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超导直流能源管道的基础研究项目

 
项目介绍

(一)项目的目标及主要研究内容

1.  项目的目标

  掌握输电/输送燃料一体化超导直流能源管道的理论,突破系统设计及制造关键技术,研制出能源管道样机并进行满功率运行,验证可行性及优越性。

2.项目的主要研究内容

  本项目拟开展如下内容的研究:超导直流能源管道原理结构和能源输送特性及安全性,LNG混合工质燃料的研制及其低温制冷和输送系统,混合工质温区超导和绝缘材料特性与本体技术,大温度梯度下直流绝缘特性与终端技术,超导直流能源管道系统集成、运行控制与试验技术。

  (1)超导直流能源管道原理结构和能源输送特性及安全性

  针对电力/LNG一体化安全、高效输送的需求,提出超导直流能源管道的原理结构,获得能源管道关键部件的设计准则和接口参数;研究超导直流能源管道的能源输送效率和经济性,获得能源高效输送的优化方法;研究超导直流能源管道能源输送的稳定性和协同控制方法,获得稳定性判据和能源输送综合调度策略;研究超导直流能源管道能源输送的安全性,形成安全主动防御方法;研究超导直流能源管道双通道管件的结构设计方法,完成双通道管件的研制。

  (2)LNG混合工质的固液相平衡及其传热、流动和绝缘特性

  围绕超导能源管道对燃料燃烧和冷却功能的双重需求,研究甲烷体系的的固液相平衡,掌握LNG混合工质的凝固变化规律,查明其流动传热及绝缘特性,阐明管输LNG混合工质的耗散特性并建立可靠输送方法,优化80K温区高效低温制冷方法,实现基于天然气的混合工质高效液化和低温维持,探索LNG混合工质冷能的高效利用方法,提高管输经济性。

  (3)混合工质温区超导和绝缘材料特性与本体技术

  针对能源管道用超导电缆本体,研究85K-90K混合工质温区超导材料电磁特性,掌握超导材料在混合工质温区的通流特性、抗冲击特性和拉伸弯曲特性变化规律;针对超导直流电缆±100kV高电压等级的绝缘要求,研究混合工质温区绝缘材料介电特性,阐明低温绝缘材料介电性能、空间电荷输运特性和击穿特性的内在关联机制,并提出多特性协同响应的分子结构模型;研究超导电缆本体的优化设计方法,基于载流导体的电磁-热-力耦合仿真和本体绝缘的电场仿真,完成超导电缆载流导体、低温绝缘和应力锥设计;研究超导直流电缆载流导体绕制和绝缘绕包工艺,完成超导电缆本体样机的研制。

  (4)大温度梯度下直流绝缘特性与终端技术

  针对能源管道用电气和燃料终端,研究低温及大温度梯度下终端绝缘材料介电特性,阐明绝缘材料的失效机理,掌握低温工况条件下空间电荷对电场的畸变效应及对终端绝缘结构性能的影响规律;研究终端电气绝缘、电流引线和终端杜瓦的优化设计方法,结合能源管道安全防护策略研究结果,实现超导直流能源管道终端的设计和制造;研究复杂工况下超导直流能源管道终端的测试与评估技术,实现能源管道终端的功能和安全验证。

  (5)超导直流能源管道系统集成、运行控制与试验技术

  围绕一体化输送管道协同控制理论方法和系统安全防御策略的基础科学问题,突破匹配集成、在线监控、性能试验、安全防护等关键技术,实现±100kV/1kA超导直流能源管道系统满功率运行试验。研究系统硬件装配与集成技术,优化布置电缆、管道、制冷和监控系统,掌握能源管道系统集约化布置设计技术;根据能源管道协同运行与控制方法,确定系统运行状态特征参数,搭建冷却系统的流量、温度和压力的监测平台和电缆系统的电流、电压和绝缘状态测试平台;针对电缆系统的短路故障和绝缘击穿故障以及LNG管道系统的泄露故障,研究系统运行故障识别与诊断方法;分析电缆故障与LNG管道故障的相互影响规律,阐明次生故障的关键影响因素,研究超导直流电缆的继电保护方案,制定液化天然气泄漏后应急处理预案,研究系统防护设计与实现技术。

(二)项目拟采取的研究方法

  本项目紧密围绕未来能源互联网对直流输电和资源气体液化集输技术的重大需求,开展超导直流能源管道的关键科学和技术问题的研究,项目总体技术研究方案和技术路线,如图2-1和图2-2所示。

