一种带液氮冷屏的直流超导液氢能源管道系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种带液氮冷屏的直流超导液氢能源管道系统。


背景技术：

2.随着全球能源消耗飞速增长，化石能源枯竭和全球气候变化给人类社会的可持续发展带来巨大挑战。为抑制这一趋势，构建以新能源为主体的新型电力系统将成为主流趋势。以风电和光伏为代表的新能源规模化开发利用在一定程度上缓解了能源匮乏和环境问题。然而，随着新能源大规模开发，能源资源和负荷资源分布不均衡导致能源生产传输面临新的挑战：
①
新能源消纳挑战。我国网源发展不协调严重制约新能源消纳，新能源富集基地存在与开发配套的电网送出项目规划、核准相对滞后及跨省跨区通道能力不足等问题，成为制约新能源消纳的刚性约束。
②
大规模电力远距离输送挑战。我国能源生产与消费中心呈逆向分布特性，负荷消费中心主要在东部沿海地区，而能源生产中心主要集中在中西部地区。为解决我国能源资源分布不均的问题，国家部署了西电东送工程，但这些工程需要庞大的土地建设能源通道。因此，与传统输电系统相比，超导输电系统凭借其输送容量大、线路损耗小、传输效率高、结构紧凑等优势被认为是未来能源传输领域的颠覆性技术。而结合了可再生能源制备的液氢共同传输的超导能源管道系统则因为实现了液氢与超导电力协同传输，则有望成为同时解决储能与输送两大难题的综合技术。
3.在《一种液化天然气和高温超导电能联合远程输送系统，专利号201210118316.1》中提及一种液化天然气和高温超导电能联合远程输送系统，利用lng管道输送过程中的低温环境，以lng作为超导电缆的冷却介质，很好的解决了超导电缆冷却系统的问题，实现lng和电能联合输送。但其缺陷为lng的正常温度是110k左右，虽与一代bi系高温超导体的临界温度相当。但在此温度下，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)，没有商业化的产品提供。
4.在《液氢-液化天然气-高温超导混合能源传输管道，专利号201910152782.3》中改进了传统液氢-高温超导能源管道专利，构思了通过利用液氢-液化天然气-电力超导协同输送采用液氢和液化天然气设于同一管道同时传输，减少了液氢输送的蒸发率。但其缺点为液化天然气与液氢同属低温燃料，缺少同时大规模生产可能性、缺乏商业化前景。
5.在《一种基于超导技术的超长距离氢电混合输送集成系统，专利申请号202111191593.0》中提出了较为安全的液氮作为冷屏，且超导电缆设置于液氮冷屏层，并由于内层输送的是液氢，适当控制液氢的漏冷速率可以保持液氮处理低温从而保证了液氮层的超导效果。但该申请因为有液氮与液氢两种低温介质全程流通，相关的绝热设计、焊接密封设计、冷屏流体计算、管道应力计算复杂，实施困难较多。
6.综上所述至今公开的超导能源管道结构都在工程化时有一定的问题，因此亟需要开发更优异，能实现工业化生产的超导能源管道系统。


技术实现要素：

7.为了实现大规模的可再生能开发高效传输，本实用新型提出了一种带液氮冷屏的直流超导液氢能源管道系统，采用液氮冷屏结构用于降低液氢与电力高效协同输送时保持降低液氢漏冷，分段式液氮冷屏结构降低了冷屏实施的实施难度；直流超导液氢能源管道系统可以将各个新能源基地的电力与氢能汇集后进行长距离输送。
8.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带液氮冷屏的直流超导液氢能源管道系统，包括通过带液氮冷屏的液氢超导管道依次连接的超导能源管道系统起始站a、超导能源管道系统中续站b和超导能源管道系统终点站c，所述带液氮冷屏的液氢超导管道包括液氢输送管道、液氮冷屏层、外部保冷层和设置在液氢输送管道内部的超导电缆组，在液氢输送管道外部分段设置有液氮冷屏，每段液氮冷屏的底部和顶部分别通过管道接入液氮供应管道和氮气回收管道，所述氮气回收管道通过管道连接氮气再液化装置，氮气再液化装置通过管道连接液氮供应管道。
9.与现有技术相比，本实用新型的积极效果是：
