 整流器

目前主流的整流線路多為橋式全波整流，例如單向橋式整流回路功率較小，電壓低于5V時(shí)整流效率為60～70%；三相橋式全波整流回路功率較大，整流效率為80～90%。整理器工作溫度超過35℃功率降低，在高熱地區(qū)較大功率整流器采用油浸冷卻方式，并向整流器制造商提出通風(fēng)冷卻要求。整流器性能參數(shù)一般限制在1000W（20A/50V），如保護(hù)電流不滿足，宜采用增加保護(hù)站的方法。整理器工作電壓應(yīng)不高于輔助陽極限壓要求。

3 恒電位儀

國(guó)內(nèi)約90%管道應(yīng)用可控硅恒電位儀，適用于管-地電位頻繁波動(dòng)的情形，例如存在雜散電流干擾，通過自動(dòng)控制、調(diào)整維持恒定的電位輸出。恒電位儀典型性能指標(biāo)：

（1）電壓調(diào)節(jié)范圍：-0.5～2.0V；

（2）電位控制精度：

a. 負(fù)載特性：輸出電壓、電流在額定值范圍內(nèi)變化，保護(hù)電位變化≤±5mV；

b. 漂移特性：連續(xù)運(yùn)行保護(hù)電位變化≤±5mV；

c. 輸入特性：電源電壓變化±10%時(shí)，保護(hù)電位變化≤±5mV。

（3）流經(jīng)參比陽極電流≤3μA；

（4）自動(dòng)報(bào)警：保護(hù)電位偏離控制電位大于30mV自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

（5）限流特性：輸出電流超過額定值，以至短路，自動(dòng)限制輸出電流預(yù)定值，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。短路故障消除，自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)；

（6）抗交流干擾能力：管道受到24V以下交流電干擾可以正常工作；

（7）防雷擊：可承受20kV、周期1～5s、脈沖寬度25μs脈沖波，持續(xù)時(shí)間1min，正常工作。

4 恒電流儀

恒電流儀內(nèi)阻很高，不受外部電阻和反向電壓影響，適用于管道防腐層質(zhì)量較差、存在雜散電流干擾需要排流的情形，例如敷設(shè)在交流電車軌道下方的管道，管-地電位與排流電流成比例。由于測(cè)試?yán)щy，深層油井套管陰極保護(hù)狀態(tài)無法了解，應(yīng)用恒電位儀測(cè)試電流密度，可以作為套管陰極保護(hù)效果的判據(jù)。

5 熱電發(fā)生器

熱電發(fā)生器（Thermoelectric Generator ，TEG）為偏遠(yuǎn)無電地區(qū)提供了一種高可靠性、無噪音、無污染、適用于極寒高熱環(huán)境的陰極保護(hù)電源。TEG可以用天然氣或柴油做燃料，也可以利用管道輸送介質(zhì)發(fā)電。TEG是輸氣管道陰極保護(hù)的理想電源，也適用無市電或偏遠(yuǎn)不穩(wěn)定供電地區(qū)。TEG維護(hù)保養(yǎng)周期長(zhǎng)達(dá)1年，內(nèi)容包括功率檢查，檢查燃?xì)鈮毫Γ逑纯諝膺^濾器，更換燃燒器等。目前加拿大環(huán)球公司TEG產(chǎn)品已在全世界80多個(gè)國(guó)家應(yīng)用。

6 密閉循環(huán)蒸汽發(fā)電機(jī)

