CN110021460B - 一种耐冲击耐烧蚀的超导能源管道 - Google Patents
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Abstract
一种耐冲击耐烧蚀的超导能源管道，其低温燃料管道(1)在冷却工质管道(2)上部，超导电缆(4)在冷却工质管道(2)下部，中间采用电弧阻挡隔板(3)隔开。冷却工质管道(2)同轴放置在绝热管道(5)中。低温燃料管道(1)由金属管道(9)和置于金属管道(9)内部的低温液体燃料(8)组成。冷却工质管道(2)由金属管道(11)和置于金属管道(11)内部的液体冷却工质(10)组成。电弧阻挡隔板(3)由上下布置的不锈钢板(12)和耐电弧烧蚀材料(13)组成。超导电缆(4)由从内到外依次同轴嵌套的铜骨架(14)、超导通电导体(15)和低温绝缘体(16)组成。绝热管道(5)由带真空夹层的杜瓦管道(7)和绝热填充物(6)组成。
Description
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
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具有能量密度高、单位容积输送量大等优点，如氢气、LNG、乙烯等，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)。上述文献均采用低温液体燃料直接浸泡超导电缆的思路，却没有考虑将低温燃料和超导电缆置于同一个管道中导致的电缆短路故障情况下的热稳定性，以及电缆绝缘击穿产生的短路冲击和电弧烧蚀低温液体燃料管道导致的安全性问题。中国发明专利201710724139.4提出了一种液化天然气冷却CF4保护的超导能源管道，采用四氟化碳作为保护和灭弧介质，但未从机械和散热的角度考虑添加耐压力波和烧蚀的结构，如果超导电缆短路和绝缘击穿引起电缆管道破裂，巨大的冲击波和热量将快速传导给低温燃料管道，危及到低温燃料管道的安全性。中国发明专利201510634215.3提出了一种液化页岩气-液氮-超导直流电缆复合能源传输系统，利用液氮冷却超导电缆和液化页岩气管道，同样未考虑超导电缆短路和绝缘击穿引起的安全问题。中国发明专利201810804587.X提出了一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，采用额外的导冷件隔离低温燃料管道和超导电缆，理论上可以减轻超导电缆失超和绝缘击穿对低温燃料管道的影响，然而在真空管道中敷设导冷件工艺实现困难，长距离导冷件难以确保和管道完全贴合，影响传热效率，降低能源管道的热稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有的能源管道采用低温液体燃料直接浸泡超导电缆、低温燃料内部存在局部放电、短路冲击、电弧烧蚀，导致能源管道的安全性难以保证，采用传导冷却存在热稳定性等问题，提出一种耐冲击和耐烧蚀的超导能源管道，从力学和传热结构上削弱冲击波和电弧烧蚀对低温燃料管道的影响，从一定程度上实现定向的能量释放，确保冷能的高效利用和能源管道的安全性。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种耐冲击和耐烧蚀的超导能源管道，包括低温燃料管道、冷却工质管道、电弧阻挡隔板、超导电缆和绝热管道。低温燃料管道、电弧阻挡隔板和超导电缆放置在冷却工质管道中，低温燃料管道在冷却工质管道上部，超导电缆在冷却工质管道下部，低温燃料管道和超导电缆之间采用电弧阻挡隔板隔开。上方的低温燃料管道通过液体冷却工质冷却下方的超导电缆。冷却工质管道同轴放置在绝热管道中。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。冷却工质管道由金属管道和置于金属管道内部的液体冷却工质组成。电弧阻挡隔板由带孔的不锈钢板和置于不锈钢板下方的耐电弧烧蚀材料组成。超导电缆由铜骨架、超导通电导体和低温绝缘体从内到外依次同轴嵌套布置。绝热管道可以采用带真空夹层的杜瓦管道，并在真空夹层内部包覆多层绝热材料；也可以在冷却工质管道外部直接包覆PIR绝热材料，或者采用聚氨酯材料发泡密封。
所述的冷却工质管道内部配置有一根及以上的低温燃料管道和一根及以上的超导电缆，低温燃料管道通过液体冷却工质冷却超导电缆。
所述的电弧阻挡隔板采用平面板材或梯形板材或弧形板材制作，板材两侧开孔以保证冷却工质流通；耐电弧烧蚀材料由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或铜钨合金制作；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；当低温液体燃料为液氢时，冷却工质为冷氦气或液氖，当低温液体燃料为液化天然气时，冷却工质为冷氮气、加压液氮、液化四氟化碳、或液氮和液化四氟化碳的混合物。
本发明的工作原理和工作过程为：
位于冷却工质管道上部的低温燃料管道输送低温液体燃料，同时通过液体冷却工质将冷能传递给下方的超导电缆，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。电能通过处于超导状态的超导通电导体进行零损耗传输，超导通电导体外侧的低温绝缘体构成超导电缆的主绝缘。当超导电缆发生网侧短路或绝缘击穿时，产生的冲击波和电弧将被电弧阻挡隔板阻挡，避免击穿低温燃料管道，导致燃料泄漏。既保证冷能的高效利用，又确保能源管道的安全性。
本发明具有以下优点：
