超导材料的主要应用.docx

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超导材料的主要应用

超导材料的主要应用

　　超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。

下面是有关于超导材料的主要应用的内容，欢迎阅读。

　　油田超导热洗技术的应用及效果分析【摘要】油井热洗清蜡是保证油井正常生产，是改善井下杆管泵工作环境的重要手段之一。

常规热洗清蜡技术存在几方面的问题：

1、是常规热洗含水恢复期长，对产量影响较大。

2、是常规热洗容易污染地层。

3、常规热洗动用车辆多，笨重，成本高。

超导热洗工艺弥补了常规热洗的不足，取得了良好的效果。

【关键词】油井清蜡超导热洗效果对比1超导热洗简介超导热洗工艺技术原理　　超导加热器（俗称清蜡机）是油田抽油井洗井清蜡的专用设备。

它采用超导传热技术，用油井套管气（天然气）或柴油为热源，将油井产出液（或其它井补充液或水）加热成高温蒸气（或高温液）注入套管环型空间。

使油管内的产出液温度逐渐升高，管壁结蜡自上而下逐渐融化，随产出液进入输油管（或油罐）。

内阻减小，以达到稳定、降耗、节约成本、不污染油层的目的。

　　本加热器可清洗日产液量的抽油机井。

超导热洗可采用油井产出液自洗、补充水或其它井产出液方法洗井清蜡。

两种方式均采用低压力，低液量，慢升温的热洗工艺。

不改变油层的油、水、气流动规律，不污染油层。

　　油井套压≥，自产气够用时，可用油井自产气为热源，油井有天然气管网，可用天然气做热源，无天然气可用柴油为热源。

超导热洗装置介绍　　

（1）产品为移动式设备。

加热器安装在专用车上。

（2）本加热器按热源分为燃气型、燃油型、燃气燃油两用型三种。

　　①燃气型：

洗井现场有天燃气管网（压力），可配备全自动燃气燃烧器和温度自控系统。

洗井现场无天然气管网、但附近油井套压≥，自产气够用时，可配备半自动燃气燃烧器和温度自控系统。

　　②燃油型：

无天然气或天然气不够用的油井，可用柴油为热源、配备全自动柴油燃烧器和温度自控系统。

　　③燃气燃油两用型：

在同一洗井区域内，有的井有天然气、有的井无天然气，可选择燃气燃油两用型。

配备燃气系统、燃油系统各一套。

配备温度自控系统一套，自产气够用就用自产气、自产气不够用则用柴油。

3自动控制系统和安全措施　　

（1）用加热器出口温控表控制燃烧器。

温控装置会按照设定好的温度自动工作。

温度高时自动关机停火，温度低时自动开机加温。

（2）用超导管温控表控制燃烧器，当超导管温度达到设定值时，自控系统将电源关闭、停机灭火。

温度低时会自动接通电源、点火加温。

　　（3）本加热器的超导管上装有自动泄压防爆装置，一旦有特殊情况（如温控表失灵或抽油机干抽）造成温度上升至安全限度时，自动防爆装置会自动泄压保障安全。

2根据现场采取的几种热洗方式　　方式1：

油井液量在8-10方，可以使用单井液对本井进行热洗，热洗后需要罐车进行返蜡。

　　方式2：

油井自身液量低，可利用其他高液量油井对其进行热洗。

热洗过程中如果管线状况好，热洗油井可以直接进流程。

如果管线状况不好可选择热洗井出液进罐车（高回压、高存球井组）。

　　方式3：

井组油井液量低，可采取多口油井热洗一口井的方式，确保热洗液量充足。

3超导热洗效果分析　　

（1）XX年下半年五里湾二区进行超导热洗现场试验。

通过对超导热洗40口井前后数据对比，洗前平均液量为方，平均含水为%。

洗后平均液量为方，平均含水为%。

产量保持平稳。

（2）热洗井上修情况。

截止XX年12月31日超导热洗58井次，热洗后上修的有8井次，1口井杆体疲劳断，1口捞换光杆。

6口井固漏，阀座有不同程度缝隙，其中柳83-52有刺槽。

其余各井生产正常。

　　柳71-65生产周期为547天，热洗周期为96天，日产液方，含水%，于XX-11-3日超导热洗，为了评价超导热洗效果，17日安排队伍起出油杆80根，从现场情况看出，油杆基本无结蜡，热洗效果较理想。