密閉循環(huán)蒸汽發(fā)電機(jī)（Closed Cycle Vapor Turbogenerator）將熱力學(xué)理論和航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電，熱源可以是氣體或液體燃料，可靠性極高，燃油和氣體燃料平均無故障工作時(shí)間高達(dá)2萬小時(shí)和3萬小時(shí)。針對(duì)偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，CCVT可以無人值守，且操作維護(hù)方便，只需清楚燃燒系統(tǒng)積碳和冷凝系統(tǒng)灰塵。截止目前，CCVT已在已在全世界60多個(gè)國(guó)家應(yīng)用。推薦CCVT和太陽能電池聯(lián)合供電，太陽能蓄電池成本高，CCVT可替代蓄電池容量，成本可降低25～50%。做法是采用光電池作為第一電源，并聯(lián)一臺(tái)CCVT，連續(xù)陰天時(shí)光電池不工作。蓄電池電量降低達(dá)到警戒值時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)CCVT。

7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)能是取之不盡、無污染的清潔能源。在山區(qū)、草原或沿海風(fēng)力資源豐富地區(qū)采用風(fēng)力發(fā)電（風(fēng)速大于4m/s、風(fēng)力大于3級(jí)）。管道敷設(shè)區(qū)域有可利用的風(fēng)能資源，風(fēng)力發(fā)電作為陰極保護(hù)電源是適宜的，一般是風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)充電型發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)缺點(diǎn)是可靠性差，風(fēng)力過大時(shí)易造成機(jī)械損壞。但其造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，可以作為陰極保護(hù)電源的備份電源。

8 太陽能電池

太陽能具有無需燃料、無污染、自動(dòng)供電、無人值守、安全可靠和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的廉價(jià)能源。太陽能電池原理是利用材料光生伏打效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。硅太陽能電池在1kW/m2光照強(qiáng)度下開路電壓約為0.55V，效率約10%，工作溫度范圍-100℃～120℃。太陽能蓄電池容量根據(jù)氣象資料最大連續(xù)陰天數(shù)選定，宜備用7～10d。太陽能電池應(yīng)用主要考慮地理緯度、海拔高度、冬季日照強(qiáng)度和工作溫度等。我國(guó)新疆輪庫線、克烏線、山東東黃線、青海油田輸油管道、陜京線、四川油氣田應(yīng)成功應(yīng)用太陽能電源。

9 蓄電池

鉛酸蓄電池是風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能的儲(chǔ)能裝置，額定電壓為12V、6V和2V。堿性鎘鎳蓄電池壽命長(zhǎng)，充放電可達(dá)1000次以上?？蛇m用于-40℃的極端低溫環(huán)境，結(jié)構(gòu)牢固，操作維護(hù)方便。新型產(chǎn)品是固定式密封免維護(hù)鉛酸蓄電池，已帶液荷電狀態(tài)出廠，電池內(nèi)無流動(dòng)電解液，充電產(chǎn)生的氣體可以在電池內(nèi)部消除。使用期間，氣體、酸霧、硫酸不會(huì)排出電池外，對(duì)安裝場(chǎng)所無要求。免維護(hù)鉛酸蓄電池在25℃以下2.25V浮充狀態(tài)下壽命可達(dá)20年，以80%電解液濃度充放電循環(huán)壽命可達(dá)1000次，但價(jià)格相對(duì)常規(guī)鉛酸蓄電池較高。

1 0 結(jié)語

管道選擇陰極保護(hù)電源，應(yīng)根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)、輸送介質(zhì)和社會(huì)發(fā)展及依托條件，建議如下：

（1）管道位于三四級(jí)地區(qū)，社會(huì)依托條件好，市電穩(wěn)定，宜選擇恒電位儀。存在雜散電流干擾地區(qū)，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮恒電流儀排流設(shè)施；

（2）管道位于新疆、甘肅、青海等西部地區(qū)，市電供電不穩(wěn)定地區(qū)宜采用太陽能電池作為陰極保護(hù)系統(tǒng)備用電源；

（3）我國(guó)東北高寒地區(qū)社會(huì)依托條件差，輸氣管道可采用CCVT，多余電量可供給維搶修中心；

（4）我國(guó)西部山區(qū)管道，交通不便，宜采用免維護(hù)蓄電池作為陰極保護(hù)系統(tǒng)備用電源。