CN116359119A - 一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控制方法 - Google Patents

一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控制方法，属于管道电化学防腐蚀技术领域。本发明在常规的外加电流阴极保护法的基础上，利用热电化学电池温差发电与免维护的特点，为管道还原反应提供电子，很好的规避了热电化学电池在实际应用中功率较低的劣势，从而进一步节省原有外加电源的建设与维护成本，实现良好的经济性表现。此外，本发明利用的高温热源来自于管道内部高温流体，低温冷源来自于外部常温空气环境。将余热合理化利用，实现从低品位热量获取高品位电能。并且，在进一步控制热电化学电池输出电压的策略中，本方案提供了一种电子控制单元逐级控制方法，可实现热电化学电池输出电压的自动调节。

Description

一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控 制方法
技术领域
本发明涉及热电化学电池以及电化学防腐蚀领域，尤其涉及一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控制方法。
背景技术
结构稳定、功能高效且适应性强的电化学防腐蚀系统是长距离油气运输管道保护领域应用中的重要技术之一。在传统的管道电化学防腐蚀保护措施中，常采用外加直流电源的方法来减缓管道的电化学腐蚀。传统的减缓管道电化学腐蚀的方法存在沿管道路线安装测试桩数量多，建站成本大且后期运行测试和维护成本大而造成管道电化学防腐蚀系统整体效率偏低等问题。
一次能源的加速消耗刺激了对可再生能源的追求。低品位废热(如低于200℃)，比如由工业或地热过程产生的热，是一个有望被利用于发电的重要能量来源。热电化学电池，简称热电池，是一种直接将热能转化为电能的设备。近年来，热电池的研究显著增加，其优势在于其能够将热量连续转化为电能而不产生排放物或消耗材料。因此，在已知管道内流体需经高温加热加快流动运输的情况下，如何利用管道内外温差驱动热电化学电池的形式，进而实现管道的电化学防腐蚀是具有发展前景和开发价值的。
发明内容
有鉴于此，本发明设计了一种能够保证管道电化学防腐蚀性能同时减少建设、维护成本的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统及控制方法，其技术方案如下：
一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，包括交流电源、高温流体调节模块、水泵转速无极调节模块、电子控制单元、防腐蚀测试箱；
所述交流电源用于为整个系统供电；所述水泵转速无极调节模块与防腐蚀测试箱体的入口连接，防腐蚀测试箱体的出口与水泵转速无极调节模块连接，组成高温流体循环管路；所述高温流体调节模块用于调节高温流体循环管路中流体的温度；
所述防腐蚀测试箱包括内部设置有盐水的防腐蚀测试箱体以及设置在防腐蚀测试箱体内的碳素钢管、设置在碳素钢管上的多模块热电化学电池组、用于检测碳素钢管表面负电位的表面电位仪、辅助阳极、用于检测碳素钢管表面温度的第三温度传感器、用于检测多模块热电化学电池组外表面空气环境温度的第四温度传感器；所述防腐蚀测试箱体上开设有入口与出口，碳素钢管的一端与防腐蚀测试箱体的入口连通，另一端与防腐蚀测试箱体的出口连通；所述多模块热电化学电池组的负极一端直接连接于碳素钢管的表面，正极一端连接辅助阳极；辅助阳极与碳素钢管通过防腐蚀箱体内部盐水导电；表面电位仪与第三温度传感器均设置于碳素钢管表面，第四温度传感器设置于多模块热电化学电池组外表面。
作为本发明的优选方案，所述管道防腐蚀测试系统中还设置有用于与防腐蚀测试箱做效果对比的对照组箱；所述对照组设置在防腐蚀测试箱体的出口与水泵转速无极调节模块之间；所述对照组箱包括内部设置有盐水的对照组箱体和用于对照的对照碳素钢管；所述对照组箱体上开设有入口与出口，对照碳素钢管的一端与对照组箱体的入口连通，另一端与对照组箱体的出口连通。
