CN107300129A - 低温燃料冷却阻燃气体保护的超导能源管道 - Google Patents

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靖立伟
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宋乃浩
滕玉平
张志丰
肖立业
张国民
丘明
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Abstract

一种低温燃料冷却阻燃气体保护超导能源管道，由铜骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、低温燃料管道(4)、阻燃气体管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、低温燃料终端(8)和阻燃气体终端(9)构成。低温燃料位于低温燃料管道(4)内，阻燃气体位于阻燃气体管道(5)内，通过低温燃料对阻燃气体进行传导冷却；铜骨架(1)和超导通电导体(2)由阻燃气体冷却；电气终端(7)与低温燃料终端(8)和阻燃气体终端(9)隔离设置。

Description

低温燃料冷却阻燃气体保护的超导能源管道
技术领域
本发明涉及一种应用于能源互联网领域的超导能源管道。
背景技术
由于我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。尽管特高压输电技术在大容量、远距离输送方面与传统高压输电方式相比有较大的优势，但仍需占用大量的输电走廊。高温超导电缆利用超导体的零电阻高密度载流能力，可以在更低的电压等级上实现比特高压更大的传输容量。然而，为了推动超导输电电缆的规模化应用，也需要发展大冷量、长寿命且高可靠性的低温循环冷却系统。近年来，随着氢气和天然气资源的大规模开发利用，资源气体的液化集输技术也变得尤为重要。鉴于超导输电电缆对低温冷却循环系统的迫切需求，以及低温制冷技术的成熟和规模化利用，对于超导直流输电电缆需要的冷却系统，如果采用液氢和液化天然气等燃料的混合工质(混合工质温度85～90K)作为高温超导电缆的冷却载冷剂，同时混合工质自身作为低温燃料实现远距离输运，间隔配置低温制冷机补偿载冷剂漏冷损失，就可实现输电和输气的一体化。这是因为，一方面，目前已有的Bi系、Y系、Tl系和Hg系高温超导材料的临界温度均已超过了上述混合工质冷却所可达到的温度，Bi系高温超导带材在90K温度下临界电流可达100A左右，而85K低温制冷技术的相对卡诺效率也可达20％左右，从设备造价和制冷效率两个方面来看，已具备研制输电输气一体化“超导直流能源管道”的可行性；另一方面，由于可再生能源具有波动性的特点，利用可再生能源制备天然气或氢气，不仅可将不可调度的波动能源转变成可调度的能源，而且可用于超导输电电缆的冷却，这对于降低输电输气系统的整体造价具有非常重要的意义。
瑞士苏黎世联邦理工学院提出能源管道的构想(M.Geidl,B.Klokl,G.Koeppel.Energy hubs for the futures[J].IEEE Power&Energy Magnazine,2007,1:24-30)，可将电力与天然气(液态或气态)置于统一管道同路输送。中国专利201210118316.1提出采用液化天然气作为高温超导电缆的冷却工质，建立了电缆与天然气输送管路的统一模型，并验证了联合输送系统比两者单独输送节能2/3，如图1所示。由于液化天然气的熔点约为91K，沸点约为110K，商用Bi2223高温超导带材临界温度约为110K，YBCO高温超导带材的临界温度约为90K，在液化天然气温区载流能力有限，因此，中国科学院电工研究所提出采用85-90K混合工质对超导电缆进行冷却的思路，并给出了液氢和混合工质冷却的超导能源管道的结构(肖立业，林良真.超导输电技术发展现状及趋势[J].电工技术学报，2015，30:1-9；邱清泉，张志丰，张国民，肖立业.超导直流输电技术发展现状与趋势[J].南方电网技术，2015，9:11-16)。上述文献均采用低温燃料直接浸泡超导电缆的思路，超导能源管道在短路故障情况下的热稳定性以及局部放电或燃料泄漏引起的燃料安全性尚未考虑。
发明内容
本发明的目的是针对现有能源管道采用低温燃料直接冷却通电导体、低温燃料内部存在局放、电气终端低温密封困难，导致能源管道的安全性难以保证的问题，提出一种采用低温燃料冷却冷阻燃气体保护的超导能源管道。本发明采用阻燃气体进行绝缘，电气终端和燃料终端独立设置，从而避免局部放电或电气终端电晕或沿面闪络引起燃料爆炸的问题，另外，也可以避免电缆芯体在突发短路故障时热量直接传递给燃料，而导致燃料爆沸的问题，提升能源管道的安全性。
本发明可采用以下两种技术方案：
第一种方案为低温燃料内冷阻燃气体保护超导能源管道结构。所述的超导能源管道由铜骨架、超导通电导体、低温绝缘体、低温燃料管道、阻燃气体管道、带真空夹层的杜瓦管道、电气终端、低温燃料终端，以及阻燃气体终端构成。铜芯骨架、超导通电导体、低温绝缘体、阻燃气体管道、低温燃料管道和带真空夹层的杜瓦管道从内向外依次同轴嵌套布置；阻燃气体管道内充有阻燃气体，低温燃料管道内充有低温燃料，通过低温燃料管道内的低温燃料对阻燃气体管道内的阻燃气体进行传导冷却；铜骨架和超导通电导体由阻燃气体进行冷却；电气终端与低温燃料终端和阻燃气体终端隔离布置。铜骨架为编织软铜线，低温燃料为液氢和液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气和氮气。
第二种方案为低温燃料外冷阻燃气体保护超导能源管道结构。所述的超导能源管道由铜骨架、超导通电导体、低温绝缘体、低温燃料管道、阻燃气体管道、带真空夹层的杜瓦管道、电气终端、低温燃料终端，以及阻燃气体终端构成。铜骨架和低温燃料管道为一体结构。铜芯骨架和低温燃料管道、超导通电导体、低温绝缘体、阻燃气体管道和带真空夹层的杜瓦管道从内向外依次同轴嵌套布置；阻燃气体管道内充有阻燃气体，低温燃料管道内充有低温燃料，通过低温燃料管道内的低温燃料对阻燃气体管道内的阻燃气体进行传导冷却；铜骨架和超导通电导体由低温燃料进行传导冷却，并同时由阻燃气体进行冷却；电气终端与低温燃料终端和阻燃气体终端隔离布置；铜骨架为硬铜管或软铜管，低温燃料为液氢和液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气和氮气。
本发明具有以下优点：
(1)本发明可有效提升超导能源管道的热稳定性，在超导能源管道发生突发短路故障时，产生的热量可由阻燃气体进行缓冲，不会全部进入低温燃料中，因此低温燃料爆沸的可能性大大降低，处理故障的操作时间也可以加长。
(2)本发明可有效降低由于燃料内部局部放电或电气终端燃料泄漏引起低温燃料爆炸等风险。
附图说明
图1为本发明具体实施例1低温燃料内冷阻燃气体保护超导能源管道结构图；
图2为本发明具体实施例2低温燃料外冷阻燃气体保护超导能源管道结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
图1所示为本发明实施例1低温燃料内冷组燃气体保护超导能源管道的结构图。所述的超导能源管道由铜骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、低温燃料管道4、阻燃气体管道5、带真空夹层的杜瓦管道6、电气终端7、低温燃料终端8，以及阻燃气体终端9构成。铜骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、阻燃气体管道5、低温燃料管道4和带真空夹层的杜瓦管道6从内向外依次同轴嵌套设置；阻燃气体管道5内充有阻燃气体，低温燃料管道4内充有低温燃料，通过低温燃料管道4内的低温燃料对阻燃气体管道5内的阻燃气体进行传导冷却。铜骨架1和超导通电导体2由阻燃气体进行冷却，电气终端7与低温燃料终端8和阻燃气体终端9隔离设置；铜骨架1为编织软铜线，低温燃料为液氢和液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气和氮气。
图2所示为本发明实施例2低温燃料外冷阻燃气体保护超导能源管道的结构图。所述的超导能源管道由铜骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、低温燃料管道4、阻燃气体管道5、带真空夹层的杜瓦管道6、电气终端7、低温燃料终端8，以及阻燃气体终端9构成。铜骨架1和低温燃料管道4为一体结构；铜骨架1和低温燃料管道4、超导通电导体2、低温绝缘体3、阻燃气体管道5和带真空夹层的杜瓦管道6从内向外依次同轴嵌套设置；阻燃气体管道5内充有阻燃气体，低温燃料管道4内充有低温燃料，通过低温燃料管道4内的低温燃料对阻燃气体管道5内的阻燃气体进行传导冷却；铜骨架1和超导通电导体2由低温燃料进行传导冷却，并同时由阻燃气体进行冷却，电气终端7与低温燃料终端8和阻燃气体终端9隔离布置；铜骨架为硬铜管或软铜管，低温燃料为液氢和液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气和氮气。

