[科普中国]-油气管道太阳能阴极保护系统

简介

阴极保护是管道防腐工程中一种最常用的电化学保护方法。阴极保护是指将被保护金属（如原油输送管道）进行阴极极化，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位，消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池，使金属免遭环境介质（如土壤）的腐蚀，即用外加电流或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀，从而达到延长被保护管道的使用寿命，提高其安全性和经济性的目的。2目前，外加电流阴极保护系统在国内外的埋地油气管道、船舶、码头及海上钻井平台等金属的防腐蚀中应用十分广泛。该系统要有一个稳定的直流电源，以提供阴极保护所用电流，太阳能电站是一个提供外加电流的理想来源，它在长期使用中基本可靠和稳定，保证有足够大的输出电流，并可以在较大的范围内进行调节；有足够的输出电压，以克服系统中的电阻；安装容易，操作简便，不需经常检修。3

油气管道太阳能阴极保护系统就是这种利用太阳能电站提供电能，以提供阴极保护所用电流，进而对石油和天然气输送管道进行阴极极化，使其免受腐蚀的综合系统。

原理阴极保护在国外输水管道和国内石油天然气管道都已应用 ，管道外防腐绝缘层与阴极保护的联合使用是最经济、最合理的防蚀措施。阴极保护对腐蚀反应进行积极的干预 ，它采阴极极化的电化学手段 ，保证了被保护金属体的电化学均匀性 ，抑制了腐蚀电池的产生。其基本原理是将被保护金属（如天然气管道）进行阴极极化 ，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位，消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池 ，使金属免遭环境介质（如土壤）的腐蚀。即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀。从而达到延长被保护管道的使用寿命 ，提高其安全性和经济性的目的。

阴极保护的方法主要有二:一是牺牲阳极的阴极保护，即在待保护的金属管道上联接一种电位更负的金属或合金(如铝合金、镁合金)，使之形成一个新的腐蚀电池。由于管道上原来腐蚀电池阳极的电极电位比外加的牺牲阳极的电位要正，因此整个管道就成为阴极而被保护起来；二是外加电流的阴极保护，即将被保护金属与外加的直流电源的负极相连，把另一辅助阳极接到电源的正极，使被保护金属成为阴极。1

太阳能电站是为被保护的钢质管道提供强制电流的装置，它是利用材料的光生伏打效应将光能直接转换成电能的装置。光生伏打效应大体可分为3种:①金属-半导体接触(如氧化亚铜、硒光电池等)；②pn结接触(如硅、锗、砷化镓、磷化铟、磅化镉、硫化镉太阳电池等)；③丹倍感应。目前常用的多为pn结接触的太阳能电池。工业上应用的硅太阳能电池的效率一般在10%左右，硅太阳能电池的工作温度范围为- 100～ + 120℃。作为电源装置，太阳能电池要与蓄电池等储能元件配合使用，当太阳落下后或阴天无太阳时也能保证供电。

油气管道太阳能阴极保护系统通过向被保护的钢质管道通以适合的直流电流，使管道表面产生阴极极化，减小或消除造成钢质管道上土壤腐蚀的各种原电池的电极电位差，使腐蚀电流趋于零，进而达到阻止管道腐蚀的目的。 金属在土壤中的腐蚀实际上属于氧腐蚀，但是在少数的酸性土壤中可能会发生析氢腐蚀。

系统组成太阳能发电有两种方式：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

油气管道太阳能阴极保护系统采用的是光—电直接转换方式。石油和天然气管道使用的太阳能发电系统主要为沙漠戈壁等偏远地区的阀室和阴极保护站的自动化系统、电动阀门、管道阴极保护设备和站场照明提供无间断直流电源。主要设备包括太阳能极板、控制器、电池组和直流电负载设备。4

太阳能电池方阵单个太阳能电池输出的电压和电流很小，但将若干个太阳能单体电池串并联起来就可以得到需要的电压和电流。一般按国际电工委员会标准要求进行设计，采用 36 片或 72 片多晶硅太阳能电池进行串联以形成 12 和 24 V 各种类型的组件。将其封装后固定在支架上就组成太阳能电池方阵。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。太阳能电池的短路电流和日照强度成正比。但太阳能电池的输出功率随着池片的表面温度比上升而下降， 输出随着季节的温度变化而变化。在同一日照强度下，冬天的输出的功率比夏天要高。太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。通常油气管道太阳能电池板的功率为200～15 000 Wp。

