[發明專利]低溫燃料冷卻阻燃氣體保護的超導能源管道

在審

• 申請號: 201710442123.4
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107300129A
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發明（設計）人: 邱清泉;靖立偉;李振明;宋乃浩;滕玉平;張志豐;肖立業;張國民;丘明
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所;中國電力科學研究院;國家電網公司;國網江蘇省電力公司電力科學研究院
• 主分類號: F17D1/08
• 分類號: F17D1/08;F17D1/04;H01B12/14;H01B12/16
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種應用于能源互聯網領域的超導能源管道。

背景技術

由于我國電力資源與負荷資源分布極度不匹配，電力的遠距離輸送不可避免，特別是未來可再生能源的規模開發與利用，將會進一步加劇這種不匹配的格局，大規模的電力遠距離輸送在我國尤其重要。盡管特高壓輸電技術在大容量、遠距離輸送方面與傳統高壓輸電方式相比有較大的優勢，但仍需占用大量的輸電走廊。高溫超導電纜利用超導體的零電阻高密度載流能力，可以在更低的電壓等級上實現比特高壓更大的傳輸容量。然而，為了推動超導輸電電纜的規?；瘧茫残枰l展大冷量、長壽命且高可靠性的低溫循環冷卻系統。近年來，隨著氫氣和天然氣資源的大規模開發利用，資源氣體的液化集輸技術也變得尤為重要。鑒于超導輸電電纜對低溫冷卻循環系統的迫切需求，以及低溫制冷技術的成熟和規?；?，對于超導直流輸電電纜需要的冷卻系統，如果采用液氫和液化天然氣等燃料的混合工質(混合工質溫度85～90K)作為高溫超導電纜的冷卻載冷劑，同時混合工質自身作為低溫燃料實現遠距離輸運，間隔配置低溫制冷機補償載冷劑漏冷損失，就可實現輸電和輸氣的一體化。這是因為，一方面，目前已有的Bi系、Y系、Tl系和Hg系高溫超導材料的臨界溫度均已超過了上述混合工質冷卻所可達到的溫度，Bi系高溫超導帶材在90K溫度下臨界電流可達100A左右，而85K低溫制冷技術的相對卡諾效率也可達20％左右，從設備造價和制冷效率兩個方面來看，已具備研制輸電輸氣一體化“超導直流能源管道”的可行性；另一方面，由于可再生能源具有波動性的特點，利用可再生能源制備天然氣或氫氣，不僅可將不可調度的波動能源轉變成可調度的能源，而且可用于超導輸電電纜的冷卻，這對于降低輸電輸氣系統的整體造價具有非常重要的意義。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院提出能源管道的構想(M.Geidl,B.Klokl,G.Koeppel.Energy hubs for the futures[J].IEEE Power&Energy Magnazine,2007,1:24-30)，可將電力與天然氣(液態或氣態)置于統一管道同路輸送。中國專利201210118316.1提出采用液化天然氣作為高溫超導電纜的冷卻工質，建立了電纜與天然氣輸送管路的統一模型，并驗證了聯合輸送系統比兩者單獨輸送節能2/3，如圖1所示。由于液化天然氣的熔點約為91K，沸點約為110K，商用Bi2223高溫超導帶材臨界溫度約為110K，YBCO高溫超導帶材的臨界溫度約為90K，在液化天然氣溫區載流能力有限，因此，中國科學院電工研究所提出采用85-90K混合工質對超導電纜進行冷卻的思路，并給出了液氫和混合工質冷卻的超導能源管道的結構(肖立業，林良真.超導輸電技術發展現狀及趨勢[J].電工技術學報，2015，30:1-9；邱清泉，張志豐，張國民，肖立業.超導直流輸電技術發展現狀與趨勢[J].南方電網技術，2015，9:11-16)。上述文獻均采用低溫燃料直接浸泡超導電纜的思路，超導能源管道在短路故障情況下的熱穩定性以及局部放電或燃料泄漏引起的燃料安全性尚未考慮。

發明內容

本發明的目的是針對現有能源管道采用低溫燃料直接冷卻通電導體、低溫燃料內部存在局放、電氣終端低溫密封困難，導致能源管道的安全性難以保證的問題，提出一種采用低溫燃料冷卻冷阻燃氣體保護的超導能源管道。本發明采用阻燃氣體進行絕緣，電氣終端和燃料終端獨立設置，從而避免局部放電或電氣終端電暈或沿面閃絡引起燃料爆炸的問題，另外，也可以避免電纜芯體在突發短路故障時熱量直接傳遞給燃料，而導致燃料爆沸的問題，提升能源管道的安全性。

本發明可采用以下兩種技術方案：

第一種方案為低溫燃料內冷阻燃氣體保護超導能源管道結構。所述的超導能源管道由銅骨架、超導通電導體、低溫絕緣體、低溫燃料管道、阻燃氣體管道、帶真空夾層的杜瓦管道、電氣終端、低溫燃料終端，以及阻燃氣體終端構成。銅芯骨架、超導通電導體、低溫絕緣體、阻燃氣體管道、低溫燃料管道和帶真空夾層的杜瓦管道從內向外依次同軸嵌套布置；阻燃氣體管道內充有阻燃氣體，低溫燃料管道內充有低溫燃料，通過低溫燃料管道內的低溫燃料對阻燃氣體管道內的阻燃氣體進行傳導冷卻；銅骨架和超導通電導體由阻燃氣體進行冷卻；電氣終端與低溫燃料終端和阻燃氣體終端隔離布置。銅骨架為編織軟銅線，低溫燃料為液氫和液化天然氣，對應冷卻的阻燃氣體分別為氦氣和氮氣。