图 2-1 项目总体研究方案图

图 2-2 项目总体技术路线图

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课题1:超导直流能源管道原理结构和能源输送特性及安全性

研究目标

  基于电力/LNG一体化输送需求,提出安全、高效的超导直流能源管道新型原理结构;基于对能源输送及耗散特性的分析,获得能效优化方法;基于对能源管道在电力/LNG调控动态过程稳定性的分析,获得能源输送的稳定性判据和综合调度策略;基于对能源管道短路、绝缘击穿和燃料泄漏等情况下安全性的分析,形成安全主动防御策略;提出综合性能优化的超导直流能源管道的总体设计方案,并给出各关键部件的设计准则和接口参数。

主要研究内容

  (1)超导直流能源管道的原理结构

  基于超导直流能源管道的能源输送容量,考虑到能源输送效率和安全性,提出超导直流能源管道的原理结构;研究超导带材在混合工质温区的电磁、机械和失超恢复特性,分析载流导体的多带并联均流特性、过流及短路故障情况下的热稳定性,提出载流导体结构设计准则;研究混合工质温区绝缘纸绕包和胶浸纤维复合绝缘特性,提出电缆本体和终端绝缘结构设计准则;研究能源管道用双通道管件的换热和防爆特性,提出双通道管件及阀门的结构设计准则;研究能源管道中电力/LNG输送参数的协同调控方法和阈值,提出满功率试验用高压直流电源系统和加压制冷系统的配置准则。

  (2)超导直流能源管道的能源输送效率和技术经济性

  研究超导直流能源管道复杂结构内能源输送及耗散特性,揭示低温混合工质流量、过冷度、电力输送量及管道绝热结构等内在关联特性;研究超导直流能源管道内中间绝缘介质及低温混合工质输送匹配特性,建立集总参数分析模型,获得联合输送优化参数;针对超导直流能源管道的电力和燃料输送,进行先进热力学及经济性多目标优化,提出输送经济性最优的联合输送系统;研发低温混合工质多层输送管道的新型结构,建立绝缘介质隔离的多层复合绝热结构的联合输送理论模型,开展输送管道能量损耗的理论分析,并进行小型模拟试验验证。

  (3)超导直流能源管道能源输送的稳定性和协同控制方法

  基于超导能源管道能源输送和耗散特性研究结果,建立电力/LNG一体化输送的电-热-流耦合仿真模型,研究超导电缆在过载失超情况下LNG温度、压力和流量的变化规律,以及在LNG输送系统在温度、流量发生扰动时超导电缆输电特性的变化规律,提出系统的稳定运行判据,并进行实验验证;综合考虑换流站和加压制冷站的设置间距与超导电缆和LNG管道尺寸以及运行参数的相互关系,提出换流站和加压制冷站在能源管道沿长度方向的配置方案;基于能源管道的拓扑、结构参数、能源输送需求和稳定运行判据,研究电力/LNG一体化输送的协同控制方法,获得能源综合调度策略。

  (4)超导直流能源管道能源输送的安全性

  研究短路失超、绝缘击穿、燃料泄漏等故障情况下能源管道的故障致爆演变机理,揭示超导电缆在系统突发短路和内部绝缘击穿情况下LNG的流动和沸腾特性,发展低温绝缘介质中电弧放电理论、低温燃料环境下放电和燃爆理论;构建封闭空间超导样缆短路、绝缘击穿试验系统,和燃料环境下的放电特性等试验平台进行实验验证,形成能源管道安全主动防御的设计方法。

  (5)超导直流能源管道双通道管件的结构设计

  研究低温损耗随真空超级绝热、珠光砂保温层绝热等不同绝热结构的变化规律,分析能源管道低温杜瓦管固体导热、辐射传热及对流传热过程,建立热力学特征模型并通过仿真计算,提出能源管道绝热优化设计方案;研究能源管道在燃料输送工况下的机械特性随温度、压力等变化规律,提出能源管道运行压力、管道设计厚度、热胀冷缩节等设计方案。
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课题2:LNG混合工质固液相平衡及其传热、流动和绝缘特性

