“運行電壓正負(fù)100千伏、運行電流1000安、液化天然氣輸送流量每分鐘100升”，在位于河北霸州的國家電網(wǎng)有限公司特高壓桿塔試驗基地，由中國電力科學(xué)研究院有限公司牽頭的世界首個電力與液化天然氣(LNG)混輸超導(dǎo)直流能源管道樣機(jī)完成24小時滿負(fù)荷運行試驗。
“電力和LNG混輸?shù)墓こ袒瘧?yīng)用，技術(shù)上已經(jīng)沒有不可克服的障礙了。”8月6日，中國電力科學(xué)研究院儲能與電工所(以下簡稱電科院儲能所)超導(dǎo)室主任張宏杰表示。
他介紹，此前，電力和LNG混輸技術(shù)研究尚處于概念設(shè)計階段，僅提出了一些簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)想，并未進(jìn)行實質(zhì)性的研究、試驗。此次完成試驗的混輸能源管道研究屬于前瞻性技術(shù)，依托國家重點研發(fā)計劃項目具體實施，“其樣機(jī)同時具備超導(dǎo)電纜輸電與液化天然氣輸送兩種功能。”張宏杰說。
把單一輸氣變成電氣協(xié)同輸送
什么是超導(dǎo)電纜輸電?電力和LNG這兩種完全不同形態(tài)的能源品種為什么要混輸，又怎樣實現(xiàn)混輸?
“高溫超導(dǎo)電纜具有載流大、損耗小等特點。”張宏杰解釋，在相同電壓等級下，超導(dǎo)電纜輸電、通流能力和傳輸容量可以達(dá)到常規(guī)輸電線路的5—10倍，考慮低溫制冷系統(tǒng)功耗后，系統(tǒng)總損耗僅為常規(guī)線路線損的1/3左右。
但是超導(dǎo)電纜正常工作，需要維持零下196攝氏度以下的低溫環(huán)境(通常以液氮為常用制冷劑)，來保證超導(dǎo)導(dǎo)線處于超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度以下，按照目前低溫制冷機(jī)的性能，幾公里就要有一座制冷站。
張宏杰介紹，超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是：電纜的外護(hù)套跟常規(guī)電纜的結(jié)構(gòu)和功能一致;外護(hù)套內(nèi)，是雙層不銹鋼材質(zhì)的高真空絕熱杜瓦管，液氮在杜瓦管道內(nèi)流動，超導(dǎo)電纜芯浸泡在液氮中，低溫制冷機(jī)作為系統(tǒng)輔機(jī)推動液氮循環(huán)并為整個系統(tǒng)提供制冷。
采用液氮冷卻的高溫超導(dǎo)電纜發(fā)展至今已有20多年，世界上很多國家都開展了相關(guān)研究和工程示范。但由于目前超導(dǎo)材料價格仍然較高，制冷等輔機(jī)費用占比較大，一定程度上制約了這一技術(shù)實用化的進(jìn)程。
電力與LNG混輸，其實就是利用LNG輸送時需先對天然氣進(jìn)行超低溫液化處理，輸送管道環(huán)境低溫且恒定的既有條件，把單一輸氣變成既輸電又輸氣，是一舉兩得的好思路。
創(chuàng)造高溫超導(dǎo)電纜運行的最高電壓
2014年，在以“超導(dǎo)技術(shù)在未來電網(wǎng)中的應(yīng)用”為主題的香山科學(xué)會議上，中國電科院名譽院長周孝信指出：“如果超導(dǎo)直流輸電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)輸送液氫或液化天然氣與輸送電力有機(jī)結(jié)合，那么將徹底改變我國未來能源與電力輸送格局。”與會專家提出：“建議啟動液化天然氣溫度的長距離超導(dǎo)能源管道示范工程項目，通過15—20年的努力，建成數(shù)百公里級的超導(dǎo)能源管道示范系統(tǒng)。圍繞該項目，重點突破示范工程所涉及的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，以點帶面，促進(jìn)我國超導(dǎo)技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。”
國家重點研發(fā)計劃項目“超導(dǎo)直流能源管道的基礎(chǔ)研究”就是在此基礎(chǔ)上，于2018年獲批立項實施。經(jīng)過近3年攻關(guān)，項目組構(gòu)建了世界一流的超導(dǎo)直流能源管道技術(shù)研發(fā)和試驗測試平臺，并獲得多項原創(chuàng)性成果。
電科院儲能所副總工程師、該項目負(fù)責(zé)人丘明表示，項目組在LNG混合工質(zhì)的固液相平衡及其傳熱、流動和絕緣特性方面，建立了適用于甲烷體系的固液相平衡模型，提出凝固點調(diào)控新方法，為電力、LNG高效輸送提供了基礎(chǔ)保障。
對能源管道而言，當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)側(cè)短路、電纜絕緣擊穿、以及LNG泄漏等極端情況，如何確保能源管道安全可靠運行，是必須解決的問題，也是未來工程應(yīng)用人們關(guān)注的重點。丘明說，研究人員提出了多種超導(dǎo)能源管道原理結(jié)構(gòu)，并針對不同的結(jié)構(gòu)和工作條件，開展了LNG混合工質(zhì)的絕緣和安全特性研究，提出了安全應(yīng)對和防御策略，確保超導(dǎo)能源管道的安全運行。
在本項目之前，國際上高溫超導(dǎo)直流電纜的最高電壓等級為韓國在濟(jì)州島完成的80千伏超導(dǎo)直流電纜，本項目超導(dǎo)直流能源管道使用的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)運行電壓為±100千伏，為國際最高。
天然氣作為清潔能源近幾年得到快速發(fā)展，作為一種全新的能源配置與輸送方式，超導(dǎo)能源管道實現(xiàn)電力—液態(tài)燃料的一體化輸送，綜合能源輸送效率高。“項目在新型電力系統(tǒng)(比如海上風(fēng)電送出)、港口岸電等場景將有廣闊的應(yīng)用前景。”張宏杰如是說。
