中科院等单位的研究人员发布超导直流能源管道领域的研究进展

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将超导输电技术与液化天然气（LNG）管道输送技术相结合，形成能同时输送LNG与电力的能源管道，不仅可以节约能源通道，还可以利用LNG冷却超导电缆，提高能源输送效率和经济性，是一种极具前景的能源输送方式。在国家“智能电网与装备”重点研发计划的支持下，相关机构开展了超导直流能源管道的基础研究。 中国科学院应用超导重点实验室、中国科学院电工研究所、中国科学院大学等单位的研究人员张国民、陈建辉、邱清泉 等, 在2021年第21期《电工技术学报》上撰文，主要介绍了超导直流能源管道的基础研究项目近一年多的进展情况，主要包括：LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性，电力/LNG一体化输送动态稳定性判据，为安全性与故障演化分析而搭建的实验平台及初步实验结果，以及10m/10kV超导直流能源管道原理样机的研制与实验情况。

我国能源分布不均，电力与天然气资源多分布在西部，用户中心则分布在东部地区。为解决我国资源分布不均问题，国家部署了西电东送与西气东输工程，但这些工程也占据了紧张的能源通道。为此，有必要开展通道融合、能源集输问题的研究。

超导直流电缆具有载流能力高、损耗小等优点，但需要低温环境以维持其工作。尽管液氮冷却高温超导电缆的技术已基本成熟，但额外的低温冷却系统制约了高温超导输电技术实用化的进程。而以液体形式输送清洁燃料（如氢气、液化天然气、乙烯等）具有能量密度高、单位容积输送量大等优点，但同样也需要制冷和绝热环境。

将二者相结合，以低温燃料冷却超导电缆，共用制冷系统和绝热管道，构成电能和液体燃料一体化输送的新型系统——超导能源管道，可提高能源输送的整体效率、降低综合成本，符合能源大规模集输的基本要求，为能源互联网建设提供新的思路。

关于超导直流能源管道的研究，目前有液氢冷却超导电缆和液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）冷却超导电缆两种方式。液氢冷却超导电缆的设想和氢电混输超导能源管道的概念分别由日本和美国于20世纪末和21世纪初提出，美、日、俄等国相继开展了初步探索。中国科学院电工研究所与中国电力科学院也完成了小样机试验。

由于液氢温度为20K，远远低于高温超导体临界温度，液氢超导电缆能源管道在电力输送方面具有天然优势。然而，由于氢燃料产能有限，加之极低温制冷的经济性和液氢的安全性等问题，近期电力/液氢能源管道难以得到规模化应用。

随着天然气管道输送的迅速发展，采用LNG冷却超导电缆进行电力与LNG混输的超导能源管道的研究近年来逐渐发展起来。西安交通大学提出LNG浸泡超导电缆的方案，日本中部大学提出采用LNG管道为超导电缆提供冷屏的方案，中国科学院电工研究所等单位也提出了一些概念设计。虽然国内、外关于电力/LNG能源管道提出了一些结构设想，但实质性的研究还较少，尚处于概念设计阶段。

实现超导电力/LNG一体化输送，面临以下问题：

①温度匹配问题

LNG的温度是110K，与一代Bi系高温超导体的临界温度相当。在此温度下，高温超导带材没有载流能力。虽然铊系和汞系超导体的临界温度（125K和135K）高于110K，但铊系和汞系超导体含重金属（有毒），没有商品化的线（带）材。

解决温度匹配问题有两种方法：一是研制新的临界温度更高的实用化超导体，这是一条很好路线，但需要很长的时间和很多的人力物力投入，且能否研制出以及什么时间能研制出难以预测；另一种方法是，采用现有的一代Bi系商业带材，降低LNG的温度，如将LNG的温度降低至约85K，这时一代超导带材还有约一半的载流能力（大于100A），足以进行电力传输。且目前采用甲烷添加乙烷和丙烷，降低共晶点的技术比较成熟，所以，采用降低LNG凝固温度的方式是可行的（本项目也采取该技术路线），但需要保证LNG热值不减少，降温后粘度不增（不能凝固）。

②高效电热耦合与协同输送问题

要提高能源管道的能效，需充分利用LNG冷量为超导电缆提供工作环境；同时超导输电也不影响LNG的输送，维持动态稳定性，满足不同电力/ LNG需求下的可靠输送。

③安全问题

LNG是燃料，将超导电缆置于LNG中具有潜在的危险，必须做好主动、被动防御设计，减小电弧发生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影响。

若解决上述问题，需明确LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性；建立电力/LNG一体化输送动态稳定性及其协同控制方法。基于超导直流能源管道故障演化机理，提出安全防御策略；掌握安全、高效的超导直流能源管道系统设计技术；在解决上述问题的基础上，才能完成超导直流能源管道的研制与满功率运行，验证技术的可行性和优越性。

在国家“智能电网与装备”重点研发计划的支持下，目前有关机构已开展了超导直流能源管道的原理结构，LNG混合工质的固液相平衡及其传热、流动和绝缘特性，及能源管道的安全性等方面的研究。中科院等单位的研究人员撰文介绍了这些研究的进展情况。

图1 原理验证样机试验现场

图2 ±100kV/1kA超导直流能源管道结构

研究项目围绕超导直流能源管道的研制，开展了LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性、电力/LNG一体化输送动态稳定性及协同控制、以及超导直流能源管道故障演化等科学问题与安全、高效超导直流能源管道系统设计技术的研究，并取得以下科研成果。

1）研制了高精度的固液平衡实验平台，在实验研究的基础上，建立了可预测多元体系固液转变温度的固液相平衡模型，可同时实现气液及固液相平衡预测，甲烷+乙烷+丙烷三元共晶温度可低至60.09K，满足能源管道的冷却要求。

2）获得了电力/LNG一体化输送的相互影响规律以及动态稳定性判据，建立了LNG管输参数与超导电缆输电参数之间的联系，给出了LNG最小输送流量的计算公式，为能源管道协同控制奠定基础。

3）设计并研制了短路电流和绝缘击穿测试平台，与电弧能量测试平台，并进行了初步的实验测试，为超导直流能源管道安全性评估奠定实验基础。

4）完成了10m、10kV/1kA超导直流能源管道原理结构验证样机的研制与试验测试，实现了电力与LNG的一体化输送，在此基础上，给出了30m、±100kV/1kA超导直流能源管道总体结构设计方案。

在现有工作的基础上，后续研究将进一步深入开展以下内容：

1）30m、±100kV/1kA高温超导电缆本体的设计与研制。开展30m超导电缆本体的电磁、应力与绝缘设计，及应力堆设计，完成电缆本体的绕制与耐压测试。

2）能源管道终端的设计与研制。在低温大温度梯度下绝缘特性、传热特性等研究的基础上，完成终端杜瓦与高压电流引线的设计与研制。

3）完成30m、±100kV/1kA超导直流能源管道样机的集成与满功率实验测试，以验证超导直流能源管道的先进性与优越性。

以上研究成果发表在2021年第21期《电工技术学报》，论文标题为“超导直流能源管道的研究进展”，作者为张国民、陈建辉 等。

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