研究目标

  基于固液相平衡原理,获取甲烷体系的共晶特性,研制凝固点低于80K的高热值、低黏度LNG混合工质;研究LNG混合物传热特性,建立低温混合工质与超导电缆混输中传热、压降与组分及温度的关联关系;掌握混合工质低温绝缘特性,获取变工况混合工质临界击穿电压影响规律;研究适应性新型低温制冷方法,匹配基于天然气的混合工质的冷却热负荷温度分布,实现天然气混合工质的高效液化和低温维持;研究低温混合工质冷能的构成机制及受组分、热耗散、压阻损失的影响规律,获得冷能高效利用的方法。

主要研究内容

  (1)LNG混合工质的低温固液相平衡及流动传热特性

  基于激光在线监测技术,建立低温混合工质固液相平衡实验系统,采用动态法测试甲烷、乙烷、丙烷等混合物的固液相变特性;改善平衡终点判定规则,构建光波透射强度与固液相变的精准量效关系;揭示子基团影响机制,查明基团贡献,发展基于弱极性体系的新型固液相平衡预测方法,建立低温混合工质相平衡物性数据库,阐明甲烷体系的低温输运过程中压力-温度-组分变化特征,同时考察不同混合体系的热值变化情况;探究变系统压力、温度下组分与工况的耦合关系,优化甲烷混合物配比;发展和完善现有低温混合工质冷凝、沸腾传热和压降测试平台,获取混合物性传热特性,发展和完善传热、压降与组分及温度的关联关系。

  (2)LNG混合工质的低温绝缘特性

  研究不同工况下低温混合工质的击穿特性,分析组元成分及比例、液层厚度、潜在杂质对混合工质绝缘特性的影响规律,获取变工况混合工质的临界击穿场强。研究低温混合工质中支撑绝缘子的闪络特性,获得不同工况、不同组元成分及比例下支撑绝缘的闪络性能。研究不同放电情况下(击穿、微放电)低温混合工质的碳析出现象,分析碳析出对混合工质击穿特性及支撑绝缘子闪络性能的影响规律,从电气绝缘角度提出适用于低温绝缘保护的混合工质类型、混合工质杂质净化原则及方法。

  (3)LNG混合工质的耗散特性及输送方法

  研究基于天然气的混合工质输送过程中的冷量耗散、粘性耗散和压力能耗散特征,全面分析和揭示混合工质低温液体管道内流动机理,阐明流动流量、冷耗散及流动温升的关联机制,提升混合工质输送稳定性及输送效率;研究混合工质循环系统方案,研发低温适应的流量可调混合工质泵送技术,并建立最优输送参数选取准则,使混合工质输送系统可灵活应对流量变化、温度变化及环境条件变化;分析混合工质循环系统输送可靠性,建立输送距离、管道及保温结构、输送流量、冷量耗散等多参数集总分析模型,预测稳定条件下综合输送效益最优参数组合;基于电力和燃料输送需求及变化特性,提出自适应运行的低温液体泵控制方法;研制本项目混合工质循环系统示范实验系统,能源管道长度30米,输送混合工质流量大于100L/min,并通过实验验证。

  (4)80K温区高效低温制冷技术

  研究适应性新型混合冷剂制冷流程结构,匹配基于天然气的混合工质的冷却热负荷温度分布,优化出与热负荷匹配的高效多元混合制冷剂浓度配比,实现基于天然气的混合工质高效液化和低温维持;研究混合冷剂多股流高效换热器及冷箱,基于优化的制冷流程结构和混合冷剂配比设计并研制高效紧凑的多股流换热器冷箱;基于现有压缩机头,研制高效、高可靠的混合冷剂压缩机单元设备;研究适用于高效率低温制冷系统的可靠和完善的自动控制和检测体系,根据电力和燃料输送需求及变化特性,提出并优化适应性的自动控制系统,提升制冷系统可靠性、操控便捷性,并实现循环系统特征参数的测量和监测;探索低长径比回热器的功热转换机制和损失机理;开展大功率高效换热器及高可靠性可回收声功的调相机构特性研究;研究直线压缩机与热声制冷机的耦合机理研究,实现在80K获得20%以上的热力学完善度。

  (5)LNG混合工质冷能的高效利用方法

  研究低温混合工质冷能的构成机制及受组分、热耗散、压阻损失的影响规律;建立低温混合工质冷能传递过程的数学模型,揭示冷能演化机理,获得冷能高效利用的方法和理论;研究低温混合工质在变温过程的冷-电高效转化系统,提出具有热经济性最优的冷能发电方案;研究低温冷能高效转化发电系统的动态特性,获得最佳系统性能的控制策略。
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课题3:混合工质温区超导和绝缘材料特性与本体技术

