基本介紹
- 中文名：油氣管道太陽能陰極保護系統
- 外文名：Solar cathode protection system for oil and gas pipeline
- 能量來源：太陽能
- 學科：電化學
- 原理：外加電流的陰極保護法
- 目的：保護石油和天然氣管道
簡介,原理,系統組成,太陽能電池方陣,蓄電池,控制器,逆變器,發展歷程,陰極保護技術發展歷程,太陽能電池發展歷程,系統特點,套用實例,
簡介
陰極保護是管道防腐工程中一種最常用的電化學保護方法。陰極保護是指將被保護金屬（如原油輸送管道）進行陰極極化，使電位負移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學不均勻性所引起的腐蝕電池，使金屬免遭環境介質（如土壤）的腐蝕，即用外加電流或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護管道、設備的腐蝕，從而達到延長被保護管道的使用壽命，提高其安全性和經濟性的目的。目前，外加電流陰極保護系統在國內外的埋地油氣管道、船舶、碼頭及海上鑽井平台等金屬的防腐蝕中套用十分廣泛。該系統要有一個穩定的直流電源，以提供陰極保護所用電流，太陽能電站是一個提供外加電流的理想來源，它在長期使用中基本可靠和穩定，保證有足夠大的輸出電流，並可以在較大的範圍內進行調節；有足夠的輸出電壓，以克服系統中的電阻；安裝容易，操作簡便，不需經常檢修。
油氣管道太陽能陰極保護系統就是這種利用太陽能電站提供電能，以提供陰極保護所用電流，進而對石油和天然氣輸送管道進行陰極極化，使其免受腐蝕的綜合系統。
原理
陰極保護在國外輸水管道和國內石油天然氣管道都已套用 ，管道外防腐絕緣層與陰極保護的聯合使用是最經濟、最合理的防蝕措施。陰極保護對腐蝕反應進行積極的干預 ，它采陰極極化的電化學手段 ，保證了被保護金屬體的電化學均勻性 ，抑制了腐蝕電池的產生。其基本原理是將被保護金屬（如天然氣管道）進行陰極極化 ，使電位負移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學不均勻性所引起的腐蝕電池 ，使金屬免遭環境介質（如土壤）的腐蝕。即用輔助陽極或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護管道、設備的腐蝕。從而達到延長被保護管道的使用壽命 ，提高其安全性和經濟性的目的。
陰極保護的方法主要有二:一是犧牲陽極的陰極保護，即在待保護的金屬管道上聯接一種電位更負的金屬或合金(如鋁合金、鎂合金)，使之形成一個新的腐蝕電池。由於管道上原來腐蝕電池陽極的電極電位比外加的犧牲陽極的電位要正，因此整個管道就成為陰極而被保護起來；二是外加電流的陰極保護，即將被保護金屬與外加的直流電源的負極相連，把另一輔助陽極接到電源的正極，使被保護金屬成為陰極。
光伏電池工作原理系統組成
太陽能發電有兩種方式：一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。
管道太陽能系統框圖
管道太陽能系統框圖油氣管道太陽能陰極保護系統採用的是光—電直接轉換方式。石油和天然氣管道使用的太陽能發電系統主要為沙漠戈壁等偏遠地區的閥室和陰極保護站的自動化系統、電動閥門、管道陰極保護設備和站場照明提供無間斷直流電源。主要設備包括太陽能極板、控制器、電池組和直流電負載設備。
太陽能電池方陣
單個太陽能電池輸出的電壓和電流很小，但將若干個太陽能單體電池串並聯起來就可以得到需要的電壓和電流。一般按國際電工委員會標準要求進行設計，採用 36 片或 72 片多晶矽太陽能電池進行串聯以形成 12 和 24 V 各種類型的組件。將其封裝後固定在支架上就組成太陽能電池方陣。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽能電池被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽能電池組件中，電池與接線盒之間可直接用導線連線。太陽能電池的短路電流和日照強度成正比。但太陽能電池的輸出功率隨著池片的表面溫度比上升而下降， 輸出隨著季節的溫度變化而變化。在同一日照強度下，冬天的輸出的功率比夏天要高。太陽直射的夏天，儘管太陽輻射量比較大，如果通風不好，導致太陽電池溫升過高，也可能不會輸出很大功率。通常油氣管道太陽能電池板的功率為200～15 000 Wp。
