图1 基于量热的固液平衡实验平台及甲烷固液相转变温度
Fig.1 The experimental platform of solid-liquid equilibrium based on calorimetry and solid-liquid phase transition temperature of methane
摘要 将超导输电技术与液化天然气（LNG）管道输送技术相结合，形成能同时输送LNG与电力的能源管道，不仅可以节约能源通道，还可以利用LNG冷却超导电缆，提高能源输送效率和经济性，是一种极具前景的能源输送方式。在国家“智能电网与装备”重点研发计划的支持下，开展了超导直流能源管道的基础研究。该文主要介绍超导直流能源管道的基础研究项目近一年多的进展情况，主要包括：LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性，电力/LNG一体化输送动态稳定性判据，为安全性与故障演化分析而搭建的实验平台及初步实验结果，以及10m/10kV超导直流能源管道原理样机的研制与实验情况。
关键词：超导直流能源管道 低温LNG特性 电-热-流耦合
我国能源分布不均，电力与天然气资源多分布在西部，用户中心则分布在东部地区。为解决我国资源分布不均问题，国家部署了西电东送与西气东输工程，但这些工程也占据了紧张的能源通道。为此，有必要开展通道融合、能源集输问题的研究[1-2]。
超导直流电缆具有载流能力高、损耗小等优点，但需要低温环境以维持其工作[3]。尽管液氮冷却高温超导电缆的技术已基本成熟，但额外的低温冷却系统制约了高温超导输电技术实用化的进程。而以液体形式输送清洁燃料（如氢气、液化天然气、乙烯等）具有能量密度高、单位容积输送量大等优点，但同样也需要制冷和绝热环境[4]。将二者相结合，以低温燃料冷却超导电缆，共用制冷系统和绝热管道，构成电能和液体燃料一体化输送的新型系统——超导能源管道，可提高能源输送的整体效率、降低综合成本，符合能源大规模集输的基本要求，为能源互联网建设提供新的思路[5]。
关于超导直流能源管道的研究，目前有液氢冷却超导电缆和液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）冷却超导电缆两种方式。液氢冷却超导电缆的设想和氢电混输超导能源管道的概念分别由日本和美国于20世纪末和21世纪初提出，美、日、俄等国相继开展了初步探索[6-13]。中国科学院电工研究所与中国电力科学院也完成了小样机试验[14]。由于液氢温度为20K，远远低于高温超导体临界温度，液氢超导电缆能源管道在电力输送方面具有天然优势。然而，由于氢燃料产能有限，加之极低温制冷的经济性和液氢的安全性等问题，近期电力/液氢能源管道难以得到规模化应用。随着天然气管道输送的迅速发展，采用LNG冷却超导电缆进行电力与LNG混输的超导能源管道的研究近年来逐渐发展起来。西安交通大学提出LNG浸泡超导电缆的方案[15-16]，日本中部大学提出采用LNG管道为超导电缆提供冷屏的方案[17]，中国科学院电工研究所等单位也提出了一些概念设计[18-23]。虽然国内、外关于电力/LNG能源管道提出了一些结构设想，但实质性的研究还较少，尚处于概念设计阶段。
实现超导电力/LNG一体化输送，面临以下问题：①温度匹配问题。LNG的温度是110K，与一代Bi系高温超导体的临界温度相当。在此温度下，高温超导带材没有载流能力。虽然铊系和汞系超导体的临界温度（125K和135K）高于110K，但铊系和汞系超导体含重金属（有毒），没有商品化的线（带）材。解决温度匹配问题有两种方法：一是研制新的临界温度更高的实用化超导体，这是一条很好路线，但需要很长的时间和很多的人力物力投入，且能否研制出以及什么时间能研制出难以预测；另一种方法是，采用现有的一代Bi系商业带材，降低LNG的温度，如将LNG的温度降低至约85K，这时一代超导带材还有约一半的载流能力（大于100A），足以进行电力传输。且目前采用甲烷添加乙烷和丙烷，降低共晶点的技术比较成熟[24-25]，所以，采用降低LNG凝固温度的方式是可行的（本项目也采取该技术路线），但需要保证LNG热值不减少，降温后粘度不增（不能凝固）。②高效电热耦合与协同输送问题。要提高能源管道的能效，需充分利用LNG冷量为超导电缆提供工作环境；同时超导输电也不影响LNG的输送，维持动态稳定性，满足不同电力/ LNG需求下的可靠输送。③安全问题。LNG是燃料，将超导电缆置于LNG中具有潜在的危险，必须做好主动、被动防御设计，减小电弧发生和LNG泄漏概率，避免燃爆及其次生影响。