研究目标

  基于课题1形成的系统总体设计方案和课题2提供的混合工质研制方案,开展混合工质温区超导材料电磁特性以及绝缘材料介电性能研究,完成超导电缆载流导体、低温绝缘和应力锥的优化设计和性能分析,完成超导电缆本体及其电气绝缘的研制。

主要研究内容

  (1)混合工质温区超导材料电磁特性

  能源管道采用混合工质作为超导电缆制冷剂,工作温区为85-90K。目前,在90K左右具有应用价值的高温超导导线只有铋系超导带材Bi2223。超导带材的电磁特性是超导电缆本体设计与制造的基础,本课题将测量并掌握铋系超导带材在85-90K温度范围内临界电流随磁场大小和角度的变化规律,研究超导材料在混合工质温区的过流稳定性和失超传播特性、以及弯曲/拉伸应力对超导材料临界电流的影响。

  (2)混合工质温区绝缘材料介电特性

  超导电缆的额定电压等级为±100kV而且在85-90K的混合工质温区运行,不同于以往冷绝缘超导电缆的电气绝缘工作环境,需要研究低温绝缘材料在该温区和工况下的性能变化。本课题将研究固体绝缘介质在多场共同作用下介电特性的演变规律,分析空间电荷变化过程与介电特性的对应关系,探究空间电荷的产生、消散机理和抑制方法,建立表层分子结构与超导电缆低温绝缘介电性能、空间电荷输运特性和击穿特性的内在关联,提出纳米聚合物材料多特性协同响应的分子结构模型。

  (3)超导电缆本体结构和绝缘优化设计

  根据混合工质温区超导材料和绝缘材料特性、能源管道对电缆本体性能要求以及几何尺寸等约束条件,形成超导电缆本体结构、电气绝缘和应力锥的初步设计方案;在此基础上,通过对超导电缆本体的“电-热-力-流”多物理场分析,结合超导电缆短样的实验结果,优化设计参数;在满足课题技术指标要求的前提下,实现具有技术先进性和经济优越性的超导电缆本体结构和绝缘的设计。

  (4)能源管道用超导直流电缆本体研制

  超导电缆本体是超导直流能源管道的核心部件之一,考虑电缆载流导体及其绝缘结构的特殊性,探索和实现大直径支撑体超导带材均匀绕制、新型绝缘结构制作等新工艺;通过超导电缆载流导体、电气绝缘以及应力锥加工工艺的优化,完成超导电缆支撑体、载流导体、电气绝缘、应力锥和电缆头的研制,并完成超导电缆本体的集成和性能测试。

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课题4:大温度梯度下直流绝缘特性与终端技术

研究目标

  针对终端附近的超导电缆温度场和LNG管道的温度场的设计优化,终端电气故障引起的能源管道末端故障风险防范策略,结合低温工质的流动传热特性,开展终端恒温器及电流引线的优化设计、低温绝缘材料失效机理等研究,完成温度梯度下直流超导终端的研制。

主要研究内容

  (1)超导能源管道终端用绝缘材料电气性能

  超导电缆终端运行特征要求绝缘材料不仅能承受较高的温度梯度和超低温的运行环境,同时还需要能耐受终端直流电场强度。因此需要对低温及大温度梯度下的终端绝缘材料空间电荷特性,两相界面的绝缘耐受及绝缘配合特性进行研究。因此需要对低温绝缘材料绝缘耐受特性及失效机理等进行深入研究,主要包括低温绝缘材料介电、机械性能;低温绝缘材料空间电荷特性;绝缘耐受特性及失效机理的试验验证。

  (2)超导能源管道终端用绝缘材料失效机理

  绝缘材料击穿是终端最为致命的故障之一,深入研究绝缘材料失效机理有利于从根源上提升终端的可靠性能。研究内容主要为对绝缘材料在低温环境和室温环境下的局部放电特性进行实验测量,并对其进行低温绝缘击穿实验研究。

  (3)超导能源管道高压直流终端电流引线优化设计

  超导电缆终端引线作为超导电缆与高压母线的连接部件,除了担负着电势的过度之外,还起到温度起承作用,电流引线的漏热的大小直接关系到超导电缆的制冷设备成本及后期的运维成本。课题拟通过建立可精确反映终端电流引线的电磁-热耦合特性仿真模型,进行引线漏热负荷的数值计算,并建立高温度梯度电流引线的最小化漏热协调方法,从而得出低漏热高温度梯度电流引线设计方案。建立引线的电、磁、热、应力的多物理场仿真模型。通过仿真计算并配合实验验证,提出电流引线的多物理场设计方法。

