浅析管道流体发电技术

摘 要：文章对管道流体发电技术的技术背景、发电特点与应用场合进行了分析，提出管道流体发电系统的一般构成，介绍了外管道流体发电技术的发展现状，并对管道流体发电的发展前景进行简要分析。

关键词：管道流体；发电；节能

引言

面对能源紧缺、环境污染的现状，节能环保成为当今科技发展的一大主题。其中，利用排水管道、输油管道等各类管道流体发电，便是其中的一种。长输送管道用来输送流体介质，必然存在管道异物阻塞，出现裂纹等现象，由于管道一般为埋地敷设，只能在管道内部装设自行清理、检查的装置，并要求此装置具有持续的电能供应，于是，管道流体自发电技术应运而生。同时，在提倡发展多种能源的今天，也可以作为一种分布式电源，为供电紧缺地区提供一定的电能。

1 管道流体发电技术定义

管道流体发电技术是指在输油管道或下水管道中，利用一定的装置，将流体的动能转化为电能并加以利用的一种技术。该技术目前主要应用于各类运输管道的自动清理、检测装置的供电系统中。能源自给式管道机器人就是其中的一类，利用该技术产生的电能给这种机器人充电，管道机器人长期浸润在流动介质中，在不需要自带能源的条件下进行检测裂缝、清理异物等工作，从而对管道进行低成本高效率的检测和维护。同时，管道流体发电技术也成为一种新型的分布式发电技术，为供电缺乏地区提供电能。例如在城市污水运输管道中应用流体发电技术，就可以形成相当规模的流体发电系统。

2 管道流体发电技术背景

2.1 流体力学分析

对于一般运输流体介质的管道而言，其入口处的压力P和流量u是由压力供给系统所决定。（在此假定长输送管道内的流體是连续稳定不可压缩的。）从物理角度分析，Z为位置水头，■为静压水头，而■为动压水头，称为管道内的总水头，反映的是管道中沿流动方向任意断面的高度Z、压力P和流速u，三个变量之间的关系。由受力分析可知，作用于管道中流体的外力主要有流体动压力、重力，由于流体沿管道流动产生的内摩擦力，以及管道中一些装置（发电装置、清理检测装置等）引起流体扰动的干扰阻力，所以流体沿流动方向的总机械能逐渐减少，我们把这部分损耗的机械能称为水头损失Z水。为了克服水头损失，工程上采取的办法是提高长输送管入口处的静压力，使之在管道出口处变为流体的动能。如果我们在较长的输送管道中增加发电装置，相当于增加流体所受阻力Z阻，将会引起流场力学条件的变化，此时管道内部实际流体的伯努利方程为：

（1）

式中，Pl-管道进口处计算截面1处的压力；u1-管道进口处计算截面1处的流量；P2-管道出口处计算截面2处的压力；u2-管道出口处计算截面2处的流量；Z水-水头损失；Z阻-管内增加的额外阻力。其中，下标1和2的数值分别代表在长输送管道上进口处计算截面1和发电装置以后计算截面2上的流体力学参数值。当发电装置的重量和体积都比较大时，则意味着Z阻增加很多，此时管道内的流体力学条件会发生较大的变化；在水平等直径管道情况下，可以认为Z阻远大于Z水，u1=u2=u，z1=z2，由（1）式得：

（2）

式（2）表明，在一定条件下，如果在发电装置前后形成静压差P1和P2，同时出现足够的流量流过发电装置的横截面，定会产生克服 Z阻所需要的驱动力。

2.2 发电系统构成

管道流体发电系统主要由以下三部分组成：叶轮，发电机，蓄电池。

2.2.1 叶轮

叶轮接收流体动能，并将之传递给同轴旋转的发电机，是流体发电的关键元件。在不同的发电装置与流体介质中，叶轮的设计稍有不同。综合考虑其功率系数，发电效率，叶片共振等因素下，一般选用的叶片数为3。考虑到其工作环境，一般选用具有较高耐压比强度和极限抗张强度的材料。而叶轮直径、形状的设计则与流体介质的流速、种类、温度等有关。

2.2.2 发电机是管道流体发电的核心器件，由于流体介质一般具有较大的粘稠度，不能达到像水轮发电机那样的高速旋转，故一般考虑其流体介质种类，相应采用低速发电机。另外，发电机的主轴和叶轮相连，还要考虑其连接的可靠性与振动问题。

2.2.3 蓄电池

由于管道流体发电受流体流速影响较大，输出功率不够稳定，，而实际要求的电能则是持续稳定的电能，所以一般用将所发电能储存起来加以利用。一般采用锂离子电池，该类电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，且没有记忆效应，循环性能优越。而且输出功率大，使用寿命长，不含有毒有害物质。有利于管道内发电系统的长期使用，电池不易泄露有害物质和气体，对与流体介质影响较小，具有一定的可靠性。

3 管道流体发电技术的发展现况与应用前景

目前，管道流体发电技术主要用于对管道机器人供电和一些小型的管道流体发电系统。管道机器人的发电模块将管道流体的动能转化为电能，进而给管道机器人的行走与工作提供持续电能。其中，在不同机器人的设计中，流体发电系统的结构也相应调整。如今市场上已经投入使用一些能量自给式管道机器人。对于小型的管道流体发电系统，目前还处于实验阶段，并没有大规模应用。管道流体发电技术的进一步改进主要在于其发电装置的优化，解决了早期的流体发电机由于管道内结构庞大、安装复杂、流体腐蚀与冲击导致设备寿命短、对流体阻力过大、易阻塞管道等问题，提高了发电效率与输出电能的稳定性。管道流体发电是一种节能环保的发电方式，随着能源的进一步紧缺，管道流体发电技术也必将受到越来越多的关注。随着我国石油运输技术的发展，自给式管道机器人的应用也会更加广泛。

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作者简介：袁蓓（1993-），女，河南省开封市人，工作单位：河海大学，职务：本科生在读，研究方向：电气工程及其自动化。