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高大上的压缩机!用在兆瓦级超临界二氧化碳发电机组上


近日,由中国船舶集团所属重庆江增船舶重工有限公司自主研制的国内首台6兆瓦超临界二氧化碳透平压缩发电机组完成机械运转试验,机组运行情况良好,达到设计要求,顺利出厂交付用户,标志着江增重工核心技术成功应用于又一全新领域。作为目前国内唯一一家取得商业合同的厂家,江增重工自主研制的我国首台6兆瓦级大功率高效超临界二氧化碳透平压缩发电机组,进口压力超过20MPa,温度高达600℃,综合性能达到国际领先水平。该机组完全由江增重工技术中心设计开发、全资子公司昆山江锦机械承制。在该产品的设计制造过程中,专项研发小组克服重庆、江苏两地距离带来的不便,高效协同、精诚合作,制定了详细的开发计划及实施方案,从工艺文件制定、铸锻件原材料采购,再到零件加工,装配及试验,做到“精组织、重部署、强管理、严落实”。基于材料的特殊性、结构的复杂性、尺寸的高精度等特点,工艺方案中制定了首件加工验证,技术员全程跟踪,确保零件加工零风险。超临界二氧化碳发电基本原理超临界二氧化碳发电系统是一种以超临界状态的二氧化碳为工作介质的布雷顿循环系统(注:布雷顿循环Brayton Cycle是典型的热力学循环系统,亦称焦耳循环或气体制冷机循环,是以气体为工质的制冷循环,其工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程,与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近)。其循环过程是:首先,超临界二氧化碳经过压缩机升压;然后,利用换热器将工质等压加热;其次,工质进入涡轮机,推动涡轮做功,涡轮带动电机发电;最后,工质进入冷却器,恢复到初始状态,再进入压气机形成闭式循环。为了提高换热效率,通常会采用中间回热的方式,利用涡轮出口工质的余温预热压缩机出口的工质。循环还可采用多级压缩中间冷却技术进一步提高效率。超临界二氧化碳特性工程上,将某流体所处的压力(P)和温度(T)均超过临界压力(Pc)与临界温度(Tc)时的这种状态称为超临界。超临界流体是区别于气体、液体而存在的第三流体。在能作为超临界流体的化合物中,二氧化碳由于其性质稳定、无毒、不易燃易爆、价廉以及较低的临界压力(7.3MPa)和较低的临界温度(31.05℃)而得到广泛发展。二氧化碳超临界流体介于气体和液体之间,兼有气体、液体的双重特点,其密度接近液体,而粘度近似于气体,其扩散系数是液体的近百倍。超临界二氧化碳所具有的所有特性是超临界发电最为合适的工作介质。透平压缩机要让二氧化碳处于超临界状态,最为重要的一个条件就是使其处于一定压力之下,因此压缩机就是超临界二氧化碳发电系统的“心脏”。由于超临界二氧化碳工质的物性独特,在临界点附近变化剧烈,导致对压缩机相关的高速转子、高压密封、轴承等成套技术有很高的要求。超临界二氧化碳发电系统中所用压缩机通常为透平压缩机,这是一种具有高速旋转叶轮的动力式压缩机。它依靠旋转叶轮与气流间的相互作用力来提高气体压力,同时使气流产生加速度而获得动能,然后气流在扩压器中减速,将动能转化为压力能,进一步提高压力。在压缩过程中气体流动是连续的。透平压缩机是在通风机的基础上发展起来的。它广泛用于各种工艺过程中输送空气和各种气体,并提高其压力。按气体流动方向的不同,透平压缩机主要分为轴流式和离心式两类。在轴流压缩机中,气体近似地沿轴向流动。在离心压缩机中,气体主要沿着径向流动。另外还有一种斜流(混流)压缩机,其气体流动方向介于这两者之间。排气压力在0.15MPa~0.2MPa范围内的透平压缩机又称作透平鼓风机。排气压力低于0.15MPa的则属于通风机,不再称为透平压缩机。“兆瓦”的意义兆瓦是表示功率的单位,常用来指发电机组在额定情况下单位时间内能发出来的电量。兆瓦是功率基础单位瓦的数量级衍生单位,而功率本身是对于单位时间内做功的描述,类似毫瓦、千瓦等名词。兆瓦与千瓦、瓦之间的换算关系是:1兆瓦=100万瓦;1兆瓦=1000千瓦;1兆瓦=0.1万千瓦;1兆瓦=0.01亿瓦。1瓦定义是每秒做功1焦耳,即每小时做功3600焦耳。发展前景与技术进展目前,超临界二氧化碳(SCO2)发电技术装置已经从国家级科研机构与高校的研究及实验阶段发展到商业化的临界点。众多的商业机构如发电公司、零部件供应商、设计研发企业开始形成产业联合体。世界范围内已经有多台1-10MW级别的机组处于商业示范运营阶段。更高功率和参数等级的机组正在设计研发阶段,各研究及商业机构均试图抢占最前沿的技术领域和未来产品市场。从国别来看,美国、日本、韩国、法国均在系统研究、机组设计、零部件加工及系统示范验证方面开展了较多的工作。美国目前是毋庸置疑的技术领先者,预期其在近年内完成商业示范,在3-5年将形成1-10MW级超临界二氧化碳机组完整产业链和成功商业案例。中国国内目前还处在理论研究和小型示范机组建设规划筹建阶段,少数厂商有试制计划和生产能力,与美国差距较为明显。2018年9月,中国科学院工程热物理研究所衡水基地传来喜讯,新工质发电团队完成了我国首座大型超临界二氧化碳(SCO2)压缩机实验平台的建设工作。兆瓦级SCO2 压缩机通用实验平台的建成投运,终结了我国相关研究缺乏实验条件的历史,为研究所深入开展SCO2循环发电系统的研究打下坚实的基础,也为国内从事此项研究的其它科研单位提供了实验支撑。该实验平台是用于测试SCO2压缩机工作性能和开展SCO2流体压缩特性相关基础实验的通用平台,还可以用于开展高速转子测试、轴承测试和密封测试等实验。该平台可调制7~9MPa、0~35℃的亚临界或超临界二氧化碳,压缩机出口压力可以达到20MPa 以上;转子转速最高可达40000r/min以上,流量最大达到30kg/s;可进行百kW到MW级SCO2压缩机的精密连续测试,是目前我国唯一的兆瓦级SCO2压缩机实验平台,也是世界上规模最大等级最高的同类实验平台。

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文章名称:高大上的压缩机!用在兆瓦级超临界二氧化碳发电机组上

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