　　柳77-62生产周期282天，热洗周期148天，日产液方，含水%。

于XX年11月17日超导热洗，热洗后43天后XX年12月30日固漏检泵，从现场起出油管杆情况看，全井无结蜡现场，热洗效果较理想。

4超导热洗与常规热洗优缺点对比　　超导热洗优点：

1、利用油井本身液量，减少产量损失，减小地层污染，不存在常规热洗含水恢复期，同时减少拉油及反蜡车辆运费，常规热洗洗一口井热洗车平均费用1300元，返蜡车平均费用940元，拉油车平均费用700元，合计2940元，超导热洗一口井XX元，每口井节约费用940元，一年按热洗200口井计算可节约费用万元。

2、加热器内外壳之间采用加厚保温层，燃烧室内有真空超导换热管，热效率高。

自动化程度高，热洗时的压力温度录取方便。

3、燃料利用油井本身套管气，节约燃油费用，成本低。

4、超导热洗装置小巧轻便，热洗时不需要拉油车辆，连接方便，不同井场之间洗井效率更高。

　　超导热洗缺点：

1、对于液量较低的（小于5方）油井，液量跟不上，热洗效果不理想。

需要采用旁边油井补充液量。

2、超导热洗车仪表控制和燃烧器工作需要外接井场电源，存在一定的安全隐患。

3、超导热洗车本身不具备对外提供动力功能，对井下抽油泵的工作状况要求高，超导热洗车热洗时，在产液量和含水方面有一定的局限性。

4、由于采用油井自身液量循环，超导热洗一般为7～8小时，而常规热洗一般为4小时左右。

5结论及建议　　

（1）超导热洗采用原井液量进行热洗，与地层配伍性好，对产量的影响较小。

（2）超导热洗热效率高，自动化程度高。

　　（3）超导热洗只需一部车即可完成，燃料利用油井自产天然气，综合考虑减少了减少拉油车辆及反蜡车辆和燃油费用，每口井节约费用940元，并且连接方便，移动轻便。

　　（4）对于日产液小于2方的油井，可以采用旁边油井补充液量。

　　（5）该装置没有计量设施，热洗过程中的循环液量不能直观的显示出，可以在进口处安装流量计，解决热洗计量的问题。

　　（6）对于产气量大的油井，热洗时容易产生套管气，造成热洗时的循环压力升高，油井的出液量降低，甚至出现气锁现象，对热洗不利，可在套管的进口处加装放气阀解决套管气大的问题。

　　超导技术在电力技术中的应用前景探析摘要：

近年来高温超导材料研究取得很大进展，它在电力领域的应用研究已受到广泛关注，一些示范样机也已经研制成功的投入示范性试验，可以说超导技术是21世纪具有战略经济意义的高新技术。

从目前电力的发展现状来看，充分利用国内各种优势资源开展超导电力技术的研究与开发，对于提高我国电力设备行业在国际市场上的竞争力及电力系统的技术经济性能均有重大的意义。

本文也是基于此，介绍超导技术在电力技术上的应用研究的新进展及其未来发展的思考。

关键词：

超导技术;电力技术;应用引言　　我国处于发展时期，对电力技术的有力发展，会我国经济的发展显示着越来越重要的作用，但是随着电力系统容量的增大、系统结构复杂化，电力系统巳突显出了若干技术难题，如电力安全、高密度供电、高品质供电、高效率输送电等。

二目前这些问题的解决，越来越依赖于超导技术的应用。

超导电力技术是受国内外广泛关注的一项前瞻性技术，将其引入电力系统会为解决电力系统的固有技术难题提供一条新的技术途径。

因此，从电力系统建设、管理、运行及电力设备市场出发，我国均应大力加强超导电力技术的研究与发展，开发出性能先进、市场竞争力强、有自主知识产权的超导电力设备。

　　目前，超导电力技术已进入高速发展时期，有些超导技术产品已进入商品化阶段，若干超导电力设备，如超导电缆、超导限流器、超导磁储能系统等已在电力系统试运行。

然而，由于电力系统的重要性、电力设备运行条件的复杂性，电力系统对于全面接受超导电力装置的准备还不充分。

首先，在电力设备性能鉴定方面，目前还没有规范的标准方法，也没有一个能对超导电力装置进行性能检测的实验基地，无法对超导电力装置是否具备入网条件进行科学判断。

其次，超导电力装置进入电力系统后对电力系统产生何种影响，其装置如何和现有庞大的系统、复杂的控制相互协调没有充分的研究。

同时，在若干超导电力装置的关键部件上仍需进一步提高技术性能及可靠性。

基于此，国网武汉高压研究院与华中科技大学对超导电力技术的发展现状、关键课题、特别是超导电力装置的性能检测方法进行了基础性研究，在此基础上，筹备建设和发展超导电力技术检测实验室，为超导电力技术进入实际应用奠定基础。