蓄电池太阳能蓄电池的作用就是白天将太阳能发电系统发出的部分能量储存起来，到夜晚或阴雨天时放出供用电设备使用。太阳能光伏电站的常用蓄电池有铅酸蓄电池、密封铅酸蓄电池 （阀控蓄电池）、镉镍蓄电池和铁镍蓄电池等。常规铅酸太阳能蓄电池在使用过程中，电池的正极会产生氧气，在负极会产生氢气。这些气体从太阳能蓄电池中不断逸出，导致电解液逐渐失水，从而造成太阳能蓄电池性能下降，甚至电池干涸。蓄电池在维护中要定期检查，发现液位低于规定值要及时补液。太阳能免维护蓄电池(阀控密封铅酸太阳能蓄电池)在浮充电过程中，电池产生的氧气不断地在阴极板上还原成电解液，无剩余气体排放，电池几乎不失水。所谓免维护只是不必要检查测量电解液的比重和补水，并不是不需要维护。但是在不正常使用等特殊情况下，电池内反应平衡可能被打破，可能产生少量多余的气体。电池装有安全阀，当电池内气压超过一定数值时，安全阀开启，以便将多余气体排出；当电池内气压低于一定气压时，安全阀自动关闭，以隔绝电池外部气体进入。蓄电池的容量常用电池放电电流与放电时间的乘积安时来表示。石油天然气管道阀室选用的太阳能蓄电池的容量一般在200～5 000 Ah左右。

控制器当蓄电池发生过充电和过放电现象时，其性能和寿命都将大受影响，可以安装一个控制器自动防止蓄电池组过充电和过放电。控制器还具有一些其他功能，如防止负载或充电控制器内部短路的电路保护功能，防止由于雷击引起的击穿保护以及温度补偿功能等。有些控制器还具有逆变器的交直流转换功能。通常油气管道太阳能充电控制器的控制电流在10～200 A之间。5

逆变器太阳能的直接输出一般为 12、24、48 VDc，如果油气阀室需要给 220、110 VAC 的设备提供电源，可以增加一个DC—AC逆变器，将太阳能发电系统发出的直流电能转化为交流电能。

发展历程阴极保护技术发展历程阴极保护技术可以说是人类的智慧在科学研究成果转化到工程应用中的一个完美体现。在 18 世纪，电化学理论还没有提出之前，英国化学家戴维就提出用锌板和铸铁板附着在包有铜板的军舰上防治发生腐蚀，并取得良好效果。在戴维去世之后的 1834 年，法拉第发现了腐蚀质量耗损与电流之间的定量关系，奠定了他的电解理论和阴极保护的科学基础。1902 年 K.科恩用外加直流电成功实现了实际的阴极保护。1913 年秋季的日内瓦金属学会大会上，人们把用自耗式阳极的保护叫做电化学保护。到 1920 年焊接技术已经发展到可以完成安全可靠的焊接，因而连续焊接的长输管道成为可能，同时阴极保护技术有了更大的应用发展空间。1928 年美国正式对长输管道应用了阴极保护技术，在其中涌现出了一批以“阴极保护之父”罗伯特 J.柯恩为代表的腐蚀科学家，他发现-0.85V（相对于饱和硫酸铜电极）的保护电位就可以足够防止任何形式的腐蚀，从而奠定了整个现代阴极保护技术的基础。70 余年来，阴极保护技术不断发展，日益成熟。目前，阴极保护已经被公认为是防止金属电化学腐蚀最有效的方法。6

我国的阴极保护技术开始于1958年，当时仅限于小规模的试验，60年代初开始在各油田试用，到1970年长输管道开始建设时，阴极保护已是必不可少的技术，它可以成功控制埋地管道的腐蚀，延长管道的寿命，为管道的安全生产提供了技术保证。不过，70年代的管道阴极保护技术十分简陋，作法也很简单，通常的作法是在管道的垂直距离500m处打一组钢铁阳极，接地电阻要小于1Ω，通过架空线引至阴极保护间。采用整流器给管道供电，正极接阳极，负极接管道。7

