一三五专栏
十三五规划重点发展方向
中科院重大科研任务
国家973计划课题
所长基金
规划实施动态
科技布局与战略重点
创新2020发展规划总体战略
科研机构
国家能源风电叶片研发(实验)中心
能源动力研究中心
轻型动力实验室
循环流化床实验室
分布式供能与可再生能源实验室
储能研发中心
传热传质研究中心
先进燃气轮机实验室
无人飞行器实验室(筹)
新技术实验室(筹)
 
您当前所在位置:首页>活动专题>一三五专栏>十三五规划重点发展方向
战略性先导科技专项(A类)“变革性洁净能源关键技术与示范”课题“超临界二氧化碳发电关键技术研究”研究进展
发稿时间:2019-12-11         作者:岳鹏,朱玉铭,高峰          来源:传热传质研究中心     【字号:
战略性先导科技专项(A类)“变革性洁净能源关键技术与示范”课题“超临界二氧化碳发电关键技术研究”研究进展
文、图/岳鹏,朱玉铭,高峰   来源/传热传质研究中心
 
一、项目概述
能源是目前世界各国经济增长和社会进步的重要物质基础,然而在本世纪以来,伴随着环境污染、全球气候变暖等等一系列环境问题的不断出现,能源与环境之间的矛盾与日俱增。于是,新的能源研究需求再次高涨,新型工质的发电技术逐渐引起各国的重视。早在上世纪六十年代,科学家Feher就提议以超临界二氧化碳(SCO2)为工质建立一个热力循环发电系统,由于技术条件的限制,直到1990年中期,SCO2发电循环的商业开发才重新启动。本世纪以来,在能环保问题加剧的情况下,SCO2发电技术逐渐引起各国关注。
SCO2发电技术最引人瞩目的特点是不需要很高的循环温度即可达到满意的能量转换效率。SCO2发电系统在透平入口温度达600℃时发电效率一般可达45%左右,比同等条件下的超临界蒸汽循环高5~8%。因此,SCO2发电系统效率更高、设备体积和重量更小,是国际公认的颠覆性前沿技术。该技术在中小型核电、太阳能光热发电舰船推进系统以及分布式热电联供系统等方面具有广阔的应用前景。SCO2布雷顿循环发电技术作为新一代发电和热功转换系统,是工业核心装备,在“能源革命”和国防建设中具有决定性地位。
本课题以熔盐蓄热发电需求为背景,开展SCO2发电关键技术研究,建成兆瓦级实验机组并实现试验运行,设计发电功率1MWe,发电效率和关键部件技术指标达到国际先进水平。突破超临界流体透平设计制造、超高压密封、高速转子单元技术集成和闭式布雷顿循环系统运行控制等关键科学技术问题,为下一步建设工程师范机组的产业化奠定基础。本课题以工程热物理研究所为承担主体,联合衡水中科衡发动力装备有限公司等企业合作进行核心设备研发,委托化工设计院进行试验装置的施工设计。
 
二、项目进展情况
1.部件测试
2018年9月,经过四个多月建设施工,研发团队在研究所衡水基地建成了国内首台兆瓦级SCO2压缩机通用测试平台。这是目前国内唯一的SCO2压缩机部件实验台,也是进行相关研究的重要实验基础。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。
 
图1 兆瓦级SCO2压缩机测试平台室内部分
 
图2 兆瓦级SCO2压缩机测试平台室外部分
研发团队完成了控制系统开发与调试、系统联调联试,开展了CO2充装和SCO2状态调制、高速转子空载和带载测试等一系列实验。在该实验台上开展了多次压缩机原理样机测试工作,获取了大量有价值的实验数据。目前已达到35000设计转速,在7MPa近临界入口压力下,完成了低压比初步试验,压比达到1.425。在多方面实验数据的支持下,经过科学的分析,对实验样机进行了多次卓有成效的优化,为最终完成压缩机和膨胀机工程样机的研制和测试定型,积累了大量具有指导意义的成果。
 
图3 质量流量和压比与进口压力关系

此外,研发团队还开展了SCO2换热器优化设计方法研究,特别是针对多台换热器之间的连接形式,基于“分布匹配、协同优化”的思想,提出了多台换热器之间有效串并联方案,在不增加换热面积和压降条件下实现换热系统性能的优化。
2.示范机组建设工程设计
研发团队在进行部件测试的同时,示范机组工程设计和关键部件设计工作也已经同步展开。示范机组建设场地同样选址于研究所衡水基地。衡水市高新区对项目建设给予了大力支持,在基地预留厂房用于机组建设,目前配套基础设施正在紧张施工。研究团队联合施工单位和各方设计单位,共同完成了示范机组方案和管道设计,已将图纸交付施工单位进行基础建设。示范机组80%以上的工程设计资料已基本齐全。
在示范机组热源方面,研究所与东方锅炉厂合作,定制7MW燃气取热器一台,现已进入生产阶段。天然气气源方面,研发团队会同高新区管委会以及衡水中石油昆仑燃气有限公司展开协商,确定了供气需求相关参数和供气管道布局,昆仑燃气公司已经进入审批程序。
示范机组用压缩机工程样机已完成工程设计并交付加工。在膨胀机设计方面,针对膨胀机轴系工作环境温度较高的情况,集中解决了主轴冷却和机匣冷却的结构设计问题,并联合哈汽公司等膨胀机转子性能进行了校核,结果显示能够满足振动要求,结论一致。
在换热器研制方面,研究所联合加工企业开展了兆瓦级大型PCHE回热器、预冷器设计和制造技术攻关,已完成100kW缩比样机的研制和测试,换热指标符合设计要求。示范机组用换热器工程样机正在交付加工。
在控制系统设计方面,研发团队联合国内专业公司和高校,进行了示范机组DCS控制系统的开发,和系统动态运行仿真平台的建设,为示范机组运行控制奠定基础。
 
三、交流与合作
伴随课题研究,课题组与干气密封、齿轮箱、透平、锅炉和换热器等国内企业和高校等建立了紧密的合作关系,与部分主机设备厂商达成战略合作,共同推进产品的研发和示范应用。课题组在SCO2透平气动设计、高压密封和转子动力学特性,SCO2工质传热和换热器研发等方面开展了基础研究,已发表SCI论文3篇,申请专利10余相。其中,CO2换热器夹点问题的研究论文获得传热年会优秀论文。此外,与澳大利亚太阳能研究所、昆士兰大学等开展了广泛学术交流,达成了透平部件测试服务意向。
 
四、未来工作计划
项目的核心目标是突破SCO2发电机核心技术,形成具有完全自主知识产权的设计和产品体系,在国内率先建成兆瓦级SCO2发电技术示范运行机组。根据课题的五年目标规划,将在2020年完成压缩机和换热器等核心部件的测试定型,完成示范机组建设和控制系统的软硬件开发,并在2021年左右实现示范运行。
 
评论
相关文章