CN107610835A - 液化天然气冷却cf4保护的超导能源管道 - Google Patents

Abstract

一种液化天然气冷却CF4保护超导能源管道，由骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、LNG管道(4)、CF4管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、LNG终端(8)和CF4终端(9)构成。LNG位于LNG管道(4)内，CF4位于CF4管道(5)内，通过LNG对CF4进行传导冷却；骨架(1)和超导通电导体(2)由CF4冷却；电气终端(7)与LNG终端(8)和CF4终端(9)隔离设置。

Description

液化天然气冷却CF4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，如果采用液化天然气等燃料的混合工质(混合工质温度90～110K)作为高温超导电缆的冷却载冷剂，同时混合工质自身作为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，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LNG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析碳或燃料泄漏引起的燃料安全性尚未考虑。中国发明专利201710442123.4提出了采用液化天然气冷却、低温氮气保护的超导能源管道，低温氮气的热导率和绝缘性能相对于液体介质较差，能源管道的热稳定性和绝缘特性较差。

发明内容

本发明的目的是针对现有能源管道采用液化天然气(LNG)直接冷却通电导体、LNG内部存在局放析碳、电气终端低温密封困难，导致能源管道的安全性难以保证，采用冷氮气保护降低能源管道热稳定性和绝缘性能的问题，提出一种采用液化天然气(LNG)冷却CF4保护的超导能源管道。CF4的熔点是89K，在混合工质90-100K温区具有较高和热导率的流动性。本发明采用CF4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：

第一种方案为液化天然气(LNG)内冷CF4保护超导能源管道结构。所述的超导能源管道由骨架、超导通电导体、低温绝缘体、LNG管道、CF4管道、带真空夹层的杜瓦管道、电气终端、LNG终端，以及CF4终端构成。铜芯骨架、超导通电导体、低温绝缘体、CF4管道、LNG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；CF4管道内充有CF4，LNG管道内充有液化天然气(LNG)，通过LNG管道内的LNG对CF4管道内的CF4进行传导冷却；骨架和超导通电导体由CF4进行冷却；电气终端与LNG终端和CF4终端隔离布置。骨架为编织软铜线或附有编制软铜线的波纹管。

第二种方案为液化天然气(LNG)外冷CF4保护超导能源管道结构。所述的超导能源管道由骨架、超导通电导体、低温绝缘体、LNG管道、CF4管道、带真空夹层的杜瓦管道、电气终端、LNG终端，以及CF4终端构成。骨架和LNG管道为一体结构。骨架和LNG管道、第一低温绝缘体、超导通电导体、第二低温绝缘体、CF4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；CF4管道内充有CF4，LNG管道内充有液化天然气(LNG)，通过LNG管道内的LNG对CF4管道内的CF4进行传导冷却；骨架和超导通电导体由LNG进行传导冷却，并同时由CF4进行冷却；电气终端与LNG终端和CF4终端隔离布置；骨架为硬铜管或软铜管。

由于CF4在低于89K时会固化，通过调节混合工质的温度，可以将CF4的温度控制在合适的范围，使其具有较好的流动性。超导通电导体工作温区为90-110K。

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CF4进行缓冲，不会全部进入LNG中，因此LNG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析碳或电气终端燃料泄漏引起LNG爆炸等风险。

附图说明

图1为本发明具体实施例1LNG内冷CF4保护超导能源管道结构图；

图2为本发明具体实施例2LNG外冷CF4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1LNG内冷组燃气体保护超导能源管道的结构。所述的超导能源管道由骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、LNG管道4、CF4管道5、带真空夹层的杜瓦管道6、电气终端7、LNG终端8，以及CF4终端9构成。铜芯骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、CF4管道5、LNG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；CF4管道5内充有CF4，LNG管道4内充有LNG，通过LNG管道4内的LNG对CF4管道5内的CF4进行传导冷却。骨架1和超导通电导体2由CF4进行冷却，电气终端7与LNG终端8和CF4终端9隔离设置；骨架1为编织软铜线或附有编制软铜线的波纹管。

图2所示为本发明实施例2LNG外冷CF4保护超导能源管道的结构。所述的超导能源管道由骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、LNG管道4、CF4管道5、带真空夹层的杜瓦管道6、电气终端7、LNG终端8，以及CF4终端9构成。骨架1和LNG管道4为一体结构；铜芯骨架1和LNG管道4、第一低温绝缘体3-1、超导通电导体2、低温绝缘体3-2、CF4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；CF4管道5内充有CF4，LNG管道4内充有LNG，通过LNG管道4内的LNG对CF4管道5内的CF4进行传导冷却；骨架1和超导通电导体2由LNG进行传导冷却，并同时由CF4进行冷却，电气终端7与LNG终端8和CF4终端9隔离布置；骨架为硬铜管或软铜管。

Claims (5)

1.一种液化天然气冷却CF4保护的超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、LNG管道(4)、CF4管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、LNG终端(8)，以及CF4终端(9)构成；铜芯骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、CF4管道(5)、LNG管道(4)、带真空夹层的杜瓦管道(6)从内向外依次同轴嵌套布置；CF4管道(5)内充有CF4，LNG管道(4)内充有LNG，通过LNG管道(4)对CF4管道(5)内的CF4进行传导冷却；骨架(1)和超导通电导体(2)由CF4进行冷却；电气终端(7)与LNG终端(8)和CF4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：所述的骨架(1)为编织软铜线或附有编制软铜线的波纹管。

3.一种液化天然气冷却CF4保护的超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、LNG管道(4)、CF4管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)、电气终端(7)、LNG终端(8)，以及CF4终端(9)构成；骨架(1)和LNG管道(4)为一体结构；骨架(1)和LNG管道(4)、第一低温绝缘体(3-1)、超导通电导体(2)、第二低温绝缘体(3-2)、CF4管道(5)、带真空夹层的杜瓦管道(6)从内向外依次同轴嵌套布置；CF4管道(5)内充有CF4，LNG管道(4)内充有LNG，通过LNG管道(4)对CF4管道(5)内的CF4进行传导冷却；骨架(1)和超导通电导体(2)由LNG进行传导冷却，并同时由CF4进行冷却；电气终端(7)与LNG终端(8)和CF4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：所述的骨架(1)为硬铜管或软铜管。

5.根据权利要求1或3所述的超导能源管道，其特征在于：所述的超导通电导体(2)工作温区为90-110K。