7月16日，在國(guó)家電網(wǎng)有限公司特高壓桿塔試驗(yàn)基地，中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司牽頭研發(fā)的電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道工程樣機(jī)通過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M評(píng)審。該能源管道樣機(jī)項(xiàng)目是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“超導(dǎo)直流能源管道的基礎(chǔ)研究”的子課題。
樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)直流電纜輸電與液化天然氣同管道協(xié)同輸送，其中超導(dǎo)電纜直流運(yùn)行電壓為±100千伏、運(yùn)行電流為1000安，液化天然氣輸送流量為100升每分鐘。
超導(dǎo)能源管道樣機(jī)通過(guò)24小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)
一節(jié)長(zhǎng)為31.2米、管徑為24.5厘米的管道兩端，既有輸變電設(shè)備，又有液化天然氣壓縮設(shè)備。一套低溫制冷系統(tǒng)讓管道內(nèi)溫度維持在91.6開爾文至93.2開爾文之間，直流電流和液化天然氣在管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)一體化輸送。這就是超導(dǎo)能源管道試驗(yàn)運(yùn)行的工況。
“低溫是實(shí)現(xiàn)電力與液化天然氣混輸?shù)南葲Q條件?！敝袊?guó)電科院儲(chǔ)能與電工新技術(shù)研究所副總工程師、課題負(fù)責(zé)人丘明介紹說(shuō)，“超導(dǎo)電纜傳輸需要維持低溫環(huán)境，一般采用液氮冷卻，而經(jīng)過(guò)超低溫液化處理的氫氣、天然氣、乙烯等液體的溫度恒定。”課題實(shí)現(xiàn)了液化天然氣直接冷卻超導(dǎo)電纜，節(jié)省了低溫制冷系統(tǒng)和真空絕熱管道建設(shè)成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率。
電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道工程樣機(jī)是對(duì)未來(lái)綜合能源輸送方式的一次探索。為了降低超導(dǎo)輸電的成本，提高氫氣、天然氣、乙烯的輸送穩(wěn)定性與安全性，課題研究團(tuán)隊(duì)攻關(guān)主要技術(shù)，集成工程樣機(jī)，并在特高壓桿塔試驗(yàn)基地建設(shè)了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備。
7月15日，隨著“開啟低溫閥門，注入液化天然氣”操作指令的下達(dá)，液化天然氣在制冷系統(tǒng)低溫泵的推動(dòng)下，緩緩地從儲(chǔ)液罐注入超導(dǎo)能源管道，并順利建立起冷卻循環(huán)。管道溫度、壓力正常，液化天然氣流量滿足設(shè)計(jì)要求，超導(dǎo)電纜直流輸電正負(fù)回路升流至1000安，電壓加載至±100千伏并穩(wěn)定運(yùn)行。7月16日，超導(dǎo)能源管道樣機(jī)通過(guò)24小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)。電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道成為探索解決多種能源集中輸送的新方案。
科學(xué)設(shè)計(jì)超導(dǎo)能源管道樣機(jī)電-液同傳控制流程
“液化天然氣混合工質(zhì)溫度達(dá)91.8開爾文，適合注入管道。”7月14日，課題項(xiàng)目組工程師陳盼盼在監(jiān)控室實(shí)時(shí)關(guān)注試驗(yàn)系統(tǒng)中液化天然氣的運(yùn)行狀態(tài)。
液化天然氣是開展這次超導(dǎo)能源管道試驗(yàn)運(yùn)行的低溫液體燃料。西氣東輸、西電東送等工程陸續(xù)啟動(dòng)時(shí)，氣電同時(shí)輸送就進(jìn)入了超導(dǎo)電力技術(shù)研究的視野。2018年課題立項(xiàng)之初，項(xiàng)目組就把視線聚焦在氫氣、天然氣、乙烯三種低溫液體燃料上。三種液體燃料常壓下的沸點(diǎn)低：氫氣為零下252.78攝氏度（20.37開爾文）、天然氣為零下161.5攝氏度（111.65開爾文），乙烯為零下103.9攝氏度（169.25開爾文），均具有天然恒定的低溫優(yōu)勢(shì)。
“沸點(diǎn)是液體沸騰時(shí)的溫度。理論上認(rèn)為，超導(dǎo)直流電纜與氫氣、天然氣、乙烯三種低溫液體燃料同輸可以替代液氮冷卻，簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成，減少綜合造價(jià)?！鼻鹈鹘忉尩馈?/p>