若解决上述问题，需明确LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性；建立电力/LNG一体化输送动态稳定性及其协同控制方法。基于超导直流能源管道故障演化机理，提出安全防御策略；掌握安全、高效的超导直流能源管道系统设计技术；在解决上述问题的基础上，才能完成超导直流能源管道的研制与满功率运行，验证技术的可行性和优越性。
在国家“智能电网与装备”重点研发计划的支持下，目前已开展了超导直流能源管道的原理结构，LNG混合工质的固液相平衡及其传热、流动和绝缘特性，及能源管道的安全性等方面的研究。本文将介绍这些研究的进展情况。
为研究LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性，项目团队单位搭建了基于量热的固液平衡实验平台，实现了固液转变温度及热焓的准确测量；进一步建立了适用于甲烷体系的固液相平衡模型，预测甲烷、乙烷、丙烷多元体系的固液转变温度，实现了比液氮更低的凝固温度，足以满足超导能源管道的冷却需求；建立了LNG混合工质的流动传热关联式，实现了对LNG混合工质的宽温度区流动及传热特性的精准预测。
尽管从热力学观点来看，固液相平衡与气液等其他相平衡并无差异，但从动力学角度来看，由于固、液均为凝聚相，低温下分子运动的时间依赖性和温度依赖性给固液相平衡研究带来更多困难。不同相态间的扩散系数有极大差异，一般常温常压气体分子间扩散系数量级为10-5m2/s，液体分子间扩散系数量级为10-9m2/s，而固体分子之间扩散系数在10-34～10-19m2/s之间。由于扩散系数随温度降低呈指数衰减，其衰减指数在1.5～1.75之间，低温使得固液相平衡的研究面临更大挑战。为此，本课题组搭建了如图1a所示的基于量热法的低温混合工质固液平衡实验装置，提出以大样样品量热，减少漏热，提高量热精度；以小样样品检测相变温度，增强换热，提高相变起点分辨力；从而实现对相同体系相变温度及相变热的精准测量。利用所建平台，对纯质甲烷进行了试验测试，结果如图1b所示，其相变潜热测量值与标准值偏差为-0.32%（58.628J/g），相变温度测量值与标准值偏差为-0.095%（90.6K）。可见，所建实验平台的精度很高，保证了实验数据的可靠性。
图1 基于量热的固液平衡实验平台及甲烷固液相转变温度
Fig.1 The experimental platform of solid-liquid equilibrium based on calorimetry and solid-liquid phase transition temperature of methane
研制低温LNG混合工质，需要对低温混合工质的固液相平衡进行预测，以指导低温混合工质的调配。为此，开展了低温混合工质固液相平衡预测的研究。由于LNG中各混合工质在固相中分子的大小、晶体结构、电负性都有较大差别，其固相混合物可以看作完全不互溶体系。固液相平衡时，工质组分与固液转变温度之间关系可表示为
（1）式中，
为液相活度系数；
为液相组分i的摩尔分数；
为组分i的熔化焓；R为阿伏伽德罗常数；
为组分i的熔点；
为混合物的固液相变温度。当溶液为理想溶液时，液相活度系数为1，通过纯组分的熔化焓和熔点数据，即可得到混合工质在各组分下的固液转变温度。然而，真实液体中各分子之间的相似交互作用能和非相似交互作用能不完全相等，其能量稳定性不如理想溶液，因此真实溶液的固液转变温度与利用理想溶液的计算结果有差异，通过液相活度（或液相逸度）可以有效地评价真实溶液与理想溶液之间的差异性。
除了利用固液相平衡实验数据拟合得到液相活度外，研究发现低温下液相逸度是联系气液和液固相转变的关键，可以利用气液相平衡物性预测固液相平衡，并从熵的角度进行了分析：熔化的过程释放了分子之间的取向熵（由于分子在液相中的相对取向而得到的熵），并且激活了分子内某些运动模式而导致液态熵的增加，因此，熔化过程中的熵变基本上决定于液态熵。并进一步指出，在Peng-Robinson（PR）方程结合范德华（vdW）混合规则中，固定二元相互作用参数
可同时实现气液及固液相平衡的精准预测，而将二元参数拟合为温度的函数，虽然会提高高温区的气液相平衡再现精度，但在低温外延时夸大了二元相互作用参数趋势（图2），以致在低温下产生较大的逸度偏差，并最终导致过大的固液相平衡温度偏差，且二元参数与固液相平衡温度的偏差趋势一致，即较低的二元参数会预测偏低的固液转变温度。以PR方程、微扰-统计缔合流体理论（Perturbed Chain-Statistical Associating Fluid Theory, PC-SAFT）、非随机二流体（Non-Random Two Liquids, NRTL）方程、以MHV2混合规则结合PR方程和NRTL活度系数模型（PR-MHV2-NRTL）等多种模型预测了CH4+C2H6体系的固液相平衡发现，PR和NRTL模型可同时实现气液及固液相平衡预测，且准确度更高。
