液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道的制作方法

本发明涉及电力及能源传输管道，特别涉及一种液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道。

背景技术：

目前，现有市场上使用的常规电缆是铜电缆，铜电缆在大容量输电时有一定的限制，在远距离输电时损耗较大。超导电缆与常规电缆相比，具有以下优势：1、大容量。一回超导电缆的传输容量可达到几千兆瓦，远高于常规传统电缆的传输能力。2、低损耗。直流输电时，超导体损耗几乎为0。交流输电时导体损耗也仅不足常规电缆的1/10，从而提高电能的传输效率。3、降低传输电压。传输相同容量时，超导电缆的传输电压可以降低一到两个电压等级。4、体积小。同样截面的超导电缆的传输能力是常规电缆的3～5倍，从而减小了占地面积。随着工业及经济的快速发展，电能的需求量越来越大，2016年我国的用电量已达到5.9万亿kw·h，同比增长了5％。根据国际能源署的统计报道，至2014年，全球的电能需求量已达到10771twh，同比增长了0.9％，且预测到2050年世界整体的电力需求将增长40％。每年有大量的电量和资金由于输电损耗而浪费，我国电网的损耗约为7.5％，以2016年总发电量5.9万亿kw·h计算，电网的损耗高达4.4千亿kw·h，而且将随着用电量的不断提高总体输电损耗继续增加。且我国能源和用电分布不均，“西气东输”、“西电东送”的需求使得超导电缆输电更具优势。

天然气是相对清洁的化石能源，全球天然气的产量持续增长，截至2013底，全球天然气产量已达3.4万亿m³，年均增长率达2.6％，且剩余已探明可开采量约186万亿m³，天然气消费总量持续稳步上升，截至2013年，消费量已达33476亿m³，且天然气占全球能源消费总量的占比已上升至23.7％，天然气的世界贸易增长很快，2013年，天然气的年贸易量达10360亿m³，年均增长5.2％。但天然气开采区与集中用气区一般相距较远，需要将天然气远距离运输至用户区域，液化天然气可将天然气的体积压缩约600倍传输，且具有更高的输送容量和更强的安全性能。

以煤炭、石油为主的化石能源燃烧是全球温室气体排放的主要来源，产生的co2(二氧化碳)占全球人类温室气体排放的56.6％，排放的so2(二氧化硫)约2.9亿吨，严重影响环境，且已出现资源加速枯竭的能源问题，因此，开发利用清洁能源h2成为理想能源替代源，h2(氢气)可由太阳能、核能、天然气等多重转化而来，便于能源高效利用，但仍需解决大型光伏电站、核电站等h2场地向用户中心远距离传输的问题。

因此，为了实现电能及液氢、液化天然气的能源高效传输，设计超导电缆的能源混合传输管道。

文献[1]的超导电缆是采用液氦为制冷剂，液氦的价格很高，使得液氦超导电缆的工业化应用的成本较高。文献[2][3]设计的高温超导电缆是采用液氮作为制冷剂，在能量传输方面只实现了电能的传输。文献[4][5]及专利cn102679152b设计的是采用液化天然气作为制冷剂的能量混合传输线，实现了能源和电能的一体化传输，提高了效率，但是天然气存在碳排放，随着h2技术的成熟，天然气的使用量可能减少，造成管道的搁置。文献[6][7][8][9]设计的是液氢能源混合传输线，紧跟h2技术开发利用的前沿，且实现了能源和电力的同步传输，大大提高了效率，缓解了环境能源危机，但目前h2技术尚不成熟，世界各国能源很大一部分仍来自于天然气，对于现阶段的利用成效有一定影响。且电缆和电气屏蔽由单层液氢供冷，可能存在温差。文献[9][10]采用的是液氢和液氮共同制冷传输的超导电缆，改善了文献[6]-[8]的低温环境问题，但液氮只作为制冷剂传输，不作其他能源利用，造成能源传输浪费。

参考文献

[1]keerthirajkunniyoor,thomasrichter,parthasarathighosh,etal.“experimentalstudyonsuperconductinglevelsensorsinliquidhelium,”ieeetrans.appl.supercond.,vol.28,no.2,march2018.

[2]王醒东.高温超导电缆的本体结构及基本设计原理[j].电工材料,2015(01):23-25.

[3]jonathana.demkoandwilliamv.hassenzahl.“thermalmanagementoflong-lengthhtscablesystems,”ieeetrans.appl.supercond.,vol.21,no.3,june2011.

[4]张杨.天然气与电力长距离联合高效输送的可行性研究[j].西安交通大学学报，2013(09).

