7月16日，在國家電網(wǎng)有限公司特高壓桿塔試驗基地，中國電力科學(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通過相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M評審。該能源管道樣機項目是國家重點研發(fā)項目“超導(dǎo)直流能源管道的基礎(chǔ)研究”的子課題。
樣機實現(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)電纜直流運行電壓為±100千伏、運行電流為1000安，液化天然氣輸送流量為100升每分鐘。
超導(dǎo)能源管道樣機通過24小時滿負荷運行試驗
一節(jié)長為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)實現(xiàn)一體化輸送。這就是超導(dǎo)能源管道試驗運行的工況。
“低溫是實現(xiàn)電力與液化天然氣混輸?shù)南葲Q條件?！敝袊娍圃簝δ芘c電工新技術(shù)研究所副總工程師、課題負責人丘明介紹說，“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)過超低溫液化處理的氫氣、天然氣、乙烯等液體的溫度恒定?！闭n題實現(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)濟性和運行效率。
電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道工程樣機是對未來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，課題研究團隊攻關(guān)主要技術(shù)，集成工程樣機，并在特高壓桿塔試驗基地建設(shè)了相應(yīng)的試驗設(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，液化天然氣在制冷系統(tǒng)低溫泵的推動下，緩緩地從儲液罐注入超導(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)計要求，超導(dǎo)電纜直流輸電正負回路升流至1000安，電壓加載至±100千伏并穩(wěn)定運行。7月16日，超導(dǎo)能源管道樣機通過24小時滿負荷運行試驗。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)計超導(dǎo)能源管道樣機電-液同傳控制流程
“液化天然氣混合工質(zhì)溫度達91.8開爾文，適合注入管道?！?月14日，課題項目組工程師陳盼盼在監(jiān)控室實時關(guān)注試驗系統(tǒng)中液化天然氣的運行狀態(tài)。
液化天然氣是開展這次超導(dǎo)能源管道試驗運行的低溫液體燃料。西氣東輸、西電東送等工程陸續(xù)啟動時，氣電同時輸送就進入了超導(dǎo)電力技術(shù)研究的視野。2018年課題立項之初，項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。
“沸點是液體沸騰時的溫度。理論上認為，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，簡化系統(tǒng)構(gòu)成，減少綜合造價?！鼻鹈鹘忉尩?。
項目組通過前期調(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)濟性和液氫安全性等問題，短時間內(nèi)電力-液氫能源管道難以規(guī)模化應(yīng)用。乙烯則是一種重要的基礎(chǔ)化工原料，廣泛應(yīng)用于各種有機合成工業(yè)，但是它的沸點較高，很難與現(xiàn)有的超導(dǎo)材料運行溫度匹配。最終項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”原理樣機研制成功，進一步驗證了超導(dǎo)直流能源管道的技術(shù)可行性，推進了超導(dǎo)能源管道工程樣機的研發(fā)進程。
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，針對不同的適用場景和運行工況，設(shè)計了對應(yīng)的運行方案和控制流程。
保障管道樣機全過程測試安全
7月5日，電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)能源管道工程樣機試驗場地內(nèi)的全套安全預(yù)警系統(tǒng)完成調(diào)試。系統(tǒng)可以快速檢測液化天然氣泄漏并發(fā)出警報，提示現(xiàn)場作業(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。為了確保管道樣機運行和測試過程的安全，項目組參考電力行業(yè)和石油化工行業(yè)安全作業(yè)的標準和要求，針對場地環(huán)境和試驗方案兩個方面開展工作。
項目組依托特高壓桿塔試驗基地，選用防爆型試驗設(shè)備，在試驗場地超導(dǎo)能源管道兩個終端的周邊，各布設(shè)了1個火焰探測傳感器和2個可燃氣體探測器。同時，項目組在液化天然氣儲罐和液化天然氣混合工質(zhì)調(diào)配區(qū)各布設(shè)了3個可燃氣體探測器，并在整個試驗現(xiàn)場布置了20組高清防爆攝像頭，全方位觀察試驗場地情況。此外，工作人員隨身攜帶便攜式可燃氣體探測器參與現(xiàn)場作業(yè)。
在試驗方案方面，項目組采用兩套電源，分別對樣機加載電流和電壓，逐步提升至1000安和±100千伏的額定運行值，同時測量管道中液化天然氣流量，實現(xiàn)對超導(dǎo)能源管道工程樣機綜合運行性能的考察。
“電力與液化天然氣混輸超導(dǎo)直流能源管道工程樣機實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，為能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了可借鑒的技術(shù)經(jīng)驗。”丘明說。
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