1、超导电力技术的研究现状　　超导技术的进步逐步形成了超导电力这一新的概念。

美国、日本、欧洲乃至韩国等经济发达国家和地区均对超导电力技术给予了极大的关注，政府主导投入超导电力的研究工作，且有若干电力公司、电力设备制造厂家、甚至国防研究部门均开展了与超导电力相关的研究工作。

已相继研制成功了输电电缆、限流器、磁储能系统、变压器、发电机和电动机等多种超导电力装置的实验样机。

我国也在“十五”期间开发了多种超导电力装置。

在Bi系高温超导带材走向商品化后，超导电力的研究开发重点已转移到高温超导。

表1为国内外近年来超导电力装置的主要研究项目。

目前，高温超导电缆、限流器、变压器和电动机已进入示范试验运行阶段，高温超导磁储能系统也有相应的试样样机问世。

同时小型低温超导储能系统的产品已出现。

　　超导电缆的发展经历了交、直流低温超导电缆和交流高温超导电缆等几个发展过程。

随着临界温度>77K的Bi系高温超导线材技术的进步，交流高温超导电缆已成为超导输电电缆研究的主流。

超导限流器（SFCL）在正常运行时处于超导状态，损耗极小，在系统发生故障时能立即转为非超导状态，瞬间限制短路电流维持系统稳定，当故障电流消失后立即恢复正常状态。

正常情况下SFCL导电状态的跃变可在我国武汉712研究所也正在研究超导电机。

变压器是现代电力系统中用量较大的设备，其技术较成熟。

以损耗为例，现代技术的变压器的效率>99%。

超导变压器。

须体现充分的优越性才有可能替代常规技术的变压器。

MVA的高温超导变压器已在电力系统试运行。

利用超导体去掉铁心可制作空心变压器。

超导磁储能系统（SMES）储能效率高、响应速度快、能四象限实现有功、无功功率补偿，对提高电力系统的安全性和改善供电品质有较好的技术性能。

SMES可作为LIPS使用。

美国超导公司的中小型低温超导SMES已实现商品化，目前，已研制成功若干小型的高温超导SMES的实验样机。

华中科技大学在“十五”863计划的支持下，研制了用于提高电力系统稳定性的直接冷却高温超导SMES，并成功进行了动模实验。

　　在超导电力装置中，通过电流引线侵入低温环境的热损耗占整个低温系统损耗的绝大部分。

为提高超导电力装置的效率，抑制电流引线的热侵入是很重要的技术课题。

在电流引线的研究工作中，有单纯常态导体（铜）和引入高温超导体的二元复合引线2大类。

在二元复合引线中，大多采用高温超导棒材，也有采用高热阻材料包套的高温超导线的尝试。

　　目前，YBCO系高温超导材料、MgB2等新超导材料的导线制备技术也在快速发展。

随着这些新材料的实用化，超导技术进入电力系统的步伐必将加快。

2、超导电力技术的发展趋势和应用前景　　随着高超导材料制备技术特别是第11代高超导带材制备技术走向成熟和实用化，可以预见超导电力技术将主要基于第11代高超导带材发展：

（1）高超导限流器将从开发适用于配电网的示范样机开始，逐步向发展适用于高压输电网的限流器方向发展。

超导限流器的原理也将呈现多样化的趋势。

（2）高超导电缆将主要应用于中低压电压等级。

主要应用于短距离大电流的场合，如城市配电、发电厂、变电站母线、电镀电解行业等。

长距离超导输电电缆还要克服多方面的技术障碍，距离实用化还要走很长的路。

　　（3）超导电动机的主要应用对象是大型舰船的电力推进系统，而超导同步发电机的应用对象主要是电网的同步调相，对电网进行无功补偿，以改善电压品质和电网的稳定性。

　　（4）超导电力技术和电力电子技术是电力工业的两大发展方向，因此有机结合超导电力技术和电力电子技术的优势而形成的新型FAcTs装置也将是超导电力技术的重要发展方向之一。

3、结论　　超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术。

超导电力技术的应用可以提升电力工业的发展水平和促进电力工业的重大变革。

我国的国情和电力工业发展的固有特点决定了：

采用超导电办技术解决传统电力工业发展的瓶颈问题是电力工业发展的必由之路。

今后5至10年是在超导电力技术产业的国际竞争中取得优势的关键时期。

因此及时部署我国超导电力技术的发展战略、充分利用国内各种优势资源和采用新的机制分阶段地实施超导电力技术的战略发展目标，是关系到国经济持续发展的重大课题。

国家有关部门应在发展超导电力技术方面发挥主导作用。

　　超导技术在电工领域的应用摘要：

20世纪80年代到90年代期间，高温超导材料的发现使得其工程化应用成为可能。

由于超导材料及相关技术在电力领域具有广阔的应用前景和市场价值，美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发，已建立了多条示范线或开发了研究模型，超导电缆、超导变压器以及超导储能飞轮等众多模型或样机已问世。