(1)本发明采用冷却工质直接浸泡低温燃料管道和超导电缆，且在空间布置上，低温燃料管道位于超导电缆的上方，利用低温燃料的冷量冷却超导电缆，确保了冷能的高效利用，实现了低温燃料和电能的联合输送，可以节约能源通道，提高能源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，中间电弧阻挡隔板进行空间隔离，从而避免了超导电缆网侧短路或局部放电引发的冲击波和电弧破坏低温燃料管道导致低温燃料泄漏等问题，提升能源管道的安全性。
(3)超导电缆和低温燃料管道之间采用冷却工质传递冷量，采用电弧阻挡隔板隔开，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本发明实施例1配置单根低温燃料管道和超导电缆的结构示意图；
图2本发明实施例2配置多根低温燃料管道和超导电缆的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明。
图1所示为本发明实施例1单根低温燃料管道为单根超导电缆冷却的超导能源管道。本发明耐冲击和耐烧蚀的超导能源管道包括低温燃料管道1、冷却工质管道2、电弧阻挡隔板3、超导电缆4和绝热管道5。低温燃料管道1、电弧阻挡隔板3和超导电缆4放置在冷却工质管道2中，低温燃料管道1在冷却工质管道2上部，超导电缆4在冷却工质管道2下部，低温燃料管道1和超导电缆4之间采用电弧阻挡隔板3隔开，上方的低温燃料管道1通过液体冷却工质10冷却下方的超导电缆4。冷却工质管道2同轴放置在绝热管道5中。低温燃料管道1由金属管道9和置于金属管道9内部的低温液体燃料8组成。冷却工质管道2由金属管道11和置于金属管道11内部的液体冷却工质10组成。电弧阻挡隔板3由带孔的不锈钢板12和置于不锈钢板12下方的耐电弧烧蚀材料13组成。超导电缆4由铜骨架14、超导通电导体15和低温绝缘体16从内到外依次同轴嵌套布置。绝热管道5可以采用带真空夹层的杜瓦管道7，并在真空夹层内部包覆多层绝热材料6；也可以在冷却工质管道2外部直接包覆PIR绝热材料，或者采用聚氨酯材料发泡密封。
所述的电弧阻挡隔板3采用平面板材制作，板材两侧开孔以保证冷却工质流通；；耐电弧烧蚀材料13由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或铜钨合金制作，铜骨架14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，当低温液体燃料8为液氢时，冷却工质10为冷氦气或液氖，当低温液体燃料8为液化天然气时，冷却工质10为冷氮气、加压液氮、液化四氟化碳、或液氮和液化四氟化碳的混合物。
图2所示为本发明实施例2多根低温燃料管道为多根超导电缆冷却超导能源管道的结构。所述的冷却工质管道2内部配置有多根的低温燃料管道1和多根的超导电缆4，多根低温燃料管道1位于多根超导电缆4的上部，多根低温燃料管道1平行或绞合放置，多根超导电缆平行或绞合放置，低温燃料管道1通过液体冷却工质10冷却超导电缆4。与实施例1不同，实施例2的电弧阻挡隔板3采用压制的梯形板材制作。
本发明的工作原理和工作过程为：
位于冷却工质管道2上部的低温燃料管道1输送低温液体燃料8，同时通过液体冷却工质10将冷能传递给下方的超导电缆4，使得超导电缆4内的超导通电导体15处于临界转变温度以下，使超导通电导体15处于超导状态。电能通过处于超导状态的超导通电导体15进行零损耗传输，超导通电导体15外侧的低温绝缘体16构成超导电缆4的主绝缘。当超导电缆4发生网侧短路或绝缘击穿时，产生的冲击波和电弧将被电弧阻挡隔板3阻挡，避免击穿低温燃料管道1，导致低温液体燃料8泄漏。保证冷能的高效利用和能源管道的安全性。
Claims (3)
1.一种耐冲击耐烧蚀的超导能源管道，其特征在于：所述的超导能源管道由低温燃料管道(1)、冷却工质管道(2)、电弧阻挡隔板(3)、超导电缆(4)和绝热管道(5)构成；低温燃料管道(1)、电弧阻挡隔板(3)和超导电缆(4)放置在冷却工质管道(2)中，低温燃料管道(1)在冷却工质管道(2)上部，超导电缆(4)在冷却工质管道(2)下部，低温燃料管道(1)和超导电缆(4)之间采用电弧阻挡隔板(3)隔开；冷却工质管道(2)同轴放置在绝热管道(5)中；低温燃料管道(1)由金属管道(9)和置于金属管道(9)内部的低温液体燃料(8)组成；冷却工质管道(2)由金属管道(11)和置于金属管道(11)内部的液体冷却工质(10)组成；电弧阻挡隔板(3)由不锈钢板(12)和置于不锈钢板(12)下方的耐电弧烧蚀材料(13)组成；超导电缆(4)由铜骨架(14)、超导通电导体(15)和低温绝缘体(16)从内到外依次同轴嵌套布置；绝热管道(5)采用带真空夹层的杜瓦管道(7)，并在真空夹层内部包覆多层绝热材料(6)，或在冷却工质管道(2)外部直接包覆PIR绝热材料，或者采用聚氨酯材料发泡密封。
2.根据权利要求1所述的超导能源管道，其特征在于：所述的低温燃料管道(1)通过液体冷却工质(10)冷却超导电缆(4)。
3.根据权利要求1所述的超导能源管道，其特征在于：所述的电弧阻挡隔板(3)采用平面板材或梯形板材或弧形板材制作，板材两侧开孔以保证液体冷却工质(10)流通；耐电弧烧蚀材料(13)由聚四氟乙烯、聚酰亚胺或铜钨合金制作；所述的铜骨架(14)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；当低温液体燃料(8)为液氢时，液体冷却工质(10)为冷氦气或液氖，当低温液体燃料(8)为液化天然气时，液体冷却工质(10)为冷氮气或加压液氮或液化四氟化碳或液氮和液化四氟化碳的混合物。
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