淺析管道流體發電技術

摘 要：文章對管道流體發電技術的技術背景、發電特點與應用場合進行了分析，提出管道流體發電系統的一般構成，介紹了外管道流體發電技術的發展現狀，并對管道流體發電的發展前景進行簡要分析。

關鍵詞：管道流體；發電；節能

引言

面對能源緊缺、環境污染的現狀，節能環保成為當今科技發展的一大主題。其中，利用排水管道、輸油管道等各類管道流體發電，便是其中的一種。長輸送管道用來輸送流體介質，必然存在管道異物阻塞，出現裂紋等現象，由于管道一般為埋地敷設，只能在管道內部裝設自行清理、檢查的裝置，并要求此裝置具有持續的電能供應，于是，管道流體自發電技術應運而生。同時，在提倡發展多種能源的今天，也可以作為一種分布式電源，為供電緊缺地區提供一定的電能。

1 管道流體發電技術定義

管道流體發電技術是指在輸油管道或下水管道中，利用一定的裝置，將流體的動能轉化為電能并加以利用的一種技術。該技術目前主要應用于各類運輸管道的自動清理、檢測裝置的供電系統中。能源自給式管道機器人就是其中的一類，利用該技術產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中，在不需要自帶能源的條件下進行檢測裂縫、清理異物等工作，從而對管道進行低成本高效率的檢測和維護。同時，管道流體發電技術也成為一種新型的分布式發電技術，為供電缺乏地區提供電能。例如在城市污水運輸管道中應用流體發電技術，就可以形成相當規模的流體發電系統。

2 管道流體發電技術背景

2.1 流體力學分析

對于一般運輸流體介質的管道而言，其入口處的壓力P和流量u是由壓力供給系統所決定。（在此假定長輸送管道內的流體是連續穩定不可壓縮的。）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生的內摩擦力，以及管道中一些裝置（發電裝置、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為流體的動能。如果我們在較長的輸送管道中增加發電裝置，相當于增加流體所受阻力Z阻，將會引起流場力學條件的變化，此時管道內部實際流體的伯努利方程為：

（1）

式中，Pl-管道進口處計算截面1處的壓力；u1-管道進口處計算截面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-管內增加的額外阻力。其中，下標1和2的數值分別代表在長輸送管道上進口處計算截面1和發電裝置以后計算截面2上的流體力學參數值。當發電裝置的重量和體積都比較大時，則意味著Z阻增加很多，此時管道內的流體力學條件會發生較大的變化；在水平等直徑管道情況下，可以認為Z阻遠大于Z水，u1=u2=u，z1=z2，由（1）式得：

（2）

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

2.2 發電系統構成

管道流體發電系統主要由以下三部分組成：葉輪，發電機，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的發電機，是流體發電的關鍵元件。在不同的發電裝置與流體介質中，葉輪的設計稍有不同。綜合考慮其功率系數，發電效率，葉片共振等因素下，一般選用的葉片數為3。考慮到其工作環境，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、形狀的設計則與流體介質的流速、種類、溫度等有關。

2.2.2 發電機是管道流體發電的核心器件，由于流體介質一般具有較大的粘稠度，不能達到像水輪發電機那樣的高速旋轉，故一般考慮其流體介質種類，相應采用低速發電機。另外，發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

由于管道流體發電受流體流速影響較大，輸出功率不夠穩定，，而實際要求的電能則是持續穩定的電能，所以一般用將所發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，循環性能優越。而且輸出功率大，使用壽命長，不含有毒有害物質。有利于管道內發電系統的長期使用，電池不易泄露有害物質和氣體，對與流體介質影響較小，具有一定的可靠性。

3 管道流體發電技術的發展現況與應用前景

目前，管道流體發電技術主要用于對管道機器人供電和一些小型的管道流體發電系統。管道機器人的發電模塊將管道流體的動能轉化為電能，進而給管道機器人的行走與工作提供持續電能。其中，在不同機器人的設計中，流體發電系統的結構也相應調整。如今市場上已經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電系統，目前還處于實驗階段，并沒有大規模應用。管道流體發電技術的進一步改進主要在于其發電裝置的優化，解決了早期的流體發電機由于管道內結構龐大、安裝復雜、流體腐蝕與沖擊導致設備壽命短、對流體阻力過大、易阻塞管道等問題，提高了發電效率與輸出電能的穩定性。管道流體發電是一種節能環保的發電方式，隨著能源的進一步緊缺，管道流體發電技術也必將受到越來越多的關注。隨著我國石油運輸技術的發展，自給式管道機器人的應用也會更加廣泛。

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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，職務：本科生在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。