  (4)能源管道高压直流终端设计和制造技术

  能源管道高压终端恒温器为带有高压引线、接地引线以及测量引线等多个出线孔的异形结构,需要将超导电缆从能源管道分离出来,将电流从低温环境传输到室温环境。其主要研究内容包括终端恒温器结构设计;电缆热变形缓冲/吸收功能设计;两相界面的绝缘耐受及绝缘配合特性;高压套管内、外绝缘闪络特性及绝缘优化设计;电流引线在稳态和暂态运行条件下的载流特性、温度分布及热损耗特性分析;电流引线的多场耦合优化设计;防爆破结构及安全防护设计;电流引线制造工艺,异性低温恒温器制造工艺及真空处理及维护工艺。

  (5)能源管道高压终端测试技术

  能源管道高压终端需考虑到漏热、泄漏、绝缘、低温耐压力等多项关键指标。主要研究内容包括:终端低温恒温器漏热性能及真空漏放气性能测试技术;电流引线漏热及能耗测试;终端耐电压、雷电冲击、局放性能测试;终端低温耐压力水平测试。

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课题5:超导直流能源管道系统集成、运行控制与试验技术

研究目标

  实现超导直流能源管道样机的系统集成,完成载流、耐压等性能试验,揭示过程风险因素,提出被动安全防护策略,掌握其中所涉及的在线监测、运行控制和故障诊断等关键技术,验证输电/输送燃料一体化超导直流能源管道的技术可行性

主要研究内容

  1)系统集约化布置与匹配集成技术

  依据能源管道本体、终端和低温制冷等部件组成及各自功能要求,开展整体系统的布置优化设计,研究、分析并合理确定组件电气距离、必要安全防护和之间安装、调试和运维所需空间,提出科学的能源管道系统的集约化布置方案;研究组件装配工艺和系统集成方法,摸索现场超导缆线本体/终端接头(含应力锥)制作工艺、LNG管路连接与密封方法及过程测试和质量控制技术,实现能源管道样机的匹配集成。

  2)系统运行状态在线监测与诊断方法

  考虑到电流、电压等电气量和LNG流量、压力等非电气量监测的差异性和灵敏度,分析能源管道运行状态、故障类型与运行参数间的关系,确定在线监测的特征状态参量;结合变流站、LNG接收站工作特性和输电/燃料一体化输送容量等特征,考察管道运行状态与监测量之间的对应关系;研究待测量选取、信号汇集和数据处理方法,构建系统状态在线监测平台;针对电气短路、绝缘击穿、LNG泄露等可能故障,研究系统运行的故障识别与诊断方法。

  3)电/燃料一体化输送的运行控制技术

  研究不同电力/LNG输送容量目标值下的系统控制参量及其调节方法,分析典型运行工况的特征参量稳定阈值,探讨电/燃料一体化输送燃料输运的稳定控制方法;分析LNG管道输送宏观参数变化对超导电力传输的影响及超导电缆运行状态变化对LNG管道输送的影响,明确两者之间的相互依赖关系,电/燃料探索一体化输送运行方式、控制策略及故障断电后系统运行状态感知自供电等辅助技术。

  4)系统预冷处理与性能试验方法

  研究预冷工艺和预冷气/液体回收再利用提取技术,开展预冷装置设计构造,分析预冷过程中管道本体、终端和各连接件处冷收缩的影响及其补偿方法,充分利用冷量并防止温度变化过快、热应力过大造成材料、缆线/LNG管线与终端(如应力锥)等的损坏;研究试验方法,制定缆线载流、绝缘耐压、LNG输送等性能测试方案,设计建立直流耐压和满功率测试试验平台;开展能源管道(含LNG管线、超导电缆和终端附件)及其制冷等辅机性能测试,完善平台、方案,实现满功率运行。

  5)系统安全防护与应急处理策略

研究LNG混合工质系统故障、能源管道过电流和过电压预测/评测方法;研究LNG泄漏对电/燃料一体化输送的次生影响及其预警技术;研究能源管道应用继电保护方案和绝缘配合措施,制定LNG泄漏应急处理预案,研究样机试验过程所必需的被动安全防护措施和应急处理策略。
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