- 頭條中科院等單位的研究人員發布超導直流能源管道領域的研究進展2022-03-24 作者：張國民、陳建輝、邱清泉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語將超導輸電技術與液化天然氣（LNG）管道輸送技術相結合，形成能同時輸送LNG與電力的能源管道，不僅可以節約能源通道，還可以利用LNG冷卻超導電纜，提高能源輸送效率和經濟性，是一種極具前景的能源輸送方式。在國家“智能電網與裝備”重點研發計劃的支持下，相關機構開展了超導直流能源管道的基礎研究。 中國科學院應用超導重點實驗室、中國科學院電工研究所、中國科學院大學等單位的研究人員張國民、陳建輝、邱清泉 等, 在2021年第21期《電工技術學報》上撰文，主要介紹了超導直流能源管道的基礎研究項目近一年多的進展情況，主要包括：LNG混合工質的低溫液固轉變機理及傳熱流動特性，電力/LNG一體化輸送動態穩定性判據，為安全性與故障演化分析而搭建的實驗平臺及初步實驗結果，以及10m/10kV超導直流能源管道原理樣機的研制與實驗情況。
我國能源分布不均，電力與天然氣資源多分布在西部，用戶中心則分布在東部地區。為解決我國資源分布不均的問題，國家部署了西電東送與西氣東輸工程，但這些工程也占據了緊張的能源通道。為此，有必要開展通道融合、能源集輸問題的研究。
超導直流電纜具有載流能力高、損耗小等優點，但需要低溫環境才能維持其工作。盡管液氮冷卻高溫超導電纜的技術已基本成熟，但額外的低溫冷卻系統制約了高溫超導輸電技術實用化的進程。而以液體形式輸送清潔燃料（如氫氣、液化天然氣、乙烯等）具有能量密度高、單位容積輸送量大等優點，但同樣也需要制冷和絕熱環境。
將二者相結合，以低溫燃料冷卻超導電纜，共用制冷系統和絕熱管道，構成電能和液體燃料一體化輸送的新型系統——超導能源管道，可提高能源輸送的整體效率、降低綜合成本，符合能源大規模集輸的基本要求，為能源互聯網建設提供新的思路。
關于超導直流能源管道的研究，目前有液氫冷卻超導電纜和液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）冷卻超導電纜兩種方式。液氫冷卻超導電纜的設想和氫電混輸超導能源管道的概念分別由日本和美國于20世紀末和21世紀初提出，美、日、俄等國相繼開展了初步探索。中國科學院電工研究所與中國電力科學院也完成了小樣機試驗。
由于液氫溫度為20K，遠遠低于高溫超導體臨界溫度，液氫超導電纜能源管道在電力輸送方面具有天然優勢。然而，由于氫燃料產能有限，加之極低溫制冷的經濟性和液氫的安全性等問題，近期電力/液氫能源管道難以得到規模化應用。
隨著天然氣管道輸送的迅速發展，采用LNG冷卻超導電纜進行電力與LNG混輸的超導能源管道的研究近年來逐漸發展起來。西安交通大學提出LNG浸泡超導電纜的方案，日本中部大學提出采用LNG管道為超導電纜提供冷屏的方案，中國科學院電工研究所等單位也提出了一些概念設計。雖然國內、外關于電力/LNG能源管道提出了一些結構設想，但實質性的研究還較少，尚處于概念設計階段。
實現超導電力/LNG一體化輸送，面臨以下問題：
①溫度匹配問題
LNG的溫度是110K，與一代Bi系高溫超導體的臨界溫度相當。在此溫度下，高溫超導帶材沒有載流能力。雖然鉈系和汞系超導體的臨界溫度（125K和135K）高于110K，但鉈系和汞系超導體含重金屬（有毒），沒有商品化的線（帶）材。
