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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(qū)。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(jù)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(dǎo)直流電纜具有載流能力高、損耗小等優(yōu)點，但需要低溫環(huán)境才能維持其工作。盡管液氮冷卻高溫超導(dǎo)電纜的技術(shù)已基本成熟，但額外的低溫冷卻系統(tǒng)制約了高溫超導(dǎo)輸電技術(shù)實用化的進(jìn)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(yōu)點，但同樣也需要制冷和絕熱環(huán)境。

將二者相結(jié)合，以低溫燃料冷卻超導(dǎo)電纜，共用制冷系統(tǒng)和絕熱管道，構(gòu)成電能和液體燃料一體化輸送的新型系統(tǒng)——超導(dǎo)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(guī)模集輸?shù)幕疽?，為能源互?lián)網(wǎng)建設(shè)提供新的思路。

關(guān)于超導(dǎo)直流能源管道的研究，目前有液氫冷卻超導(dǎo)電纜和液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）冷卻超導(dǎo)電纜兩種方式。液氫冷卻超導(dǎo)電纜的設(shè)想和氫電混輸超導(dǎo)能源管道的概念分別由日本和美國于20世紀(jì)末和21世紀(jì)初提出，美、日、俄等國相繼開展了初步探索。中國科學(xué)院電工研究所與中國電力科學(xué)院也完成了小樣機試驗。

由于液氫溫度為20K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高溫超導(dǎo)體臨界溫度，液氫超導(dǎo)電纜能源管道在電力輸送方面具有天然優(yōu)勢。然而，由于氫燃料產(chǎn)能有限，加之極低溫制冷的經(jīng)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(guī)模化應(yīng)用。

隨著天然氣管道輸送的迅速發(fā)展，采用LNG冷卻超導(dǎo)電纜進(jìn)行電力與LNG混輸?shù)某瑢?dǎo)能源管道的研究近年來逐漸發(fā)展起來。西安交通大學(xué)提出LNG浸泡超導(dǎo)電纜的方案，日本中部大學(xué)提出采用LNG管道為超導(dǎo)電纜提供冷屏的方案，中國科學(xué)院電工研究所等單位也提出了一些概念設(shè)計。雖然國內(nèi)、外關(guān)于電力/LNG能源管道提出了一些結(jié)構(gòu)設(shè)想，但實質(zhì)性的研究還較少，尚處于概念設(shè)計階段。

實現(xiàn)超導(dǎo)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(dǎo)體的臨界溫度相當(dāng)。在此溫度下，高溫超導(dǎo)帶材沒有載流能力。雖然鉈系和汞系超導(dǎo)體的臨界溫度（125K和135K）高于110K，但鉈系和汞系超導(dǎo)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(dǎo)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(yù)測；另一種方法是，采用現(xiàn)有的一代Bi系商業(yè)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(dǎo)帶材還有約一半的載流能力（大于100A），足以進(jìn)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(shù)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(shù)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(xié)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(dǎo)電纜提供工作環(huán)境；同時超導(dǎo)輸電也不影響LNG的輸送，維持動態(tài)穩(wěn)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(dǎo)電纜置于LNG中具有潛在的危險，必須做好主動、被動防御設(shè)計，減小電弧發(fā)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(zhì)的低溫液固轉(zhuǎn)變機理及傳熱流動特性；建立電力/LNG一體化輸送動態(tài)穩(wěn)定性及其協(xié)同控制方法?；诔瑢?dǎo)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(dǎo)直流能源管道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；在解決上述問題的基礎(chǔ)上，才能完成超導(dǎo)直流能源管道的研制與滿功率運行，驗證技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。

在國家“智能電網(wǎng)與裝備”重點研發(fā)計劃的支持下，目前有關(guān)機構(gòu)已開展了超導(dǎo)直流能源管道的原理結(jié)構(gòu)，LNG混合工質(zhì)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(jìn)展情況。

圖1 原理驗證樣機試驗現(xiàn)場

圖2 ±100kV/1kA超導(dǎo)直流能源管道結(jié)構(gòu)

研究項目圍繞超導(dǎo)直流能源管道的研制，開展了LNG混合工質(zhì)的低溫液固轉(zhuǎn)變機理及傳熱流動特性、電力/LNG一體化輸送動態(tài)穩(wěn)定性及協(xié)同控制、以及超導(dǎo)直流能源管道故障演化等科學(xué)問題與安全、高效超導(dǎo)直流能源管道系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)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(chǔ)上，建立了可預(yù)測多元體系固液轉(zhuǎn)變溫度的固液相平衡模型，可同時實現(xiàn)氣液及固液相平衡預(yù)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(guī)律以及動態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)，建立了LNG管輸參數(shù)與超導(dǎo)電纜輸電參數(shù)之間的聯(lián)系，給出了LNG最小輸送流量的計算公式，為能源管道協(xié)同控制奠定基礎(chǔ)。

3）設(shè)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(jìn)行了初步的實驗測試，為超導(dǎo)直流能源管道安全性評估奠定實驗基礎(chǔ)。

4）完成了10m、10kV/1kA超導(dǎo)直流能源管道原理結(jié)構(gòu)驗證樣機的研制與試驗測試，實現(xiàn)了電力與LNG的一體化輸送，在此基礎(chǔ)上，給出了30m、±100kV/1kA超導(dǎo)直流能源管道總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究將進(jìn)一步深入開展以下內(nèi)容：

1）30m、±100kV/1kA高溫超導(dǎo)電纜本體的設(shè)計與研制。開展30m超導(dǎo)電纜本體的電磁、應(yīng)力與絕緣設(shè)計，及應(yīng)力堆設(shè)計，完成電纜本體的繞制與耐壓測試。

2）能源管道終端的設(shè)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(chǔ)上，完成終端杜瓦與高壓電流引線的設(shè)計與研制。

3）完成30m、±100kV/1kA超導(dǎo)直流能源管道樣機的集成與滿功率實驗測試，以驗證超導(dǎo)直流能源管道的先進(jìn)性與優(yōu)越性。

以上研究成果發(fā)表在2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“超導(dǎo)直流能源管道的研究進(jìn)展”，作者為張國民、陳建輝 等。