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液氮双向流通型超导复合能源管道设计与热稳定性研究

液氮双向流通型超导复合能源管道设计与热稳定性研究

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作者：刘宏程重庆大学

学位级别：硕士

我国电力资源和天然气资源大部分分布在西部和北部,“西电东送、西气东输”的能源格局在我国长期存在。高温超导直流输电技术,具有大容量、零电阻、无交流损耗等优势,液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)具有运输方便、灵活性高、碳... 详细信息

我国电力资源和天然气资源大部分分布在西部和北部,“西电东送、西气东输”的能源格局在我国长期存在。高温超导直流输电技术,具有大容量、零电阻、无交流损耗等优势,液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)具有运输方便、灵活性高、碳排放低等优点。超导复合能源管道是一种优化能源结构的有效途径。然而,现有超导能源管道结构设计难以实现液氮循环,且热场分布均匀性差;本文提出了一种液氮双向流通型超导复合能源管道,在实现液氮循环利用的同时提升了其热场分布均匀性;建立了基于有限元方法的多物理场模型,仿真研究了多种故障工况下的热稳定性,研制了超导复合能源管道1 m样机,并实验验证了其热场分布特性。主要研究内容如下:(1)提出了液氮双向流通的超导复合能源管道结构,设计了其超导载流单元总体结构与绕制方案、绝缘隔热层与涂层的选型及参数方案。通过热平衡方程计算并确定超导载流单元内部铜支撑管内外径参数;结合实验超导带材不同绕制方案下临界电流参数,完成超导载流单元总体设计;参照国家规定与本文所设计体量进行仿真模拟与计算,设计绝缘层、涂层以及双向流通的液氮—液化天然气层复合结构。(2)分别建立了液氮单、双向流通的超导复合能源管道多物理场模型,研究了热场分布特性及其关键影响因素。研究了两相流混合模型热场规律,研究了液氮层厚度、液氮流速、液化天然气层厚度、液化天然气流速、隔热层厚度五个关键因素对超导复合能源管道热场分布的影响规律。在短时故障及长时故障下对比研究液氮单/双向流通的复合能源管道热场分布情况。针对极端工况下的液氮单、双向流通的复合能源管道热稳定性进行对比分析及参数设计阈值研究。最后通过实验与仿真相结合,研究了基于超导带材角度依赖性的超导单元载流性能。(3)搭建了超导复合能源管道1 m样机测试平台,验证了其热场分布特性及载流性能。首先绕制超导复合能源管道短样,开展实验研究了环境温度对超导带材临界特性的影响;然后将超导载流单元放入液氮单、双向流通的复合能源管道,研究液氮流速、输电电流对于超导能源管道超导载流单元动态特性影响;最后研究了典型故障下的超导能源管道关键部位温升特性。得出结论,液氮双向流通的超导复合能源管道既提高了超导复合能源管道热稳定性,又降低了成本。

关键词：超导复合能源管道液氮双向流通热场分布故障分析

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