解決溫度匹配問題有兩種方法：一是研制新的臨界溫度更高的實用化超導體，這是一條很好的路線，但需要很長的時間和很多的人力物力投入，且能否研制出以及什么時間能研制出難以預測；另一種方法是，采用現有的一代Bi系商業帶材，降低LNG的溫度，如將LNG的溫度降低至約85K，這時一代超導帶材還有約一半的載流能力（大于100A），足以進行電力傳輸。且目前采用甲烷添加乙烷和丙烷，降低共晶點的技術比較成熟，所以，采用降低LNG凝固溫度的方式是可行的（本項目也采取該技術路線），但需要保證LNG熱值不減少，降溫后粘度不增（不能凝固）。
②高效電熱耦合與協同輸送問題
要提高能源管道的能效，需充分利用LNG冷量為超導電纜提供工作環境；同時超導輸電也不影響LNG的輸送，維持動態穩定性，滿足不同電力/ LNG需求下的可靠輸送。
③安全問題
LNG是燃料，將超導電纜置于LNG中具有潛在的危險，必須做好主動、被動防御設計，減小電弧發生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影響。
若解決上述問題，需明確LNG混合工質的低溫液固轉變機理及傳熱流動特性；建立電力/LNG一體化輸送動態穩定性及其協同控制方法。基于超導直流能源管道故障演化機理，提出安全防御策略；掌握安全、高效的超導直流能源管道系統設計技術；在解決上述問題的基礎上，才能完成超導直流能源管道的研制與滿功率運行，驗證技術的可行性和優越性。
在國家“智能電網與裝備”重點研發計劃的支持下，目前有關機構已開展了超導直流能源管道的原理結構，LNG混合工質的固液相平衡及其傳熱、流動和絕緣特性，及能源管道的安全性等方面的研究。中科院等單位的研究人員撰文介紹了這些研究的進展情況。
圖1 原理驗證樣機試驗現場
圖2 ±100kV/1kA超導直流能源管道結構
研究項目圍繞超導直流能源管道的研制，開展了LNG混合工質的低溫液固轉變機理及傳熱流動特性、電力/LNG一體化輸送動態穩定性及協同控制、以及超導直流能源管道故障演化等科學問題與安全、高效超導直流能源管道系統設計技術的研究，并取得以下科研成果。
1）研制了高精度的固液平衡實驗平臺，在實驗研究的基礎上，建立了可預測多元體系固液轉變溫度的固液相平衡模型，可同時實現氣液及固液相平衡預測，甲烷+乙烷+丙烷三元共晶溫度可低至60.09K，滿足能源管道的冷卻要求。
2）獲得了電力/LNG一體化輸送的相互影響規律以及動態穩定性判據，建立了LNG管輸參數與超導電纜輸電參數之間的聯系，給出了LNG最小輸送流量的計算公式，為能源管道協同控制奠定基礎。
3）設計并研制了短路電流和絕緣擊穿測試平臺，與電弧能量測試平臺，并進行了初步的實驗測試，為超導直流能源管道安全性評估奠定實驗基礎。
4）完成了10m、10kV/1kA超導直流能源管道原理結構驗證樣機的研制與試驗測試，實現了電力與LNG的一體化輸送，在此基礎上，給出了30m、±100kV/1kA超導直流能源管道總體結構設計方案。
在現有工作的基礎上，后續研究將進一步深入開展以下內容：
1）30m、±100kV/1kA高溫超導電纜本體的設計與研制。開展30m超導電纜本體的電磁、應力與絕緣設計，及應力堆設計，完成電纜本體的繞制與耐壓測試。
2）能源管道終端的設計與研制。在低溫大溫度梯度下絕緣特性、傳熱特性等研究的基礎上，完成終端杜瓦與高壓電流引線的設計與研制。
3）完成30m、±100kV/1kA超導直流能源管道樣機的集成與滿功率實驗測試，以驗證超導直流能源管道的先進性與優越性。
以上研究成果發表在2021年第21期《電工技術學報》，論文標題為“超導直流能源管道的研究進展”，作者為張國民、陳建輝 等。