蓄電池
太陽能蓄電池的作用就是白天將太陽能發電系統發出的部分能量儲存起來，到夜晚或陰雨天時放出供用電設備使用。太陽能光伏電站的常用蓄電池有鉛酸蓄電池、密封鉛酸蓄電池 （閥控蓄電池）、鎘鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池等。常規鉛酸太陽能蓄電池在使用過程中，電池的正極會產生氧氣，在負極會產生氫氣。這些氣體從太陽能蓄電池中不斷逸出，導致電解液逐漸失水，從而造成太陽能蓄電池性能下降，甚至電池乾涸。蓄電池在維護中要定期檢查，發現液位低於規定值要及時補液。太陽能免維護蓄電池(閥控密封鉛酸太陽能蓄電池)在浮充電過程中，電池產生的氧氣不斷地在陰極板上還原成電解液，無剩餘氣體排放，電池幾乎不失水。所謂免維護只是不必要檢查測量電解液的比重和補水，並不是不需要維護。但是在不正常使用等特殊情況下，電池內反應平衡可能被打破，可能產生少量多餘的氣體。電池裝有安全閥，當電池內氣壓超過一定數值時，安全閥開啟，以便將多餘氣體排出；當電池內氣壓低於一定氣壓時，安全閥自動關閉，以隔絕電池外部氣體進入。蓄電池的容量常用電池放電電流與放電時間的乘積安時來表示。石油天然氣管道閥室選用的太陽能蓄電池的容量一般在200～5 000 Ah左右。
控制器
當蓄電池發生過充電和過放電現象時，其性能和壽命都將大受影響，可以安裝一個控制器自動防止蓄電池組過充電和過放電。控制器還具有一些其他功能，如防止負載或充電控制器內部短路的電路保護功能，防止由於雷擊引起的擊穿保護以及溫度補償功能等。有些控制器還具有逆變器的交直流轉換功能。通常油氣管道太陽能充電控制器的控制電流在10～200 A之間。
逆變器
太陽能的直接輸出一般為 12、24、48 VDc，如果油氣閥室需要給 220、110 VAC 的設備提供電源，可以增加一個DC—AC逆變器，將太陽能發電系統發出的直流電能轉化為交流電能。
發展歷程
陰極保護技術發展歷程
陰極保護技術可以說是人類的智慧在科學研究成果轉化到工程套用中的一個完美體現。在 18 世紀，電化學理論還沒有提出之前，英國化學家戴維就提出用鋅板和鑄鐵板附著在包有銅板的軍艦上防治發生腐蝕，並取得良好效果。在戴維去世之後的 1834 年，法拉第發現了腐蝕質量耗損與電流之間的定量關係，奠定了他的電解理論和陰極保護的科學基礎。1902 年 K.科恩用外加直流電成功實現了實際的陰極保護。1913 年秋季的日內瓦金屬學會大會上，人們把用自耗式陽極的保護叫做電化學保護。到 1920 年焊接技術已經發展到可以完成安全可靠的焊接，因而連續焊接的長輸管道成為可能，同時陰極保護技術有了更大的套用發展空間。1928 年美國正式對長輸管道套用了陰極保護技術，在其中湧現出了一批以“陰極保護之父”羅伯特 J.柯恩為代表的腐蝕科學家，他發現-0.85V（相對於飽和硫酸銅電極）的保護電位就可以足夠防止任何形式的腐蝕，從而奠定了整個現代陰極保護技術的基礎。70 餘年來，陰極保護技術不斷發展，日益成熟。目前，陰極保護已經被公認為是防止金屬電化學腐蝕最有效的方法。
我國的陰極保護技術開始於1958年，當時僅限於小規模的試驗，60年代初開始在各油田試用，到1970年長輸管道開始建設時，陰極保護已是必不可少的技術，它可以成功控制埋地管道的腐蝕，延長管道的壽命，為管道的安全生產提供了技術保證。不過，70年代的管道陰極保護技術十分簡陋，作法也很簡單，通常的作法是在管道的垂直距離500m處打一組鋼鐵陽極，接地電阻要小於1Ω，通過架空線引至陰極保護間。採用整流器給管道供電，正極接陽極，負極接管道。