[5]yangzhang,hongbotan.“feasibilityanalysisandapplicationdesignofanovellong-distancenaturalgasandelectricitycombinedtransmissionsystem”energy.,vol.77,pp.710-719,2014.

[6]l.trevisani,m.fabbri,f.negrini.hassenzahl.“longdistancerenewable-energy-sourcespowertransmissionusinghydrogen-cooledmgb2superconductingline”sciencedirect.,vol.47,pp.113-120,2007.

[7]v.v.kostyuka,e.v.blagovb.hassenzahl.“cryogenicdesignandtestresultsof30-mflexiblehybridenergytransferlinewithliquidhydrogenandsuperconductingmgb2cable,”cryogenics,vol.66,pp.34-42,2015.

[8]v.s.vysotsky.“hybridenergytransferlinewithliquidhydrogenandsuperconductingmgb2cable—firstexperimentalproofofconcept,”ieeetrans.appl.supercond.,vol.23,no.3,june2013.

[9]antoniomorandi.“htsdctransmissionanddistribution:concepts,applicationsandbenefits,”superconductorscienceandtechnology.,vol.28,2015.

[10]paulm.grant.“thesupercable:dualdeliveryofchemicalandelectricpower”ieeetrans.appl.supercond.,vol.15,no.2,june2005.

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，本发明提供一种集液氢-液化天然气-高温超导电缆于一体的能量混合传输线。本发明传输管道既实现能源电力的混合传输，提高了传输效率，且将液化天然气和液氢设于同一管道同时传输，减少了管道再敷设成本，又避免了h2和天然气任何一方搁置造成的管道浪费。

本发明所采用的技术方案是：一种液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道，包括由内向外同轴布置的：

第一液氢传输管道，用于液氢传输，同时对第一超导层进行冷却；

第一超导层，用于电能传输；

第一电气绝缘层，用于第一超导层和第二超导层之间的电气绝缘；

第二超导层，用于电能传输；

第二液氢传输管道，用于液氢传输，同时对第二超导层进行冷却；

第一绝热层，用于隔绝第二液氢传输管道内的液氢与液化天然气传输管道内的液化天然气之间的热交换，同时隔绝第二液氢传输管道内的液氢与外部环境的热交换；

液化天然气传输管道，用于液化天然气传输，同时对电气屏蔽层进行冷却，并能作为第一液氢传输管道内的液氢和第二液氢传输管道内的液氢与外部环境的热隔绝；

第二电气绝缘层；

电气屏蔽层；

第二绝热层，用于为液化天然气传输管道内的液化天然气提供绝热作用，同时为整个能源传输管道提供绝热作用；

保护层。

进一步的，所述第一液氢传输管道、第二液氢传输管道、液化天然气传输管道均采用不锈钢波纹管制成。

进一步的，所述第一绝热层和所述第二绝热层均由同轴双层不锈钢波纹管套制，两层不锈钢波纹之间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔。

进一步的，所述第一超导层和所述第二超导层均采用二代超导带材ybco制成。

进一步的，所述电气屏蔽层采用一代超导带材bi2223制成。

进一步的，所述第一电气绝缘层和第二电气绝缘层均采用聚丙烯层压纸制成。

进一步的，所述第二液氢传输管道内设置有若干个沿能源传输管道径向布置的非金属支撑架。

进一步的，所述液化天然气传输管道内设置有若干个沿能源传输管道径向布置的金属支撑架。

本发明的有益效果是：

本发明液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道实现了电能、lh2(液氢)、lng(液化天然气)的能源电力混合传输，提高了综合能源传输效率，既减少了多种能源分别敷设管道的成本和占地问题，又避免了h2和天然气任何一方搁置造成的管道敷设浪费，符合我国现阶段及未来电力及能源传输的需求。

本发明混合能源传输管道相比现有管道的优点：

1、管道同时采用较成熟商业化的一代超导带材bi2223和二代超导带材ybco，带材工质技术稳定且商业成本较低，同时实现了一代带材和二代带材的混合电力应用，分别实现了其不同的实际应用价值。

2、管道采用双极同轴设计，节约了成本，且双极同轴电缆减小了外部磁场的分布，提升了超导带材的临界电流，相应提高了超导电缆的电流裕度。对应设计两层lh2传输通道，分别为双极超导层做制冷剂，相比之前的单层制冷剂供应更能保证超导层的运行温度，避免单层制冷剂造成的两极超导层低温环境不均衡，造成的输电不均衡和温差问题，且管道lh2作为能源使用，增加了传输容量，对于将来h2的大量开发利用提供了条件。