　　关键词：

超导电缆;超导变压器;带材;钇系;铋系　　1986年，由瑞士IBM实验室的穆勒和贝德诺兹发现的高温超导材料（HighTemperatureSuperconductor）给材料和电工领域注入了一股新的力量。

1987年至1993年期间，相继发现了钇系、铋系、铊系和汞系超导材料，临界转变温度Tc也从92K（钇钡铜氧-YBa2Cu3Ox，简写YBCO）上升到130K以上（汞钡铜氧-Hg2Ba2Ca2Cu3Oy）。

随后，研发焦点主要集中在高载流能力超导带材的开发上，以一代铋系（铋锶钙铜氧，Bi2Sr2Ca2Cu3Oy，Bi-2223）超导带材和二代YBCO涂层导体最为典型。

由于损耗低、载流能力强，高温超导材料可用来制造效率更高、功率密度更强的电力器件，如超导储能装置、超强磁体、超导限流器和超导变压器等。

此外，使用高温超导材料还具有无油、漏磁少等环境优势。

　　鉴于超导材料及相关技术在电力领域广阔的应用前景和市场价值，美国、日本、韩国和中国等国都在积极参与该技术领域的开发，已建立了多条示范线或开发了研究模型，如超导电缆、超导变压器和超导电机等。

然而，超导技术的大规模应用仍尚需时日。

1超导产品超导电缆　　超导电缆载流能力强、损耗低，在同样的安装条件下，占用体积更小，可用来改造或替换现有的地下电缆。

近几年，超导电缆相关项目发展迅速。

　　国际上：

XX年7月20日，350m长、/、三相交流超导电缆在美国奥尔巴尼市挂网运行，该项目由DOE资助，美国Superpower公司承揽，日本住友电工（SEI）和英国氧气公司（BOC）参与。

SEI负责了其中320m超导电缆的制造和安装（该段以Bi-2223带材为超导层），Superpower公司负责剩余30m超导电缆的制造（该段以二代高温超导带材为载流层），这是世界上第一条用于城市地下输电的超导电缆，也是SEI首次参与美国的政府项目。

　　XX年4月22日，由美国能源部投资（DOE），美国超导公司（AMSC）、耐克森公司（Nexans）、法国液化空气集团（AirLiquid）和美国长岛电力局（LIPA）参与的一期600m，138kV/超导电缆实现并网运行，这是目前世界上最长的并网运行的超导电缆。

该条电缆以一代铋（Bi-2223）系超导带材为超导层，预计满负荷运行时可满足30万家庭的用电需求。

目前，由AMSC提供二代超导带材，Nexans承揽的长岛二期项目正在进行。

美国还计划用超导电缆连接3个独立电网，建造超级变电站“TresAmigasTM”，二代高温超导带材由AMSC提供，LS电缆公司和Nsxans为该项目制造超导电缆。

　　XX年1月，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）开发出新型超导电缆，可输送275kV的高压电。

　　国内：

XX年4月，由中国科学院电工研究所和河南中孚实业股份有限公司联合开发的360m长，载流能力10kA的直流超导电缆通过科技部验收，这是目前世界上载流能力最高的直流超导电缆。

　　但从目前的开发情况看，电缆中采用的超导带材主要是Bi-2223/Ag一代超导带材，二代YBCO超导带材应用于超导电缆示范线中的实例还很少，相关技术还不成熟;超导电缆示范线的成功运行需解决大量的技术难题，但仍有很多工作要做：

电缆通电过程中的交流损耗仍然太高，低温下的介电绝缘技术需要进一步的了解，电缆接头和终端还处于开发的早期阶段，安全性好、可靠性高的制冷系统还需要进一步证明。

超导电机　　效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。

将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。

超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中特别具有优势。

超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。

传统电机以铜作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从减至，铁用量从减少至，大大减少了金属的使用量，降低了成本;而制冷系统电力消耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。

