管道陰極保護電源產品性能評述

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. 國家管網集團西南管道有限責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. 中國石油青海油田分公司管道處，青海 格爾木 816000）

0 引言

強制電流法是直流電源向管道通以電流使之陰極極化實現防護。相對犧牲陽極法，強制電流法具有電流連續可調整、保護范圍廣、適用多類型電阻率土壤和壽命長等優點。選擇可靠、高效、穩定的恒電位儀關系管道陰極保護系統正常運行[1]。介紹了有無市電條件下可選擇的陰極保護電源類型，探討國內管道常用陰極保護電源的產品類型和性能指標，旨在提高管道陰極保護水平和安全管理水平，并為新建管道陰極工程設計提供依據。

1 陰極保護電源選用原則

陰極保護電源基本要求是：安全可靠、電壓/電流連續可調、適應惡劣環境條件（特殊溫度/濕度/日照/風沙）、電容量、輸出阻抗與管道-陽極地床回路電阻相匹配、操作維護方便、無人值守、經濟合理等。陰極保護電源首選市電類型（整流器、恒電位儀、恒電流儀），無市電或市電不穩定可選擇熱電發生器（TEG）、密閉循環蒸汽發電機（CCVT）、風力發電機、太陽能電池、大容量蓄電池等。無市電陰極保護電源技術條件如表1所示。

表1 無市電陰極保護電源技術條件

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冷卻要求。整流器性能參數一般限制在1000W（20A/50V），如保護電流不滿足，宜采用增加保護站的方法。整理器工作電壓應不高于輔助陽極限壓要求。

3 恒電位儀

國內約90%管道應用可控硅恒電位儀，適用于管-地電位頻繁波動的情形，例如存在雜散電流干擾，通過自動控制、調整維持恒定的電位輸出。恒電位儀典型性能指標：

（1）電壓調節范圍：-0.5～2.0V；

（2）電位控制精度：

a. 負載特性：輸出電壓、電流在額定值范圍內變化，保護電位變化≤±5mV；

b. 漂移特性：連續運行保護電位變化≤±5mV；

c. 輸入特性：電源電壓變化±10%時，保護電位變化≤±5mV。

（3）流經參比陽極電流≤3μA；

（4）自動報警：保護電位偏離控制電位大于30mV自動發出報警信號；

（5）限流特性：輸出電流超過額定值，以至短路，自動限制輸出電流預定值，發出報警信號。短路故障消除，自動恢復正常工作狀態；

（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，持續時間1min，正常工作。

4 恒電流儀

恒電流儀內阻很高，不受外部電阻和反向電壓影響，適用于管道防腐層質量較差、存在雜散電流干擾需要排流的情形，例如敷設在交流電車軌道下方的管道，管-地電位與排流電流成比例。由于測試困難，深層油井套管陰極保護狀態無法了解，應用恒電位儀測試電流密度，可以作為套管陰極保護效果的判據。

5 熱電發生器

熱電發生器（Thermoelectric Generator ，TEG）為偏遠無電地區提供了一種高可靠性、無噪音、無污染、適用于極寒高熱環境的陰極保護電源。TEG可以用天然氣或柴油做燃料，也可以利用管道輸送介質發電。TEG是輸氣管道陰極保護的理想電源，也適用無市電或偏遠不穩定供電地區。TEG維護保養周期長達1年，內容包括功率檢查，檢查燃氣壓力，清洗空氣過濾器，更換燃燒器等。目前加拿大環球公司TEG產品已在全世界80多個國家應用。

6 密閉循環蒸汽發電機

密閉循環蒸汽發電機（Closed Cycle Vapor Turbogenerator）將熱力學理論和航空發動機技術應用于發電，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間高達2萬小時和3萬小時。針對偏遠無電地區，CCVT可以無人值守，且操作維護方便，只需清楚燃燒系統積碳和冷凝系統灰塵。截止目前，CCVT已在已在全世界60多個國家應用。推薦CCVT和太陽能電池聯合供電，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，并聯一臺CCVT，連續陰天時光電池不工作。蓄電池電量降低達到警戒值時自動啟動CCVT。

7 風力發電機

風能是取之不盡、無污染的清潔能源。在山區、草原或沿海風力資源豐富地區采用風力發電（風速大于4m/s、風力大于3級）。管道敷設區域有可利用的風能資源，風力發電作為陰極保護電源是適宜的，一般是風力直接驅動充電型發電機。風力發電機缺點是可靠性差，風力過大時易造成機械損壞。但其造價低的優點，可以作為陰極保護電源的備份電源。

8 太陽能電池

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

9 蓄電池

鉛酸蓄電池是風力發電機和太陽能的儲能裝置，額定電壓為12V、6V和2V。堿性鎘鎳蓄電池壽命長，充放電可達1000次以上。可適用于-40℃的極端低溫環境，結構牢固，操作維護方便。新型產品是固定式密封免維護鉛酸蓄電池，已帶液荷電狀態出廠，電池內無流動電解液，充電產生的氣體可以在電池內部消除。使用期間，氣體、酸霧、硫酸不會排出電池外，對安裝場所無要求。免維護鉛酸蓄電池在25℃以下2.25V浮充狀態下壽命可達20年，以80%電解液濃度充放電循環壽命可達1000次，但價格相對常規鉛酸蓄電池較高。

1 0 結語

管道選擇陰極保護電源，應根據環境特點、輸送介質和社會發展及依托條件，建議如下：

（1）管道位于三四級地區，社會依托條件好，市電穩定，宜選擇恒電位儀。存在雜散電流干擾地區，設計階段應考慮恒電流儀排流設施；

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

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

（4）我國西部山區管道，交通不便，宜采用免維護蓄電池作為陰極保護系統備用電源。