“運(yùn)行電壓正負(fù)100千伏、運(yùn)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(guó)家電網(wǎng)有限公司特高壓桿塔試驗(yàn)基地，由中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司牽頭的世界首個(gè)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(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)。
“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(guó)電力科學(xué)研究院儲(chǔ)能與電工所(以下簡(jiǎn)稱電科院儲(chǔ)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(jì)階段，僅提出了一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)想，并未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的研究、試驗(yàn)。此次完成試驗(yàn)的混輸能源管道研究屬于前瞻性技術(shù)，依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目具體實(shí)施，“其樣機(jī)同時(shí)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(shí)現(xiàn)混輸?
“高溫超導(dǎo)電纜具有載流大、損耗小等特點(diǎn)。”張宏杰解釋，在相同電壓等級(jí)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(dòng)，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(dòng)液氮循環(huán)并為整個(gè)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(guó)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(jià)格仍然較高，制冷等輔機(jī)費(fèi)用占比較大，一定程度上制約了這一技術(shù)實(shí)用化的進(jìn)程。
電力與LNG混輸，其實(shí)就是利用LNG輸送時(shí)需先對(duì)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(yùn)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(huì)議上，中國(guó)電科院名譽(yù)院長(zhǎng)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(guó)未來能源與電力輸送格局。”與會(huì)專家提出：“建議啟動(dòng)液化天然氣溫度的長(zhǎng)距離超導(dǎo)能源管道示范工程項(xiàng)目，通過15—20年的努力，建成數(shù)百公里級(jí)的超導(dǎo)能源管道示范系統(tǒng)。圍繞該項(xiàng)目，重點(diǎn)突破示范工程所涉及的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，以點(diǎn)帶面，促進(jìn)我國(guó)超導(dǎo)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。”
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(xiàng)實(shí)施。經(jīng)過近3年攻關(guān)，項(xiàng)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(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并獲得多項(xiàng)原創(chuàng)性成果。
電科院儲(chǔ)能所副總工程師、該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人丘明表示，項(xiàng)目組在LNG混合工質(zhì)的固液相平衡及其傳熱、流動(dòng)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(diǎn)調(diào)控新方法，為電力、LNG高效輸送提供了基礎(chǔ)保障。
對(duì)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(yùn)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(diǎn)。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(duì)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(duì)和防御策略，確保超導(dǎo)能源管道的安全運(yùn)行。
在本項(xiàng)目之前，國(guó)際上高溫超導(dǎo)直流電纜的最高電壓等級(jí)為韓國(guó)在濟(jì)州島完成的80千伏超導(dǎo)直流電纜，本項(xiàng)目超導(dǎo)直流能源管道使用的高溫超導(dǎo)電纜系統(tǒng)運(yùn)行電壓為±100千伏，為國(guó)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(shí)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(xiàng)目在新型電力系統(tǒng)(比如海上風(fēng)電送出)、港口岸電等場(chǎng)景將有廣闊的應(yīng)用前景。”張宏杰如是說。