10.本实用新型着眼于优化液氢超导能源管道系统冷屏，提出了单独设置液氮管道提供液氮、且液氮冷屏分段包裹液氢管道、以及布置氮气回收系统对液氮进行再液化补充。同时本实用新型为改善超导电缆在管道内敷设定位效果，利用液氢管道内设置支撑滑轮组辅助在液氢管道内部中心架设超导电缆，确保超导电缆处于最有利的散热位置。本实用新型能应用于大型新能源基地进行直流超导输送电力，富裕的电力可以用于电解水制氢，制成的氢气通过液化后可以提供实现超导的低温环境，进而整个系统可以实现能源的大容量、低损耗、高效率传输、氢电协同互补等优势。
11.与现有的液氢超导能源管道系统技术相比，本实用新型解决了核心液氢的蒸发漏热过快有失超风险问题；本实用新型提出的管道内置低温电缆支撑滑轮组架空设计，解决了超导电缆对散热的要求，同时还解决了电缆不规则敷设影响液氢输送流道、导致流体阻力过大的问题。本实用新型优化了现有的液氮冷屏液氢超导混输技术，降低了超导能源管道工程实施难度，为推动未来碳中和背景下新能源大规模发展、高效率氢电混输模式，给出了一种解决方案，应用前景广阔。
附图说明
12.本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
13.本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
14.图1是本实用新型的总体结构示意图；
15.图2带液氮冷屏的液氢超导管道系统的结构剖面示意图；
16.图3带液氮冷屏的液氢超导管道系统的多层结构示意图；
17.图中附图标记包括：第一电力接入整流站1、第一常温电缆组2、第一低温电缆组3、第一转换接头4、第一液氢储罐5、电解水装置6、氢气液化装置7、第一超导电缆组8、第一液氢输送管道9、第一液氮蒸发冷屏10、第一外保冷绝热层11、液氮供应管道12、第一液氮减压阀13、氮气回收管道14、氮气再液化装置15、第二液氮蒸发冷屏16、第二液氮减压阀17、第二液氢储罐18、第二转换接头19、第二低温电缆组20、第二常温电缆组21、第二电力接入整流站22、第三常温电缆组23、第三低温电缆组24、第三转换接头25、第三液氢储罐26、氢气再液
化装置27、液氢泵28、第二超导电缆组29、第二液氢输送管道30、第三液氮减压阀31、第三液氮蒸发冷屏32、第二外保冷绝热层33、第四液氮减压阀34、第四液氮蒸发冷屏35、第四液氢储罐36、第四转换接头37、第四低温电缆组38、第四常温电缆组39、电力接出逆变站40、液氢增压装车设施41、氢气加热增压装置42、氢气发电装置43、电缆支持滑轮组44、内部绝热层45。
具体实施方式
18.一种带液氮冷屏的直流超导液氢能源管道系统，包括：超导能源管道系统起始站a，超导能源管道系统中续站b，超导能源管道系统终点站c，带液氮冷屏的液氢超导管道系统，氮气再液化装置等子系统构成。其中：
19.超导能源管道系统起始站a既可接收新能源电力和将富裕的新能源电力电解水制成氢气，并将氢气液化；亦可通过液氢超导管道连接带液氮冷屏的液氢超导管道系统输送电力和液氢能量。
20.超导能源管道系统中续站b既可通过液氢超导管道连接带液氮冷屏的液氢超导管道系统输送电力和液氢能量；亦可接收外部新增电力，并将蒸发的氢气再液化，未蒸发的液氢再增压。本实用新型中超导能源管道系统中续站b仅代表一种功能的示意，实际实施时可以是由与中续站b结构完全相同的中续站b1、中续站b2、
……
中续站bn依次串联组成。
21.超导能源管道系统终点站c既可通过液氢超导管道连接带液氮冷屏的液氢超导管道系统接收电力和液氢能量；亦可将接收的直流电为交流电，对外部电网输送电力；又可将接收的液氢增压销售，蒸发的气氢用于发电或对外销售。
22.带液氮冷屏的液氢超导管道主要起连接超导能源管道系统起始站a，超导能源管道系统中续站b，超导能源管道系统终点站c等三个站点的作用；同时本系统有单独敷设的液氮和氮气管道可以提供冷屏用液氮，并回收冷屏蒸发后的氮气。
23.带液氮冷屏的液氢超导管道包括液氢输送管道、液氮冷屏层、外部保冷层和设置在液氢输送管道内部的超导电缆组。在液氢输送管道外部分段设置有液氮冷屏，每段液氮冷屏的底部和顶部分别通过管道接入液氮输送管道和低温氮气回收管道。
