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高电压大容量直流海缆 技术发展路线图

摘要:

全球能源互联网是能源生产清洁化、配置广域化、消费电气化的重要平台,将为实现世界经济、社会、环境可持续发展提供系统解决方案。跨海能源输送是实现全球能源优化配置、各大洲能源互补互济、清洁能源高效利用的必经途径,是构建跨越五大洲、连接四大洋、横贯东西、纵穿南北的全球能源互联网的重要环节。

海底电缆、跨海大桥电缆、海底隧道电缆和跨海架空线是实现跨海互联及海上风电输送的主要方式,海底电缆应用最为普遍。1850年世界第一条跨海工程——英国到法国的英吉利海峡海缆工程投运以来,开启了人类跨海输电工程建设和技术发展的序幕。全球跨海工程中超过90%为海底电缆工程,主要应用于海岛送电、海上平台用电、可再生能源开发、国际及区域性电网互联等方面。

相比于架空线,海缆输电在全球电网中的输电容量占比不到1%,大规模海上风电开发和广泛电网互联等为高压直流海缆技术发展提供了直接动力,未来具有很大的发展潜力。截至2019年,全球电力年需求总量达到28000TWh,全球电网输送规模超过3000GW,其中海缆工程输送大约26GW,占比不到1%。作为最早开发海上风电的区域,欧洲已成为世界上海缆工程最多、建设规模最大的区域,海缆总长度已超过6200km,总输送容量超过22GW。而随着经济的快速发展、清洁能源开发及区域跨海联网需求的增加,亚洲正逐步成长为重要的高压海缆工程应用市场。

历经充油、浸渍纸绝缘、交联挤出和非交联挤出绝缘等发展阶段,超高压直流海缆技术趋于成熟,但附件仍是薄弱环节。高压直流海缆是一种复杂的系统化装备技术,涉及本体、附件、试验及施工、运维等方面,是实现跨海输电应用的关键因素。至2019年年底,超高压直流海缆本体技术逐步趋于成熟,主要包括黏性浸渍纸绝缘和挤出绝缘两种技术路线,技术水平可达±200kV~±600kV/1000MW~2500MW。附件技术是实现大长度海缆的关键因素,相关材料和工艺极其复杂,是最大薄弱环节。海缆施工过程受海况地质、天气变化和海底洋流等意外情况影响很大,对于海缆工程的可靠性、经济性都有重要影响,而人类活动是造成海缆发生故障的主要原因,海缆工程的故障抢修一直以来都是海缆运维的最大难点之一。

随着大规模海上清洁能源开发和电网跨海互联的快速发展,海缆工程输送容量、距离及经济性提升需求逐步增加,发展特高压直流海缆技术需求不断增强。预计未来30年,亚洲、欧洲、北美洲和非洲跨海工程总输送距离将分别达到10000、9000、5000km和4000km,总容量分别达到120、120、40GW和50GW,其中大部分工程输送容量需达到4000~8000MW,部分输送距离可达2000~3000km。超高压直流海缆在技术上已经很难满足未来需求,因此亟须发展±800kV及以上特高压直流海缆技术。经济性方面,±200~±600kV超高压直流海缆双极综合造价为100万~260万美元/km,是同等级架空线造价的5~10倍,仍处于较高价位。但同时,随着电压等级和导体截面的提升,直流海缆单位容量造价呈下降趋势,因此未来特高压大容量直流海缆将比超高压直流海缆更具经济性,将具有较好的发展前景。

相较于超高压直流海缆,特高压直流海缆在关键技术和综合经济性指标上具有更高的要求。技术方面,结合未来容量需求、生产工艺及设备能力,预计未来±800kV~±1100kV/4000MW~12000MW特高压直流海缆(挤出绝缘)绝缘材料单位耐压能力需不低于43~65kV/mm,较北欧化工LS4258材料的性能需提升43%~117%;绝缘材料耐热能力需不低于110°C,需提升22.2%;截面积为1250~4500mm2。经济性方面,预计未来±500kV/2000MW~3000MW、±600kV/4000MW、±800kV/8000MW直流海缆需低于250万、300万、700万美元/km,才能具有较好的市场竞争力。