　　事实上，Bi-2223超导材料并不适合作为电机的电枢绕组，原因是Bi-2223材料对磁场敏感，电枢绕组中的交流电磁场会导致Bi-2223超导材料的交流损耗增加。

从性能上说，YBCO比Bi-2223更适合用于超导电机。

超导变压器　　超导变压器之所以具有吸引力，原因是：

与传统变压器相比，体积可减少50%，重量可减少70%，损耗低于30%;在发生瞬时过载时，不会发出噪声，同时还具有一定的限流作用。

目前，技术难点主要集中在交流损耗过高和磁场下临界电流Ic值下降明显。

XX年10月，中国船舶重工集团712所开发出我国首台兆瓦级高温超导电机，并通过科技部的项目验收，总体指标处于先进水平。

超导限流器　　超导限流器也称超导电阻（抗）器，串联于电路中，是依靠线圈的电阻（感抗）限制电力系统的短路电流。

线路正常运行时，限流器处于超导态，只有极小的阻抗（基本为零，可以忽略）。

当线路中电流超过临界电流Ic时，限流器失超，在线路中表现为电阻或感抗。

故障消除后，超导限流器自动复位，很适合用于电网。

超导限流器具有响应速度快、能快速自动复位和提高电网的稳定性等优点;缺点是正常运行时功耗大。

在超导限流器领域，我国的北京云电英纳超导电缆有限公司在国际上处于领先地位。

XX年8月，由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司成功开发了35kV超导限流器，并在云南省普吉变电站并网运行。

　　XX年3月，北京云电英纳超导电缆有限公司与广东电网公司电网规划研究中心签订了500kV超导限流器样机研制的研发合同。

　　XX年4月，由天津市电力公司、北京云电英纳超导电缆有限公司和天津百利电气控股集团共同承担的863项目—“220kV/800A高温超导限流器的研究与开发”通过验收。

超导储能装置　　通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程，称为储能。

按照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的一种。

超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率密度大，用于电网时，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，具有有效提高输电的效率和经济性等优点;缺点是运行及维护成本高。

我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站。

2超导材料　　在超导材料领域，铋系超导线称为一代超导线，钇系超导带材称为二代超导线（带）材，事实上，YBCO材料的发现早于Bi-2223。

YBCO于1987年在美国发现，临界温度Tc约90K，远高于液氮沸点77K，超过了超导微观理论（巴库斯理论，BCS）的规定，所以称之为高温超导材料。

1988年，日本发现了Tc高达110K的Bi-2223材料。

由于YBCO工艺复杂，开发难度大，所以研究人员将焦点主要放在了Bi-2223材料上。

自Bi-2223发现后，超导线材的长尺化得到了促进，并进行了超导电缆、电力引线和超导磁体等产品的开发。

铋系超导材料有三种类型：

Bi2Sr2Cu2O6（Bi-2202，Tc约25K），Bi2Sr2CaCu2O8（Bi-2212，Tc约80K）和Bi-2223。

由于Bi-2212容易合成，所以开发的早期阶段，以Bi-2212为主。

随着工艺的成熟，目前的Bi系超导材料基本指的是Bi-2223。

Bi-2223带材采用套管法制备（PowderInTube，PIT），住友电工开创了一种“受压热处理工艺”，通过这种工艺，可大幅降低材料中存在的空洞，在提高了带材临界电流和机械特性的同时，避免了由于液氮导致的“鼓泡”现象，住友电工目前已可制备临界电流在200A以上的千米级Bi-2223线材。

PIT法也用于二硼化镁（MgB2）超导带材的制备。

　　从材料组成和特性看，YBCO材料的成本低，性能更好。

但从目前发展看，由于复杂的工艺及昂贵的设备，导致其成本比Bi-2223要高，要想实用化，还有很多困难需要克服。

3结语　　超导技术在提高能源效率，提高电力系统的稳定性、安全性和保护环境方面有着巨大的应用潜力。

但在电力系统中大规模应用超导技术之前，必须对其安全性和可靠性进行长期的验证，需要大笔的投资资金。

此外，由于其工艺复杂、成本高、投资额大及回收周期长等因素，很少有私人企业敢投身超导技术领域，现在美国、韩国和日本等进行的相关项目也基本都是由政府资助。

超导技术应用于电力系统需要较长的开发周期，这对政府的资助金额和资助跨度也是个考验。

从开发的角度看，应先选择研发周期短、投资少的的项目，开发小型样机验证理论可行性和积累经验;然后再开发中型样机或示范线，累积数据;最后再进入实际应用阶段。

每个阶段都非常重要，且需较长的时间（多年）。

　　据估计，到2020年，超导市场主要由超导变压器、超导发电机和超导电缆占有。

不管超导潜在市场有多么广阔，超导技术的进步，需要不断的投入和推动，必须在政府的支持下，才有望实现产业化。