近年來，國內的陰極保護技術發展較快，陽極材料、保護參數的遙控遙測、保護電源等技術日趨完善。在保護電源方面，完善了恆電位儀設備，採用開關電源、信號傳輸接口技術、計算機技術，實現了無IR降管地電位測量，從而實現了無人值守管理，提高了管理水平。管道陰極保護在西氣東輸工程、天津渤西油氣處理廠、陝—京線、長慶油田靖鹹線、靖惠線等管道上得到推廣套用。
太陽能電池發展歷程
1893年法國實驗物理學家E.Becquerel發現液體的光生伏特效應，簡稱為光伏效應。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效應，並製作第一片硒太陽能電池。1883年美國發明家CharlesFritts描述了第一塊硒太陽能電池的原理。1904年德國物理學家愛因斯坦（AlbertEinstein）發表關於光電效應的論文。1945年，美國貝爾實驗室研製成實用型矽太陽電池，為光伏發電大規模套用奠定了基礎；1955年西部電工WesternElectric）開始出售矽光伏技術商業專利，在亞利桑那大學召開國際太陽能會議，Hoffman電子推出效率為2%的商業太陽能池產品，電池為14mW/片，25美元/片，相當於1785USD/W。1960年Hoffman電子實現單晶矽電池效率達到14%。20世紀70年代初世界上出現的開發利用太陽能熱潮，1975年，在河南安陽召開“全國第一次太陽能利用工作經驗交流大會”，進一步推動了中國太陽能事業的發展。這次會議之後，太陽能研究和推廣工作納入了中國政府計畫，獲得了專項經費和物資支持。一些大學和科研院所，紛紛設立太陽能課題組和研究室，有的地方開始籌建太陽能研究所。1995年國家計委、國家科委和國家經貿委制定了《新能源和可再生能源發展綱要》 在（1996 ~ 2010年）制出，明確提出中國在1996-2010年新能源和可再生能源的發展目標、任務以及相應的對策和措施。這些檔案的制定和實施，對進一步推動中國太陽能事業發揮了重要作用。目前，太陽能電池發電技術正在高速發展。
系統特點
油氣管道太陽能陰極保護系統在大多數情況下，完全能夠滿足儀器正常運行的需要。太陽能電源安裝維護簡單，安全無污染，發電相對穩定，能提供足夠的輸出電流、電壓，保證管線陰極保護設備的連續運行，在離市電較遠，尤其是一些管道中途無人值守的閥室套用前景廣闊；但該系統需要配置大容量的蓄電池組，發電量受天氣影響較大，且目前光伏產業發展成本較高，該設備一次性投資較大，約為交流電源的4~5倍。
套用實例
石油天然氣管道綿延幾百公里甚至數千公里，沿途可能經過人煙稀少的沙漠戈壁地區，往往離市電較遠，尤其是一些管道中途無人值守的閥室一般採用太陽能光伏發電技術提供能源。如蘇丹石油管道沿線的截斷閥室和陰極保護站、利比亞西部管道中途的 16 座截斷閥室和管道陰極保護站全部採用太陽能發電為管道提供設備驅動能源。
我國東黃線太陽能陰級保護站，建於1989年末，主要採用美國製造的ARCOM53型太陽能光電池組件作為直流發電裝置，同時還設有交流供電系統，以備太陽能電池停止發電時使用(圖1)。全套裝置由8塊光電池極板並聯而成。蓄電池組由40塊鹼性電瓶(1.ZV/塊)組成，每10塊相串聯後再並聯，容量Zoo0A·h。光電池極板安裝在固定於屋頂並可調節角度的金屬框架上。根據不同季節適當調節極板的傾斜度，以保證充足的日照。裝置安裝就緒後，對蓄電池組進行充電，充電動力是7.5kw柴油發電機帶動的矽整流器，充電完畢整個系統投入運行。
塔中油田
塔中油田塔中4油田位於塔克拉瑪乾沙漠腹地，有35.7平方公里的含油麵積和9329萬噸的石油儲量，在整個塔里木盆地迄今為止已探明的油氣儲量中，它的規模最大，它已於1996年7月全部完鑽，並有部分油井投產。目前，塔中4—輪南總長達300多公里的油氣外輸管道已全線貫通，1992年受塔里木石油勘探開發指揮部的委託，國家計委-中國科學院能源研究所及其所屬的北京市計科能源新技術開發公司承擔了橫貫塔克拉瑪乾沙漠、總長302.49公里的塔里木油田塔中4—輪南輸油輸氣管道陰極保護設備及儀表設備用太陽能電源系統的設計與工程建設任務。工程於1996年5月簽訂契約，至1996年11月安裝完畢投入運行，並於1996年12月通過初驗。該系統運行正常，設備性能優良，達到契約規定的指標，受到了用戶好評。