特高压直流海缆研发将面临电压、容量、距离、海深提升等核心技术瓶颈,经济性提升是特高压直流海缆推广应用的关键因素,市场及政策因素是进一步促进特高压直流海缆发展的催化剂。发展特高压直流海缆需要突破绝缘材料、加工工艺、附件技术、施工技术及后期运维技术等诸多方面。其中绝缘材料的电气性能、结构设计和工艺是电压提升的核心瓶颈,导体截面和绝缘材料热特性是提升容量的主要挑战。接头技术是实现远距离输送的关键环节,也是海缆工程的薄弱环节,后期运维技术很大程度上将决定工程运行的可靠性和维修效率。施工技术和配套装备将直接影响施工效率和工程质量,进而影响造价水平,海缆本体和施工能力提升是深海工程建设的保障。因此,随着全球海缆工程的不断增加,成立更多专门的海缆施工及运维团队将成为未来的重点需求之一。相比于架空线路,高昂的造价水平很大程度上限制了海缆的大规模应用和发展,但是海缆在占地、环保等方面又具有明显的优势,因此经济性的进一步提高是实现特高压直流海缆推广应用过程中,除技术挑战外的另一个关键因素。在市场及政策方面,基于海缆工程的复杂性和不确定性,市场在选择输电方案时会比较谨慎,同时缺乏由国家政府出台与海缆相关的鼓励性政策,在一定程度上影响了海缆技术的发展和经济性的提升。

未来中短期可以实现±800kV/4000MW特高压直流海缆技术水平,中长期有望突破±800kV/8000MW技术水平。成熟可靠的浸渍纸绝缘技术、发展迅速的挤出绝缘技术均是未来短期实现低容量特高压直流海缆的技术路线。中长期来看,挤出绝缘技术工艺简单、性能可靠,是实现更大容量、更高电压等级的潜在技术路线。在提升、优化绝缘结构设计的基础上,预计2025年可实现±800kV/4000MW水平并应用于工程。随着绝缘材料耐热性能的进一步提高,预计2035年可达到±800kV/8000MW水平。预计到2050年,导体和绝缘材料特性取得重大突破的条件下,有望突破±1100kV电压等级技术水平。

特高压直流海缆的研发是一个循序渐进的系统性工程,需要分阶段、分步骤突破材料、设计和工艺等关键技术。2025年前,重点优化浸渍纸和挤出技术的绝缘结构设计,构建涉及空间电荷、温度、电场、电导率、介电常数等参数的直流海缆绝缘结构设计的基础理论,通过纳米掺杂和基料提纯等方法减小空间电荷的影响,研究电场反转机理和抑制方法,提升本体和附件的加工工艺和运行可靠性;研发特高压等级试验终端,建设特高压系统化试验基地;满足±800kV/4000MW特高压直流海缆工程的要求。2025—2035年,提升绝缘材料的制造水平,研发高纯高净的绝缘基料,将长期耐受温度提升至110°C,绝缘强度提升至43kV/mm,并研究与其匹配的屏蔽材料;探索和研究各类热固性和热塑性的潜在绝缘材料在热学和绝缘特性提升上的发展潜力,为新型绝缘材料研发做准备;研发适应2000m海深作业的深海勘探、检测、打捞的海底机器人和其他设备;满足在较广泛应用场景中建设±800kV特高压大容量直流海缆工程的应用需求。2035—2050年,深入全面研究潜在绝缘基料,提升化工合成能力,开发绝缘强度高达65kV/mm的新型绝缘材料;根据新型材料性能特点设计海缆绝缘结构,提高海缆本体阻水性、抗压能力、抗变形能力,形成工业化批量生产的加工能力和生产水平;进一步提升深海作业设备,特别是海底机器人的抗压能力和控制水平,形成3000m大海深、2000km长距离的工程施工能力;满足特高压直流海缆工程在全球范围内广泛应用的要求。

随着技术的进步和推广,未来特高压直流海缆的经济性将大幅提升,可达到预期经济目标。预计2050年,±800kV/4000MW和±800kV/8000MW直流海缆造价将达到260万美元/km和440万美元/km,±1100kV/12000MW海缆造价有望达到580万美元/km,具备较好的经济性和市场竞争力。

发展特高压直流海缆将带来巨大的技术、经济效益和社会环境及政治效益。一方面可促进材料、工艺、控制等相关产业技术进步,带动高达1500亿美元的跨海直流输电工程投资。另一方面可提升区域能源供应安全水平,并增加约1400万相关行业就业岗位。同时可促进能源清洁化进程,有效应对气候变化难题,并减少超过10万km2陆地资源。另外,发展特高压直流海缆还可促进能源电力交易新机制,加快建设海上清洁能源开发和全球能源互联网构建的进程,增强能源互联互通水平,提升岛屿国家的供电水平,提升能源输送安全性,促进区域协同发展。

特高压直流海缆的研发,需要产学研各方联合开发和努力才能实现。一方面需要世界各国高度重视特高压海缆的技术、经济和社会等效益,争取提前布局、抢占市场先机。另一方面对于有技术、有能力的国家、机构,建议政府和其他决策机构能够在2025年前颁布推动新材料研发、装备制造等面向技术实现的政策和指导性文件,在2025—2035年通过税收减免、出口补贴等在商业化推广方面出台相关扶持政策,积极支持大容量跨海互联工程建设,开展工程示范,促进投资。建议研究机构和生产企业能够积极参与发展路线图的制定,细化研发规划,实现共同开发。