张 一 常 通 蔡 亮 祁庆芳

（1. 中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101；2. 国家管网集团西南管道有限责任公司天水输油气分公司，甘肃 天水 741002；3. 中航油京津冀物流有限公司，天津 300300；4. 中国石油青海油田分公司管道处，青海 格尔木 816000）

0 引言

强制电流法是直流电源向管道通以电流使之阴极极化实现防护。相对牺牲阳极法，强制电流法具有电流连续可调整、保护范围广、适用多类型电阻率土壤和寿命长等优点。选择可靠、高效、稳定的恒电位仪关系管道阴极保护系统正常运行[1]。介绍了有无市电条件下可选择的阴极保护电源类型，探讨国内管道常用阴极保护电源的产品类型和性能指标，旨在提高管道阴极保护水平和安全管理水平，并为新建管道阴极工程设计提供依据。

1 阴极保护电源选用原则

阴极保护电源基本要求是：安全可靠、电压/电流连续可调、适应恶劣环境条件（特殊温度/湿度/日照/风沙）、电容量、输出阻抗与管道-阳极地床回路电阻相匹配、操作维护方便、无人值守、经济合理等。阴极保护电源首选市电类型（整流器、恒电位仪、恒电流仪），无市电或市电不稳定可选择热电发生器（TEG）、密闭循环蒸汽发电机（CCVT）、风力发电机、太阳能电池、大容量蓄电池等。无市电阴极保护电源技术条件如表1所示。

表1 无市电阴极保护电源技术条件

2 整流器

目前主流的整流线路多为桥式全波整流，例如单向桥式整流回路功率较小，电压低于5V时整流效率为60～70%；三相桥式全波整流回路功率较大，整流效率为80～90%。整理器工作温度超过35℃功率降低，在高热地区较大功率整流器采用油浸冷却方式，并向整流器制造商提出通风冷却要求。整流器性能参数一般限制在1000W（20A/50V），如保护电流不满足，宜采用增加保护站的方法。整理器工作电压应不高于辅助阳极限压要求。

3 恒电位仪

国内约90%管道应用可控硅恒电位仪，适用于管-地电位频繁波动的情形，例如存在杂散电流干扰，通过自动控制、调整维持恒定的电位输出。恒电位仪典型性能指标：

（1）电压调节范围：-0.5～2.0V；

（2）电位控制精度：

a. 负载特性：输出电压、电流在额定值范围内变化，保护电位变化≤±5mV；

b. 漂移特性：连续运行保护电位变化≤±5mV；

c. 输入特性：电源电压变化±10%时，保护电位变化≤±5mV。

（3）流经参比阳极电流≤3μA；

（4）自动报警：保护电位偏离控制电位大于30mV自动发出报警信号；

（5）限流特性：输出电流超过额定值，以至短路，自动限制输出电流预定值，发出报警信号。短路故障消除，自动恢复正常工作状态；

（6）抗交流干扰能力：管道受到24V以下交流电干扰可以正常工作；

（7）防雷击：可承受20kV、周期1～5s、脉冲宽度25μs脉冲波，持续时间1min，正常工作。

4 恒电流仪

恒电流仪内阻很高，不受外部电阻和反向电压影响，适用于管道防腐层质量较差、存在杂散电流干扰需要排流的情形，例如敷设在交流电车轨道下方的管道，管-地电位与排流电流成比例。由于测试困难，深层油井套管阴极保护状态无法了解，应用恒电位仪测试电流密度，可以作为套管阴极保护效果的判据。

5 热电发生器

热电发生器（Thermoelectric Generator ，TEG）为偏远无电地区提供了一种高可靠性、无噪音、无污染、适用于极寒高热环境的阴极保护电源。TEG可以用天然气或柴油做燃料，也可以利用管道输送介质发电。TEG是输气管道阴极保护的理想电源，也适用无市电或偏远不稳定供电地区。TEG维护保养周期长达1年，内容包括功率检查，检查燃气压力，清洗空气过滤器，更换燃烧器等。目前加拿大环球公司TEG产品已在全世界80多个国家应用。

6 密闭循环蒸汽发电机

密闭循环蒸汽发电机（Closed Cycle Vapor Turbogenerator）将热力学理论和航空发动机技术应用于发电，热源可以是气体或液体燃料，可靠性极高，燃油和气体燃料平均无故障工作时间高达2万小时和3万小时。针对偏远无电地区，CCVT可以无人值守，且操作维护方便，只需清楚燃烧系统积碳和冷凝系统灰尘。截止目前，CCVT已在已在全世界60多个国家应用。推荐CCVT和太阳能电池联合供电，太阳能蓄电池成本高，CCVT可替代蓄电池容量，成本可降低25～50%。做法是采用光电池作为第一电源，并联一台CCVT，连续阴天时光电池不工作。蓄电池电量降低达到警戒值时自动启动CCVT。

7 风力发电机

风能是取之不尽、无污染的清洁能源。在山区、草原或沿海风力资源丰富地区采用风力发电（风速大于4m/s、风力大于3级）。管道敷设区域有可利用的风能资源，风力发电作为阴极保护电源是适宜的，一般是风力直接驱动充电型发电机。风力发电机缺点是可靠性差，风力过大时易造成机械损坏。但其造价低的优点，可以作为阴极保护电源的备份电源。

8 太阳能电池

太阳能具有无需燃料、无污染、自动供电、无人值守、安全可靠和寿命长等优点，是长输管道阴极保护系统的廉价能源。太阳能电池原理是利用材料光生伏打效应将光能转化为电能。硅太阳能电池在1kW/m2光照强度下开路电压约为0.55V，效率约10%，工作温度范围-100℃～120℃。太阳能蓄电池容量根据气象资料最大连续阴天数选定，宜备用7～10d。太阳能电池应用主要考虑地理纬度、海拔高度、冬季日照强度和工作温度等。我国新疆轮库线、克乌线、山东东黄线、青海油田输油管道、陕京线、四川油气田应成功应用太阳能电源。

9 蓄电池

铅酸蓄电池是风力发电机和太阳能的储能装置，额定电压为12V、6V和2V。碱性镉镍蓄电池寿命长，充放电可达1000次以上。可适用于-40℃的极端低温环境，结构牢固，操作维护方便。新型产品是固定式密封免维护铅酸蓄电池，已带液荷电状态出厂，电池内无流动电解液，充电产生的气体可以在电池内部消除。使用期间，气体、酸雾、硫酸不会排出电池外，对安装场所无要求。免维护铅酸蓄电池在25℃以下2.25V浮充状态下寿命可达20年，以80%电解液浓度充放电循环寿命可达1000次，但价格相对常规铅酸蓄电池较高。

1 0 结语

管道选择阴极保护电源，应根据环境特点、输送介质和社会发展及依托条件，建议如下：

（1）管道位于三四级地区，社会依托条件好，市电稳定，宜选择恒电位仪。存在杂散电流干扰地区，设计阶段应考虑恒电流仪排流设施；

（2）管道位于新疆、甘肃、青海等西部地区，市电供电不稳定地区宜采用太阳能电池作为阴极保护系统备用电源；

（3）我国东北高寒地区社会依托条件差，输气管道可采用CCVT，多余电量可供给维抢修中心；

（4）我国西部山区管道，交通不便，宜采用免维护蓄电池作为阴极保护系统备用电源。