图2 基于气液平衡特性的固液平衡预测方法（甲烷+乙烷体系）
Fig.2 Prediction method of solid-liquid equilibrium based on gas-liquid equilibrium characteristics (methane+ethane system)
在对CH4+C2H6体系预测的基础上，进一步预测了甲烷+乙烷+丙烷的三元固液相图，如图3所示。其共晶摩尔组分为，甲烷:乙烷:丙烷=0.57:0.23:0.20。可见，三元共晶温度可低至60.09K，比液氮的凝固温度（63K）还低；实验还证实，甲烷+乙烷混合物在8:2的配比下，80K时不结冰。因此，采用二元混合物即可满足能源管道对超导电缆的冷却要求。
图3 甲烷、乙烷和丙烷的三元固液相图
Fig.3 Ternary solid-liquid phase diagrams of methane, ethane and propane
基于所搭建的流动冷凝实验测试平台，对甲烷、乙烷以及四氟化碳的流动冷凝传热特性和两相流型转换特性进行了测试，在对实验数据分析的基础上，综合考虑惯性力、重力、粘性力以及表面张力的影响，发展了流型转捩模型，即
（2）式中，无量纲数Frv为惯性力与重力之比；Bd为重力与表面张力之比；
为粘性力与表面张力之比。基于流型，将传热数据分为环状流和非环状流，进一步发展了相应的纯质和混合物的传热关联式，并对宽温区流动及传热特性进行预测，新传热关联式对实验数据预测如图4所示。由图4可见，对甲烷、四氟化碳等低温工质传热及流动预测偏差均在±30%以内，精度高于相关文献[26]。该关联式可对多种混合工质的流动传热特性进行精准评估。
图4 新传热关联式对实验数据预测
Fig.4 Prediction of experimental data by new heat transfer correlation
电力/LNG一体化输送的动态稳定性与协同控制是保证能源管道安全稳定运行的基础。为此，开展了电力/LNG一体化输送过程中超导电缆输电与LNG管道输送之间相互影响规律的研究。基于传热学理论，推导出LNG管输参数与温度场之间的关系；基于原理验证样机实验，获得了超导电缆载流能力与温度之间的关系；进一步获得了电力/LNG一体化输送的相互影响规律和动态稳定性判据，为协同控制系统的构建奠定基础。
超导直流能源管道的漏热主要来自管道本体和终端。用边界热源Qb表示单个终端的漏热，即终端电流引线的漏热（与电流大小有关）和终端杜瓦的漏热。根据经验公式
（3）式中，ku为终端电流引线漏热与电流大小的关系，一般电流引线的漏热为45W/kA；Qb0为终端杜瓦漏热量，一般为定值，此处取
=5W。
稳态时，进入能源管道系统的热量等于LNG流体带走的热量，可以建立热量守恒式，即
（4）式中，
为管道本体单位长度漏热；L为管道本体总长度；ρ和cp分别为LNG的密度和定压比热容；qs为LNG的流量；
为单个终端的漏热量；ΔT为LNG的温升。在同轴嵌套结构的管道中，可以忽略同一管道截面LNG和超导电缆的温差，LNG的温升等于超导电缆的温升。因此，超导电缆温升最高处为LNG出口端，最高温度为
（5）式中，Ts为管道入口的LNG温度。式（5）建立了沿程温升与LNG输送参数的联系。
为了获得超导电缆载流量与温度之间的关系，研制了10m、10kV/1kA超导直流能源管道原理验证样机。样机采用内外嵌套的原理结构，如图5a所示。内层管道中为液氮和四氟化碳绝缘介质冷却的超导电缆，液氮和四氟化碳不循环，外层管道中为压力可调的循环LNG燃料冷却环境。超导电缆终端发热、管道漏热、内管的压力及外管中的循环冷剂均会对内管中电缆的工作温度有影响。采用内管控压与外部冷却循环相结合的方式调节温度，将超导电缆的温度维持在85K左右进行长期通流实验。图5b为通流1 200A过程中电缆温度、压力、外部管道温度及外管道液氮罐中液氮量的变化曲线。图5中，P、T表示压力传感器、温度传感器的位置。可见，外部循环可使内管温度均衡。因受流量的限制，终端温度的均衡程度有限，在电缆管道上存在沿程温度分布差，但超导电缆的温度仍可以控制在工作范围内，能源管道可以稳定工作，实现电力/LNG的共同输送。
图5 原理验证小样机结构及实验结果
