摘 要：為實現(xiàn)天然氣管道運輸中運輸效率與實時監(jiān)測，本文基于環(huán)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(fā)電原理的燃氣管道內(nèi)置發(fā)電機裝置的接線柱，獲得可以同時進行發(fā)電與數(shù)據(jù)的監(jiān)控采集的管道內(nèi)置發(fā)電裝置。同時，為最大限度利用管道內(nèi)壓力能，對管道內(nèi)置發(fā)電工藝進行了設(shè)計與仿真試驗。結(jié)果顯示：葉片旋轉(zhuǎn)半徑只與管道半徑有關(guān)，與其他參數(shù)無關(guān)；氣體密度與發(fā)電機械效率正相關(guān)，氣體密度與發(fā)電機械效率共同決定了發(fā)電最大功率；升力型發(fā)電最大力矩70N.M，發(fā)電功率35～55 kW，該裝置適用于中高壓天然氣管道發(fā)電，但發(fā)電功率波動范圍大；阻力型葉片更寬更重，轉(zhuǎn)速更低，發(fā)電最大力矩16 N.M，發(fā)電功率41～92 W，該裝置只適用于調(diào)壓站內(nèi)監(jiān)測裝置供電。

關(guān)鍵詞：發(fā)電工藝；無軸發(fā)電；管道內(nèi)發(fā)電裝置設(shè)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(zhèn)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(chǎn)、生活需求 [1-2] 。根據(jù)輸送的距離和需求量可以選擇不同的管道尺寸和材質(zhì) [3] ，并在管道內(nèi)安裝壓縮機、減壓裝置、流量計等設(shè)備 [4] ，保證天然氣的安全運輸。天然氣的城市管網(wǎng)設(shè)計壓力在1.6～4.0MPa之間，故需在各城市門站進行調(diào)壓，但調(diào)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(jù)風力機空氣動力學原理的管道內(nèi)置發(fā)電工藝 [6] ，可以利用管道內(nèi)的壓差進行發(fā)電，即使用中高壓天然氣所帶的動能進行發(fā)電 [7] ，并同時實現(xiàn)發(fā)電以及天然氣管道氣流狀態(tài)的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 [8-9] 。因此，本文首先在環(huán)氧樹脂絕緣填料的基礎(chǔ)上，制備了一種更耐高溫的絕緣填料 [10] ，用于灌注管道內(nèi)置發(fā)電裝置的接線柱，再將其應用于余壓利用最高的管道內(nèi)置發(fā)電工藝，結(jié)合風力機發(fā)電原理，設(shè)計管道內(nèi)置發(fā)電裝置。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：環(huán)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(yè)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(lián)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(huán)?？萍加邢薰荆?；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(shè)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(shè)備有限公司）；導熱系數(shù)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(nèi)置發(fā)電裝置中高壓密封接線柱使用絕緣填料灌注。在環(huán)氧樹脂絕緣填料的基礎(chǔ)上，加入適宜材料改性環(huán)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(zhì)量比為2∶3∶3的環(huán)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(lián)劑，在1.2×10 3 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌5min [11-12] ；使用丁酮，在1∶4的質(zhì)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(zhì)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(huán)氧樹脂混液中，在1.5×10 3 r/min下繼續(xù)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(xù)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(jù)上述步驟，分別制備環(huán)氧樹脂E21、苯氧樹脂、酚醛樹脂、填料質(zhì)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(zhì)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(shù)測試儀測量絕緣膜的導熱系數(shù)；

（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(jié)果與分析

由圖1絕緣填料的性能測試結(jié)果可知，填料2的導熱系數(shù)和剝離強度優(yōu)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(xù)采用填料2制備管道內(nèi)置發(fā)電裝置。

3 實際應用

3.1 管道內(nèi)置發(fā)電裝置的制備

本文所制備燃氣管道內(nèi)置發(fā)電裝置包括葉輪、發(fā)電設(shè)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(zhuǎn)動，從而帶動發(fā)電設(shè)備發(fā)電，而發(fā)出的電力則會通過接線出口引至管道外部供用電設(shè)備使用，在這個過程中的能量形式轉(zhuǎn)化為壓力能—動能—電能 [14] 。此裝置設(shè)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(nèi)置發(fā)電裝置模型的性能測試

使用理想氣體狀態(tài)方程與貝茨極限，建立模型，預估發(fā)電潛能。根據(jù)二級調(diào)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(fā)電參數(shù)。

3.2.1 發(fā)電潛能

根據(jù)二級調(diào)壓站天然氣管網(wǎng)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(jù)壓力和流速在不同管道直徑下的工況，計算發(fā)電潛能 [17] 。

（1）氣體密度與壓力。利用理想氣體狀態(tài)方程，計算氣體的壓力與流速。

3.2.2 發(fā)電參數(shù)確定由于二級調(diào)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(fā)電管道，設(shè)計管道直徑500 mm，氣體流速88 m/s，計算發(fā)電功率214 kW。

使用NACA4412翼型，參數(shù)見表4。

根據(jù)葉片元素理論，計算分段弦長，由 λ 葉尖速比與最佳葉片數(shù)的關(guān)系（ λ=3 ）片時，最佳葉片數(shù)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(nèi)置發(fā)電裝置模型的模型仿真使用fluent流體軟件，按照表4參數(shù)對其進行仿真 [20] 。得到轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，計算其發(fā)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(fā)電力矩更小，但比較平穩(wěn)。根據(jù)力矩與轉(zhuǎn)速，得出升力型和阻力型葉片的發(fā)電功率，如圖3～圖4所示。

4 結(jié)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(fā)電原理的燃氣管道內(nèi)置發(fā)電機裝置的接線柱，以實現(xiàn)同時進行發(fā)電以及數(shù)據(jù)的監(jiān)控采集。主要結(jié)論如下：

（1）本試驗所制備的樹脂絕緣填料性能優(yōu)異，可以實現(xiàn)耐高溫的目的；

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

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（責任編輯：張玉平）