24.氮气再液化装置主要是将冷屏蒸发氮气重新液化成为液氮，并补充进液氮管道。氮气再液化装置的设置和液氮的冷能消耗有关系，可以是设置在任何需要冷能的区域，设置的数量根据实际管道系统蒸发需求而定。
25.以下结合附图对各个子系统的内部构成及其相互之间的连接关系进行详细说明。
26.如图1所示：
27.1)超导能源管道系统起始站a，包括：第一电力接入整流站1、第一常温电缆组2、第一低温电缆组3、第一转换接头4、第一液氢储罐5、电解水装置6、氢气液化装置7、第一超导电缆组8、第一液氢输送管道9等。
28.上游清洁能源基地连接第一电力接入整流站1接收外部电力，第一电力接入整流站1连接第一常温电缆组2，第一常温电缆组2连接第一低温电缆组3，第一低温电缆组3连接第一转换接头4，第一转换接头4连接第一超导电缆组8通过超导将电力外送至超导能源管道系统中续站b。
29.第一电力接入整流站1将富裕的电力通过电缆送至电解水装置6，电力在电解水装
置6中将水分解为氢气和氧气，氧气外对销售或者排放，氢气通过管道送至氢气液化装置7制成液氢，氢气液化装置7通过液氢专用管道送至第一液氢储罐5，第一液氢储罐5通过第一液氢输送管道9对下游输送液氢。
30.所述第一电力接入整流站1包括高压直流整流器、整流变压器、滤波器、隔离开关、斩波器开关和斩波器电阻等常见电力设备的组合，主要取决于电力输入或输出的需求进行配置。
31.所述第一常温电缆组2指用于直流输配电系统中的电力电缆。
32.所述第一低温电缆组3指聚丙烯层压纸(pplp)作为主绝缘层的绝缘材料的耐低温电缆。
33.所述第一液氢储罐5可以是各类型式的绝热罐，绝热形式包括但不限于真空粉末绝热，真空-液氮-真空三层绝热，气相自冷屏复合绝热等；
34.所述电解水装置6可以是碱性水溶液电解槽(ace)、固体聚合物电解槽(pem)和固体氧化物电解槽(soec)等装置及其配套设施。
35.所述第一超导电缆组8，是由多根超导电缆组合而成，单根电缆由电缆骨架、超导体、屏蔽层和保护外壳组成。其核心导电材料可以是bscco带材，ybco带材，mgb2超导材料等，骨架材料是铜，低温绝缘一般是pplp。
36.2)超导能源管道系统中续站b，包括：第二液氢储罐18、第二转换接头19、第二低温电缆组20、第二常温电缆组21、第二电力接入整流站22、第三常温电缆组23、第三低温电缆组24、第三转换接头25、第三液氢储罐26、氢气再液化装置27、液氢泵28、第二超导电缆组29、第二液氢输送管道30等。
37.第二液氢储罐18通过超导电缆连接上游第一超导电缆组8，第二液氢储罐18通过管道连接上游第一液氢输送管道9。第一超导电缆组8连接第二转换接头19，第二转换接头19连接第二低温电缆组20，第二低温电缆组20最终连接第二常温电缆组21将电力传送至第二电力接入整流站22。第二电力接入整流站22既可接收外部电力，亦可对外送出电力。第二电力接入整流站22连接第三常温电缆组23，第三常温电缆组23连接第三低温电缆组24，第三低温电缆组24连接第三转换接头25，第三转换接头25连接第二超导电缆组29通过超导电缆将电力外送至超导能源管道系统终点站c。第二液氢储罐18对接收的液氢进行了气液分离，第二液氢储罐18的气相通过管道送至氢气再液化装置27再液化，再液化的液氢通过管道送至第三液氢储罐26；第二液氢储罐18的液相通过管道送至液氢泵28进行增压，增压后的液氢通过管道进入第三液氢储罐26协同下一轮超导输送。
38.所述液氢泵28可以是离心泵、隔膜泵、波纹管泵和活塞泵等。
39.3)超导能源管道系统终点站c，包括：第二超导电缆组29、第二液氢输送管道30、第四液氢储罐36、第四转换接头37、第四低温电缆组38、第四常温电缆组39、电力接出逆变站40、液氢增压装车设施41、氢气加热增压装置42、氢气发电装置43。
40.第四液氢储罐36通过超导电缆连接上游第二超导电缆组29，第四液氢储罐36通过管道连接上游第二液氢输送管道30。第二超导电缆组29连接第四转换接头37，第四转换接头37连接第四低温电缆组38，第四低温电缆组38最终连接第四常温电缆组39将电力传送至电力接出逆变站40。电力接出逆变站40既可接收超导电力和氢气发电电力，亦可对外送出电力。第四液氢储罐36对接收的氢气进行了减压、分离，第四液氢储罐36的气相通过管道送