作为本发明的优选方案，所述高温流体调节模块包括PID控制器、可控硅模块、电加热棒、第一温度传感器以及第二温度传感器；所述第一温度传感器设置在防腐蚀测试箱的入口端用于检测入口端的流体温度T1，第二温度传感器设置在防腐蚀测试箱的出口端用于检测出口端的流体温度T2；PID控制器接收第一温度传感器以及第二温度传感器检测的信息并计算设定温度Ts与流体平均温度Tm之间的温差，其中Tm＝((T1+T2)/2；PID控制器根据温差调节可控硅模块的输出电压，进而改变电加热棒的功率大小，实现调节高温流体循环管路中流体的温度。
作为本发明的优选方案，所述水泵转速无极调节模块包括蓄水箱、AC/DC转换器、PMW调速电磁阀与水泵；所述AC/DC转换器用于将交流电源的交流电转换为24V的直流电；所述PMW调速电磁阀用于接收转换的直流电并调节直流电的占空比从而控制水泵的扬程；所述水泵为蓄水箱中的流体的流动提供动力。
作为本发明的优选方案，所述多模块热电化学电池组包括多个串联的热电化学电池模块；所述的热电化学电池模块通过铜凸台连接固定在碳素钢管上，多模块热电化学电池组的首端热电化学电池模块的负极一端连接在防腐蚀测试箱体的碳素钢管表面；所有热电化学电池模块的正极一端均连接辅助阳极，并通过电子控制单元实现对整个多模块热电化学电池组输出电压的调节。
作为本发明的优选方案，多模块热电化学电池组由多个热电化学电池模块串联构成，并且每个热电化学电池模块正极均与辅助阳极连接构成回路；电子控制单元通过逐级控制热电化学电池组模块与辅助阳极的连接开断从而调节整个多模块热电化学电池组的输出电压；当碳素钢管表面电位超出或低于防腐蚀电位范围时，电子控制单元通过选择所需多模块热电化学电池组的模块数量，接通位于该部分串联的热电化学电池模块末端的电池与辅助阳极之间的线路，断开其他热电化学电池模块与辅助阳极之间的线路。从而到达对热电化学电池组的输出电压大小的控制作用。
作为本发明的优选方案，所述铜凸台由两个“半台架”组成，铜凸台由铝合金制造，外侧施加肋板，铜凸台四周以及平台上钻设有螺纹孔，铜凸台通过螺纹连接夹紧碳素钢管；热电化学电池模块通过铜凸台固定于碳素钢管上；铜凸台传导碳素钢管内部高温流体热量为热电化学电池组提供高温热源。
作为本发明的优选方案，铜凸台能够360°范围内旋转并在任意角度固定。
本发明还提供了一种上述基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统的控制方法，步骤如下：
1)接通交流电源为整个管道防腐蚀测试系统供电；
2)启动水泵转速无极调节模块，流体在高温流体循环管路中进行循环流动；
3)高温流体调节模块通电对高温流体循环管路中的流体进行温度调节；
4)高温流体流经防腐蚀测试箱体时，高温流体与多模块热电化学电池组的一端进行热传导，形成高温热源；与此同时，多模块热电化学电池组另一端暴露在外部常温空气环境中形成低温冷源；多模块热电化学电池组、辅助阳极和碳素钢管表面连接，形成电流回路；
5)电子控制单元根据表面电位仪采集的碳素钢管表面电位信息，结合第三温度传感器、第四温度传感器采集的温度信息，控制多模块热电化学电池组的电位输出，在防腐蚀理论电位范围内起到防腐蚀的作用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明实现了对于管道内部高温流体低品位热的利用，规避了热电化学电池在实际应用中输出功率过低的劣势。在本发明的测试系统中，基于热电化学电池高塞贝克系数的优势(理论值2.5mV/℃)，利用管道内外温差发电，进而为管道实现电化学防腐蚀功能。
(2)本发明实现了对于管道电化学防腐蚀免维护功能。传统的外加电流阴极保护措施每间隔一段时间需要对测试桩进行检查维护，大大增加了管道运行成本。在本发明的测试系统中，多模块热电化学电池组固定于铜凸台之上，只需保证管道内外温差，即可满足防腐蚀电位需求同时长期稳定运行，实现免维护功能。
(3)本发明采取逐个调节与串联逐级控制实现对多模块热电化学电池组输出电压大小的改变。在该发明的控制系统中，对于多模块热电化学电池组中单个热电化学电池模块的输出电压可由铜凸台的设置角度调节，对于多模块热电化学电池组的输出电压可由电子控制单元控制所需串联的热电化学电池模块数量并且逐级控制与辅助阳极的连接开断。
附图说明
