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跨国管道阴极保护系统
摘要：
本文提出了两种类型的跨国管道阴极保护系统，无需外部电源的燃气和电力消耗。这些系统的功能原理是基于原有的热电发电机。 所提出的热电发电机在温度分层期间通过天然输送气体的压力来执行。 已经对所提出的热电发电机进行了数值研究。 在研究的基础上，我们确定具有涡流效应的热电发电机产生的电力多达30％。 然而，该发电机在更大程度上使用天然气压力能量。
关键词：天然气; 防腐蚀;天然气管道气动温度分层; 涡流效应; 热电发电机;模拟
- 介绍
阴极保护系统用于防止包括工业建筑物和海上天然气管道在内的埋地钢质气体管道的腐蚀。 在这方面，阴极保护所需的电流速率随着时间可以大大增加，而管道特性阻抗可能降低。 此外，在服务期间，不仅所需的电流将增加，而沿着管道的电流分布系数也将增加。 在图1中示出了其中管线时间特性阻抗变化（图1，a）和电化学保护所需的电流值（图1，b）。
基于[1]中提出的方法，计算直径1.02m，长25000m的沙土（1号线），粘土（2号线）的埋地管线的电化学保护参数。
对具有延长阳极的阴极保护系统进行了计算; 阳极埋藏深度为2米，具有隔离特性和管道保护电位范围。
图1(a)管道特性阻抗-时间 (b)阴极保护电流-时间
管道特征阻抗根据下式计算：
其中：Zt - 管道特性阻抗，欧姆; Rt- 管道纵向阻抗，欧姆/米; Rrsquo;n-管道传输阻抗，欧姆*米
所需电流计算如下：
其中：Umin - 电位差的最小偏差（管道 - 地面），V.
计算（图1）表明预测阴极保护系统所需的当前电流值结果如下：
开发20年以后，埋在沙土中的管道所需电流增加2,04倍，埋在粘土中的管道所需电流增加2,11倍; 管道阻抗减小。 开发50年以后，阴极保护的所需电流值将更大程度上升。 由于地面温度变化[2]和湿度，其应用可能会降低管线特征阻抗。 因此，与预测值相比，阴极保护系统的绝对功耗将大大增加。 在这种情况下，有必要根据管道开采条件开发具有受控操作参数的阴极保护系统。
- 天然气管道阴极腐蚀保护方法
应注意，气体管道阴极保护方法的主要原理是向金属管道（相对于地面）提供小的负电位，以避免金属腐蚀。 即使沿着具有热电发电机或可再生电力源的管道的电力输送线路，也可以广泛使用该方法。 然而，热电发电机的应用导致天然气或液化天然气消耗。 TEG-300型热电发电机（热电发电机）的阴极保护系统天然气流量为每1000米气体管道每小时消耗0.0034立方米天然气[3]。
开发经验表明，风力发电机的应用导致了非稳定的阴极保护系统工作状态。 这与导致快速风力发电机蓄能器放电的阴极保护系统电流的增加有关; 风力涡轮机蓄能器通过风力进行发电[7]。开发在天然气能源压力下工作的阴极保护系统是迫切和重要的。 这些系统可以基于而无气体燃烧[14-17]的天然气 - 动态温度分层[9-13]。
基于温度分层的设计方法提出了基于温度分层的电泳保护系统，图2a中给出了所提出的热电发电机。
图2（a）基于温度分层的阴极保护系统; （b）基于温度分层的热电发生器
提出的阴离子表皮保护系统的功能原理（图2，a）如下：高压天然气通过管道3从管道1输送到气体调节站2（GAS）。气体调节站的主要功能是调节提供给客户的气体供应量和气体气味。高压天然气从气体调节站运行到管道涡流管5，在其中发生冷却气流和加热气流的温度气体分离过程。来自涡流管5的加热气体流进入接收器6，用于加热的气流温度积聚和热电发生器8接合加热18（图2，b）。冷却的气体流从涡流管5传送到接收器7，用于热电发生器8接合冷却19。当热电发生器热接头18被加热并且冷接头19通过将它们转移到来自涡流管5的相应的气体流而被冷却时，在由p分支15和n分支16（其具有不同的热电系数），开关（接合）板17组成的电路中产生电。图20表示发电机8的有效负载。阴极气体管道保护由热电发生器8通过电荷馈送电缆11进行。电缆12将热电发电机8与阳极14连接起来以进行阳极消耗。在发电机8之后，将天然气供应到接收器9，在接收器9处，在混合时将温度调平，并且通过返回气管线10被输送到气体调节站2以进一步供消费者使用。以这种方式，阴极气体管道保护仅通过在没有天然气燃烧和来自外部电源或风力涡轮机应用的电力消耗的热电发电机（图2，b）中运送天然气的压力能量来执行。 通过应用温度分层超声波管可以开发出类似的方案[13]。 所提出的热电发生器方案将通过改变温度分层参数来提供电流的调节。 由于热电发电机的有效性是通过冷却和加热接头的温差来定义的，为了分析所提出的阴极保护系统，工作温度分层装置的可能性可以被认为是接收温差。
