[发明专利]海底管道自发电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种海底管道流体自发电装置。尤其关于一种耐高压，可靠性高的，气密性好的发电装置，能够实现在深海处为检测/监测设备供电。

背景技术

现阶段海底油气田得到了很大开发，需要铺设海底油气管道进行运输。这些管道的铺设成本高、施工质量要求高，对管道的材料和性能有严格要求。所以需要检测/监测仪器测量和监测管道各方面安全参数，确保安全输送。

目前深海仪器主要依靠地面供电系统，铺设电缆进行供电。该供电方式存在成本高、可靠性低、线路易老化、不易维护等不足。因此海底仪器设备供电是一个不易解决的问题。

深海处可直接利用的能源极少，现有的一些自发电设备利用海底洋流发电。但由于洋流的地理分布不均匀，该发电装置不具有普遍适用性，只有在洋流流经区域才能使用。管道内的流体（液体或气体）具有动能，可以利用其进行发电，并将电能存储利用。

现阶段利用管道流体发电的装置有些将叶片置于主管道中，有些将部分发电叶片置于主管道中。这样在清理主管道时就避免不了要拆除整个发电装置，对管道清理工作产生不便， 对管道内流体的正常流通也会造成影响。同时，管道发电设备需要通过导线将电流导出，在密闭性要求高、外界压强大的海底，打孔走线会带来极大的安全隐患，这就对发电设备的内部结构提出了更高的要求。

另外利用管道流体发电还应考虑到其对发电设备的腐蚀，凡是与流体有直接接触的部件都必须有很强的耐腐蚀性。这样才能保证发电装置能够在腐蚀性流体中长期稳定的工作。

如何能够在满足海底高压和流体腐蚀的情况下，实现安全、可靠、稳定的自发电，并为相关检测/监测仪器供电，是一个亟待解决的问题。

发明内容  

本发明主要针对背景技术中海底高压环境发电困难，陆地管道发电设备不宜直接迁移到海底使用，以及发电叶片安装位置等不足，提供了一种海底管道自发电装置，该自发电装置具有结构简单、安装调试方便、可靠性高、密封性好、耐腐蚀、耐高压的特点。

为了解决安装叶片在主管道时对主管道的影响，在主管道上开通分支管道（图1），将发电机装置用法兰盘固定安装成支管道一部分。利用分支管道中的流体带动叶片转动实现发电。

（1）主管道流速与分支管道流速计算如下：

已知分流前主管道流体（不可压缩流体）流速为，主管道直径为D，支管道直径为d。流体密度为                                                ，管道绝对粗糙度为Δ，流体的运动粘度为，支管道局部损失系数为。主管道和支管道总长度分别为，夹角为θ，主支管道具体尺寸如图2。计算分流后主管道流速，支管道流速。

首先计算出主管道和支管道的相对粗糙度分别为：，

再从莫迪图上根据流动的对应区域，查出主管道和支管道沿程阻力系数为：

分流前的总流量：

。

根据分流原理主支管道水头损失相等：

。

支管道入口处局部损失系数为：

。

然后假设主管道流量：，设置试算误差：

雷诺系数：

。

经过多次试算和雷诺系数及沿程阻尼系数校验计算，可得到、的值，进而计算出分流后主管道流速，支管道流速。

为了满足发电装置在海底有良好的密封性，本发明在电机结构上做了改进。把永磁铁安装在旋转叶片的外圆周上作为发电机转子，主设备腔体外壁上附有铜丝线圈作为发电机定子。主腔体选用磁导率接近空气的奥氏体不锈钢，对磁力线无屏蔽作用，管道中流体（如：石油、天然气）对磁力线亦无屏蔽作用。磁力线可穿过流体及腔体壁，在腔体壁外侧线圈内形成磁通。当永磁铁随叶片转动时，线圈内磁通随时间变化产生交流电。

（2）以下是对发电装置功率的计算：

经ANSYS仿真计算得叶片端部线速度，叶片半径为r，转速（rad/min）。叶片上永磁铁个数为n，永磁铁矫顽力为Hc，磁极面积为S。流体、腔体材料、空气导磁率依次为：，每种物质的径向长度为：，每个线圈匝数为N，电阻为R。

首先计算三种介质的径向磁阻为：

。

磁通量最大值为：

。

叶片转速为：

。

线圈磁通为：

。

每个线圈两端电压为：

。

发电总功率为：

。

本发明专利的特征在于：