高效低碳燃气轮机试验装置概况

  

  项目背景

  法人单位:中国科学院工程热物理研究所

  参建单位:江苏中国科学院能源动力研究中心、上海浦东先进能源动力研究中心

  主管部门中国科学院 

  共建部门江苏省人民政府、上海市人民政府 

  高效低碳燃气轮机试验装置项目的法人单位为中国科学院工程热物理研究所,参建单位为江苏中国科学院能源动力研究中心和上海浦东先进能源动力研究中心。中国科学院依托相关科技优势以及前期多个大科学装置研建和运行管理经验,支撑本设施建设。

  中国科学院工程热物理研究所建立了完整的叶轮机械气动、冷却、稳定性、多燃料燃烧室试验研究平台,开展了系统的燃气轮机压气机、燃烧室、透平各部件及新型循环的研究,掌握了燃气轮机试验装置的核心技术,并形成了素质优良、年龄结构合理、专业种类齐全、勇于创新、团结协作的高水平研究队伍,具备承建高效低碳燃气轮机试验装置的能力。

  参建单位江苏中国科学院能源动力研究中心,在连云港市已对本项目设施开展了预研工程建设和先导运行,为本项目设施的建设打下了坚实基础。参建单位上海浦东先进能源动力研究中心,是为了实施本项目的建设和管理,由国内科研院所、高校和企业等5家单位共同组建的事业单位。

  本项目拟建在江苏省连云港市和上海市浦东新区。江苏省是国家创新型试点省份,连云港是国家创新型试点城市、国家东中西区域合作示范区、“一带一路”的交汇点、国务院《江苏沿海地区发展规划》的中心城市、国家七大石化产业基地之一、中国十大海港之一,为项目实施做了长期、充分的准备。上海市具有创新要素集聚、国际交流基础好等独特优势,2016年获国家批准建设具有世界影响力的科技创新中心和上海张江综合性国家科学中心。

  科学背景

  1、高效低碳燃气轮机试验装置是什么?

  高效低碳燃气轮机是高温、高压、高速旋转的热力叶轮机械,其内部气动热力、流热化固耦合复杂,强依赖于长期试验和数据的积累。燃气轮机由压气机、燃烧室和透平等部件构成,是最高效(联合循环效率已达到64.0%)、最清洁(氮氧化物排放低于25ppm)的大功率热功转换装置。燃气轮机试验装置是多科学、技术和工程的融合工程,本装置可提供实际、真实的试验研究环境,是开展燃气轮机科学技术问题、应用和开发研究,进行创新活动的科技基础设施。

 

  图1:高效低碳燃气轮机试验装置图

  2、建设高效低碳燃气轮机试验装置的重大意义是什么?

  长期以来,我国深受大功率燃气轮机试验装置空白的瓶颈制约,没有开展燃气轮机重大科技问题攻关的基础性条件,无法获得关键的科学数据和依据,没有形成技术和人才的有效积累,与国外差距至少30年,无一产品走完从基础研究到使用发展的完整过程,缺乏自主技术、产品和产业。我国至今停留在“市场换技术”获得的组装业务,不掌握燃气轮机设计技术和热端部件制造及维护技术,国内燃机的调试、检修、维护等工作几乎全部由国外燃机生产销售企业完成。尽快建设高效低碳燃气轮机试验装置,是我国燃气轮机科学技术和产业发展的迫切需求。

  通过本设施的建设和运行,为天然气高效利用、煤炭能源高效清洁低碳利用及联产,可再生能源利用、第四代核能、储能、工艺应用、工业节能中的燃气轮机技术研发提供世界先进水平的试验平台,提升相关产业的自主化,促进新兴高技术产业发展。

  3、建设高效低碳燃气轮机试验装置的目标是什么?

  本项目的科学目标是:围绕化石燃料的高效转换和洁净低碳利用中的燃气轮机,研究先进、新型动力循环能量转换规律,高温高压多气氛下掺混、流动和反应耦合的高强度化学能释放及污染物生成机制,固有非定常、强三维、复杂几何边界下高稳定性、高效热-功转换的气动热力学及交叉耦合问题,热端旋转和静止部件的传热、流热固等交叉耦合问题,取得理论和方法的重大突破,开辟燃气轮机发展的新途径;掌握大流量、高负荷、宽裕度、高效率压气机技术,多燃料、高效率、低排放低碳燃烧室技术,大功率、高温、高效冷却透平技术,高效低碳动力循环系统技术,创新关键技术和集成;为我国燃气轮机技术和产业夯实基础,加速追赶,面向未来,实现自主发展,提供基础源头和强大的科技驱动力。

  本项目的工程目标是:建成总体技术水平和研究支撑能力位居世界前列的高效低碳燃气轮机试验装置。建设燃气轮机压气机、燃烧室、透平、先进循环试验平台及其高精度测试系统。压气机试验平台驱动功率60MW,具备工程模化单/多级压气机试验能力;燃烧室试验平台的进口空气压力3.5MPa、流量60kg/s、温度600℃,多燃料和工质,具备全温全压单筒全尺寸全流量燃烧室试验能力;透平试验平台进口工质流量60kg/s,最高温度1700℃,多种冷却介质,具备透平性能及冷效试验能力;高效新型循环热功率25MW,低碳超临界CO2循环热功率5MW,具备先进循环试验能力。形成高效低碳燃气轮机重大科学问题、关键技术、部件及系统特性的研究手段和工具,成为国内、国际多用户的开放共享平台,为我国高效低碳燃气轮机科技自主创新、研制燃气轮机产品和滚动发展提供国际先进的研究条件。

  4、建设高效低碳燃气轮机试验装置的主要内容是什么?

  本项目设施主要建设内容由相互匹配的燃气轮机压气机、燃烧室、透平三大部件和循环试验研究系统构成,支持燃气轮机部件及循环试验研究。包括:压气机试验平台、燃烧室试验平台、透平试验平台、循环试验平台、公用系统和公用工程。

  (1)压气机试验平台包括单/多级压气机试验台;

  (2)燃烧室试验平台包括高温高压光学通透燃烧、全温加压单筒全尺寸燃烧室、全温全压单筒全尺寸燃烧室3个试验台;

  (3)透平试验平台包括冷却/封严试验台、高温喷嘴叶栅试验台、多级旋转透平流动/冷却综合试验台3个试验台;

  (4)循环试验平台包括高效新型循环试验台和低碳超临界CO2循环试验台;

  (5)公用系统包括测控分系统、燃料与工质分系统、计量校准分系统、数据中心,其中燃料与工质分系统包括天然气、合成气、氢气、一氧化碳、柴油等多种燃料供应以及空气、氮气、蒸汽、氧气、二氧化碳等多种工质的供应系统,测控分系统包括各分系统的数据采集和测控等,计量校准分系统包括与试验相关的计量校准等,数据中心包括实时数据存储、分析和管理;

  (6)公用工程包括电、循环冷却水、除盐水、仪表空气、消防和各建筑物的建筑、结构以及室外工程等。其中,压气机试验平台、透平试验平台中的冷却/封严试验台、低碳超临界CO2循环试验台以及相应的公用系统、公用工程在上海市浦东新区建设;燃烧室试验平台、透平试验平台中的高温喷嘴叶栅试验台和多级旋转透平流动/冷却综合试验台、高效新型循环试验台以及相应的公用系统、公用工程在江苏连云港市建设。