“運行電壓正負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有限公司特高壓桿塔試驗基地，由中國電力科學研究院有限公司牽頭的世界首個電力與液化天然氣(LNG)混輸超導直流能源管道樣機完成24小時滿負荷運行試驗。

“電力和LNG混輸的工程化應用，技術上已經沒有不可克服的障礙了。”8月6日，中國電力科學研究院儲能與電工所(以下簡稱電科院儲能所)超導室主任張宏杰表示。

他介紹，此前，電力和LNG混輸技術研究尚處于概念設計階段，僅提出了一些簡單的結構設想，并未進行實質性的研究、試驗。此次完成試驗的混輸能源管道研究屬于前瞻性技術，依托國家重點研發(fā)計劃項目具體實施，“其樣機同時具備超導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同輸送

什么是超導電纜輸電?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，又怎樣實現混輸?

“高溫超導電纜具有載流大、損耗小等特點。”張宏杰解釋，在相同電壓等級下，超導電纜輸電、通流能力和傳輸容量可以達到常規(guī)輸電線路的5—10倍，考慮低溫制冷系統功耗后，系統總損耗僅為常規(guī)線路線損的1/3左右。

但是超導電纜正常工作，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)，來保證超導導線處于超導臨界轉變溫度以下，按照目前低溫制冷機的性能，幾公里就要有一座制冷站。

張宏杰介紹，超導電纜系統的基本結構是：電纜的外護套跟常規(guī)電纜的結構和功能一致;外護套內，是雙層不銹鋼材質的高真空絕熱杜瓦管，液氮在杜瓦管道內流動，超導電纜芯浸泡在液氮中，低溫制冷機作為系統輔機推動液氮循環(huán)并為整個系統提供制冷。

采用液氮冷卻的高溫超導電纜發(fā)展至今已有20多年，世界上很多國家都開展了相關研究和工程示范。但由于目前超導材料價格仍然較高，制冷等輔機費用占比較大，一定程度上制約了這一技術實用化的進程。

電力與LNG混輸，其實就是利用LNG輸送時需先對天然氣進行超低溫液化處理，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)造高溫超導電纜運行的最高電壓

2014年，在以“超導技術在未來電網中的應用”為主題的香山科學會議上，中國電科院名譽院長周孝信指出：“如果超導直流輸電技術能夠實現輸送液氫或液化天然氣與輸送電力有機結合，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能源管道示范工程項目，通過15—20年的努力，建成數百公里級的超導能源管道示范系統。圍繞該項目，重點突破示范工程所涉及的關鍵科學技術問題，以點帶面，促進我國超導技術在各個領域的應用發(fā)展。”

國家重點研發(fā)計劃項目“超導直流能源管道的基礎研究”就是在此基礎上，于2018年獲批立項實施。經過近3年攻關，項目組構建了世界一流的超導直流能源管道技術研發(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、該項目負責人丘明表示，項目組在LNG混合工質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，提出凝固點調控新方法，為電力、LNG高效輸送提供了基礎保障。

對能源管道而言，當出現網側短路、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，也是未來工程應用人們關注的重點。丘明說，研究人員提出了多種超導能源管道原理結構，并針對不同的結構和工作條件，開展了LNG混合工質的絕緣和安全特性研究，提出了安全應對和防御策略，確保超導能源管道的安全運行。

在本項目之前，國際上高溫超導直流電纜的最高電壓等級為韓國在濟州島完成的80千伏超導直流電纜，本項目超導直流能源管道使用的高溫超導電纜系統運行電壓為±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，超導能源管道實現電力—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(比如海上風電送出)、港口岸電等場景將有廣闊的應用前景。”張宏杰如是說。