图1是基于热电化学电池的管道防腐蚀测试系统结构示意图。
图2是多模块热电化学电池组和铜凸台连接固定示意图。
图3是用于控制多模块热电化学电池组的基本电路示意图。
图4是添加对照箱的基于热电化学电池的管道防腐蚀测试系统结构示意图。
图中：1—交流电源，2—PID控制器，3—可控硅模块，4—电加热棒，5—蓄水箱，6—AC/DC转换器，7—PMW调速电磁阀，8—水泵，9—电子控制单元，10—第一温度传感器，11—防腐蚀测试箱体，12—碳素钢管，13—表面电位仪，14—辅助阳极，15—第二温度传感器，16—对照组箱体，17—第三温度传感器，18—第四温度传感器，19—热电化学电池模块，20—铜凸台，21—对照碳素钢管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐测试系统，主要包括：交流电源1、PID控制器2、可控硅模块3、电加热棒4、蓄水箱5、AC/DC转换器6、PMW调速电磁阀7、水泵8、电子控制单元9、第一温度传感器10、防腐蚀测试箱体11、碳素钢管12、表面电位仪13、辅助阳极14、第二温度传感器15、对照组箱体16、第三温度传感器17、第四温度传感器18、多模块热电化学电池组、铜凸台20以及对照碳素钢管21。
如图4所示，在本发明的一个具体实施例中，本发明还添加了对照组箱体16以及对照碳素钢管21来用于与防腐蚀测试箱体11和碳素钢管12进行对照比较。
本实施例中，交流电源1为220V交流电源，220V交流电源分别与PID控制器2、AC/DC转换器6、电子控制单元9连接提供运行所需电能；碳素钢管12通过钻孔形式放置于防腐蚀测试箱体11内部；对照碳素钢管21放置于对照组箱体16内部。
多模块热电化学电池组由多个热电化学电池模块19串联构成；热电化学电池模块19负极一端直接连接于碳素钢管12表面，正极一端连接辅助阳极14并放置于防腐蚀测试箱体之内，热电化学电池模块19可由螺纹连接固定于铜凸台20表面；如图2所示，铜凸台20可由上下“半台架”螺纹连接固定于碳素钢管12，铜凸台20可绕碳素钢管12在0—360°范围内旋转并在任意角度固定，实现对单个热电化学电池模块输出电压的调节。
水泵8出口与防腐蚀测试箱体11入口连接，防腐蚀测试箱体11出口与对照组箱体16入口连接，对照组箱体16出口与水泵8入口连接，组成高温流体循环管路。
第一温度传感器10放置于水泵8出口与防腐蚀测试箱体11入口连接线路之间，第二温度传感器15放置于防腐蚀测试箱体11出口与对照组箱体16入口连接线路之间，第三温度传感器17设置于碳素钢管12表面，第四温度传感器设置于多模块热电化学电池组外表面。
PID控制器2、可控硅模块3、电加热棒4与蓄水箱5组成高温流体加热调节电路；AC/DC转换器6、PMW调速电磁阀7与水泵8组成水泵转速无极调节电路。电子控制单元9、多模块热电化学电池组、第三温度传感器17、第四温度传感器18、表面电位仪13与辅助阳极14组成热电化学电池组电压调节电路。
如图3所示，测试系统通过碳素钢管12内部高温流体与多模块热电化学电池组外部常温空气环境之间的温差驱动热电化学电池组工作产生电压，控制系统通过第一温度传感器10与第二温度传感器15的温度信息，调节碳素钢管12内部高温流体温度，电子控制单元9通过表面电位仪13的电位信息结合第三温度传感器17和第四温度传感器18的温度信息调节多模块热电化学电池组输出电压大小。
具体的，实现高温流体温度调节按需变化时，所需要的数据有：第一温度传感器10测得的防腐蚀测试箱体11入口端流体温度T1，第二温度传感器15测得的防腐蚀测试箱体11出口端流体温度T2。通过连接PID控制器2计算设定温度Ts与流体平均温度Tm之间的温差，其中Tm＝((T1+T2)/2；调节可控硅模块3的输出电压，进而改变电加热棒4的功率大小，实现调节高温流体温度。
实现对于多模块热电化学电池组的输出电压大小调节时，所需要的数据有：表面电位仪13测得的碳素钢管12表面负电位，第三温度传感器17测得的碳素钢管12表面温度Tg，第四温度传感器18测得的多模块热电化学电池组外表面空气环境温度Te。电子控制单元对比当前实际负电位与理论保护负电位(-850～-1250mV)大小，结合Tg与Te之间的差值求得每个热电化学电池模块19平均输出电压，计算所需增加或减少串联的热电化学电池模块19数量，通过电路控制接通位于该部分串联的热电化学电池模块19末端的电池与辅助阳极之间的线路，断开其他热电化学电池模块与辅助阳极之间的线路。从而到达对热电化学电池组的输出电压大小的控制作用，实现从理论上对于管道的防腐蚀效果。
