CN109140064B - 一种低温燃料传导冷却的超导能源管道 - Google Patents

一种低温燃料传导冷却的超导能源管道 Download PDF

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Abstract

一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，其超导电缆(11)和低温燃料管道(12)平行布置，两者之间为传导冷却部件(6)。低温燃料管道(12)通过传导冷却部件(6)冷却超导电缆(11)。结构部件(13)由带真空夹层的杜瓦管道(10)和绝热填充物(9)组成，绝热填充物(9)位于杜瓦管道(10)内，填充于杜瓦管道(10)和超导电缆(11)、低温燃料管道(12)、传导冷却部件(6)之间。超导电缆(11)由从内向外依次同轴嵌套布置的铜骨架(1)、超导通电导体(2)、低温绝缘体(3)、液体绝缘介质(4)和金属管道(5)组成。低温燃料管道(12)由金属管道(7)和置于金属管道(7)内部的低温液体燃料(8)组成。

Description

一种低温燃料传导冷却的超导能源管道
技术领域
本发明涉及一种应用于能源领域的超导能源管道。
背景技术
我国资源和用户分布不匹配，燃料与电能均需长距离输送，随着可再生能源的规模化开发和利用，这种不匹配的格局进一步加剧，全国互联电网将在新一代电力系统中发挥更加重要的作用。跨区域互联电网通过采用更加灵活优化的运行方式，在全国范围内实现电力供需动态平衡，将有力促进高比例新能源消纳利用。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输电容量。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。以液体形式输送清洁燃料(如氢气、LNG、乙烯等)具有能量密度高、单位容积输送量大等优点，但同样需要制冷和绝热环境。而若将二者相结合，共用制冷系统和绝热管道，以低温燃料冷却超导电缆，同时低温燃料自身也实现远距离液化输送，间隔配置低温制冷机补偿漏冷损失，就可实现输电和输燃料的一体化。
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上世纪末和本世纪初提出，美、日、俄等国相继开展了初步探索。1995年，日本成蹊大学提出10000km长，±250kV/100kA液氢冷却超导电缆的概念设计(T.Ishigohka.A feasibilitystudy on a world-wide-scale superconducting power transmission system[J].IEEETransactions on Applied Superconductivity,1995,5(2):949-952)。2012年，西安交通大学提出了LNG/电力混输超导能源管道的概念，在专利201210118316.1中提出采用液化天然气作为高温超导电缆的冷却介质，建立了电缆与天然气输送管道的统一模型，并验证了联合输送系统比二者单独输送节能2/3。但是，由于液化天然气的熔点约为91K，沸点约为110K，商用BSCCO高温超导带材的临界温度约为110K，YBCO高温超导带材的临界温度约为90K，在液化天然气温区的载流能力有限，因此，中国科学院电工研究所提出了采用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和趋势[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)。
上述文献方案均采用低温燃料直接浸泡超导电缆的思路，但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安全问题尚未曾考虑。
发明内容
本发明的目的是克服现有能源管道采用低温燃料直接浸泡超导电缆、低温燃料内部存在局部放电、电气终端低温密封困难，导致能源管道的安全性难以保证等缺点，提出一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，本发明可以实现低温液体燃料和电能安全高效联合输送。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，包括超导电缆、低温燃料管道、传导冷却部件和结构部件。超导电缆和低温燃料管道平行布置，超导电缆和低温燃料管道之间为传导冷却部件，低温燃料管道通过传导冷却部件冷却超导电缆。超导电缆、低温燃料管道、传导冷却部件布置在结构部件内。结构部件由带真空夹层的杜瓦管道和绝热填充物组成，绝热填充物位于杜瓦管道内，填充于杜瓦管道和超导电缆、低温燃料管道、传导冷却部件之间。超导电缆由铜骨架、超导通电导体、低温绝缘体、液体绝缘介质和金属管道组成，铜骨架、超导通电导体、低温绝缘体、液体绝缘介质和金属管道从内向外依次同轴嵌套布置。低温燃料管道由金属管道和置于金属管道内部的低温液体燃料组成。