Fig.5 The structure and experimental results of the prototype for principle verification
原理验证样机实验测得超导电缆的临界温度大约为109.27K，图6为不同温度下的超导电缆临界电流。
图6 临界电流随温度变化曲线
Fig.6 Critical current versus temperature
随着工作温度的升高，超导直流电缆的载流能力急剧下降，109.27K时临界电流降为零，超导电缆完全失去超导载流能力。因此，必须确保超导电缆的工作温度低于临界温度。临界电流
随温度T的变化曲线拟合方程为
（6）式（6）给出了温度场与超导电缆临界电流的关系，即显示了温度是如何影响超导电缆载流能力的。
基于温度场与电能输送之间的关系，可以得到电力/LNG一体化输送的动态稳定性判据。将式（6）代入式（5），忽略超导电缆两端受终端漏热影响导致的温升，认为这部分终端漏热全部被LNG吸收。忽略同一横截面LNG温度与超导电缆的温度差异，认为超导电缆的温度等于LNG管道截面的平均温度，可以得到超导电缆的最大载流（临界电流）与LNG输送参数之间的关系为
（7）用Ics表示起始端超导电缆的临界电流，即
（8）将式（8）和式（3）代入式（7），得到
（9）令I=Ic，求解方程（9）得到
（10）式（10）阐明了LNG输送对超导电缆载流能力的影响规律。根据式（10），代入参数，可得超导电缆载流能力与LNG管道入口温度的关系曲线如图7所示，超导电缆载流能力与LNG流量的关系曲线如图8所示。
图7 超导电缆载流能力与LNG管道入口温度的关系
Fig.7 Relationship between current carrying capacity of superconducting cable and LNG inlet temperature
令式（10）中的Ic=0，忽略温度对LNG物性参数的影响，取密度ρ=430g/L @110K，定压比热容cp=3500J/(kg·K)@110K，求解得到LNG的最小流量判据（系统稳定性判据）qmin为
（11）式（11）表明：最小流量与管道杜瓦漏热总量（含杜瓦管道和终端杜瓦，不含电流引线漏热）成正比，与超导电缆入口端温度裕度成反比。与电流引线漏热量无关，与超导电缆的载流量无关，只和超导电缆所用超导带材的临界温度有关。通常最小流量的值越小越好，实际流量不得低于最小流量。
图8 超导电缆载流能力与LNG流量的关系
Fig.8 Relationship between current carrying capacity of superconducting cable and LNG flow rate
为确保能源管道安全稳定运行、制定有效的安全防御策略，设计并搭建了短路电流和绝缘击穿安全性评估试验平台，开展了短路电流与绝缘击穿时的电弧能量的测试，为安全防御策略的制定提供依据。
短路与绝缘击穿是能源管道的典型故障。这两种故障将引起大量能量的瞬时释放，影响超导材料与能源管道的安全。
就短路电流而言，电缆导体因外部包裹有绝缘层，散热条件差，将引起电缆导体的瞬时温升失超，冷剂气化，且失超恢复慢，影响电缆的重合闸。绝缘击穿使得能量瞬时点释放，不仅会引起液氮的汽化，而且产生的电弧可能对管道有烧蚀作用。
所研制的短路及绝缘击穿故障实验系统主要由交直流冲击电源、高压试验装置、封闭实验腔体、温度与压力传感器及测控单元等部件组成。短路直流冲击测试系统设计方案如图9所示。该系统可针对超导电缆样品进行直流20ms、交流100ms的冲击实验，测试其压力、电压及失超恢复特性，辅助完成超导电缆本体及管道的设计。绝缘击穿故障安全性实验采用将加热丝10ms冲击几千安培电流产生高温的方法，模拟绝缘击穿时通道温升增加产生的能量释放，进行电弧能量模拟测试。
图9 安全性实验平台原理图及封闭试验腔体
Fig.9 Schematic diagram of safety test platform and closed test chamber
首先对单根超导带材的抗短路电流冲击特性进行了实验测试。将临界电流为120A的超导带材，外部包裹PPLP绝缘后放置于波纹管中，不断增大短路冲击电流，进行短路冲击试验，直至带材被冲击损坏（断裂），短路冲击超导带材断裂现场如图10a所示。图10b给出不同冲击电流下超导带材的温升曲线和引起带材断裂的冲击电流。结果显示，单根超导带材在5 000A的电流冲击下，带材仍是安全的，直到冲击电流超过7 800A，才产生燃弧爆炸。可见，带材的抗冲击性能很高，可以承受约60倍的过电流冲击。带材断裂后释放的能量使得实验容器及波纹管破裂，因此在设计电缆导体时，要充分考虑安全裕度，及采用铜骨架等分流措施。
