天然氣管道內無軸發電裝置設計與應用性能

摘 要：為實現天然氣管道運輸中運輸效率與實時監測，本文基于環氧樹脂絕緣填料，制備了一種更耐高溫的絕緣材料，并將其應用于基于風力機發電原理的燃氣管道內置發電機裝置的接線柱，獲得可以同時進行發電與數據的監控采集的管道內置發電裝置。同時，為最大限度利用管道內壓力能，對管道內置發電工藝進行了設計與仿真試驗。結果顯示：葉片旋轉半徑只與管道半徑有關，與其他參數無關；氣體密度與發電機械效率正相關，氣體密度與發電機械效率共同決定了發電最大功率；升力型發電最大力矩70N.M，發電功率35～55 kW，該裝置適用于中高壓天然氣管道發電，但發電功率波動范圍大；阻力型葉片更寬更重，轉速更低，發電最大力矩16 N.M，發電功率41～92 W，該裝置只適用于調壓站內監測裝置供電。

關鍵詞：發電工藝；無軸發電；管道內發電裝置設計

中圖分類號：TE0；TQ055.8 + 1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0119-04

Design and application performance of shaftless powergeneration device in natural gas pipeline

WANG Yang 1 ，ZHANG Ran 1，2 ，LIAO Yang 1

（1. School of Mechanical Engineering， Xihua University，Chengdu 610039，China；

2. School of Petroleum Engineering， Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China）

Abstract：In order to achieve transportation efficiency and real-time monitoring of natural gas pipeline transporta?tion，this paper prepares a higher temperature resistant insulation material based on epoxy resin insulation filling，and applies it to the terminal of a gas pipeline built-in generator device based on wind turbine power generationprinciple，obtaining a pipeline built-in power generation device that can simultaneously generate electricity andmonitor data collection. Meanwhile，to maximize the utilization of pressure energy inside the pipeline，design andsimulation experiments were conducted on the built-in power generation process in the pipeline. The resultsshowed that the blade rotation radius was only related to the pipeline radius and was independent of other parame?ters. Gas density was positively correlated with the efficiency of power generation machinery，and together with theefficiency of power generation machinery，gas density determined the maximum power generation. The maximumtorque for lift type power generation was 70 N.M. The power generation was between 35 kW and 55 kW，and this de?vice was suitable for medium and high-pressure natural gas pipeline power generation，but the fluctuation range ofpower generation was large. Resistance type blades were wider and heavier，with lower rotational speed and a maxi? mum torque of 16 N.M. The power generation was 41～92 W，and this device was only suitable for supplying powerto monitoring devices inside the regulating station.

Key words：power generation process；shaftless power generation；design of power generation devices inside pipe?Lines

近年來，我國天然氣消費量逐年遞增，城鎮居民用氣量增長迅速。目前，以多段管道所組成的管道輸送是天然氣的主要運輸方式，可以輸送大量的天然氣，以滿足生產、生活需求 [1-2] 。根據輸送的距離和需求量可以選擇不同的管道尺寸和材質 [3] ，并在管道內安裝壓縮機、減壓裝置、流量計等設備 [4] ，保證天然氣的安全運輸。天然氣的城市管網設計壓力在1.6～4.0MPa之間，故需在各城市門站進行調壓，但調壓會使壓力完全消耗于克服流動阻力，而浪費大量能量 [5] 。為減少天然氣壓力能量的浪費，依據風力機空氣動力學原理的管道內置發電工藝 [6] ，可以利用管道內的壓差進行發電，即使用中高壓天然氣所帶的動能進行發電 [7] ，并同時實現發電以及天然氣管道氣流狀態的監控和數據采集 [8-9] 。因此，本文首先在環氧樹脂絕緣填料的基礎上，制備了一種更耐高溫的絕緣填料 [10] ，用于灌注管道內置發電裝置的接線柱，再將其應用于余壓利用最高的管道內置發電工藝，結合風力機發電原理，設計管道內置發電裝置。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：環氧樹脂（E21）（巴陵石油化工有限責任公司）；酚醛樹脂（PF）（山東圣泉新材料股份有限公司）；苯氧樹脂1256（PO）（上海眾司實業有限公司）；N，N-二甲基甲酰胺（DMF）（上海樹脂廠）；液晶樹脂（東莞市華億塑膠原料有限公司）；偶聯劑（FD-560）（廣州佳壕化工科技有限公司）；丁腈橡膠（阿朗新科高性能彈性體（常州）有限公司）；納米氮化硼（粒徑50 nm，上海阿拉丁科技股份有限公司）；球形氧化鋁（粒徑 0.2 μm，河南良友環保科技有限公司）；氧化鋁（粒徑 1 μm、2 μm，廊坊鵬彩精細化工有限公司）；丁酮（純度≥99.5%，賽默飛科技）。

主要設備：電子天平（ XPR504SDR/AC型，梅特勒托利多國際有限公司）；超聲分散儀（SM-900D型，南京舜瑪儀器設備有限公司）；導熱系數測定儀（DZ?DR-S型，南京大展檢測儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 絕緣填料的制備