所述带真空夹层的杜瓦管道内部配置有一根以上的超导电缆，低温燃料管道通过传导冷却部件冷却每一根超导电缆。
所述带真空夹层的杜瓦管道内部配置有一根以上的低温燃料管道，每一根低温燃料管道通过传导冷却部件冷却超导电缆。
所述超导电缆中的超导通电导体连接电气终端，超导电缆中的金属管道连接液体绝缘介质终端，低温燃料管道连接低温燃料终端。
所述传导冷却部件由铝合金、铜、不锈钢、石墨或碳纤维制作；铜骨架为编织软铜线或铜管，低温液体燃料为液氢或液化天然气；液体绝缘介质为液氦或氟利昂；绝热填充物为发泡材料或导热系数低于0.024W/m·K的气体。
本发明的工作原理和工作过程为：
低温液体燃料从低温燃料终端进入低温燃料管道进行输送，在低温燃料管道内，低温液体燃料通过传导冷却部件将冷能传导给超导电缆，使得超导电缆内的超导通电导体处于临界转变温度以下，使超导通电导体处于超导状态。电能通过电气终端进入超导电缆的超导通电导体，由超导电缆进行输送；液体绝缘介质通过液体绝缘介质终端进入超导电缆的金属管道，与低温绝缘体一同构成超导电缆的主绝缘，实现低温液体燃料和电能安全高效联合输送。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用传导冷却部件连接低温燃料管道和超导电缆，利用低温燃料的冷量冷却超导电缆，避免低温燃料和超导电缆的直接接触，既保证低温液体燃料和电能联合输送的安全性，又实现了低温燃料冷能的高效利用，提高能源联合输送效率和经济效益。
(2)低温燃料管道和超导电缆独立设置，中间采用传导冷却部件进行隔离，从而避免了超导电缆局部放电或电气终端电晕或沿面闪络引起低温燃料爆炸的问题，提升能源管道的安全性。
(3)超导通电导体采用液体绝缘介质绝缘，采用传导冷却部件导冷，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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明配置多根超导电缆的结构示意图；
图3是本发明配置多根低温燃料管道的结构示意图；
图4是本发明的终端接头示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明低温燃料传导冷却的超导能源管道包括超导电缆11、低温燃料管道12、传导冷却部件6和结构部件13。超导电缆11和低温燃料管道12平行布置，超导电缆11和低温燃料管道12之间为传导冷却部件6，低温燃料管道12通过传导冷却部件6冷却超导电缆11；超导电缆11、低温燃料管道12、传导冷却部件6布置在结构部件13内。结构部件13由带真空夹层的杜瓦管道10和绝热填充物9组成，绝热填充物9位于杜瓦管道10内，填充于杜瓦管道10和超导电缆11、低温燃料管道12、传导冷却部件6之间。超导电缆11由铜骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、液体绝缘介质4和金属管道5组成，铜骨架1、超导通电导体2、低温绝缘体3、液体绝缘介质4和金属管道5从内向外依次同轴嵌套布置。低温燃料管道12由金属管道7和置于金属管道7内部的低温液体燃料8组成。
所述的传导冷却部件6由铝合金、铜、不锈钢、石墨或碳纤维制作，铜骨架1为编织软铜线或铜管，低温液体燃料8为液氢或液化天然气，液体绝缘介质4为液氦或氟利昂，绝热填充物9为发泡材料或导热系数低于0.024W/m·K的气体。
如图2所示，所述的带真空夹层的杜瓦管道10内部配置有一根以上的超导电缆11，低温燃料管道12通过传导冷却部件6冷却每一根超导电缆11。
如图3所示，所述的带真空夹层的杜瓦管道10内部配置有一根以上的低温燃料管道12，每一根低温燃料管道12通过传导冷却部件6冷却超导电缆11。
如图4所述，所述的超导电缆11中的超导通电导体2连接电气终端15，超导电缆11中的金属管道5连接液体绝缘介质终端16，低温燃料管道12连接低温燃料终端14。
本发明的工作原理和工作过程为：
低温液体燃料8从低温燃料终端14进入低温燃料管道12进行输送，在低温燃料管道12内，低温液体燃料8通过传导冷却部件6将冷能传导给超导电缆11，使得超导电缆11内的超导通电导体2处于临界转变温度以下，使其处于超导状态。电能通过电气终端15进入超导电缆11的超导通电导体2，由超导电缆11进行输送；液体绝缘介质4通过液体绝缘介质终端16进入超导电缆11的金属管道5，与低温绝缘体3一同构成超导电缆11的主绝缘，实现低温液体燃料和电能安全高效联合输送。