3、管道设计了lng传输层，为现阶段远距离天然气传输提供条件，lng采用混合制作工艺将温度降至约90k，为bi2223电屏蔽层作制冷剂，提供低温环境。相比液氮供冷，解决了液氮能源传输浪费的问题,减少了回流管道的设置；相比由超导电缆的制冷剂lh2制冷，lng直接向电屏蔽层供冷，更保障了超导屏蔽层的低温环境。且lng也能起到隔热作用，减少了lh2漏热，从而保障了超导电缆层的低温环境。同时也降低了外设低温制冷机的制冷成本。

4、管道同时设计了lh2和lng层，将现阶段可能大量使用的两种能源集于一体传输，解决了另外再铺设管道的需求，节约了成本，减少了占用地面积。且天然气、h2和电能可以相互转化，管道为液氢、液化天然气及电能三种能源的一体化传输提供了可行性，也为三种能源的集中产、用及转化提供了可能性，为终端三种能源的相互协调、高效转化及利用提供了有利条件。

附图说明

图1：本发明液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道结构示意图。

附图标注：1、第一液氢传输管道；2、第一超导层；3、第一电气绝缘层；4、第二超导层；5、第二液氢传输管道；6、第一绝热层；7、液化天然气传输管道；8、第二电气绝缘层；9、电气屏蔽层；10、第二绝热层；11、保护层；12、非金属支撑架；13、金属支撑架。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1所示，一种液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道，能源管道的超导层采用双极同轴设计，采用二代超导带材ybco，支撑管均采用金属波纹管，为超导带材提供基准支撑物，同时为lh2提供流通通道。

能源传输管道包括由内向外同轴布置的第一液氢传输管道1、第一超导层2、第一电气绝缘层3、第二超导层4、第二液氢传输管道5、第一绝热层6、液化天然气传输管道7、第二电气绝缘层8、电气屏蔽层9、第二绝热层10和保护层11。

第1层的第一液氢传输管道1和第5层的第二液氢传输管道5分别对内外两极超导层(第2层的第一超导层2和第4层的第二超导层4)进行冷却，为其提供低温环境(液氢提供的低温环境约为20k左右)，同时，可以传输液氢作为能源使用。所述第一液氢传输管道1和第二液氢传输管道5均采用不锈钢波纹管制成。其中，所述第二液氢传输管道5内设置有若干个沿能源传输管道径向布置的非金属支撑架12。

第2层的所述第一超导层2和第4层的第二超导层4用于电能传输，均采用二代超导带材ybco制成。

第3层的第一电气绝缘层3，间于所述第一超导层2和第二超导层4之间，起电气绝缘的作用。所述第一电气绝缘层3采用聚丙烯层压纸(pplp)制成。

第6层的第一绝热层6，由同轴双层不锈钢波纹管套制，两层不锈钢波纹之间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔，主要起到隔绝所述第二液氢传输管道5内的液氢与液化天然气传输管道7内的液化天然气之间热交换的作用，保证第一超导层2和第二超导层4的安全运行低温环境；同时，所述第一绝热层6也起到隔绝第二液氢传输管道5内的液氢与外部环境之间热传导的作用。

第7层的液化天然气传输管道7，实现液化天然气传输，同时对电气屏蔽层9进行冷却，为其提供低温环境(液化天然气提供的低温环境约为90k左右)，另外还能为所述第一液氢传输管道1内的液氢和第二液氢传输管道5内的液氢提供隔热作用，有助于降低液氢温升。所述液化天然气传输管道7内设置有若干个沿能源传输管道径向布置的金属支撑架13。

第8层的第二电气绝缘层8采用聚丙烯层压纸(pplp)制成。

第9层的电气屏蔽层9采用一代超导带材bi2223制成，bi2223临界温度约为110k，所述液化天然气传输管道7内的液化天然气的温度可降至约90k，可提供超导带材bi2223的低温环境，所述电气屏蔽层9起电磁屏蔽、短路保护等作用。

第10层的第二绝热层10，由同轴双层不锈钢波纹管套制，两层不锈钢波纹之间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔，主要实现所述液化天然气传输管道7内的液化天然气的绝热作用，另外也为整个能源传输管道提供绝热作用。

第11为保护层11，采用常规保护层。

本发明管道同时采用较成熟商业化的一代超导带材bi2223和二代超导带材ybco，技术稳定且商业成本较低，同时实现了一代带材和二代带材的混合电力应用，分别实现了其不同的实际应用价值。采用液氢和液化天然气的混合传输，为液氢、液化天然气和电能三种能源的同时传输提供了可行性，且两种能源分别为不同带材作制冷剂，保障了低温环境及带材运行性能的稳定性，同时为终端三种能源的相互转化及集中产销提供了可行性。