至氢气加热增压装置42升温为常温、升压，常温的氢气通过管道送至氢气发电装置43生产电力，氢气发电装置43生产的电力送至电力接出逆变站40汇集后送出至外输电网。第四液氢储罐36的液相通过管道送至液氢增压装车设施41进行增压，增压后的液氢通过液氢槽车送至液氢用户。
41.所述氢气加热增压装置42可以是空温式铝翅片复热器和氢气压缩机及辅助设备组合而成。
42.所述氢气发电装置43可以是各类燃料电池(如质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池和固体氧化物燃料电池等)，纯氢/掺氢燃气轮机、纯氢/掺氢内燃机等，根据输氢规模和当地资源来选择对应的氢发电设备。
43.所述液氢增压装车设施41，是由液氢泵、定量装车系统、液氢装车软管、地衡及辅助生产设施等组合而成。
44.4)所述带液氮冷屏的液氢超导管道的结构如图2、图3所示，包括第一超导电缆组8，电缆支持滑轮组44、第一液氢输送管道9，内部绝热层45，第一液氮蒸发冷屏10，第一外保冷绝热层11，液氮供应管道12，第一液氮减压阀13，氮气回收管道14等。
45.设置有液氮冷屏的液氢超导管道的截面示意图如图2所示，包括由内向外同轴布置的：第一超导电缆组8，电缆支持滑轮组44、第一液氢输送管道9，内部绝热层45，第一液氮蒸发冷屏10，第一外保冷绝热层11。及协同建设的液氮供应管道12，第一液氮减压阀13，氮气回收管道14等，其中：
46.第一超导电缆组8用于超导输电，由铜骨架、超导材料、电气绝缘层、保护外壳和电缆组合架等组成，用于电能传输。
47.第一层第一液氢输送管道9，用于液氢传输，同时对第一超导电缆组8进行冷却。在第一液氢输送管道9内设置电缆支持滑轮组44，用于对超导电缆进行支撑，辅助在液氢管道内部中心架设超导电缆，确保超导电缆处于最有利的散热位置，同时亦避免了超导电缆不规则敷设导致液氢输送流道阻力过大的问题。
48.第二层内部绝热层45，用于隔绝液氢与液氮，可以是高密度绝热材料，也可以是真空绝热结构。
49.第三层第一液氮蒸发冷屏10，主要用于装载液氮，为第一层的液氢提供漏热冷屏，降低液氢蒸发率。
50.第四层第一外保冷绝热层11，用于隔绝液氮与外部环境的热交换，一般是低密度绝热材料，外部保冷绝热层还包含常规的防潮层、保护层等常见附着结构。
51.所述内部绝热层45，是可以采用高真空多层缠绕绝热：采用材料如反射屏为0.006mm的铝箔，隔垫为0.1mm厚的玻璃纸，同时夹层中装有5a分子筛或者活性碳吸附剂以吸附渗漏的氢气，以实现长期保持夹层真空度。
52.所述第一液氮蒸发冷屏10，在液氢管道外部是隔绝液氢的冷屏区，考虑保冷效果，可采用零压蒸发冷屏技术维持77k温度，确保内部的液氢最低的漏冷效果；其具体结构可以是提前预制的凹形夹套管，也可以是液氢管道外直接焊接的冷屏套管。
53.所述第一外保冷绝热层11，是常规低温保冷材料，而保温材料的外表面与大气相接，可采用常见的液氮工程和lng工程管道保冷方式。如聚氨酯、聚异氰尿酸酯、低温弹性体绝热等绝热结构，同时设置有防潮层、保护层等细节。
54.5)所述氮气再液化装置主要包括氮气再液化装置15。
55.氮气回收管道14通过管道连接氮气再液化装置15，氮气再液化装置15通过管道连接液氮供应管道12。
56.本实用新型的工作原理：
57.本实用新型核心在于将液氮和吸热气化后的低温氮气从超导管道系统里分离出来作为单独的两根伴随管道。这样液氮就是分段式注入主结构进行冷屏，避免现有技术中整根液氢管道和液氮管道同轴敷设，因为温度不一致带来的钢管收缩率不一致、引起设计制造困难。
58.进一步地，本实用新型为改善超导电缆在液氢中的冷却效果，创新利用液氢管道内设置支撑滑轮组辅助在液氢管道内部中心架设超导电缆，确保超导电缆处于最有利的散热位置，同时亦避免了超导电缆不规则敷设导致液氢输送流道阻力过大的问题。
59.进一步地，本实用新型提出超导能源管道系统起始站a、超导能源管道系统中续站b和超导能源管道系统终点站c的具体系统设置，将长距离的能源输送有效的划分为多段组成结构，降低了长距离氢电超导混输能源管道的实施难度。