Claims (2)

1.一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）和结构部件（13）构成；超导电缆（11）和低温燃料管道（12）平行布置，超导电缆（11）和低温燃料管道（12）之间为传导冷却部件（6），低温燃料管道（12）通过传导冷却部件（6）冷却超导电缆（11）；超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）布置在结构部件（13）内；结构部件（13）由带真空夹层的杜瓦管道（10）和绝热填充物（9）组成，绝热填充物（9）位于杜瓦管道（10）内，填充于杜瓦管道（10）和超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）之间；超导电缆（11）由铜骨架（1）、超导通电导体（2）、低温绝缘体（3）、液体绝缘介质（4）和金属管道（5）组成，铜骨架（1）、超导通电导体（2）、低温绝缘体（3）、液体绝缘介质（4）和金属管道（5）从内向外依次同轴嵌套布置；低温燃料管道（12）由金属管道（7）和置于金属管道（7）内部的低温液体燃料（8）组成；
所述的杜瓦管道（10）内部配置有一根以上超导电缆（11），低温燃料管道（12）位于杜瓦管道（10）的中心，环绕低温燃料管道（12）对称布置多根超导电缆（11），传导冷却部件（6）与超导电缆（11）和低温燃料管道（12）接触，低温燃料管道（12）通过传导冷却部件（6）冷却每一根超导电缆（11）；
所述的超导电缆（11）中的超导通电导体（2）连接电气终端（15），超导电缆（11）中的金属管道（5）连接液体绝缘介质终端（16），低温燃料管道（12）连接低温燃料终端（14）；
所述的传导冷却部件（6）由铝合金、铜、不锈钢、石墨或碳纤维制作；铜骨架（1）为编织软铜线或铜管；低温液体燃料（8）为液氢或液化天然气；液体绝缘介质（4）为液氦或氟利昂；绝热填充物（9）为发泡材料或导热系数低于0.024W/m·K的气体。
2.一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）和结构部件（13）构成；超导电缆（11）和低温燃料管道（12）平行布置，超导电缆（11）和低温燃料管道（12）之间为传导冷却部件（6），低温燃料管道（12）通过传导冷却部件（6）冷却超导电缆（11）；超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）布置在结构部件（13）内；结构部件（13）由带真空夹层的杜瓦管道（10）和绝热填充物（9）组成，绝热填充物（9）位于杜瓦管道（10）内，填充于杜瓦管道（10）和超导电缆（11）、低温燃料管道（12）、传导冷却部件（6）之间；超导电缆（11）由铜骨架（1）、超导通电导体（2）、低温绝缘体（3）、液体绝缘介质（4）和金属管道（5）组成，铜骨架（1）、超导通电导体（2）、低温绝缘体（3）、液体绝缘介质（4）和金属管道（5）从内向外依次同轴嵌套布置；低温燃料管道（12）由金属管道（7）和置于金属管道（7）内部的低温液体燃料（8）组成；所述的带真空夹层的杜瓦管道（10）内部配置有一根以上的低温燃料管道（12），每一根低温燃料管道（12）通过传导冷却部件（6）冷却超导电缆（11）；传导冷却部件（6）置于超导电缆（11）和低温燃料管道（12）之间，并与超导电缆（11）和低温燃料管道（12）接触；超导电缆（11）置于带真空夹层的杜瓦管道（10）的中心，环绕超导电缆（11）对称多根低温燃料管道（12）；
所述的超导电缆（11）中的超导通电导体（2）连接电气终端（15），超导电缆（11）中的金属管道（5）连接液体绝缘介质终端（16），低温燃料管道（12）连接低温燃料终端（14）；
所述的传导冷却部件（6）由铝合金、铜、不锈钢、石墨或碳纤维制作；铜骨架（1）为编织软铜线或铜管；低温液体燃料（8）为液氢或液化天然气；液体绝缘介质（4）为液氦或氟利昂；绝热填充物（9）为发泡材料或导热系数低于0.024W/m·K的气体。
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