項(xiàng)目組通過(guò)前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，液氫冷卻超導(dǎo)電纜的設(shè)想曾在日本和美國(guó)提出。但是液氫作為燃料的產(chǎn)能有限，加之極低溫制冷的經(jīng)濟(jì)性和液氫安全性等問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)電力-液氫能源管道難以規(guī)?；瘧?yīng)用。乙烯則是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，廣泛應(yīng)用于各種有機(jī)合成工業(yè)，但是它的沸點(diǎn)較高，很難與現(xiàn)有的超導(dǎo)材料運(yùn)行溫度匹配。最終項(xiàng)目組選擇液化天然氣與超導(dǎo)直流電纜共同構(gòu)建超導(dǎo)能源管道，實(shí)現(xiàn)電力-液態(tài)燃料的一體化輸送。
2019年8月，“超導(dǎo)直流輸電-輸氣一體化能源管道”原理樣機(jī)研制成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了超導(dǎo)直流能源管道的技術(shù)可行性，推進(jìn)了超導(dǎo)能源管道工程樣機(jī)的研發(fā)進(jìn)程。
電力和液化天然氣一體化輸送是典型的多學(xué)科交叉技術(shù)。液化天然氣在管道中流動(dòng)冷卻超導(dǎo)電纜，涉及電磁分析、傳熱分析、流體分析和真空絕熱等多門學(xué)科。項(xiàng)目組深入分析了電力輸送、液態(tài)燃料輸送之間的相互影響，針對(duì)不同的適用場(chǎng)景和運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的運(yùn)行方案和控制流程。
保障管道樣機(jī)全過(guò)程測(cè)試安全
7月5日，電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)能源管道工程樣機(jī)試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的全套安全預(yù)警系統(tǒng)完成調(diào)試。系統(tǒng)可以快速檢測(cè)液化天然氣泄漏并發(fā)出警報(bào)，提示現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員迅速采取相關(guān)措施。
液化天然氣易燃易爆，超導(dǎo)電纜輸電又存在高壓放電隱患。為了確保管道樣機(jī)運(yùn)行和測(cè)試過(guò)程的安全，項(xiàng)目組參考電力行業(yè)和石油化工行業(yè)安全作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，針對(duì)場(chǎng)地環(huán)境和試驗(yàn)方案兩個(gè)方面開展工作。
項(xiàng)目組依托特高壓桿塔試驗(yàn)基地，選用防爆型試驗(yàn)設(shè)備，在試驗(yàn)場(chǎng)地超導(dǎo)能源管道兩個(gè)終端的周邊，各布設(shè)了1個(gè)火焰探測(cè)傳感器和2個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器。同時(shí)，項(xiàng)目組在液化天然氣儲(chǔ)罐和液化天然氣混合工質(zhì)調(diào)配區(qū)各布設(shè)了3個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器，并在整個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置了20組高清防爆攝像頭，全方位觀察試驗(yàn)場(chǎng)地情況。此外，工作人員隨身攜帶便攜式可燃?xì)怏w探測(cè)器參與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。
在試驗(yàn)方案方面，項(xiàng)目組采用兩套電源，分別對(duì)樣機(jī)加載電流和電壓，逐步提升至1000安和±100千伏的額定運(yùn)行值，同時(shí)測(cè)量管道中液化天然氣流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)能源管道工程樣機(jī)綜合運(yùn)行性能的考察。
“電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道工程樣機(jī)實(shí)踐了用低溫液體燃料冷卻超導(dǎo)電纜，共用制冷系統(tǒng)和絕熱管道。這種一體化輸送的能源管道新方案，符合能源大規(guī)模集輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì)，為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了可借鑒的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。”丘明說(shuō)。
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