图10 短路冲击超导带材温升及断裂后现场图
Fig.10 Short circuit impact test of superconducting tapes
超导电缆的绝缘击穿是能源管道的另一典型故障。绝缘击穿的电弧能量是能源管道安全设计的重要依据参数，为评估绝缘击穿的电弧能量，初步设计并研制了能够测试封闭空间液氮内电弧能量和压力的装置。封闭空间小功率绝缘击穿电弧能量的实验测试结果如图11所示，在放电总能量约为17.5J时，压力峰值为0.1MPa，激波机械能约为0.199J。
图11 绝缘击穿电弧能量测试系统及测试得到的电压电流曲线
Fig.11 Arc energy test system of insulation breakdown and voltage-current curve
基于对能源管道不同原理结构的对比分析，并通过甲烷气体与LNG的放电特性，以及超导电缆绝缘击穿故障的实验研究，提出了低温燃料冷却、绝缘介质保护的能源管道原理结构。研制了10m、10kV/1kA超导直流能源管道原理验证样机并进行了实验测试；对双极电缆及LNG管道的排布方式进行了多物理场仿真分析，给出30m、±100kV/1kA超导直流能源管道的总体设计方案。
基于所提出的低温燃料冷却、绝缘介质保护的原理结构，研制了10m、10kV/1kA超导直流能源管道原理验证样机如图5所示，试验现场如图12所示，部分测试结果如图13所示。
图12 原理验证样机试验现场
Fig.12 The test site of superconducting energy pipeline prototype
图13 10kV能源管道原理验证样机临界电流和长时间通流曲线
Fig.13 Critical current and long-time current carrying curve of 10kV energy pipeline prototype
原理验证样机实验表明：①在液氮和液化四氟化碳混合绝缘保护介质不流动的情况下，LNG混合工质（液态甲烷+液态丙烷）可以实现对超导电缆的有效冷却，使超导电缆稳定运行在85～90K；②采用LNG混合丙烷的调配方法降低LNG混合工质的温度是可行的；③LNG混合工质燃料冷却、绝缘介质保护的能源管道结构，可以实现在18.5kV高电压和1kA电流下的稳定运行及电力/LNG的一体化输送。
由电-热-流耦合仿真结果可知，双轴双极性电缆结构比同轴双极性电缆结构的热稳定好，故采用双轴双极性的结构。根据日本住友公司对超导电缆绝缘击穿故障的实验结果可知[27-28]，在500kJ能量时，电缆管道将受到电弧烧蚀及压力剧增的双重作用造成炸裂。故需要在超导电缆与LNG管道之间增加一定的保护层，可有效减弱电弧对LNG管道的烧蚀，为此提出了如图14所示的±100kV/1kA能源管道结构，并进行了温度场和流场分析，如图15所示。
图14 ±100kV/1kA超导直流能源管道结构
Fig.14 ±100kV/1kA superconducting DC energy pipeline structure
图15 管道漏热5W/m时能源管道温度场和流场分布图
Fig.15 Distribution diagram of temperature field and flow field of energy pipeline at 5W/m of pipeline heat leakage
这种结构方案的超导直流能源管道既可保证高效热耦合，又能提高能源管道电力/LNG一体化输送的安全性。后续将籍此设计整体方案，开展30m、±100kV/10kA超导直流能源管道的研制与满功率实验测试工作。
围绕超导直流能源管道的研制，开展了LNG混合工质的低温液固转变机理及传热流动特性、电力/LNG一体化输送动态稳定性及协同控制、以及超导直流能源管道故障演化等科学问题与安全、高效超导直流能源管道系统设计技术的研究。
1）研制了高精度的固液平衡实验平台，在实验研究的基础上，建立了可预测多元体系固液转变温度的固液相平衡模型，可同时实现气液及固液相平衡预测，甲烷+乙烷+丙烷三元共晶温度可低至60.09K，满足能源管道的冷却要求。
2）获得了电力/LNG一体化输送的相互影响规律以及动态稳定性判据，建立了LNG管输参数与超导电缆输电参数之间的联系，给出了LNG最小输送流量的计算公式，为能源管道协同控制奠定基础。
3）设计并研制了短路电流和绝缘击穿测试平台，与电弧能量测试平台，并进行了初步的实验测试，为超导直流能源管道安全性评估奠定实验基础。