为了更加清楚地表达上述装置的工作过程，本实施例还提供了一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统的控制方法，具体如下：
1)220V交流电源分别与PID控制器2、AC/DC转换器6、电子控制单元9连接提供运行所需电能；
2)AC/DC转换器6将220V交流电源的交流电转换为24V的直流电；PMW调速电磁阀7接收转换的直流电并调节直流电的占空比从而控制水泵8的扬程；水泵8为蓄水箱5中的流体的流动提供动力使得流体进行循环流动；
3)PID控制器2接收第一温度传感器10和第二温度传感器15传输的信息调节可控硅模块3的输出电压，进而改变电加热棒4的功率大小来对高温流体循环管路中的流体进行温度调节；
4)高温流体流经防腐蚀测试箱体时，高温流体与多模块热电化学电池组的一端进行热传导，形成高温热源；与此同时，多模块热电化学电池组另一端暴露在外部常温空气环境中形成低温冷源；多模块热电化学电池组、辅助阳极和碳素钢管表面连接，形成电流回路；
5)电子控制单元根据表面电位仪采集的碳素钢管表面电位信息，结合第三温度传感器、第四温度传感器采集的温度信息，控制多模块热电化学电池组的电位输出；当碳素钢管表面电位超出或低于防腐蚀电位范围时，电子控制单元通过选择所需多模块热电化学电池组的模块数量，接通位于该部分串联的热电化学电池模块末端的电池与辅助阳极之间的线路，断开其他热电化学电池模块与辅助阳极之间的线路；从而到达对热电化学电池组的输出电压大小的控制作用，在防腐蚀理论电位范围内起到防腐蚀的作用。
实现对于多模块热电化学电池组管道防腐蚀效果的呈现时，本发明采取添加对照组箱体的形式，以控制变量法，在防腐蚀测试箱体11与对照组箱体16内均添加盐水以模拟管道实际腐蚀环境，同时防腐蚀测试箱体11施加多模块热电化学电池组保护管道，对照组箱体16不做任何其他处理，对比观察一段时间后防腐蚀测试箱体11与对照组箱体16内碳素钢管12的腐蚀情况，实现从实际情况出发验证防腐蚀效果
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于，包括交流电源(1)、高温流体调节模块、水泵转速无极调节模块、电子控制单元(9)、防腐蚀测试箱；
所述交流电源用于为整个系统供电；所述水泵转速无极调节模块与防腐蚀测试箱体的入口连接，防腐蚀测试箱体的出口与水泵转速无极调节模块连接，组成高温流体循环管路；所述高温流体调节模块用于调节高温流体循环管路中流体的温度；
所述防腐蚀测试箱包括内部设置有盐水的防腐蚀测试箱体(11)以及设置在防腐蚀测试箱体内的碳素钢管(12)、设置在碳素钢管上的多模块热电化学电池组、用于检测碳素钢管(12)表面负电位的表面电位仪(13)、辅助阳极(14)、用于检测碳素钢管(12)表面温度的第三温度传感器(17)、用于检测多模块热电化学电池组外表面空气环境温度的第四温度传感器(18)；所述防腐蚀测试箱体(11)上开设有入口与出口，碳素钢管(12)的一端与防腐蚀测试箱体(11)的入口连通，另一端与防腐蚀测试箱体(11)的出口连通；所述多模块热电化学电池组的负极一端直接连接于碳素钢管(12)的表面，正极一端连接辅助阳极(14)；辅助阳极(14)与碳素钢管(12)通过防腐蚀箱体内部盐水导电；表面电位仪(13)与第三温度传感器(17)均设置于碳素钢管(12)表面，第四温度传感器(18)设置于多模块热电化学电池组外表面。
2.根据权利要求1所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：所述管道防腐蚀测试系统中还设置有用于与防腐蚀测试箱做效果对比的对照组箱；所述对照组箱设置在防腐蚀测试箱体的出口与水泵转速无极调节模块之间；所述对照组箱包括内部设置有盐水的对照组箱体(16)和用于对照的对照碳素钢管(21)；所述对照组箱体(16)上开设有入口与出口，对照碳素钢管(21)的一端与对照组箱体(16)的入口连通，另一端与对照组箱体(16)的出口连通。