近年来，国内的阴极保护技术发展较快，阳极材料、保护参数的遥控遥测、保护电源等技术日趋完善。在保护电源方面，完善了恒电位仪设备，采用开关电源、信号传输接口技术、计算机技术，实现了无IR降管地电位测量，从而实现了无人值守管理，提高了管理水平。管道阴极保护在西气东输工程、天津渤西油气处理厂、陕—京线、长庆油田靖咸线、靖惠线等管道上得到推广应用。8

太阳能电池发展历程1893年法国实验物理学家E.Becquerel发现液体的光生伏特效应，简称为光伏效应。1877年W.G.Adams和R.E.Day研究了硒（Se）的光伏效应，并制作第一片硒太阳能电池。1883年美国发明家CharlesFritts描述了第一块硒太阳能电池的原理。1904年德国物理学家爱因斯坦（AlbertEinstein）发表关于光电效应的论文。1945年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础；1955年西部电工WesternElectric）开始出售硅光伏技术商业专利，在亚利桑那大学召开国际太阳能会议，Hoffman电子推出效率为2%的商业太阳能池产品，电池为14mW/片，25美元/片，相当于1785USD/W。1960年Hoffman电子实现单晶硅电池效率达到14%。20世纪70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了中国太阳能事业的发展。这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了中国政府计划，获得了专项经费和物资支持。一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》 在（1996 ~ 2010年）制出，明确提出中国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动中国太阳能事业发挥了重要作用。9目前，太阳能电池发电技术正在高速发展。

系统特点油气管道太阳能阴极保护系统在大多数情况下，完全能够满足仪器正常运行的需要。太阳能电源安装维护简单，安全无污染，发电相对稳定，能提供足够的输出电流、电压，保证管线阴极保护设备的连续运行，在离市电较远，尤其是一些管道中途无人值守的阀室应用前景广阔；但该系统需要配置大容量的蓄电池组，发电量受天气影响较大，且目前光伏产业发展成本较高，该设备一次性投资较大，约为交流电源的4~5倍。7

应用实例石油天然气管道绵延几百公里甚至数千公里，沿途可能经过人烟稀少的沙漠戈壁地区，往往离市电较远，尤其是一些管道中途无人值守的阀室一般采用太阳能光伏发电技术提供能源。如苏丹石油管道沿线的截断阀室和阴极保护站、利比亚西部管道中途的 16 座截断阀室和管道阴极保护站全部采用太阳能发电为管道提供设备驱动能源。

我国东黄线太阳能阴级保护站，建于1989年末，主要采用美国制造的ARCOM53型太阳能光电池组件作为直流发电装置，同时还设有交流供电系统，以备太阳能电池停止发电时使用(图1)。全套装置由8块光电池极板并联而成。蓄电池组由40块碱性电瓶(1.ZV/块)组成，每10块相串联后再并联，容量Zoo0A·h。光电池极板安装在固定于屋顶并可调节角度的金属框架上。根据不同季节适当调节极板的倾斜度，以保证充足的日照。装置安装就绪后，对蓄电池组进行充电，充电动力是7.5kw柴油发电机带动的硅整流器，充电完毕整个系统投入运行。3

塔中4油田位于塔克拉玛干沙漠腹地，有35.7平方公里的含油面积和9329万吨的石油储量，在整个塔里木盆地迄今为止已探明的油气储量中，它的规模最大，它已于1996年7月全部完钻，并有部分油井投产。目前，塔中4—轮南总长达300多公里的油气外输管道已全线贯通，1992年受塔里木石油勘探开发指挥部的委托，国家计委-中国科学院能源研究所及其所属的北京市计科能源新技术开发公司承担了横贯塔克拉玛干沙漠、总长302.49公里的塔里木油田塔中4—轮南输油输气管道阴极保护设备及仪表设备用太阳能电源系统的设计与工程建设任务。10工程于1996年5月签订合同，至1996年11月安装完毕投入运行，并于1996年12月通过初验。该系统运行正常，设备性能优良，达到合同规定的指标，受到了用户好评。1