- 调查
在这方面，在图3提出了在涡流管[18,19]和温度分层超音速管[20,21]中温度分离的实验研究结果。为了研究涡流管中温度分离过程，选取设备规格为直径D = 0.0235米，分离相机长度L = 0.15米，冷流出的隔膜孔直径d = 0.0081米。 在实验过程中，空气用作工作材料; 进气温度和压力，涡流管中的冷却和加热气体温度等环境参数已经限定。测量由毫伏计精读达到0.01mV的Chromel-Copel热电偶制成。超压力由精度等级为0.6的压力计定义。
超声波管参数温度分层实验研究的条件在[20,21]中提供，但应注意的是，该研究是在亚音速和超音速流动和扩展热交换面的逆流交通方案外进行的， 输入压力为0.52 mPa [20]和1,41 mPa [21]。
图3基于温度分层的热电转换温度差
温度分层装置中的温差（下降）由下式计算：
其中：Tteg - 当前温差（下降），K; Theat - 温度分层装置（涡流管或超音速温度分层管）的加热流动温度，K; T cold- 温度分层装置（涡流管或超音速温度分层管）的冷却流动温度,K。
此外，使用不同的冷却流量消耗值计算冷却流量率：
其中：Gcold-冷却流量消耗的温度分层装置，kg / s; 在Gin-输入气体消耗量，kg / s; Tin输入温度，K。
此外，研究是在不同的输入压力下进行的。 气压差定义涡流管的气体压力差由下式计算：
其中:Pin-输入压力Pa; Pout - 输出压力，Pa
涡流管和温度分层超声波管中温度分层结果的分析（图3）表明，涡流管的加热和冷却流之间的现有温差根据压力差pi;和冷却流量率u从12K变化到80K 。对于超声波管的温度分层，热流和冷流之间的差异在所研究的工作参数范围内为6-20K【18-21】。 在具有小的压力差（pi;1.97）和边缘冷却的气体流速u0.3的条件下，这些装置在冷却和加热的气体流之间表现出类似的温度差值。
在这方面，建议在气体管道阴极保护系统中应用这些器件进行直接能量转换[5,6,15-18]。
为了确定热电发电机的性能特征，根据方法[22]进行了仿真。 基于温度分层的热电发生器TV-31-2,0-2,5计算结果如图4所示。计算条件：热电模块TV-31-2,0-2,5; 涡流管和超声温度分层管的工作材料是空气; u=0.225 ，涡流管压差pi;=4,87 ; 对于具有涡流管的热电发电机，目前的温度下降（差异）为Tteg=60.8K，对于具有超音速温度分层管的热发电机 - 仅Tteg=21.1 K。在图4中数字1表示带涡流管的热电元件的工作参数图; 数字2表示具有超声温度分层管的热电发生器的参数。
图4具有温度分层的热电发生器的运行特性
图4所示的计算结果证明，具有涡流管的热电发电机的速率提高了30％。 然而，应该注意的是在具有超音速温度分层管的热电发电机中几乎不存在冷却的流动压力。
因此，应根据对开发条件的分析，选择所提出的用于阴极保护站的热电发电机布局（含涡流管或超音速温度分层管）。 这对于气体管道系统和城市的基础设施来说是合理的[23-25]。
- 结论
初步评估证明，基于温度分层的拟议热电发电机应用于长达4451公里的Urengoy-Pomari-Uzhgorod天然气管道阴极保护系统将使自身需求的天然气消耗量每年减少13.2亿立方米。 此外，排放到大气中的烟气量每年可减少22400万立方米。 在这方面，涡流热电发生器的应用可能是合理的，因为所提出的装置使用了转移气体的压力能量。
拟议的气体管道阴极保护系统的主要优点是其实施不需要任何供应线或任何其他附加基础设施。 在这种情况下，基于温度分层过程工作的热电发电机可以根据气体管线阴极保护系统的要求控制发电电流。
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