3.根据权利要求1所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：所述高温流体调节模块包括PID控制器(2)、可控硅模块(3)、电加热棒(4)、第一温度传感器(10)以及第二温度传感器(15)；所述第一温度传感器(10)设置在防腐蚀测试箱的入口端用于检测入口端的流体温度T1，第二温度传感器(15)设置在防腐蚀测试箱的出口端用于检测出口端的流体温度T2；PID控制器(2)接收第一温度传感器(10)以及第二温度传感器(15)检测的信息并计算设定温度Ts与流体平均温度Tm之间的温差，其中Tm＝((T1+T2)/2；PID控制器(2)根据温差调节可控硅模块(3)的输出电压，进而改变电加热棒(4)的功率大小，实现调节高温流体循环管路中流体的温度。
4.根据权利要求1所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：所述水泵转速无极调节模块包括蓄水箱(5)、AC/DC转换器(6)、PMW调速电磁阀(7)与水泵(8)；所述AC/DC转换器(6)用于将交流电源(1)的交流电转换为24V的直流电；所述PMW调速电磁阀(7)用于接收转换的直流电并调节直流电的占空比从而控制水泵(8)的扬程；所述水泵(8)为蓄水箱(5)中的流体的流动提供动力。
5.根据权利要求1所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：所述多模块热电化学电池组包括多个串联的热电化学电池模块(19)；所述的热电化学电池模块(19)通过铜凸台(20)连接固定在碳素钢管(12)上，多模块热电化学电池组的首端热电化学电池模块(19)的负极一端连接在防腐蚀测试箱体(11)的碳素钢管(12)表面；所有热电化学电池模块(19)的正极一端均连接辅助阳极(14)，并通过电子控制单元(9)实现对整个多模块热电化学电池组输出电压的调节。
6.根据权利要求5所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：多模块热电化学电池组由多个热电化学电池模块(19)串联构成，并且每个热电化学电池模块正极均与辅助阳极(14)连接构成回路；电子控制单元(9)通过逐级控制热电化学电池组模块(19)与辅助阳极(14)的连接开断从而调节整个多模块热电化学电池组的输出电压。
7.根据权利要求5所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：所述铜凸台(20)由两个“半台架”组成，铜凸台由铝合金制造，外侧施加肋板，铜凸台四周以及平台上钻设有螺纹孔，铜凸台通过螺纹连接夹紧碳素钢管；热电化学电池模块通过铜凸台固定于碳素钢管上；铜凸台传导碳素钢管内部高温流体热量为热电化学电池组提供高温热源。
8.根据权利要求7所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统，其特征在于：铜凸台(20)能够360°范围内旋转并在任意角度固定。
9.一种如权利要求1所述的基于热电化学电池余热利用的管道防腐蚀测试系统的控制方法，其特征在于步骤如下：
1)接通交流电源为整个管道防腐蚀测试系统供电；
2)启动水泵转速无极调节模块，流体在高温流体循环管路中进行循环流动；
3)高温流体调节模块通电对高温流体循环管路中的流体进行温度调节；
4)高温流体流经防腐蚀测试箱体时，高温流体与多模块热电化学电池组的一端进行热传导，形成高温热源；与此同时，多模块热电化学电池组另一端暴露在外部常温空气环境中形成低温冷源；多模块热电化学电池组、辅助阳极和碳素钢管表面连接，形成电流回路；
5)电子控制单元根据表面电位仪采集的碳素钢管表面电位信息，结合第三温度传感器、第四温度传感器采集的温度信息，控制多模块热电化学电池组的电位输出，在防腐蚀理论电位范围内起到防腐蚀的作用。
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