4）完成了10m、10kV/1kA超导直流能源管道原理结构验证样机的研制与试验测试，实现了电力与LNG的一体化输送，在此基础上，给出了30m、±100kV/1kA超导直流能源管道总体结构设计方案。
在现有工作的基础上，后续将进一步深入开展：
1）30m、±100kV/1kA高温超导电缆本体的设计与研制。开展30m超导电缆本体的电磁、应力与绝缘设计，及应力堆设计，完成电缆本体的绕制与耐压测试。
2）能源管道终端的设计与研制。在低温大温度梯度下绝缘特性、传热特性等研究的基础上，完成终端杜瓦与高压电流引线的设计与研制。
3）完成30m、±100kV/1kA超导直流能源管道样机的集成与满功率实验测试，以验证超导直流能源管道的先进性与优越性。
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Research Progress on the Superconducting DC Energy Pipeline
Abstract The combination of superconducting transmission technology and LNG pipeline transportation technology to form an energy pipeline to transport LNG and electricity at the same time, can not only alleviate the tension of energy channels but also improve energy transmission efficiency and economy by using LNG to cool superconducting cables, which is a promising energy transmission mode. Therefore, supported by the national "smart grid and equipment" key research and development plan, we carried out the basic research on the superconducting DC energy pipeline. This paper mainly introduces the research progress of the superconducting DC energy pipeline project in the recent one and a half year, which includes: the low-temperature liquid-solid transition mechanism, the heat transfer and flow characteristics of mixed LNG mixtures, the dynamic stability criterion of integrated power/LNG transportation, the experimental platform and preliminary experimental results for safety and fault evolution analysis, and the development and test of the 10m/10kV energy pipeline prototype.
keywords：Superconducting DC energy pipeline, low temperature LNG characteristics, electric-thermal-fluid coupling
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90222
中图分类号：TM725
国家重点研发计划“智能电网技术与装备”重点专项2018年度项目“超导直流能源管道的基础研究”（2018YFB0904400）资助。
收稿日期 2020-07-03
收稿日期 2021-06-28
张国民 男，1964年生，研究员，博士生导师，研究方向为超导应用技术。E-mail：gmzhang@mail.iee.ac.cn（通信作者）
陈建辉 男，1994年生，博士研究生，研究方向为超导直流能源管道。E-mail：chenjianhui@mail.iee.ac.cn
（编辑 郭丽军）