超导直流能源管道：既能输电又能送气

科技日报记者 瞿 剑 

“运行电压正负100千伏、运行电流1000安、液化天然气输送流量每分钟100升”，在位于河北霸州的国家电网有限公司特高压杆塔试验基地，由中国电力科学研究院有限公司牵头的世界首个电力与液化天然气（LNG）混输超导直流能源管道样机完成24小时满负荷运行试验。

“电力和LNG混输的工程化应用，技术上已经没有不可克服的障碍了。”8月6日，中国电力科学研究院储能与电工所（以下简称电科院储能所）超导室主任张宏杰表示。

他介绍，此前，电力和LNG混输技术研究尚处于概念设计阶段，仅提出了一些简单的结构设想，并未进行实质性的研究、试验。此次完成试验的混输能源管道研究属于前瞻性技术，依托国家重点研发计划项目具体实施，“其样机同时具备超导电缆输电与液化天然气输送两种功能。”张宏杰说。

把单一输气变成电气协同输送

什么是超导电缆输电？电力和LNG这两种完全不同形态的能源品种为什么要混输，又怎样实现混输？

“高温超导电缆具有载流大、损耗小等特点。”张宏杰解释，在相同电压等级下，超导电缆输电、通流能力和传输容量可以达到常规输电线路的5—10倍，考虑低温制冷系统功耗后，系统总损耗仅为常规线路线损的1/3左右。

但是超导电缆正常工作，需要维持零下196摄氏度以下的低温环境（通常以液氮为常用制冷剂），来保证超导导线处于超导临界转变温度以下，按照目前低温制冷机的性能，几公里就要有一座制冷站。

张宏杰介绍，超导电缆系统的基本结构是：电缆的外护套跟常规电缆的结构和功能一致；外护套内，是双层不锈钢材质的高真空绝热杜瓦管，液氮在杜瓦管道内流动，超导电缆芯浸泡在液氮中，低温制冷机作为系统辅机推动液氮循环并为整个系统提供制冷。

采用液氮冷却的高温超导电缆发展至今已有20多年，世界上很多国家都开展了相关研究和工程示范。但由于目前超导材料价格仍然较高，制冷等辅机费用占比较大，一定程度上制约了这一技术实用化的进程。

电力与LNG混输，其实就是利用LNG输送时需先对天然气进行超低温液化处理，输送管道环境低温且恒定的既有条件，把单一输气变成既输电又输气，是一举两得的好思路。

创造高温超导电缆运行的最高电压

2014年，在以“超导技术在未来电网中的应用”为主题的香山科学会议上，中国电科院名誉院长周孝信指出：“如果超导直流输电技术能够实现输送液氢或液化天然气与输送电力有机结合，那么将彻底改变我国未来能源与电力输送格局。”与会专家提出：“建议启动液化天然气温度的长距离超导能源管道示范工程项目，通过15—20年的努力，建成数百公里级的超导能源管道示范系统。围绕该项目，重点突破示范工程所涉及的关键科学技术问题，以点带面，促进我国超导技术在各个领域的应用发展。”

国家重点研发计划项目“超导直流能源管道的基础研究”就是在此基础上，于2018年获批立项实施。经过近3年攻关，项目组构建了世界一流的超导直流能源管道技术研发和试验测试平台，并获得多项原创性成果。

电科院储能所副总工程师、该项目负责人丘明表示，项目组在LNG混合工质的固液相平衡及其传热、流动和绝缘特性方面，建立了适用于甲烷体系的固液相平衡模型，提出凝固点调控新方法，为电力、LNG高效输送提供了基础保障。

对能源管道而言，当出现网侧短路、电缆绝缘击穿、以及LNG泄漏等极端情况，如何确保能源管道安全可靠运行，是必须解决的问题，也是未来工程应用人们关注的重点。丘明说，研究人员提出了多种超导能源管道原理结构，并针对不同的结构和工作条件，开展了LNG混合工质的绝缘和安全特性研究，提出了安全应对和防御策略，确保超导能源管道的安全运行。

在本项目之前，国际上高温超导直流电缆的最高电压等级为韩国在济州岛完成的80千伏超导直流电缆，本项目超导直流能源管道使用的高温超导电缆系统运行电压为±100千伏，为国际最高。

天然气作为清洁能源近几年得到快速发展，作为一种全新的能源配置与输送方式，超导能源管道实现电力—液态燃料的一体化输送，综合能源输送效率高。“项目在新型电力系统（比如海上风电送出）、港口岸电等场景将有广阔的应用前景。”张宏杰如是说。