[发明专利]基于多场耦合模型的超导能源管道整体失超预测方法

说明书

一种基于多场耦合模型的超导能源管道整体失超预测方法，先测量不同温度下高温超导带材的临界电流，拟合得到临界电流I_c随温度变化的数据曲线I_c(T)；然后建立电磁场模型，计算铜骨架电流分布I_former(x)；再根据低温燃料设计工况，建立流场分析模型，计算得到低温燃料的换热系数沿轴向分布h(x)；然后根据电流分布I_former(x)和换热系数分布h(x)，建立热分析模型，计算得到超导能源管道轴向温度分布T(x)；根据轴向温度分布T(x)，更新模型参数，重复直至达到设定时间t_total时，计算结束，并提取最高温度随时间的变化曲线T(t)；最后判断超导能源管道最高温度变化T(t)是否符合能源管道整体失超判定准则；本发明提升超导能源管道运行安全性。

技术领域

本发明涉及天然气及能源输送领域，具体涉及一种基于多场耦合模型的超导能源管道整体失超预测方法。

背景技术

由于能源资源分布不均，为满足各地区的能源使用需求，化石能源与电能均需要长距离输送。高温超导电缆具有零阻抗、高载流密度、空间占比小及环境友好等优点，可实现零损耗的长距离输电。另一方面，氢气、天然气、页岩气等化石能源的长距离传输通常采用液体形式，以实现低输送损耗和高输送容量；将二者联合输送，利用液态燃料为超导电缆提供低温运行环境，组装成超导能源管道，实现电力和化石能源的一体化输送，可大大提高能源输送效率。

这种超导能源管道在近几年得到了广泛的研究和讨论，中国专利CN201210118316.1中提出了LNG/电力混输超导能源管道的概念，利用液化天然气(LNG)冷却高温超导电缆，设计了电缆与天然气联合输送管道系统，并验证了联合输送系统比二者单独输送大大降低了能源损耗。中国专利CN201810804587.X中提出一种低温燃料传导冷却的超导能源管道，可以实现低温液体燃料和电能安全高效联合输送。然而，以上方案均未考虑超导能源管道在短路故障或热扰动情况下的稳定性安全问题。在一定条件下，短路故障会造成超导电缆的失超，失超分为局部失超和整体失超，当故障扰动冲击超过一定范围后，超导电缆会发生整体失超。对于超导能源管道，失超现象涉及到电场、磁场、流场和温度场之间复杂的耦合关系：低温燃料的工作状态会影响电缆的运行状态，电缆的工作状态同时也会影响低温燃料的流动状态。

目前，学术界已提出了多种针对多物理场的仿真模型，例如中国专利CN201910997413.4等，主要方法是利用商业软件，分步骤地分别计算电磁场、流场和温度场分布，如此并没有体现多物理场之间的强烈耦合关系，这些方法运用到超导能源管道中计算准确度将大大降低。另外，针对超导电缆的失超检测方法主要有电压法、电流法、温升法、压力法、流速法和超声波法，然而这些方法只能在失超发生后检测出局部失超，而不能在整体失超前做出预测。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于多场耦合模型的超导能源管道整体失超预测方法，建立电磁热流多场耦合模型，反映电磁场、流场和温度场之间的相互影响关系，针对超导能源管道进行整体失超的预测，实现在能源管道整体失超发生前便预测到，从而提前降低运行配置，以防止失超发生，提高系统运行的安全可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于多场耦合模型的超导能源管道整体失超预测方法，包括以下步骤：

(1)在实验室测量不同温度下高温超导带材的临界电流，拟合得到临界电流I_c随温度变化的数据曲线I_c(T)；设计超导能源管道的结构参数和运行工况；根据工作温度T_f调用NIST计算低温燃料物性及电缆材料物性；

实时采集超导能源管道中电缆运行电流I_op；