Claims (4)

1.一种低温燃料冷却阻燃气体保护超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由铜骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、低温燃料管道(4)、阻燃气体管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、低温燃料终端(8)，以及阻燃气体终端(9)构成；铜骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、阻燃气体管道(5)、低温燃料管道(4)和带真空夹层的杜瓦管道(6)从内向外依次同轴嵌套布置；阻燃气体管道(5)内充有阻燃气体，低温燃料管道(4)内充有低温燃料，通过低温燃料管道(4)对阻燃气体管道(5)内的阻燃气体进行传导冷却；铜骨架(1)和超导通电导体(2)由阻燃气体进行冷却；电气终端(7)与低温燃料终端(8)和阻燃气体终端(9)隔离布置。
2.根据权利要求1所述的超导能源管道，其特征在于：所述的铜骨架(1)为编织软铜线，低温燃料为液氢或液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气或氮气。
3.一种低温燃料冷却阻燃气体保护超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由铜骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、低温燃料管道(4)、阻燃气体管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、低温燃料终端(8)，以及阻燃气体终端(9)构成；铜骨架(1)和低温燃料管道(4)为一体结构；铜骨架(1)和低温燃料管道(4)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、阻燃气体管道(5)、和带真空夹层的杜瓦管道(6)从内向外依次同轴嵌套布置；阻燃气体管道(5)内充有阻燃气体，低温燃料管道(4)内充有低温燃料，通过低温燃料管道(4)对阻燃气体管道(5)内的阻燃气体进行传导冷却；铜骨架(1)和超导通电导体(2)由低温燃料进行传导冷却，并同时由阻燃气体进行冷却；电气终端(7)与低温燃料终端(8)和阻燃气体终端(9)隔离布置。
4.根据权利要求3所述的超导能源管道，其特征在于：所述的铜骨架(1)为硬铜管或软铜管，低温燃料为液氢或液化天然气，对应冷却的阻燃气体分别为氦气或氮气。
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