本試驗管道內置發電裝置中高壓密封接線柱使用絕緣填料灌注。在環氧樹脂絕緣填料的基礎上，加入適宜材料改性環氧樹脂，獲得更耐高溫的絕緣填料，具體的制備步驟如下：使用超聲機將質量比為2∶3∶3的環氧樹脂E21、DMF、丁酮充分混合均勻，再加入酚醛樹脂、苯氧樹脂、分散劑、偶聯劑，在1.2×10 3 r/min的轉速下攪拌5min [11-12] ；使用丁酮，在1∶4的質量比下，使丁腈橡膠完全溶脹，并在800 r/min下攪拌2 h，得到丁腈橡膠-丁酮混液。將液晶與固化劑超分別以1∶4的質量比超聲分散于DMF中，得到液晶-DMF混液、固化劑-DMF混液；將制備好3種混液加入至上述環氧樹脂混液中，在1.5×10 3 r/min下繼續速攪拌0.5h。隨后在1.0×10 3 r/min下緩慢加入納米氮化硼、0.2 μm球形氧化鋁、1 μm氧化鋁以及2.2 μm氧化鋁，在2.0×10 3 r/min下繼續攪拌2 h，再超聲0.5 h，排出膠體中的氣泡，并靜置8 h；向得到絕緣膠中加入有機溶劑，得到黏度在2.4×10 3 MPa·s左右的絕緣膠，再將其過200目篩 [13] 。

根據上述步驟，分別制備環氧樹脂E21、苯氧樹脂、酚醛樹脂、填料質量比為2∶1∶2∶20和4∶3∶2∶45的絕緣填料，分別記為填料1和填料2，其中填料是指質量比為1∶30∶10∶10的納米氮化硼、0.2μm、1μm、2.2μm氧化鋁。

1.2.2 性能測試

（1）導熱性能測試。使用涂布棒將絕緣填料膠體涂在離型膜上，使用導熱系數測試儀測量絕緣膜的導熱系數；

（2）剝離強度測試。使用涂布棒將絕緣填料膠體涂在離型膜上，在將半固化的絕緣膜通過敷膜和熱壓合的方式，壓合于表面處理劑處理過的鋁板表面，并進行剝離強度測試；

（3）電阻率測試。使用耐電壓/絕緣測試儀測量所制備絕緣材料的電阻率。

2 結果與分析

由圖1絕緣填料的性能測試結果可知，填料2的導熱系數和剝離強度優于填料1，電阻率則相差不大，這說明填料2的性能較填料1更好，故后續采用填料2制備管道內置發電裝置。

3 實際應用

3.1 管道內置發電裝置的制備

本文所制備燃氣管道內置發電裝置包括葉輪、發電設備、接管式外殼以及接線出口，在工作時，高中壓的管道燃氣推動葉輪轉動，從而帶動發電設備發電，而發出的電力則會通過接線出口引至管道外部供用電設備使用，在這個過程中的能量形式轉化為壓力能—動能—電能 [14] 。此裝置設置為管道形狀，接入天然氣原管段，裝置兩端連接燃氣管道。

3.2 管道內置發電裝置模型的性能測試

使用理想氣體狀態方程與貝茨極限，建立模型，預估發電潛能。根據二級調壓站的壓力與密度，計算壓力釋放時的氣體流速，從而確定發電參數。

3.2.1 發電潛能

根據二級調壓站天然氣管網壓力4 MPa，管道直徑200 mm，流量為1×10 5 m 3 /d，天然氣的體積流量為1.157 m 3 /s，流速為36.8 m/s，計算不同壓力下，天然氣的密度、流速，根據壓力和流速在不同管道直徑下的工況，計算發電潛能 [17] 。

（1）氣體密度與壓力。利用理想氣體狀態方程，計算氣體的壓力與流速。

3.2.2 發電參數確定由于二級調壓站200 mm直徑管道，氣體流速過大，達549.9 m/s，需要旁通一條發電管道，設計管道直徑500 mm，氣體流速88 m/s，計算發電功率214 kW。

使用NACA4412翼型，參數見表4。

根據葉片元素理論，計算分段弦長，由 λ 葉尖速比與最佳葉片數的關系（ λ=3 ）片時，最佳葉片數量為3～5片，選擇5葉片葉輪，對升力型與阻力型的葉片進行對比。

3.3 管道內置發電裝置模型的模型仿真使用fluent流體軟件，按照表4參數對其進行仿真 [20] 。得到轉矩與轉速，計算其發電功率。

由圖2可知，升力型比阻力型扭矩更高，但是力矩的震蕩也更大，阻力型發電力矩更小，但比較平穩。根據力矩與轉速，得出升力型和阻力型葉片的發電功率，如圖3～圖4所示。

4 結語

本文首先制備了一種耐高溫的絕緣材料，并將其應用于基于風力機發電原理的燃氣管道內置發電機裝置的接線柱，以實現同時進行發電以及數據的監控采集。主要結論如下：

（1）本試驗所制備的樹脂絕緣填料性能優異，可以實現耐高溫的目的；

（2）升力型與阻力型2種模型均滿足發電要求，升力型適用于高功率發電，發電功率在35～55 kW之間，可輸出于電網；阻力型發電功率在41～92 W，可對調壓站內監測裝置供電，增加管網的智能性。

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（責任編輯：張玉平）